DRACO, le « dragon » nucléaire de la NASA qui renouvelle les perspectives d’un accès facilité à la planète rouge (2)

25 février 202325 février 2023 Pierre Brisson 20 commentaires

Cette semaine, Pierre-André Haldi vous parlera du moteur à propulsion nucléaire thermique utilisable par les vaisseaux spatiaux qui partiront pour Mars. Vous verrez que la base construite pendant de longues années avant d’être abandonnée et qui permet maintenant ce développement, est épaisse et solide. C’est d’ailleurs pour cela que le calendrier envisagé aujourd’hui pour mener à bien ce projet est très court ; 2027 c’est demain. Avec SpaceX la propulsion chimique n’est pas pour autant abandonnée et reste une alternative ou un complément. Nous approchons ainsi du moment où la grande aventure spatiale par vols habités initiée dans les années 1960 va pouvoir reprendre, vers Mars aussi bien que vers la Lune. Nous revenons de ce fait à une nouvelle époque de « Grandes découvertes » et de Colonisation qui va changer la vie de l’homme aussi bien sur Terre que dans l’Espace puisque si nous devenons une espèce multiplanétaire, les perspectives de l’humanité seront totalement bouleversées.

Si le récent accord entre la NASA et la DARPA remet la propulsion nucléaire thermique sous les feux de l’actualité, avant même que l’énergie nucléaire n’émerge et ne produise ses premiers kWh⁴⁾, et que les premiers « bip-bip » d’un engin fabriqué par l’Homme ne soient émis depuis l’espace, les pionniers de l’astronautique que sont Robert H. Goddard ou Robert Esnault-Pelterie avaient déjà imaginé, en 1907 et 1911 respectivement, l’utilisation de la propulsion nucléaire pour aller dans l’espace et sur la Lune. Ce n’est qu’après la Seconde Guerre mondiale cependant et les développements des applications industrielles de la fission nucléaire que des projets concrets de propulsion nucléaire spatiale commencent à voir le jour dans divers pays. De vastes programmes de recherche sur les combustibles et la conception de réacteurs de propulsion ont ainsi été menés aux Etats-Unis et en URSS dès le début des années 1950 ; ils visaient à identifier les options technologiques les plus prometteuses en matière de designs de réacteurs et de types de combustibles. Et pas seulement au stade de la planche à dessin ; au cours d’expérimentations au sol de prototypes de réacteurs, des températures allant jusqu’à 2550 K pendant deux heures ont été atteintes aux Etats-Unis et des combustibles capables de fonctionner à plus de 3000 K pendant une heure en réacteur et plus de 100 heures en laboratoires ont été testés en URSS. Un héritage technologique considérable a ainsi été laissé par ces programmes, dont les nouveaux projets actuels peuvent encore bénéficier.

Cela est tout particulièrement vrai pour le programme américain NERVA (pour : Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), le seul qui ait connu des développements techniques suffisamment avancés pour que des tests en situation réelle dans l’espace aient pu être envisagés (mais jamais réalisés malheureusement, en raison de l’arrêt prématuré du programme Apollo et des importantes coupes budgétaires qui s’en sont suivies pour la NASA, voir plus bas). Les prémices de ce programme remontent à 1955. La Commission de l’énergie atomique américaine (AEC) élabore alors un programme de recherche baptisé Rover, visant à équiper des missiles balistiques intercontinentaux (ICBM) d’un étage supérieur à propulsion nucléaires⁵⁾. Dans le contexte de la rivalité spatiale entre les Etats-Unis et l’URSS, la NASA nouvellement créée à la suite du lancement réussi du premier satellite artificiel par l’Union soviétique en 1957, est associée au projet à partir de 1959 pour appliquer cette technologie à la propulsion d’engins spatiaux civils. C’est dans le cadre de cette collaboration entre l’AEC et la NASA qu’est développé le programme NERVA entre 1961 et 1972 en s’appuyant sur l’expérience acquise préalablement avec le projet Rover. Le but n’était pas de fabriquer un moteur directement destiné à une exploitation spatiale, mais de développer et tester un démonstrateur validant la technologie, dans l’optique de disposer à la suite d’un système de propulsion performant capable de répondre aux exigences des missions spatiales envisageables dans les vingt ans à venir. C’est le concept de réacteur à uranium fortement enrichi, modérateur graphite et caloporteur hydrogène qui a servi de base de développement. De nombreux tests ont été réalisés sur le site d’essais nucléaires du Nevada à Jackass Flats ; ils avaient pour but la mise au point progressive d’un réacteur mettant en œuvre des matériaux dont les comportements aux températures et pression d’utilisation étaient initialement inconnus. Une activité de moindre amplitude a été consacrée à l’étude de techniques plus performantes mais plus délicates à mettre au point telles que les réacteurs à lit de boulets, à cœur liquide, ou à cœur gazeux. Malgré les nombreuses difficultés techniques inhérentes à un concept alors tout nouveau, le programme a rapidement progressé et abouti en 1969 au test au sol d’un moteur quasiment qualifié pour le vol. Ce prototype, le NRX (Nuclear Reactor Experiment) / XE Prime, mesurait 6,8 mètres de long, pour un diamètre maximal de 2,59 mètres et une masse d’environ 18 tonnes ; il était conçu pour produire une poussée nominale de 246,7 kilonewtons, avec une impulsion spécifique de 710 secondes, et a fonctionné 1’680 secondes au total.

On notera le parallélisme des calendriers de développement des moteurs NERVA et de la fusée lunaire Saturn-V. Ce parallélisme n’est pas fortuit ; en fait, l’idée initiale était d’équiper la Saturn-V d’un dernier étage à propulsion nucléaire déjà pour aller sur la Lune. Pour des raisons de répartition équitable des contrats⁶⁾, la firme North American Aviation qui avait déjà décroché celui pour le deuxième étage S-II du super-lanceur s’est néanmoins vue évincée du contrat pour la version nucléaire du troisième, que cette firme aurait construite avec un laboratoire privé, au profit de Douglas Aircraft Company qui entendait, elle, en rester à une propulsion chimique classique. Exit donc l’option nucléaire pour la fusée lunaire américaine ! A défaut de servir pour la Lune, alors pour Mars ? L’intérêt dans ce cas est encore plus marqué, puisqu’en donnant la possibilité de raccourcir de manière significative la durée du transit Terre-Mars (on parle de la possibilité de passer d’environ 6 mois avec la propulsion chimique à 2 seulement avec la propulsion nucléaire), la propulsion nucléaire permet d’une part de réduire l’exposition des équipages aux rayonnements solaires et cosmiques et d’autre part de diminuer la masse des consommables que le vaisseau doit embarquer au départ de la Terre pour assurer le support de vie des astronautes pendant le voyage; sans compter le bénéfice pour ces derniers d’un séjour moins long en apesanteur le cas échéant. En 1969, Wernher von Braun, alors directeur du Centre de vol spatial Marshall, proposa d’envoyer sur Mars un équipage de douze personnes au moyen de deux vaisseaux équipés chacun de trois moteurs NERVA. Le lancement était prévu pour novembre 1981, avec atterrissage sur la planète rouge en août 1982. Cet objectif n’était pas du tout utopiste, comme le soulignait alors von Braun : «although the undertaking of this mission will be a great national challenge, it represents no greater challenge than the commitment made in 1961 to land a man on the moon before the decade is over» («bien que la réalisation de cette mission constitue un grand défi national, elle ne représente pas un plus grand défi que l’engagement pris en 1961 de faire atterrir un homme sur la lune avant la fin de la décennie»). Les performances atteintes par les moteurs NERVA à l’époque en matière de rapport poids/poussée, de comportement à l’allumage et à l’arrêt, ainsi que de durée de vie répondaient pleinement aux spécifications de la NASA pour une telle mission. Le programme Rover/NERVA fut cependant abandonné en 1973 sans qu’une telle mission ne soit effectuée, pour diverses raisons dont des considérations environnementales et en conséquence de la perte d’intérêt de la part du public pour des expéditions dans la ligne du programme Apollo une fois gagnée la ”course à la Lune”. L’objectif martien mis en retrait, le développement de moteurs-fusées nucléaires thermiques n’avait momentanément plus de vraie raison d’être. Le coût total du programme NERVA au terme de la décennie de recherche est estimé à environ 1,4 milliards de dollars US (1972).

