Fabriquer de l’oxygène avec le sol lunaire : le futur de l’exploration spatiale  ?

Source: The Conversation – in French – By Jack Robinot, Doctorant en sciences de l’ingénieur, Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

Alors que les projets de retour sur la Lune se multiplient, et cette fois-ci pour s’y implanter durablement, comment respirer sur un astre sans atmosphère ? La réponse se trouve peut-être dans la poussière qui recouvre notre satellite.

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Une nouvelle course à la Lune se dessine entre les États-Unis et la Chine. Contrairement à il y a cinquante ans, il n’est plus seulement question d’alunir et de repartir, mais bien d’établir une base qui autorise une présence durable et des séjours prolongés à la surface de notre satellite naturel. L’objectif est désormais de se servir de la Lune comme d’un bac à sable pour tester les technologies qui nous permettront de voyager plus loin, notamment vers Mars.

L’une de ces technologies clés est l’in-situ resource utilization (ISRU), c’est-à-dire l’exploitation des ressources disponibles sur place afin de produire les consommables nécessaires aux activités humaines : oxygène, eau, carburants pour les fusées ou matériaux de construction. En produisant directement sur la Lune ce qui est indispensable à la vie et aux opérations, il sera possible de réduire significativement la masse de cargaison à expédier depuis la Terre, réduisant ainsi les coûts logistiques et financiers de l’exploration spatiale. Plutôt que d’importer ces ressources depuis la Terre, il s’agit d’apprendre à vivre sur la Lune.

Décomposer la poussière lunaire pour en extraire de l’oxygène

À l’aube de ce retour durable de l’être humain sur la Lune, l’ISRU s’impose donc comme un pivot stratégique. L’un des défis majeurs est de produire de l’oxygène à partir du régolithe, la couche de sol qui recouvre la Lune, principalement formée de petits fragments de roches et de poussières. La composition du régolithe est complexe. Celui-ci est essentiellement constitué de plusieurs minéraux (plagioclase, pyroxène, olivine) eux-mêmes constitués d’un mélange d’oxydes métalliques, des composés chimiques qui associent de l’oxygène à un autre élément comme du silicium, du fer ou du calcium.

Environ 40 à 45 % de la masse du régolithe est donc composée d’oxygène, ce qui en fait l’élément le plus abondant à la surface de la Lune. L’oxygène est omniprésent, mais il n’existe pas sous forme gazeuse comme dans l’atmosphère terrestre. Pour libérer l’oxygène, il faut briser les liaisons chimiques qui l’attachent aux autres éléments dans les oxydes du sol lunaire.

Une des méthodes envisagées est la pyrolyse, un type de réaction chimique qui permet de décomposer des matériaux grâce à de hautes températures, afin de produire des composés volatils. Appliquée au régolithe, il est possible de le chauffer jusqu’à ce que les oxydes métalliques se vaporisent et se décomposent en oxygène et en métaux.

Sur la Lune, l’énergie thermique serait fournie grâce à la concentration solaire, un procédé qui consiste à utiliser des miroirs ou des lentilles pour focaliser la lumière du Soleil vers une petite zone. Les rayons se rassemblent alors en un faisceau et convergent en un point focal où l’énergie est fortement concentrée, permettant d’atteindre des températures de plusieurs milliers de degrés. Cette méthode prévoit également d’exploiter le vide lunaire, un environnement qui favorise les réactions libérant du gaz. Cela permettra de diminuer la quantité d’énergie nécessaire à la réaction.

Le four solaire, une méthode efficace et peu coûteuse

La Lune a un environnement particulièrement favorable à la pyrolyse solaire. Dépourvue d’atmosphère, la pression à sa surface est extrêmement faible, de l’ordre de 10⁻¹⁵ bar. L’absence d’atmosphère offre un second avantage : le rayonnement solaire ne peut pas être absorbé par celle-ci ni bloqué par des nuages. Cela permet d’obtenir des flux solaires concentrés plus élevés que sur Terre. De plus, certaines zones géographiques à son pôle Sud sont exposées à la lumière du Soleil jusqu’à 90 % du temps. Ainsi, en combinant le vide lunaire avec des systèmes de concentration solaire, on peut concevoir un procédé relativement simple, robuste et potentiellement efficace pour extraire de l’oxygène du régolithe.

Au sein du laboratoire Procédés, matériaux, énergie solaire (Promes-CNRS), spécialisé dans les technologies de concentration solaire, nous travaillons à la validation du concept de base de la pyrolyse qui pourra à l’avenir être déployé sur la Lune. Implanté sur le site du grand four solaire d’Odeillo (Pyrénées-Orientales) en Occitanie, le laboratoire dispose d’infrastructures expérimentales uniques au monde vouées à l’étude des procédés hautes températures. Parmi ces équipements figurent notamment des paraboles de deux mètres de diamètre permettant de concentrer 10 000 fois les rayons solaires sur une tache d’environ 2 cm de diamètre et d’atteindre des températures de plus de 3 000 °C.

