Pour vivre sur Mars, la première des priorités sera la production d’énergie

Mars est sûrement le moins inhospitalier des corps célestes aujourd’hui accessibles mais aucune vie « hors cocon » très structuré, n’y sera possible. L’homme ne pourra y séjourner et a fortiori s’y installer sans un sérieux support énergétique. Des solutions ont été imaginées pour le créer. Elles peuvent sans nulle doute être mises en œuvre mais elles ne permettront qu’un développement progressif, lent et probablement limité de la population.

En effet Mars n’a certainement pas connu la riche production biologique qu’a connu la Terre et notamment l’explosion de vie du Carbonifère. Cela implique qu’il n’y a ni charbon ni pétrole ni autres hydrocarbures fossiles. Il n’y a pas non plus d’eau liquide et il ne peut donc y avoir de fluide qui par gravité ou force de courants, pourrait actionner des turbines. Pour ce qui est de l’éolien, on aura pratiquement la même limitation. En effet, même si les vents peuvent déplacer les particules fines de poussière à de très grandes vitesses (comme sur Terre), leur force est limitée en proportion de leur densité et cette densité est extrêmement faible en raison du faible volume de l’atmosphère, de la faible force de gravité, et de la très faible pression atmosphérique qui en résulte (6 millibars en moyenne). Pratiquement, lors des plus fortes tempêtes de 300 km/h, les vents auront une force ressentie de quelques 50 km/h seulement. En temps “normal” donc, la force du vent sera totalement insuffisante pour faire tourner les pales d’une éolienne.

Il reste heureusement plusieurs sources possibles d’énergie*,  le nucléaire, le solaire, la géothermie, mais elles risquent de n’être pas aisées à mettre en œuvre.

*Je parle ici d’énergie primaire puisque c’est cela dont nous avons d’abord besoin dans un environnement totalement vierge.

Dès les premières missions habitées le générateur à fission nucléaire sera la solution à privilégier. C’est en effet le dispositif fournissant la puissance nécessaire, le plus compact (il le faut car il doit être transporté depuis la Terre !) et le moins difficile à mettre en service. Un tel générateur, délivrant 40 kWe (en continu, sur environ 10 ans), aurait d’après les études faites par la NASA pour les premières bases (peut-être une douzaine de personnes), une masse de moins de 5 T et un encombrement en configuration de transport de 7m x 3,3m. Il faudra lui ajouter un radiateur (« source froide ») dont la taille variera en fonction de la chaleur à évacuer (donc de la puissance choisie pour le générateur). On pourrait pour la suite (en fonction du développement de la population) utiliser des générateurs dont le cœur nucléaire fonctionnerait à une plus grande puissance (400 kWe, sur 25 ans, proposé par Mars Homestead*). La charge nucléaire resterait la même mais le radiateur devrait avoir une capacité thermique bien supérieure (c’est le facteur limitant). Cette production thermique est à la fois un problème (son évacuation) et une ressource car on peut concevoir de la capter au moins en partie par un liquide caloporteur (dans un échangeur de chaleur) plutôt que de la dissiper dans l’environnement, et de la transmettre à la base pour toutes sortes d’utilisations (dont le chauffage).

*http://www.marsfoundation.org/docs/

La deuxième source d’énergie qui devrait s’imposer, également dès les premières missions habitées, est le solaire. Les rovers précédant Curiosity (les « MER », en particulier Opportunity) utilisent des panneaux solaires. Ils présentent le même intérêt de durabilité que le nucléaire (pourvu qu’on les nettoie !) mais leur puissance par surface unitaire de panneau est faible, 140 W au mieux, dans le cas d’Opportunity (à peine plus qu’une ampoule domestique moyenne) et ils ne fonctionnent évidemment pas la nuit, ni quand il y a des tempêtes de poussière (non exceptionnelles) et beaucoup moins pendant l’hiver austral où l’irradiance chute jusqu’à 492 W/m2 (sur Terre environ 1400 W/m2) du fait de la forte excentricité de l’orbite de la planète. Pour faire face à la durée  (et aux rigueurs) de la nuit, le dispositif est complété par une batterie au lithium, accumulant pendant le jour, et par un tout petit peu de matière radioactive (chauffage). Il faut donc imaginer la surface collectrice énorme dont on aurait besoin, même pour une petite colonie (plusieurs hectares). Faire venir la quantité de panneaux nécessaire de la Terre représente un transport de masse très important (rappelons que la plus grosse fusée à l’étude, la BFR d’Elon Musk, ne pourra transporter que 100 tonnes sur Mars) et forcément limitatif. Alternativement produire les panneaux sur Mars, serait encore plus difficile (la pureté de silicium requise est de 99,9999%). Le solaire ne pourra donc être très vite, qu’une source d’appoint ou un back-up.