Ceci nous ramène à 2023 et au projet DRACO (on peut se demander si l’aiguillon de la Chine, qui ne cache pas ses ambitions, y compris martiennes, dans le domaine spatial et progresse très rapidement, n’est pas pour beaucoup dans ce soudain regain d’intérêt pour la propulsion nucléaire thermique aux Etats-Unis !). Peu de détails techniques ont été donnés sur ce projet mais on peut penser qu’il se basera, logiquement, en grande partie sur les acquis du programme NERVA. La NASA prévoit actuellement de lancer une mission habitée vers Mars à la fin des années 2040. Selon une étude commanditée par les Académies nationales des sciences, de l’ingénierie et de la médecine, les quatre défis majeurs qui restent à relever dans le cadre d’un calendrier aussi serré sont: (1) le développement d’un système de propulsion nucléaire thermique (NTP) capable de chauffer le fluide de propulsion à environ 2700 K; (2) la nécessité d’amener rapidement le système NTP à cette pleine température de fonctionnement en un temps très court (de l’ordre d’une minute); (3) le stockage à long terme du LH2 avec perte minimale au cours d’une mission; (4) le manque d’installations-tests ad hoc aux Etats-Unis.

Tous les moteurs-fusées nucléaires testés jusqu’à présent aux Etats-Unis avaient pour combustible de l’uranium hautement enrichi (UHE)⁷⁾. Les progrès réalisés dans le domaine de la technologie des matériaux ouvrent aujourd’hui la voie au passage à des combustibles faiblement enrichis (UFE, d’enrichissement inférieur à 20%) mais qui demandent de travailler à plus hautes températures pour garder des performances identiques. Un des problèmes que les ingénieurs ont à résoudre est de trouver des matériaux capables de résister aux températures élevées présentes dans le cœur, sans avoir d’effets trop négatifs sur le bilan neutronique. Les combustibles UFE offrent non seulement de bonnes capacités de propulsion, mais encore d’autres avantages : les mesures de sûreté pourraient être simplifiées, le budget du projet allégé et le calendrier de développement raccourci. Les premiers tests ont montré que les combustibles nucléaires en cours de développement par la NASA et le DoE (Department of Energy) sont capables de résister à des montées en température jusqu’aux températures opérationnelles de propulsion nucléaire thermique sans subir de dommages importants.

Relevons pour terminer, que la mise au point d’un vaisseau équipé de moteurs de type DRACO rendrait passablement obsolètes les vaisseaux à propulsion chimique ”classique” tels que développés actuellement aux Etats-Unis dans le cadre du programme Artemis, ou le Starship de la firme SpaceX, qui devraient devenir opérationnels plus ou moins à la même période (fin des années 2020). A moins que ces vaisseaux puissent être rééquipés avec ces nouveaux moteurs nucléaires, ce qui paraît difficile avec un vaisseau de conception très monolithique comme le Starship par exemple. Cependant cela n’enlève pas tout intérêt au Starship, pour aller sur la Lune (on éviterait les transbordements en orbite pour un voyage qui reste court dans ce cas) ou pour transporter des charges massives et volumineuses non soumises à une contrainte de temps (on éviterait également ces mêmes transbordements).

4. La première production d’électricité d’origine nucléaire a été réalisée aux Etats-Unis, au laboratoire national de l’Idaho, le 20 décembre 1951; l’installation expérimentale EBR-1 ayant permis ce jour-là de produire suffisamment d’électricité … pour illuminer 4 ampoules de 200 watts!

5. C’était dans l’air du temps. Dans l’euphorie d’après-guerre et de la promesse d’une ”énergie sans limite” grâce à la fission nucléaire, on envisageait d’appliquer celle-ci à la propulsion de pratiquement tous les types de véhicules; on a vu ainsi fleurir à l’époque des projets non seulement de bateaux à propulsion nucléaire (ce qui sera réalisé), mais encore d’avions et même de trains ”atomiques” (comme on disait à l’époque)!

6. Cette féroce bataille entre firmes américaines pour l’attribution des juteux contrats de la NASA se répète aujourd’hui avec la lutte qui oppose SpaceX, gagnante initiale de la compétition pour l’atterrisseur lunaire du programme Artemis, à Blue Origin et Dynetics qui contestent cette attribution unique et réclament avec virulence d’avoir également part au gâteau.

7. L’uranium naturel (tel qu’on le trouve dans la nature) ne contient que 0,72 % d’uranium-235 fissile, le reste étant de l’uranium-238 qui n’intervient en principe pas (en fait, peu) dans les fissions se produisant dans un réacteur nucléaire ”classique”. Pour améliorer les taux de réactions de fission, on enrichit en uranium-235 le combustible de ces réacteurs (augmentation du pourcentage d’uranium-235). C’est une opération difficile, car l’uranium-235 et l’uranium-238 appartenant par définition au même élément chimique il n’est pas possible de faire intervenir des procédés chimiques de séparation; il faut recourir à des opérations physiques (diffusion, centrifugation, séparation laser) jouant sur la faible différence de masses entre les deux isotopes.

Illustration de titre : Vue d’artiste de la société ”General Atomics” d’un vaisseau spatial ”Draco” à destination de la planète Mars ; crédit General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS). C’est cette société qui a été chargée par la DARPA de concevoir le réacteur nucléaire et le moteur.

