Peut-on récolter de l’eau sur la Lune sans s’endetter ?

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Nous vivons dans un monde dans lequel des décisions importantes sont prises par des personnes souvent sans prévoyance. Mais certaines choses sont prévisibles, notamment le fait que si vous consommez continuellement une ressource limitée sans recyclage, elle finira par s’épuiser.

Pourtant, alors que nous visons à retourner sur la lune, nous emporterons avec nous toutes nos mauvaises habitudes, y compris notre envie de consommer sans restriction.

Depuis la découverte en 1994 de glace d’eau sur la lune par le vaisseau spatial Clementine, l’excitation a régné à la perspective d’un retour sur la lune. Cela faisait suite à deux décennies de marasme après la fin d’Apollo, un malaise qui était symptomatique d’un manque sous-jacent d’incitation à revenir.

Cette eau a tout changé. Les dépôts de glace d’eau sont situés aux pôles de la lune cachés dans les profondeurs de cratères qui sont à jamais dépourvus de soleil.

Depuis lors, notamment grâce à la Station spatiale internationale, nous avons développé des techniques avancées qui nous permettent de recycler l’eau et l’oxygène avec une grande efficacité. Cela rend la valeur de l’approvisionnement en eau locale pour la consommation humaine plus ténue, mais si la population humaine sur la Lune augmente, la demande augmentera. Alors, que faire de l’eau sur la lune ?

Il y a deux réponses couramment proposées : stockage d’énergie à l’aide de piles à combustible et carburant et comburant pour la propulsion. La première est facilement supprimée : les piles à combustible recyclent leur hydrogène et leur oxygène par électrolyse lorsqu’elles sont rechargées, avec très peu de fuites.

Énergie et carburant

La seconde – actuellement la principale raison d’être de l’extraction d’eau sur la lune – est plus complexe mais pas plus convaincante. Il est à noter que SpaceX utilise un mélange méthane/oxygène dans ses fusées, de sorte qu’ils n’auraient pas besoin du propulseur d’hydrogène.

Ainsi, ce qui est proposé, c’est d’exploiter une ressource précieuse et limitée et de la brûler, tout comme nous l’avons fait avec le pétrole et le gaz naturel sur Terre. La technologie d’exploitation minière et d’utilisation des ressources dans l’espace a un nom technique : utilisation des ressources in situ.

Et bien que l’oxygène ne soit pas rare sur la lune (environ 40 % des minéraux de la lune contiennent de l’oxygène), l’hydrogène l’est très certainement.

Extraire l’eau de la lune

L’hydrogène est très utile comme réducteur ainsi qu’un carburant. La lune est un vaste réservoir d’oxygène dans ses minéraux, mais elle a besoin d’hydrogène ou d’un autre réducteur pour être libéré.

Par exemple, l’ilménite est un oxyde de fer et de titane et est un minéral courant sur la lune. Le chauffer à environ 1 000 C avec de l’hydrogène le réduit à eau, fer métallique (à partir duquel une technologie à base de fer peut être exploitée) et oxyde de titane. L’eau peut être électrolysée en hydrogène — qui est recyclé — et en oxygène ; ce dernier s’est effectivement libéré de l’ilménite. En brûlant de l’hydrogène extrait de l’eau, nous compromettons les perspectives des générations futures : c’est le nœud de la durabilité.

Mais il y a d’autres problèmes plus pragmatiques qui émergent. Comment accéder à ces ressources de glace d’eau enfouies près de la surface lunaire ? Ils sont situés sur un terrain hostile dans tous les sens du terme, dans des cratères profonds à l’abri du soleil – aucune énergie solaire n’est disponible – à des températures d’environ 40 Kelvin, soit -233 C. À de telles températures cryogéniques, nous n’avons aucune expérience en mener de vastes opérations minières.

Des pics de lumière éternelle sont des sommets de montagne situés dans la région du pôle sud qui sont exposés à un ensoleillement quasi constant. Une proposition du Jet Propulsion Lab de la NASA envisage rayonnant la lumière du soleil à partir de réflecteurs géants situés à ces sommets dans des cratères.

Les pics de lumière éternelle à la surface de la lune sont exposés à une lumière solaire quasi constante. La source: Physique appliquée NASA/Université Johns Hopkins

Ces miroirs géants doivent être transportés depuis la Terre, atterris sur ces sommets et installés et contrôlés à distance pour éclairer les cratères profonds. Ensuite, des véhicules miniers robotisés peuvent s’aventurer dans les cratères profonds maintenant illuminés pour récupérer la glace d’eau en utilisant l’énergie solaire réfléchie.

La glace d’eau peut être sublimée en vapeur pour être récupérée par chauffage thermique direct ou par micro-ondes – en raison de sa capacité calorifique élevée, cela consommera beaucoup d’énergie, qui doit être fournie par les miroirs. Alternativement, il peut être physiquement déterré et ensuite fondu à des températures à peine plus modestes.

Utiliser l’eau

Après avoir récupéré l’eau, elle doit être électrolysée en hydrogène et oxygène. Pour les stocker, ils doivent être liquéfiés pour un volume minimum du réservoir de stockage.

Bien que l’oxygène puisse être facilement liquéfié, l’hydrogène se liquéfie à 30 Kelvin (-243 C) à une pression minimale de 15 bars. Cela nécessite une énergie supplémentaire pour liquéfier l’hydrogène et le maintenir liquide sans évaporation. Cet hydrogène et oxygène (LH2/LOX) refroidis cryogéniquement doit être transporté jusqu’à son lieu d’utilisation en maintenant sa basse température.

Donc, maintenant nous avons nos stocks de propergol pour lancer des trucs depuis la lune.

Cela nécessitera une rampe de lancement, qui peut être située à l’équateur de la lune pour une flexibilité maximale de lancement dans n’importe quelle inclinaison orbitale, car un site de lancement polaire sera limité aux lancements polaires – à la passerelle lunaire prévue uniquement. Une rampe de lancement lunaire nécessitera un développement important de l’infrastructure.

En résumé, l’apparente facilité d’extraction de la glace d’eau des pôles lunaires dément une infrastructure complexe nécessaire pour y parvenir. Les coûts d’installation de l’infrastructure annuleront la justification des économies de coûts pour l’utilisation des ressources in situ.

Alternatives à l’extraction

Il existe des options plus préférables. La réduction à l’hydrogène de l’ilménite pour produire du fer, du rutile et de l’oxygène offre la plupart des avantages de l’exploitation de l’eau. L’oxygène constitue la part du lion du mélange LH2/LOX. Il n’implique pas de grandes infrastructures : l’énergie thermique peut être générée par des concentrateurs solaires de taille modeste intégrés aux unités de traitement. Chaque unité peut être déployée là où elle est nécessaire – il n’y a pas besoin de longues traversées entre les sites d’offre et de demande.

Par conséquent, nous pouvons réaliser presque la même fonction grâce à une voie différente et plus facilement réalisable pour l’utilisation des ressources in situ qui est également durable en extrayant de l’ilménite abondante et d’autres minéraux lunaires.

Ne répétons pas les mêmes erreurs insoutenables que nous avons commises sur Terre – nous avons une chance de bien faire les choses alors que nous nous propageons dans le système solaire.La conversation

Alex Ellery, professeur, Chaire de recherche du Canada en robotique spatiale et technologies spatiales, Université Carleton

Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.

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