Une troisième source d’énergie primaire intéressante car inépuisable et perpétuellement renouvelable, serait la géothermie. Il est tout à fait probable que l’on trouve à la surface de Mars comme on en trouve à la surface de la Terre, des « points chauds », c’est-à-dire des lieux où le manteau de Mars (ou ses extensions volcaniques) ne sont pas trop éloignés du sol. En ces endroits on pourra forer des puits par lesquels on fera descendre, par canalisation, de l’eau jusqu’aux couches de roches chaudes pour les récupérer ensuite en surface par une canalisation remontante (boucle fermée).

Si l’on considère les sources d’énergie secondaires, on a plusieurs possibilités, la réaction du méthane avec l’oxygène, la pile à combustible au méthanol, la réaction de l’hydrogène avec l’oxygène.

La première devrait être la combustion du méthane dans l’oxygène. Comme le préconise Robert Zubrin, il faudra installer lors du premier vol robotisé préparatoire de la première mission humaine, un laboratoire de production de méthane et d’oxygène à partir du gaz carbonique de l’atmosphère, moyennant un apport d’hydrogène (extrait de la glace d’eau martienne). On devrait pouvoir, d’après ses plans, en six mois, avec un seul RTG d’une puissance de 80 kWe, constituer un stock de carburant et comburant de 106 tonnes suffisant pour renvoyer un vaisseau de 25 tonnes de la surface de Mars vers la Terre (mais il faudrait 1000 tonnes d’ergols pour faire repartir un BFR). On peut penser que, en fonction des capacités énergétiques installées sur Mars, une quantité de méthane et d’oxygène excédant les besoins de propulsion des fusées, pourrait alimenter toutes sortes d’équipements et d’installations. L’oxygène, de son côté, pourrait naturellement être utilisé pour le renouvellement de l’atmosphère des bulles viabilisées. Le méthane (CH4) pourrait être partiellement transformé en méthanol (CH3OH). Il suffirait pour cela de lui ajouter un atome d’oxygène (moyennant un peu d’énergie primaire tout de même). Ce méthanol pourrait être utilisé pour faire fonctionner, avec de l’hydrogène et de l’eau (de provenance martienne), des piles à combustible au méthanol.

Avec l’hydrogène et l’oxygène (toujours extrait de l’eau martienne), on peut aussi envisager une combustion d’hydrogène dans l’oxygène (attention, l’hydrogène a une volatilité beaucoup plus grande que le méthane). Le processus peut être intéressant pour la propulsion de divers véhicules.

Au-delà il faut faire confiance à l’avenir. Sans nul doute le taux d’efficience énergétique des panneaux solaires continuera à progresser. On parle aussi des piles au sodium qui pourrait remplacer les piles au lithium, ce dernier élément étant sans doute aussi rare sur Mars que sur Terre alors que le premier l’est beaucoup moins. On peut aussi, à un horizon plus lointain, envisager des installations qui permettront d’extraire, de raffiner des matériaux radioactifs locaux, type uranium, pour les utiliser dans les centrales à fission nucléaire. Ce qu’on peut retenir c’est qu’on pourra capter de l’énergie sur Mars, que c’est une priorité absolue d’en disposer pour toute « aventure » humaine sur place mais que la planète est quand même moins bien dotée que la Terre pour en produire.