Liens :

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/game_changing_development/Nuclear_Thermal_Propulsion_Deep_Space_Exploration

https://www.energy.gov/ne/articles/6-things-you-should-know-about-nuclear-thermal-propulsion

https://x-energy.com/why/nuclear-and-space/nuclear-thermal-propulsion

https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/nuclear-thermal-propulsion/index.html

https://en.wikipedia.org/wiki/NERVA

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-announces-nuclear-thermal-propulsion-reactor-concept-awards

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/nuclear-propulsion-could-help-get-humans-to-mars-faster

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-darpa-will-test-nuclear-engine-for-future-mars-missions

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/darpa-nasa_draco_nonreimbursable_interagency_agreement_final_2023-01-11_.pdf

https://breakingdefense.com/2023/01/nasa-funding-draco-nuclear-thermal-rocket-engine-under-deal-with-darpa/

https://www.ga.com/ga-completes-draco-nuclear-thermal-propulsion-system-design-and-test-milestone

DRACO, le « dragon » nucléaire de la NASA qui renouvelle les perspectives d’un accès facilité à la planète rouge (1)

18 février 20231 avril 2023 Pierre Brisson 16 commentaires

Après cinquante longues années, l’Administration américaine vient de relancer l’étude de la propulsion nucléaire pour ses vaisseaux spatiaux avec l’objectif d’en faire une démonstration en vol en 2027. C’est une révolution. J’ai pensé que Pierre-André Haldi était la personne la plus qualifiée pour vous en parler puisqu’il a formé pendant de longues années les étudiants de l’EPFL sur les systèmes énergétiques, notamment nucléaires, et les questions de sécurité/fiabilité qui y sont liées. Je lui passe donc la plume pour cette semaine et la semaine prochaine. Vous apprendrez avec lui tout ce qu’il convient de connaître sur la propulsion nucléaire thermique, ses extraordinaires capacités, et ses quelques inconvénients :

Peut-être inspirée par la série ”Game of Thrones” (!), la NASA vient de conclure le 24 janvier 2023 un accord de coopération (Non-reimbursable Interagency Agreement) avec la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency¹⁾) pour faire voler dans l’espace avant la fin de la présente décennie son propre ”dragon” (DRACO, pour : Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations²⁾), en l’occurrence un vaisseau à propulsion nucléaire thermique destiné in fine à faciliter l’accès à la planète Mars. Pour mieux comprendre le pourquoi et le comment de cette relance d’une technologie laissée en sommeil pendant plus de 40 ans, il n’est pas inutile de revenir sur les principes de base de la propulsion spatiale et l’intérêt que présente l’énergie nucléaire dans ce domaine.

Pour se mettre en orbite, ou pour toute manœuvre de modification de trajectoire, les engins spatiaux font appel à des moteurs-fusées qui mettent en œuvre le bien connu principe action = réaction. Ces moteurs éjectent ”quelque chose” (gaz, particules ionisées …), ce qui leur permet de donner à l’engin spatial une impulsion dans la direction opposée ; cette impulsion est d’autant plus forte que le débit et la vitesse des masses éjectées sont grands (poussée F = D . v_e). Action et réaction sont des forces, et une force dont le point d’application se déplace effectue un travail ou, en d’autres mots, une dépense d’énergie. Toute la question, dans le domaine spatial comme dans tout autre, est donc de chercher la source d’énergie présentant la meilleure efficacité. Dans le domaine de la propulsion spatiale, cette efficacité est donnée par l’impulsion spécifique, un paramètre qui fait intervenir le quotient de l’impulsion fournie à la fusée par la consommation en une seconde d’un kilogramme-poids de propergol (I_sp = F/(D.g) = v_e/g, g étant l’accélération de la pesanteur terrestre, soit 9,81 m/s²). L’impulsion spécifique se mesure en secondes, c’est la durée pendant laquelle un kilogramme de propergol produit la poussée nécessaire pour soulever une masse d’un kilogramme dans le champ gravitationnel terrestre (c’est-à-dire une poussée de 9,81 newtons). On comprend donc que plus l’impulsion spécifique est élevée, meilleure est l’efficacité de la propulsion.

La première, et jusqu’ici pratiquement la seule, énergie mise en œuvre pour la propulsion des fusées repose sur un phénomène chimique des plus courants, la combustion (qui du point de vue chimique est une oxydation) d’un carburant en présence d’un comburant ou oxydant. A remarquer qu’il n’est pas forcément nécessaire de faire intervenir séparément un carburant et un comburant, que l’on désigne sous le nom général de propergols, car la décomposition d’un seul corps peut dans certains cas également donner lieu à un dégagement de chaleur important (la bombe volante V1 de sinistre mémoire utilisait par exemple la décomposition d’eau oxygénée, H₂O₂). De nombreuses combinaisons de carburant (le plus souvent un composé de carbone et/ou d’hydrogène) /comburant (oxygène ou composé oxygéné de l’azote, ou du fluor) ont été utilisées au fil des années, avec des impulsions spécifiques allant de 230 secondes pour des propergols peu évolués mais d’un autre côté peu coûteux, jusqu’à 450 secondes avec l’hydrogène liquide (LH2) associé à l’oxygène liquide (LOX). Cette bonne performance du couple hydrogène/oxygène s’explique par le fait que la vitesse d’éjection que peut produire un moteur-fusée est proportionnelle à la racine carrée de la température atteinte dans la chambre de combustion et inversement proportionnelle à la masse moléculaire des gaz éjectés. Or non seulement la température de combustion de l’hydrogène H₂ est élevée (2130 °C), mais encore c’est le corps qui présente la plus faible masse molaire (2 g/mol) ; à noter cependant que ce n’est pas l’hydrogène lui-même qui est éjecté dans ce cas, mais le produit de sa combustion avec l’oxygène qui donne de la vapeur d’eau (combustion par conséquent non polluante !), de masse molaire 18 g/mol. L’intérêt du couple LH2-LOX est tel que son utilisation tend à se généraliser, malgré les importantes difficultés techniques à surmonter. Ces deux ergols, mais tout particulièrement l’hydrogène, posent en effet des problèmes de stockage et d’alimentation (pompes, tuyauteries) du fait qu’ils doivent être maintenus à des températures extrêmement basses – à pression atmosphérique : -253 °C pour l’hydrogène et -183 °C pour l’oxygène – afin d’éviter qu’ils ne s’évaporent. La faible densité de l’hydrogène impose par ailleurs des réservoirs très volumineux, raison pour laquelle on utilise généralement le couple LH2-LOX pour propulser les étages supérieurs des lanceurs lourds uniquement. Quoi qu’il en soit, on atteint là une limite physique, on ne peut espérer obtenir des impulsions spécifiques supérieures si l’on se restreint à la combustion d’ergols.