Cette énergie alimente le réacteur de pyrolyse, une enceinte sous vide conçue pour exposer des échantillons de matériaux qui simulent le régolithe lunaire au flux solaire concentré. Les pastilles de simulant sont placées sur un support en cuivre refroidi, tandis qu’une parabole focalise la lumière du Soleil à l’intérieur du réacteur pour assurer leur chauffage. Une pompe à vide maintient une pression d’environ 10 millibars. Une cellule électrochimique permet de déterminer en continu la concentration d’oxygène dans le réacteur.

L’échantillon est ensuite progressivement chauffé et commence à fondre aux alentours de 1 200 °C. Le régolithe atteint par la suite des températures d’environ 2 000 °C. Dans ces conditions, les oxydes présents dans l’échantillon commencent à se vaporiser et se dissocient pour libérer de l’oxygène.

D’autres produits en plus de l’oxygène

Lors des premiers essais, 35 mg d’oxygène ont été extraits à partir d’une pastille de 3,38 g, soit environ 1 % de la masse totale. Cela correspond à 2,5 % de l’oxygène contenu dans le simulant de régolithe. Une fois l’expérience achevée, une bille de verre est obtenue à la place de la pastille de régolithe. La fraction de régolithe qui s’est vaporisée lors de l’expérience se condense sur les parois froides du réacteur sous la forme de composés minéraux. Ces espèces sont collectées afin de les caractériser ensuite et de déterminer leur composition chimique.

Après pyrolyse, la bille de verre formée présente une composition chimique différente de celle du simulant de régolithe initial. Les oxydes volatils, qui se sont échappés lors du processus, y sont moins concentrés, à l’inverse des oxydes non volatils. Les espèces les plus volatiles ont été retrouvées dans les dépôts collectés sur les parois du réacteur, où elles se sont condensées lors de la pyrolyse.

Cette observation suggère qu’il serait aussi possible d’utiliser la pyrolyse comme une méthode pour séparer les oxydes dans le régolithe selon le principe de la distillation. Ces coproduits pourraient être exploités pour la fabrication de structures, d’outils ou de matériaux de construction directement sur la Lune, renforçant ainsi l’autonomie des futures missions lunaires.

Passer de la preuve de concept aux conditions réelles

Ces premiers essais ont permis de déterminer un rendement, mais celui-ci reste faible. Les prochaines étapes de développement viseront à réduire la pression à l’intérieur du réacteur, afin de se rapprocher des conditions lunaires. Une pression réduite devrait permettre de diminuer les températures mises en jeu lors de la pyrolyse, afin de vaporiser intégralement l’échantillon et d’augmenter le rendement.

Par la suite, il sera également pertinent de tester différents types de régolithes, ainsi que les minéraux et oxydes individuels qui les composent, afin de mieux comprendre la chimie des réactions. Le réacteur de pyrolyse se devra de fonctionner en continu afin d’exploiter au mieux le jour lunaire. Le procédé peut encore être optimisé. Un contrôle plus précis de la température permettrait de mieux maîtriser les réactions et d’améliorer leur rendement. Une collecte plus efficace des gaz produits viserait à limiter les pertes d’oxygène. Nous espérons également réduire les pertes thermiques en utilisant un creuset et en l’isolant. Enfin, une meilleure condensation des sous-produits permettrait d’identifier et de valoriser les matériaux formés lors de la pyrolyse en plus de l’oxygène.

L’ensemble du système (réacteur, miroirs et dispositifs de concentration solaire) devra en outre être robuste et fiable, capable de résister aux conditions extrêmes de l’environnement lunaire : poussière abrasive, radiations, fortes variations thermiques… Enfin, l’oxygène généré devra être stocké, purifié pour le séparer d’autres éléments qui peuvent être présents dans le gaz et utilisé. Il faut aussi penser à la logistique d’alimentation du réacteur en régolithe, qu’il s’agisse de son extraction, de son transport ou de son utilisation après traitement.

La pyrolyse solaire sous vide est une méthode particulièrement bien adaptée aux conditions lunaires. Elle tire parti du vide naturel de la Lune, demande peu de ressources importées et utilise l’énergie solaire, abondante sur un satellite sans atmosphère. Les tests à Odeillo ont déjà prouvé la faisabilité du concept, mais les rendements doivent encore être améliorés et les défis techniques restent considérables. En produisant localement de l’oxygène et des matériaux, le procédé soutiendrait les futures bases lunaires et réduirait leur dépendance vis-à-vis de la Terre.

Jack Robinot a reçu des financements du CNES et de la région Occitanie.

Sylvain Rodat a reçu des financements de la région Occitanie et un support matériel de l’ESA (Agence spatial européenne) qui a fourni le simulant de régolithe.

Alexis Paillet et Stéphane Abanades ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’ont déclaré aucune autre affiliation que leur poste universitaire.

– ref. Fabriquer de l’oxygène avec le sol lunaire : le futur de l’exploration spatiale  ? – https://theconversation.com/fabriquer-de-loxygene-avec-le-sol-lunaire-le-futur-de-lexploration-spatiale-272875