Image à la Une: Vue du projet de base envisagée par Mars-One. On remarque devant les habitats blancs apportés par les vaisseaux spatiaux, plusieurs files de panneaux solaires, également importés. La quantité nécessaire reste à discuter. L’illustration est peut-être “optimiste”.

Image ci-dessous : Schéma NASA d’un générateur électronucléaire conçu pour la phase d’exploration (donc très faible population). Vous remarquerez la taille du radiateur par rapport au personnage à droite du générateur pour donner l’échelle:

 

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

18 réponses à “Pour vivre sur Mars, la première des priorités sera la production d’énergie

  1. il me semble que vous avez oublié le solaire thermique… en particulier ces “rectangles” paraboliques avec un tuyau caloporteur au point focal .Certes, l’apport solaire est reduit par rapport à la terre , mais au niveau du transport, c’est une solution realiste: des miroirs paraboliques embouties en alu, empilés les uns sur les autres s’adaptent tout à fait à la forme cylindrique d’un corps de fusée. peut-etre meme qu’ils pourraient participer aux reservoirs de carburants et on les reutiliserait une fois celui-ci vide et largué sur Mars? En plus , on a juste besoin de tuyaux caloporteurs qui pourraient etre en polycarbonate pas trop lourd, et d’un moteur stirling dont le cycle etanche et robuste n’est plus a demontrer.

    1. Vous avez raison cher Monsieur, le solaire thermique est surement une possibilité et il sera beaucoup moins difficile d’apporter sur Mars (ou d’y fabriquer) les surfaces réfléchissantes. Ceci dit je me pose des questions sur la tuyauterie nécessaire (qui suppose une excellente et importante isolation).

  2. La fusée Apollo fut la condition première pour envoyer des hommes sur la Lune.
    Pour l’instant, aucun engin spatial n’existe pour mener à bien une mission martienne 100 fois plus complexe.
    Il faudra envoyer à l’avance des centaines de tonnes d’équipements permettant aux premiers astronautes de vivre environ 2 ans et d’en revenir.
    Une seule fusée ne suffira de loin pas et il faudra attendre que cet équipement soit fonctionnel avant d’y envoyer des astronautes, soit plusieurs fois la période qui met les 2 planètes au plus proche, et ces dispositifs devront être autonomes.
    On aura donc intérêt à y envoyer des robots dans un premier temps , robots à IA qui pourront mesurer les conditions de vie pendant plusieurs années martiennes, mais qui n’existent pas encore non plus.
    Ce projet ,qui n’existe que dans la tête de quelques rêveurs qui n’ont aucun moyens de le financer, prendra des dizaines d’années , mais dont l’utilité n’est pas démontrée .
    Faire vivre des humains sur Mars de manière permanente n’est pas possible , parce qu’il faudra constamment les ravitailler d’une quelconque manière, cette planète ne possédant aucune ressource et aucune protection contre les UV ou autres rayons cosmiques.
    Pas besoin d’être prophète pour en deviner la suite, dès que l’on comptera quelques victimes , on mesurera la vacuité de cette opération et elle sera abandonnée, avec ou sans générateur électrique, qui ne représente qu’un petit problème parmi les nombreux défis à relever.

    1. Vous me semblez extrêmement négatif cher Monsieur Giot et je pense que vous l’êtes beaucoup trop.
      Les lanceurs nous les avons presque car la fusée Saturn V des missions Apollo aurait suffi pour apporter une vingtaine de tonnes sur Mars et je pourrais vous démontrer qu’il suffirait d’un seul chargement de 20 tonnes d’équipements envoyé par mission robotisée avant l’envoi d’un vol habité de même tonnage pour permettre un premier séjour de 18 mois sur Mars de 4 personnes avec possibilité de retour sur Terre.
      Pour la suite, contrairement à ce que vous affirmez, oui la vie sera possible pour l’homme sur Mars s’il y apporte quelques équipements capables de capter ou de produire de l’énergie (objet de mon présent article) et s’il s’applique, grâce à cette énergie, à utiliser les ressources locales (objet de mon article prochain).
      Pour ce qui est de la dangerosité des radiations spatiales, je ne la nie pas mais vous en exagérez beaucoup la gravité (j’ai traité ce sujet dans des articles précédents). Les doses qui sont reçues en surface de Mars sont de l’ordre de celles reçues dans l’ISS (Station Spatiale Internationale) et les nombreux séjours d’astronautes dans cette station ont démontré que les doses étaient tolérables. Par ailleurs il sera possible de se protéger sur Mars beaucoup mieux que dans l’ISS, avec de la glace d’eau ou du régolite.
      Alors, si nous sommes suffisamment nombreux à le vouloir, entités publiques et/ou privées, nous réunirons les quelques petites dizaines de milliards nécessaires et nous irons. Je parle ici de dix ans, pas de cent ans.