Et c’est là qu’intervient l’énergie nucléaire, qui ne connaît pas, elle, cette limite. Fondamentalement, un moteur-fusée nucléaire ne se distingue guère de son pendant chimique, il s’agit toujours de porter un gaz à très haute température et de l’éjecter ensuite en le détendant au travers d’une tuyère qui lui confère une vitesse de sortie élevée. La différence principale réside dans la manière de porter ce gaz à haute température, plus besoin ici de combustion, ce sont les réactions de fission réalisées au cœur d’un réacteur qui fournissent l’énergie nécessaire³⁾ (le fluide à éjecter traversant le cœur en question pour s’échauffer). Cette importante différence a deux conséquences majeures : 1/ la température n’est plus limitée par une température de combustion donnée mais uniquement par celle que peuvent supporter les matériaux de structure sans se mettre à fondre, 2/ il devient possible d’éjecter directement de l’hydrogène, et non plus le produit de sa combustion avec l’oxygène, bénéficiant ainsi pleinement de sa faible masse molaire. Pas étonnant donc que l’on arrive ainsi à réaliser des impulsions spécifiques de l’ordre du double de celle obtenue avec le couple LH2-LOX, un gain de performance considérable permettant de raccourcir la durée des trajets. Un autre avantage décisif de l’énergie nucléaire, surtout lorsqu’on sait à quel point le facteur masse est critique en astronautique, est la très grande densité énergétique de son combustible ; si la combustion d’un kilogramme d’hydrogène dégage une énergie d’un peu moins de 40 kWh, ce sont environ 23 millions de kWh que produit la fission complète d’un kilogramme d’uramium-235, soit non loin de 600’000 fois plus!

Par contre, il n’est pas exact de prétendre, comme on le lit parfois, que la propulsion thermique nucléaire offrirait la possibilité d’une poussée quasi-continue sur la durée d’un trajet Terre-Mars par exemple. Même si le combustible nucléaire embarqué pourrait effectivement fournir au vaisseau de l’énergie non-stop sur plusieurs années, la propulsion reste, comme dans le cas de la combustion, tributaire des réserves d’ergols qui peuvent être stockées à bord d’un vaisseau spatial, réserves qui sont, elles, loin d’être inépuisables. Le nucléaire présente néanmoins là encore deux avantages sur la combustion, d’une part comme on l’a vu une utilisation plus efficace des quantités stockées ce qui permet d’obtenir avec celles-ci des Δv plus importants, et d’autre part le fait que le volume de réservoirs à disposition peut être entièrement utilisé pour stocker le fluide de propulsion (typiquement l’hydrogène) et non pas partagé avec le comburant nécessaire en plus dans le cas de la combustion. Le point négatif de la propulsion nucléaire (rien n’est jamais parfait !) est évidemment la radioactivité des produits de fission émise par tout réacteur en fonctionnement, ou ayant fonctionné, dont il convient de protéger l’équipage et les équipements sensibles. Cela nécessite d’intercaler des écrans de protection, inévitablement massifs et lourds, entre le réacteur et les quartiers d’habitation du vaisseau et de faire intervenir par ailleurs le facteur distance, raison pour laquelle les vaisseaux spatiaux à propulsion nucléaire présentent le plus souvent un aspect très allongé. Notons à ce propos que la crainte souvent évoquée dans le grand public des conséquences d’un éventuel accident (explosion) au lancement n’est pas fondée ; Il est en effet hors de question de mettre en service le réacteur embarqué tant que le vaisseau se trouve dans l’environnement terrestre (c’est-à-dire susceptible de retomber au sol, entier ou en morceaux). Or un réacteur qui n’a encore jamais fonctionné (le terme technique est : ”divergé”) ne renferme par définition aucun produit de fission ; il y a bien une certaine radioactivité de l’uranium lui-même, mais celle-ci est extrêmement faible et ne pose pas de problèmes. Un vaisseau à propulsion nucléaire thermique sera donc mis en orbite par un lanceur à propulsion chimique ”classique” et son réacteur activé uniquement lorsqu’une distance de sécurité suffisant avec la Terre aura été atteinte. Ensuite, le vaisseau devra rester à jamais dans l’espace, ce qui veut dire que s’il doit être réutilisé il devra être ravitaillé, et remis en état le cas échéant, en orbite.

La DARPA a été créée en réponse à la mise en orbite par l’Union Soviétique de ”Spoutnik 1” en octobre 1957, une grande première, de retentissement mondial, qui a pris les Etats-Unis totalement par surprise. Pour éviter de se voir à nouveau ”brûler la politesse” à une autre occasion dans des secteurs technologiques stratégiques, la DARPA a reçu la mission d’effectuer une veille technologique dans tous les domaines d’intérêt crucial pour la défense nationale US et de lancer au plus tôt les actions de recherche et développement utiles dès qu’un tel domaine est identifié.
Les Américains aiment bien donner à leurs projets des appellations dont l’acronyme signifie quelque chose. Dans le cas présent, la formulation est néanmoins aussi tarabiscotée (on imagine la prise de tête des responsables pour arriver à concocter dans ce cas un nom qui ait un sens !) qu’elle n’est pas très appropriée, le DRACO n’ayant pas pour vocation de se cantonner au final à des missions entre la Terre et la Lune.
Il s’agit d’une application de la fameuse relation d’Einstein : E=Δmc², qui indique que la disparition d’une certaine masse (”défaut de masse” Δm) au cours d’une réaction conduit à un dégagement d’énergie . Or, dans une réaction de fission la masse additionnée de tous les produits issus de la réaction – fragments du noyau d’origine plus 2 à 3 neutrons – est très légèrement inférieure à celle additionnée du noyau d’origine et du neutron qui a provoqué la cassure de celui-ci. Ce défaut de masse est certes très faible, mais compte tenu de la valeur élevée du facteur c² (c, vitesse de la lumière, est égal à environ 300 millions de m/s) et du nombre extrêmement grand de fissions se produisant dans le cœur d’un réacteur, l’énergie totale dégagée est considérable.

Illustration de titre : Vue d’artiste du vaisseau DRACO. Ce vaisseau doit démontrer la capacité de fonctionnement d’un moteur-fusée thermique nucléaire. Crédit : DARPA/NASA/USSF

Si le Starship de SpaceX peut voler, Mars sera à notre portée

11 février 202314 février 2023 Pierre Brisson 15 commentaires

La capacité du Starship que SpaceX est en train de finaliser* nous permet d’envisager la faisabilité de l’installation de l’homme sur Mars. En effet ce vaisseau spatial pourra déposer sur le sol de la planète plusieurs dizaines de personnes ou cent tonnes d’équipements dans un volume viabilisé de 1100 m³.

*même s’« il ne faut pas vendre la peau de l’Ours », on peut maintenant évoquer avec un indice de confiance élevé, la probabilité qu’il puisse voler.

La progression satisfaisante du processus de réalisation du Starship nous permet d’envisager d’apporter sur Mars les équipements nécessaires à la caractérisation précise de l’eau martienne, nécessaires à son extraction (puisqu’elle se présente sous forme de glace sous un mort-terrain d’épaisseur à définir mais qui ne devrait pas dépasser quelques mètres), nécessaires à son transport et nécessaires à son utilisation, comme nous l’avons vu la semaine dernière.

Comme chacun peut le comprendre la solution à ces problèmes de l’eau est vitale non seulement pour la vie à long terme mais aussi pour la réussite d’une mission habitée puisqu’au-delà du recyclage de l’eau pour les besoins humains (qui devrait atteindre un pourcentage d’au moins 80%), les hommes auront besoin d’eau pour obtenir l’hydrogène nécessaire à la production des ergols pour pouvoir revenir sur Terre (dans le cadre d’une réaction de Sabatier pour obtenir du méthane et de l’oxygène, après électrolyse de l’eau).

J’ai évoqué ce problème de l’eau la semaine dernière mais dans l’étude à laquelle je me référais et à laquelle je me réfère encore aujourd’hui, les auteurs mentionnent tout ce qu’il conviendra de faire également pendant les toutes premières missions et que permettent d’envisager le Starship avec ses capacités de transport extraordinaires. Il s’agit au moyen d’une première mission entièrement robotisée, de tester les technologies essentielles, de bien vérifier l’habitabilité biologique de la planète, de prospecter les ressources locales nécessaires à la vie, donc celles qui permettront de déterminer l’implantation de la base, de prépositionner des équipements ou des ressources utiles qu’on ne pourra pas obtenir immédiatement du sol martien, et commencer à édifier quelques infrastructures utilisables par la suite (car pendant longtemps on reviendra au même endroit afin de ne pas gâcher le capital physique accumulé).

Tester les technologies essentielles, c’est d’abord mesurer les doses et l’intensité de dose des radiations solaires et cosmiques au niveau du sol à l’endroit où l’on veut implanter la Base. On peut même imaginer évaluer le degré de protection contre ces mêmes radiations, procuré par le régolithe en fonction de la profondeur, puisqu’on procédera à des forages. En cas de besoin, on pourrait même en déduire la prévision d’implantation de certains locaux sous le gisement de glace pour bénéficier d’une protection particulière.

On pourrait également tester lors de cette première mission robotisée, une production expérimentale de végétaux comestibles, de façon limitée puisque l’homme ne pourra intervenir en direct. Mais cela serait suffisant pour tester l’alimentation en eau (par hydroponie), l’alimentation en gaz respirables, les quantités de lumière qu’il convient d’ajouter à la lumière naturelle, les réglages nécessaires de la température, la protection contre les radiations, la protection contre les micrométéorites sur une surface en verre (ou altuglas, ou autres semblables), l’effet de la gravité sur la croissance, l’adéquation du support matériel utilisé pour l’ISRU, l’efficacité des protections sanitaires contre les maladies phytosanitaires.

Il faudra également tester les techniques que l’on utilisera pour la construction. Possibilité réelle d’excavation, effet de la poussière sur les équipements (utilisation d’équipements ou de produits annulant les effets de l’électricité statique), possibilité réelle de l’hydratation pour créer du duricrete et capacités mécaniques de ce « béton martien », protection contre les micrométéorites (exposition de plaques de matériau permettant de mesurer et d’enregistrer la masse et la vitesse donc l’énergie des particules reçues).

Il faudra encore, bien s’assurer de la viabilité pour l’homme, de la surface de Mars sur le plan biologique. Il s’agit de tester les techniques de transformation chimiques des sels de perchlorates en matières sans effets négatifs pour la vie et les techniques de protection des zones débarrassées de ces sels (donc du transport par le vent avec la poussière). Il s’agit aussi de vérifier qu’il n’y a pas sur Mars de molécules organiques qui pourraient être dommageables à la vie humaine. Rappelons-nous que les prions, par exemple, sont des molécules dont on ne soupçonnait pas l’existence avant 1982. Je veux dire qu’il serait intéressant de constater par exemple que la production de nourriture dans les conditions martiennes n’entraîne pas des malformations de protéines (du fait des radiations ?) qui pourraient avoir des conséquences aussi néfastes que les prions sur Terre. En dehors de cela, on n’aura évidemment pas épuisé le sujet de la vie sur Mars et autant on ne risque probablement pas de rencontrer de vie martienne en surface du fait de la forte irradiation subie depuis très longtemps, autant on ne connaît rien de ce qui peut « exister » en sous-sol (même si les émissions de méthane sont extrêmement faibles).

Il faudra enfin tester la production d’ergols à partir de l’atmosphère martienne. On pourra tenter une hydrolyse de la glace martienne (mais on pourrait au tout début de l’implantation de l’homme, utiliser au moins en partie de l’eau importée de la Terre) et surtout de la production de méthane à partir de l’atmosphère martienne et de l’eau (réaction de Sabatier). Le test requerra une pompe, des filtres, des réactifs (nickel ou ruthénium), un peu d’énergie (RTG ou Kilopower ?), des réservoirs, des capteurs…et “un peu” de plomberie !

Simultanément, pendant la première mission robotisée, il faudra explorer les environs du site choisi a priori pour l’installation de la base à partir des orbiteurs. Cette exploration minutieuse à l’aide de rovers et de drones hélicoptères servira, outre la vérification des propriétés du gisement de glace comme développé la semaine dernière, à procéder à une étude géologique précise pour savoir de quelles autres ressources minérales on pourra disposer (fer, silice, alumine, phosphates, souffre, bore, etc…). Il faudra faire une étude géomorphologique du sol (avec radars) pour déterminer la surface d’atterrissage optimale pour le premier vaisseau habité. On pourra aussi déblayer le site choisi comme future « plateforme d’atterrissage » à l’aide d’un rover équipé d’une lame de bulldozer embarqué dans les soutes d’un des deux starships robotisés, aplanir le sol et monter des remblais de protection pour limiter les projections de poussière et pierres sur les premières installations lors des atterrissages suivants.

Lorsque l’on aura bien repéré et analysé le site d’atterrissage et le site de l’implantation de la Base (aussi proche que possible mais avec une distance de sécurité d’au moins un km), on pourra prépositionner les équipements qui seront utiles pour les vols suivants (habités). Il s’agit notamment des engins de construction ; de traitement des matériaux martiens (pour l’extraction, la production de duricrete, de briques) ; de capteurs d’énergie (un réacteur à fission non activé, de panneaux solaires emballés) ; des éléments de structure de la serre (je vote pour un Biopod d’Interstellar Lab) qui pourront être montés ou activés dès l’arrivée des premiers hommes ; d’autres produits qui ne souffriront pas du temps restant avant cette mission habitée (y compris du sel, du sucre mais aussi des réactifs divers ou compléments pour l’industrie du verre, comme le bore, ou de l’acier, comme le carbone), et bien sûr des protections antiradiations dont on aura toujours besoin que ce soit dans la construction ou pour porter sur soi (veste et casque d’Astrorad). On pourra encore commencer à produire quelques infrastructures dans la mesure de disponibilités d’équipements robotisés capable de les réaliser et de temps pour le faire. Dans tous les cas, on veillera à la polyvalence et à la modularité des éléments ou des outils utilisés. Un élément quelconque doit pouvoir servir à autant d’objets que possible “afin de maximiser la flexibilité opérationnelle et d’optimiser l’allocation des masses qui seront transportées depuis la Terre” comme le disent les auteurs.