  3. En ce qui concerne l’énergie éolienne, je ne comprends pas bien comment on arrive à un vent équivalent de 30 km/h sur Terre pour un vent de 300 km/h sur Mars (je ne vois pas non plus d’ailleurs pourquoi un vent de 30 km/h sur Terre serait “totalement insuffisant” pour faire tourner une éolienne). La puissance d’une éolienne, pour une surface balayée donnée (rayon des pales fixé) étant proportionnelle à la “densité” (masse volumique) de l’atmosphère multipliée par la vitesse du vent au cube (formule de Betz), si l’on suppose une atmosphère martienne environ 170 fois plus ténue que celle de la Terre, un rapide calcul me donne plutôt un équivalent de vent terrestre de l’ordre de 54 km/h pour 300 km/h sur Mars (?).

    1. Si vous voulez “pinailler”, vous pouvez! Franchement je ne vois pas bien de différence significative* entre 54 et 30 km/h. Par ailleurs les vents de 300 km ne soufflent pas tous les jours sur Mars, donc un vent martien “normal” de 60 km/h ne va pas permettre de générer beaucoup d’énergie puisque sa force sera celle d’un vent terrestre de quelques 10 km/h…mais vous ferez sûrement un calcul plus précis.
      *Par rapport à ce qui nous intéresse ici, une production d’énergie suffisante pour vivre sur Mars.

      1. Presque un facteur 2 de différence n’est certainement pas “pinailler”, surtout quand on sait que la puissance d’une éolienne varie comme le cube de la vitesse du vent! Ou alors, en poussant juste un peu plus, autant dire que la vitesse des vents sur Mars et sur la Terre sont pratiquement équivalents pour ce qui est de la production d’énergie éolienne. Quant à mettre maintenant en avant une vitesse de vent moyenne sur Mars, ce n’est pas ce qui était mentionné dans le texte d’origine mais une comparaison avec une vitesse de 300 km/h; c’est uniquement à cela que j’ai répondu.

        1. Et vous avez répondu à côté du point que je voulais faire passer, c’est à dire que la puissance du vent sur Mars est beaucoup plus faible que sur Terre du fait de la très faible pression atmosphèrique et que, de ce fait, on ne peut pas en espérer grand chose sur le plan de la production énergétique. De ce point de vue votre remarque n’a vraiment aucun intérêt.

  4. Pour ce qui est de l’énergie solaire, il y a semble-t-il une certaine confusion entre la notion d’irradiance (intensité du rayonnement reçu par une surface de 1 m2 au niveau de l’orbite de la planète, c’est-à-dire en dehors de l’atmosphère) et l’énergie solaire surfacique qui peut être récoltée au sol en un lieu, un temps et des conditions atmosphériques donnés. Pour ce qui est de la Terre, l’irradiance varie environ entre 1420 W/m2 et 1330 W/m2, et sur Mars entre 719 W/m2 et 494 W/m2. Mais comparer ces valeurs sur Mars et sur Terre ne présente guère d’intérêt pour des applications au sol. D’une part, la valeur moyenne n’est de toute manière que le quart de la valeur de l’irradiance, si on tient compte de l’alternance jour-nuit, ou la moitié sinon ; mais surtout sur Terre principalement, mais nettement moins sur Mars (sauf grosse tempête de sable !), l’atmosphère atténue grandement le rayonnement reçu au sol ; le rayonnement solaire reçu au sol sur notre planète tombe ainsi en moyenne à 170 W/m2 seulement, mais évidemment, il peut être significativement plus fort, ou plus faible, selon les conditions locales instantanées.