Ensuite un des deux starships, vidé de sa charge utile, pourra repartir vers la Terre, si l’on a pu produire suffisamment d’ergols pour son vol de retour au cours des 18 mois passé sur Mars. Ce n’est pas l’hypothèse retenue par les auteurs de l’étude sur laquelle je me fonde, car ils estiment sans doute que les premiers équipements embarqués ne permettront pas la production d’ergols en quantité suffisante de façon entièrement robotisée. Ce serait pourtant intéressant de le tenter pour tester la rentrée dans l’atmosphère terrestre à la vitesse impliquée par un retour de Mars (plus élevée que lorsqu’on vient de la Lune). Il faudra en effet vérifier la bonne capacité de résistance du revêtement de tuiles thermiques avant que des hommes voyagent à bord (et après un atterrissage sur / suivi d’un décollage de Mars). Je pense personnellement qu’on pourra, comme le préconise Robert Zubrin, faire fonctionner la réaction de Sabatier par moyens robotiques et stocker suffisamment de méthane et d’oxygène pour revenir sur Terre sans équipage, surtout que le vaisseau restera présent pendant 18 mois sur Mars avant de pouvoir repartir (sauf urgence, voir ci-dessous) ce qui donne le temps de produire une quantité non négligeable d’ergols.

Au cas où l’on n’aurait pas totalement confiance dans le fonctionnement des équipements robotisés pour la méthanation, ou s’ils ne fonctionnaient pas une fois sur place, on pourrait du moins envisager d’extraire de la glace, de l’électrolyser et de stocker l’hydrogène (même s’il y aura des fuites, il en restera toujours un peu) et l’oxygène en quantité suffisante, toujours par moyens robotiques, avant l’arrivée de l’homme (32 mois après l’arrivée des vaisseaux robotisés sur Mars). Cela servirait toujours !

NB : on pourrait tenter de sauver une partie de l’hydrogène sous forme de « powerpaste » en le mélangeant à de l’hydrure de magnésium comme l’a démontré possible l’institut de recherche allemand IFAM. Dans le cas d’échec de la méthanation, ou si les réservoirs du starship ne peuvent être remplis ou bien si l’électrolyse échouait, les deux vaisseaux resteraient sur le sol de Mars comme l’envisagent de toute façon les auteurs de l’étude. Ils serviraient alors d’annexes à l’habitat ou d’ateliers aux astronautes de la mission suivante habitée. Leurs équipements intégrés seraient également bienvenus pour ces hommes puisqu’ils fourniraient une redondance. In fine l’ensemble des vaisseaux sera une source de matériaux.

Ces premières missions robotisées seront donc capitales pour décider ou non de nous établir sur Mars. Nous approchons de « l’heure de vérité » car je suis certain que si le Starship peut voler, atterrir et repartir avec des ergols produits par ISRU, Elon Musk trouvera un moyen pour aller sur Mars. Et si les tests de vie sur Mars nous « donnent le feu vert », il est certain que des hommes prendront le risque du voyage puis de l’isolement, puis de la vie avec des ressources limitées, pour décider de s’installer sur la planète pour la durée d’une mission (30 mois tout de même entre départ et retour sur Terre) puis pour plus longtemps. Je connais suffisamment (indirectement) Elon Musk et je connais suffisamment les Américains pour n’avoir aucun doute là-dessus. Et probablement quelques Européens prendront aussi le risque de les accompagner (puisque l’ESA a décidé que l’aventure était pour les cow-boys). Le déclencheur de tout cela sera le parcours par le Starship de sa première orbite autour de la Terre, prévue pour cette année. Un événement très encourageant a eut lieu ce 09 février avec la mise à feu statique réussie du SuperHeavy Booster 7. Faire fonctionner ensemble les 31 moteurs était un énorme défi. Une étape importante a donc été franchie. Nous vivons une époque formidable !

Illustration de titre : magnifique vue d’artiste d’un Starship atterrissant sur (ou décollant de) Mars. (SpaceX Illustration).

Article de référence :

Mission Architecture Using the SpaceX Starship Vehicle to Enable a Sustained Human Presence on Mars (Architecture de mission utilisant le Starship de SpaceX pour rendre possible une présence humaine durable sur Mars). Lien : https://doi.org/10.1089/space.2020.0058

Publication en septembre 22 dans New Space, revue scientifique du groupe Mary Ann Liebert. Les 19 auteurs sont membres d’organisation et d’universités américaines de premier plan :

NASA Ames Research Center (dont l’auteure principale Jennifer Heldmann); Bechtel Corp.; NASA Kennedy Space Center; Honeybee Robotics; Purdue University; Planetary Science Institute, Tucson; United States Geological Survey…et Margarita Marinova, Docteure en Sciences planétaires du CalTech, ancienne de SpaceX où elle était « Senior Mars Development Officer » (que je mets en exergue parce qu’elle est auteure en second…et que je la connais pour avoir longuement discuté avec elle en compagnie de Richard Heidmann, fondateur de l’Association Planète Mars – France, sur introduction de Robert Zubrin).

Sur Mars, l’eau sera l’objectif premier des missions robotisées du Starship

4 février 20232 avril 2023 Pierre Brisson 14 commentaires

En Septembre 2022, un groupe d’ingénieurs et de scientifiques travaillant dans des entreprises, institutions ou universités américaines de premier plan*, y compris la NASA, ont co-signé une étude (dont le titre est donné en fin du présent article) publiée par un éditeur scientifique de renommée mondiale (New Space, groupe Mary Ann Liebert Inc.) montrant comment exploiter les possibilités ouvertes par l’arrivée du Starship de SpaceX pour établir une présence humaine pérenne sur Mars.

*NASA Ames Research Center (dont l’auteure principale, Jennifer Heldmann); Bechtel Corp.; NASA Kennedy Space Center; Honeybee Robotics; Purdue University; Planetary Science Institute, Tucson; United States Geological Survey…et Margarita Marinova, Docteure en Sciences planétaires du CalTech, ancienne de SpaceX où elle était « Senior Mars Development Officer » (que je mets en exergue parce qu’elle est auteure en second…et que je la connais).

Ce n’est évidemment pas la première fois que des personnes qualifiées envisagent cette utilisation, à commencer bien sûr par Elon Musk et son entourage dont le fondateur de la Mars Society, l’ingénieur en propulsion Robert Zubrin. Mais c’est le premier document qui examine sérieusement la démarche qu’il conviendra de suivre grâce à la contribution du Starship. Nous entrons ainsi dans la préparation concrète de l’implantation humaine sur Mars.

Le Starship du fait de sa capacité (100 tonnes de charge utile dans un volume utilisable de 1100 m³) va en effet nous permettre non seulement de transporter des hommes avec leur système de support-vie mais généralement tous les équipements nécessaires à leur séjour de longue durée sur Mars. Ces hommes et leurs équipements mettront le plus possible à profit l’ISRU (In Situ Resource Utilization*) pour limiter au maximum les masses et les volumes qui devront être importés depuis la Terre. Et l’ISRU reposera principalement (mais bien sûr pas exclusivement) sur l’utilisation de l’eau martienne. Les autres ressources majeures susceptibles d’ISRU, ainsi qu’abondamment décrit par Robert Zubrin, sont le régolithe et le CO₂de l’atmosphère.

* le concept d’ISRU est une « innovation » de Robert Zubrin. Lire ou relire, The Case for Mars, édition 2021, celle du 25^ème anniversaire de la première (1996).

A. L’eau

Le facteur déterminant pour une implantation humaine, pleinement reconnu par les auteurs, c’est l’eau liquide.

Avec de l’eau, « on peut tout faire ». On peut s’hydrater, se laver ; élever des poissons, des crevettes pour se nourrir, ou des algues spirulines encore pour respirer ou se nourrir ; cultiver des plantes pour se nourrir ; durcir le régolithe pour en faire une sorte de béton (le « duricrete ») ; produire toutes sortes de biens tangibles (à commencer par l’acier à partir du fer contenu dans le régolithe) ; faire écran contre les radiations (les protons de l’hydrogène faisant bouclier aux protons du Soleil et des radiations galactiques) ; sans oublier produire des ergols (CH₄ et O₂) pour revenir sur Terre (électrolyse de l’eau pour alimenter en hydrogène la réaction de Sabatier). L’eau c’est donc la vie, non seulement végétative mais aussi active et en disposer sur Mars sera indispensable pour s’y établir.

Nous savons depuis des dizaines d’années qu’il y a de nombreux gisements de glace d’eau à la surface de Mars, y compris aux latitudes inter-tropicales. Le sujet est donc plus précisément de l’exploiter grâce à la mise à disposition de moyens permise par le Starship.

Stratégie.

Avant l’arrivée de l’homme les auteurs préconisent l’envoi de deux séries de vols robotisés pour « préparer le terrain ». Au-delà de la construction de la première plateforme d’atterrissage, il s’agira de reconnaître et caractériser précisément les ressources en eau, grâce aux équipements embarqués, de telle sorte que les hommes puissent avoir accès à cette ressource avec le minimum de moyens et le maximum d’efficacité. C’est immédiatement à proximité de cette ressource que la station appelée à devenir la Base-habitée puis la première ville martienne, devra être établie.

Identification du gisement de glace exploitable

Il s’agit de délimiter aussi précisément que possible au sol, les volumes et l’accessibilité de cette eau déjà identifiée depuis l’espace. Rien que pour produire les ergols nécessaires au retour sur Terre, on aura besoin d’un cube de glace de 9 m de côté. Pour les personnes le besoin est estimé à 0,6 kg/h/personne. Cette seconde partie devra être recyclée avec un minimum d’eau noire (non récupérable pour quelque usage que ce soit) et toute évolution positive dans les techniques de recyclage permettra d’améliorer le pourcentage réutilisable (90% sur l’ISS). Le premier problème sera l’épaisseur de la couche de « mort-terrain » qui recouvre la glace dans les régions de latitude basse. En effet l’atmosphère martienne s’étant dissipée très tôt dans l’espace jusqu’à devenir extrêmement ténue (610 pascals aujourd’hui au datum), la sublimation a fait son œuvre dans la zone intertropicale de la planète. Il n’existe plus de glace à ciel ouvert dans cette zone et la couche de régolithe qui la protège a été vidée de son eau sur le(s) premier(s) mètre(s), avec la succession de périodes de températures positives. Par ailleurs, le phénomène qui s’est produit dans la couche supérieure du sol, s’ajoute probablement à la diminution progressive du taux de glace sur les marges du gisement. Il faudra donc aussi déterminer jusqu’où les engins devront et pourront s’approcher pour pratiquer une extraction utile.

Caractérisation du réservoir de glace (exploration/prospection de la ressource)

Mais il ne s’agit pas que de volume il s’agit aussi de qualité. Là aussi des robots embarqués sur les premiers vols robotisés et équipés de divers capteurs et spectromètres, pourront nous renseigner sur les caractéristiques exactes de la glace, notamment sa pureté pour la consommation et les autres usages. L’outil que les auteurs recommandent pour cette caractérisation est la suite d’instruments VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) que l’on prépare pour la Lune (mission prévue au milieu des années 20). Cette suite qui pourra être embarquée sur des* rovers ou d’autres moyens mobiles (drones hélicoptères), comprend les instruments ci-dessous :

*les auteurs recommandent l’utilisation de flottes de ces véhicules puisque la capacité d’emport du Starship le permettra. Le nombre aura pour intérêt d’atténuer le risque de non fonctionnement d’un de ses éléments (redondance) et d’explorer plusieurs sites à la fois.

Le Neutron Spectrometer System (NSS). La spectroscopie à neutrons est une technique expérimentée qui parvient à très bien identifier les atomes d’hydrogènes dans le sol…et qui dit hydrogène dit le plus souvent eau.

Near-InfraRed Volatiles Spectrometer System (NIRVSS). Ce système mesure la composition des volatils, la minéralogie, les propriétés thermophysiques et la géomorphologie à petite échelle. Le NIRVSS pourra donc étudier la surface et la géologie du site d’extraction, fournissant le contexte minéral de la surface et du régolithe. C’est le complément naturel au NSS.

Mass Spectrometer Observing Lunar Operations (MSolo). L’instrument est basé sur le spectromètre de masse quadripolaire haute performance « Transpector MPH » de la Sté INFICON (utilisé sur Terre). Il pourra analyser les matières volatiles libérées du régolithe, lors des déplacements du rover ainsi que lors de l’extraction par forage. MSolo pourra non seulement estimer l’abondance de l’eau mais aussi identifier la présence et les densités relatives de diverses autres espèces volatiles (H₂, He, CO, CO₂, CH₄, NH₃, H₂S, SO₂).

Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain (TRIDENT). L’instrument est un foret rotatif à percussion de 1 m de long, développé par la société Honeybee Robotics et conçu pour remonter en surface du régolithe sec ou enrichi en volatils à fin d’analyse par NIRVSS et MSolo. Il comporte une face pleine avec des fraises en carbure à l’extrémité d’une tarière de 1 m pour briser le régolithe et transporter les brisures à la surface. La tarière comprend deux sections : les 10 cm inférieurs qui ont des cannelures profondes à angle faible, idéales pour rétention du matériau ; la section supérieure de 90 cm qui a des cannelures peu profondes à angle raide et qui conviennent à un retrait efficace de matière. Evidemment la glace peut être présente à une profondeur plus grande qu’un seul mètre mais l’analyse du sol jusqu’à cette profondeur pourra déjà donner des indications sur ce qu’on peut trouver en-dessous (et éventuellement on pourrait ajouter des rallonges à la tige principale).