    1. Vous pouvez chercher à trouver un défaut à tout ce que j’avance mais vous aurez du mal à démontrer que Mars étant beaucoup plus loin du Soleil que la Terre (de 50 à 100 millions de km tout de même), le potentiel énergétique dont la première peut disposer de la part de l’astre commun, est nettement plus faible que celui dont peut disposer la Terre. Evidemment une atmosphère plus épaisse réduit la quantité de radiations reçue à la surface de la planète mais La Terre n’est pas encore Vénus et son atmosphère reste très transparente et certains rayonnements (notamment les longueurs d’onde de lumière visible) la traversent fort aisément. Par ailleurs lors de tempêtes de poussière, non exceptionnelles, la quantité d’énergie reçue à la surface de Mars chute considérablement (ce qui est un facteur mitigeant comme l’est l’atmosphère relativement épaisse de la Terre et la présence de nuages). Quant à la remarque sur l’alternance jour-nuit sur Terre, merci, j’avais déjà remarqué et on constate le même phénomène sur Mars, avec une durée de jour très proche (24h39).

  5. Bonsoir Pierre,
    Encore un sujet qui suscite de fortes réactions 😉 Pour ma part, je trouve que les différentes possibilités de production d’énergie sur Mars sont plutôt bien abordées.
    Comme Mr Moyon, je pense que le solaire thermique est une des cartes à jouer. En effet, la réalisation des miroirs peut très facilement se faire sur Mars, ce qui limite la masse à importer depuis la Terre. Je me disais également que les similitudes entre le solaire thermique te la géothermie ne sont pas négligeables. Les fluides caloporteurs pourraient être les mêmes, tout comme la génératrice électrique (turbine) et le système de refroidissement.
    On pourrait probablement envisager une installation de production mixte qui le jour exploite le rayonnement solaire et la nuit la géothermie. Cela permettrait de ne pas surexploiter le gisement de chaleur comme cela a déjà été le cas sur Terre. En effet, une installation géothermique refroidit la zone où les calories sont prélevées et celle-ci peut mettre un temps plus long que prévu à retrouver son équilibre thermique.

    1. Merci Xavier pour ce commentaire constructif et qui normalement devrait apaiser les esprits!
      L’idée de réserver la géothermie pour la nuit me semble en effet une bonne idée, tout comme l’idée de Monsieur Moyon d’utiliser le solaire thermique. Pour cette dernière source d’énergie je disais seulement que la tuyauterie me semblait assez contraignante (du fait de la multiplicité des capteurs).
      Mais ce qui domine dans mon esprit c’est qu’il faudra “faire feu de tout bois” (si l’on peut dire!) et que comme nous n’aurons pas d’hydrocarbure fossile, que nous n’aurons pratiquement pas de fluide (l’éolien restant extrêmement marginal), que le solaire sera forcément moins “productif” du fait de l’éloignement du soleil et que le nucléaire sera forcément importé de la Terre (pendant assez longtemps du moins), les Martiens disposeront de moins de puissance énergétique et que donc la population ne pourra augmenter que lentement…Mais je reste ouvert à l’idée du progrès technique et confiant dans l’avenir plus lointain.

  6. Bonsoir

    Sur la production énergétique d’origine nucléaire, l’utilisation de modèles à base de la technique du Thorium me semble plus opportun que la technologie actuelle fondée sur l’uranium…
    Ce type de nucléaire offrirai un risque bien moindre à l’usage, semble t-il. D’autant que la problématique
    du recyclage des déchets se posera sur la planète, ainsi que pour les réacteurs installés une fois obsolète…
    Je vous incite à vous pencher sur cette proposition, elle me parait plus judicieuse en théorie.
    Et meilleurs vœux 2018 !

  7. Bonjour et meilleurs voeux pour 2018
    Ne pourrais t’ on pas dans un premier temps envoyer toute une pannelle de robots a profil humains ,type robonaute,par exemple en version améliorée aux dernieres innovations technologiques (quand on voit le dévelloppement spectaculaire de la robotique ces dernieres années que ce soit les humanoide japonais ou autre culbuteurs de la DARPA ,et ceci n’est pas fini !!!)Et quel symbolique quelques part aussi , des robots ressemblants a l’ homme ! Ils commenceraient les taches basiques d’installation , on pourrait envoyer et mettre leurs logiciel a jour via les satellites en orbite autour de la planete mars . Ils pourraient facilement se recharger grace au solaire marsien , et avec eux pas de problemes d’eau ,de radiations( ou moindre) , d’oxygene , de pression et de nourriture .Et l’ homme par la suite se sentirais moins seul , et voir plus sécurisé en leur compagnie.Bien entendu , d’autres types de robots adaptés a diverses taches peuvent se joindre , l ‘idée étant de joindre l ‘utile a l’agréable en réduisant les risques et les couts et de préparer au mieux l’arrivé de l homme sur mars .

    1. Merci de votre commentaire mais il est hors sujet.
      Le titre et le contenu de mon article portent sur les sources d’énergie dont on pourra disposer sur Mars après avoir décidé d’y envoyer des hommes, pas sur le point de savoir si des robots doivent y précéder l’homme.
      Par ailleurs l’exploration robotique a commencé; les rovers, notamment Curiosity, ont déjà fait un travail formidable et s’ils avaient été des robots humanoïdes cela n’aurait rien changé aux logiciels dont on aurait pu les charger. La seule différence aurait été qu’ils auraient pu avoir une meilleure mobilité (les pieds et les jambes permettant sans doute de mieux s’adapter aux irrégularités du terrain) et une meilleure efficacité (les mains et les bras permettant de soulever une pierre ou observer sous un caillou).
      Pour ce qui est de la disponibilité d’énergie, le problème serait pratiquement le même pour les robots humanoïdes et pour les hommes. Les robots aussi ont besoin d’énergie pour se mouvoir et pour agir.

      1. Bonjour Monsieur, j’ai des questions au sujet de Mars. j’espère que vous lirez mon commentaire et y répondrez. J’ai 2 questions : ” Pour la survie de l’existence de l’être humain et de la science, par les professionnels et scientifiques, la terraformation fait-elle partie des recherches principales pour la vie future de l’être humain ? ” et ” Pour les scientifiques, Mars est-elle encore aussi importante pour y vivre et habiter à l’avenir ? “. Merci de répondre à mes attentes. Cordialement.

        1. Non, la terraformation ne fait pas partie des “recherches principales pour la vie future de l’être humain”. Transformer Mars en une nouvelle Terre avec une atmosphère épaisse et respirable enveloppant toute la planète, est du domaine de la science fiction. Le résultat de l’entreprise serait aléatoire et le retour sur investissement sur une période raisonnable (durée d’une vie humaine, par exemple) serait impossible. La terraformation est aujourd’hui un concept de science-fiction. Il vaut mieux envisager la viabilisation de petites bulles de vie; cela correspond mieux à nos capacités technologiques…et financières.
          Sur votre deuxième question, je répondrai que les “scientifiques”, plus précisément ceux qui s’intéressent à la connaissance de la planète notamment sur le plan exobiologique, sont généralement hostiles au projet de colonisation de la planète. Ils considèrent que l’intrusion de l’homme mettrait en péril leurs recherches (“forward contamination”) et que les robots peuvent très bien faire le travail de collecte de données nécessaire. La réponse peut être que les robots dirigés par l’homme sur place, seraient beaucoup plus efficace (notamment du fait de l’absence de “time-lag” du à la distance qui sépare les deux planètes (3 à 23 minutes-lumière). Mais la colonisation de Mars (au-delà des missions d’exploration) correspond bien d’avantage à une pulsion subjective de beaucoup d’hommes, de tenter le presque impossible et d'”aller voir ailleurs”. C’est je pense le sentiment qui anime notamment Elon Musk.

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