Acquisition de la glace

Le système recommandé par les auteurs, après identification de la ressource, est l’utilisation de la technologie du « puits Rodriguez » connue sous le nom de « Rodwell » (différente de celle du TRIDENT utilisée pour la simple exploration. Le Rodwell permet d’aller beaucoup plus profond). Le Rodwell a été conçu et testé par Honeybee Robotics pour être utilisé au Groenland et en Antarctique. Le concept consiste à faire fondre la glace en profondeur pour créer une poche d’eau liquide pouvant être pompée à la surface. Le Rodwell maintient l’eau liquide dans la cavité souterraine par chauffage pendant toute la durée de vie opérationnelle du puits. La poche d’eau se dilate au fur et à mesure que la glace fond à partir des parois de la cavité, fournissant ainsi une source d’eau constamment renouvelée. Le « RedWater » (en cours de conception) sera la version du Rodwell adaptée à Mars. Le RedWater mettra en œuvre deux technologies terrestres éprouvées (notamment au Pôle Sud) : le « coiled tubing » (CT) pour le forage et le principe de base Rodwell pour l’extraction de l’eau. L’extrémité du tube CT comporte un ensemble (« Bottom Hole Assembly », « BHA ») constitué autour d’un moteur et d’un foret. Pour éliminer les débris et éclats de roche, de l’air martien comprimé sera pompé dans le tube. Une fois le trou fait, le CT sera laissé à l’intérieur et utilisé comme conduit pour l’extraction de l’eau. Le BHA comprend un sous-système de forage à percussion rotatif et des radiateurs. En atteignant une couche de glace, la perceuse continuera pendant environ 3 m puis s’arrêtera, mais la mèche continuera de tourner. La foreuse déploiera une garniture flexible pour sceller le trou et les appareils de chauffage seront allumés pour faire fondre la glace environnante. Après qu’il ait fait fondre le volume de glace prévu, le trou de forage sera pressurisé et une vanne sera ouverte pour permettre à l’eau de s’écouler vers la surface, comme dans un geyser terrestre. L’opération pourrait être effectuée au travers d’un mort-terrain allant jusqu’à 20 mètres. Pour l’approche on peut envisager de simples rovers, à la condition qu’on choisisse un gisement de glace sous un mort-terrain accessible à ces véhicules. On évitera donc en particulier les gisements de LDA (Lobated Debris Aprons, tabliers de débris lobés) dont la surface est probablement encombrée de pierres et de rochers emportés par le flux lors de leur formation. Une alternative au RedWater serait l’extraction minière classique, soit avec pelles excavatrices et marteaux-piqueurs ou scies, soit avec utilisation d’explosifs.

Système de distribution de l’eau

La glace extraite sur le site minier devra être transportée jusqu’à la base habitée pour un traitement supplémentaire et pour utilisation. Le transport pourra être effectué par plusieurs moyens, pipeline et/ou camion. Le mode choisi dépendra de la distance entre le site minier et la base habitée ou les starships. Les emplacements des installations de traitement et de stockage sont bien sûr des considérations importantes pour le choix. On devra optimiser la conception du processus de transport selon que l’eau sera stockée sous forme de glace et fondue selon le besoin, ou que des réservoirs d’eau liquide seront maintenus pour une utilisation à la demande. Il est fort probable que l’on extraira l’eau nécessaire d’un (ou de plusieurs) puits et qu’on la maintiendra en quantité minimum disponible immédiatement sous forme liquide. Le reste sera stocké sous forme de glace pour utilisation future. Pour l’eau en phase liquide, il sera évidemment important de tenir compte de l’importance de la gravité dans le flux puisqu’il est avantageux sur le plan énergétique que le consommateur soit situé à une altitude inférieure à l’approvisionnement.

Purification de l’eau

L’eau extraite de sources in situ devra être testée pour déceler les contaminants ou une présence biologique potentielle, et purifiée en conséquence. Le niveau d’impuretés tolérable doit être déterminé pour les différentes utilisations possibles. Par exemple, les exigences pour les ergols seront différentes des exigences pour l’eau potable. Cependant, la quantité d’eau nécessaire pour permettre la vie des hommes sur Mars sera relativement faible par rapport à l’eau nécessaire pour faire le plein des starships. On pourra recycler l’eau comme on le fait sur l’ISS, mais comme la ressource en eau ne sera pas soumis à la même contrainte de rareté, on pourra descendre en dessous des 90%.

Il existe plusieurs méthodes utilisables pour la purification de l’eau. Les technologies de traitement physique utilisent la séparation de phase des constituants du liquide par différence de densité (flottation, décantation, centrifugation), changements de phase (distillation, évaporation, congélation), barrière physique sélective (filtration), osmose inverse ou chimie de surface différentielle (séparation capillaire et chromatographique, échange d’ions, sorption).

Des traitements chimiques peuvent aussi éliminer les contaminants indésirables et désinfecter un approvisionnement en eau. Les missions martiennes devraient donner la priorité aux technologies pour lesquelles les réactifs pourront être produits in situ.

Des traitements biologiques peuvent également être envisagées. Bien que leur cinétique soit généralement inférieure (heures à jours) à celle des processus physiques ou chimiques (secondes à minutes), leur processus présentent l’avantage d’être capables d’auto-régénération et peuvent donc fournir un système de purification durable avec une masse initiale très réduite.

B. Les auteurs n’ont pas oublié les autres nécessités que peut permettre de satisfaire le Starship. Ils les considèrent seulement comme secondaires par rapport à l’eau. Je vous en parlerai la semaine prochaine !

Pour le moment on voit que l’apport du Starship n’est pas une technologie supplémentaire pour adapter l’environnement martien aux ambitions de l’homme, c’est simplement et c’est déjà beaucoup, une capacité d’emport tout à fait extraordinaire qui permettra de déposer sur Mars tous les équipements nécessaires dont on aura besoin et qui permettra aussi de vivre sur Mars en attendant qu’on ait construit les infrastructures nécessaires avec les matériaux provenant de la planète elle-même.

Lien vers l’article de NewSpace (open source) : https://doi.org/10.1089/space.2020.0058

Lien vers une traduction libre en Français de cet article (par moi-même): Architecture de mission utilisant le Starship de SpaceX pour permettre une présence humaine durable sur Mars

Titre :

Illustration de titre:

Schéma de principe du puits Rodriguez « RedWater » conçu pour Mars par Honeybee Robotics. Les principaux sous-systèmes y sont indiqués. La foreuse du RedWater est transportée par le rover ATHLETE de la NASA. Crédit aux auteurs de l’article cité.

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 23 01 29