1. Importance de l’ISRU
Dans le scénario de Space X, il est indiqué que le Starship atterrit pratiquement à vide sur Mars et qu’il faut donc refaire le plein d’ergols à l’aide des ressources locales (In Situ Resource Utilization). Mais est-ce une option réaliste ?
L’idée de produire les ergols du retour, typiquement du méthane liquide (LCH4) et de l’oxygène liquide (LO2), en exploitant l’eau présente dans le sol martien et le gaz carbonique présent dans l’atmosphère martienne avait déjà été proposée par Zubrin dans Mars Direct en 1991. Depuis, pratiquement toutes les architectures de mission sont basées sur la production de tout ou partie des ergols sur place. Les principales options sont les suivantes :
- Tout amener depuis la Terre.
- Amener uniquement l’hydrogène et produire méthane et oxygène (Zubrin, Mars Direct).
- Amener uniquement le méthane et produire l’oxygène (missions de référence NASA).
- Tout produire sur place (Space X).
Je propose un focus particulier sur l’option d), c’est-à-dire le scénario de Space X. Il convient de noter qu’il y a également deux cas très différents :
d1) Produire les ergols du véhicule de retour en orbite communément appelé MAV (Mars Ascent Vehicle), mais pas les ergols du véhicule qui effectue le transit vers la Terre depuis l’orbite martienne, communément appelé ERV (Earth Return Vehicle).
d2) Produire les ergols du véhicule de retour depuis la surface martienne, ce qui est le cas du scénario de Space X, le Starship jouant à la fois le rôle de MAV et de ERV.
Pour faire le point sur ce sujet, qui fait l’objet d’une étude de deux étudiants des classes préparatoires de l’Université de Bordeaux, Louis BERTET et Florent CHERUBINI, je prends notamment appui sur plusieurs publications (disponibles sur demande) :
[1] Robert Zubrin, Steve Price, Larry Mason, and Larry Clark, « Report on the Construction and Operation of a Mars In-Situ Propellant Production Unit », American Institute of Aeronautics and Astronautics conference, 1994.
[2] G. Drake ed., Mars Architecture Steering Group, Human Exploration of Mars, Design Reference Architecture 5.0, NASA Johnson Space Center, 2009 (rapport de la NASA).
[3] C. Cooper, W. Hofstetter, J.A. Hoffman, E. Crawley, Assessment of architectural options for surface power generation and energy storage on human Mars missions, Acta Astronautica, vol. 7-8, pages 1106-112, 2010.
[4] Bjarne Westphal, Volker Maiwald, Critical Analysis and Review of Current Mars Mission Scenarios for SpaceX Starship, Actes de la conférence IAC, IAC-22-A5.2.3, Paris, 2022.
2. Bilan de l’étude NASA
Bien que la NASA privilégie l’option c), dans la référence indiquée précédemment, elle présente en détail l’option d1). Voyons les principaux résultats de cette étude, afin de mieux appréhender les enjeux et difficultés de l’option d2).
Dans le scénario NASA, 6 astronautes doivent monter dans le MAV pour remonter en orbite. Les besoins sont estimés à 32 tonnes d’ergols composés de LCH4 et LO2. En combustion, on a :
CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O
Le ratio est d’environ 4,5 tonnes d’oxygène pour chaque tonne de méthane. L’analyse des coefficients stœchiométriques et de la masse molaire suggèrent un rapport massique de 4 pour 1, mais il faut un mélange un peu plus riche en oxygène.
La NASA propose d’amener sur Mars des robots excavateurs, une unité d’extractions d’eau à partir de sol martien, une unité chimique exploitant la réaction de Sabatier et l’électrolyse de l’eau, et enfin un système de liquéfaction et stockage du méthane et de l’oxygène. Il est possible d’atterrir dans une zone ou la glace d’eau est présente en grande quantité à quelques centimètres ou mètres sous la surface. Toutefois, dans le cas général, il n’y a pas de poche de glace exploitable et il faut alors tenter d’extraire les molécules d’eau directement à partir du sol martien. Grâce aux missions martiennes robotiques, on a découvert que la teneur en molécules d’eau était en moyenne de l’ordre de 3 à 8 %. C’est faible, mais suffisant pour tenter une extraction, à condition de collecter une grande quantité de sol martien, d’où la nécessité d’amener des robots excavateurs. Le principe est relativement simple : on collecte quelques kilogrammes de sol qu’on enferme dans un conteneur. On chauffe à plus de cent degrés pour amener l’eau à l’état de vapeur, puis celle-ci se recondense sous forme liquide au contact d’un point froid. Il suffit alors de laisser couler l’eau vers un collecteur. Puis on enlève le sol devenu très sec et on le remplace par un nouvel échantillon apporté par un robot excavateur.
La NASA a quantifié la masse et les besoins énergétiques de tous ces systèmes ISRU en prenant deux hypothèses de travail, un sol à 3% d’eau et un sol à 8% d’eau.
Il convient de noter que la NASA a également pris en compte un complément de production d’eau pour les systèmes support vie dans les estimations indiquées dans le tableau. Les besoins énergétiques sont donc probablement légèrement surestimés. De plus, un tiers des besoins énergétiques concerne l’extraction de l’eau. On comprend donc tout l’intérêt d’atterrir près d’un gisement de glace.
3. Systèmes énergétiques pour les ergols du Starship
Les besoins énergétiques ont été chiffrés dans le tableau précédent pour la production de 32 tonnes d’ergols composés de méthane et d’oxygène. Ces besoins ont été calculés pour le MAV de la NASA ? mais quels sont donc les besoins du Starship ? Rappelons le contexte, tel qu’il est proposé par Space X et résumé également dans la référence [4] ci-dessus. Deux cargos Starship ont amené du matériel à la surface de Mars. Il reste environ 540 jours pour remplir les réservoirs d’ergols de ces deux Starship avant l’arrivée de l’équipage à bord d’un autre vaisseau. La masse à vide est estimée à 200 tonnes par fusée. Selon la Nasa, le DeltaV pour quitter l’orbite martienne et atterrir sur la Terre est estimé à 7267 m/s. En considérant une impulsion spécifique de 361 secondes pour le couple CH4/O2, l’équation de Tsiolkovsky nous permet d’estimer un besoin de 1269 tonnes d’ergols par vaisseau et donc de 2538 tonnes au total si 2 vaisseaux doivent être ravitaillés comme le propose Musk. Cela représente une production moyenne d’environ 4700 kg/jour … ce qui est phénoménal. Si on part d’une concentration en eau à 3%, une estimation des besoins énergétiques par une simple règle de trois nous conduit à environ 4,8 MW. Même si on considère un seul vaisseau, cela représente 2,4 MW, ce qui est colossal. Cette estimation doit cependant être considérée avec prudence, car il existe d’autres procédés pour obtenir du méthane et extraire de l’eau, et des économies d’échelle sont probables. Malgré tout, cela indique un ordre de grandeur. La question est ensuite de savoir quels sont les moyens permettant de produire une telle quantité d’énergie.
L’étude de Cooper et al (référence [3]) fournit des éléments de réponse. Fondamentalement, il n’existe que deux options pour produire de l’électricité sur Mars, la première est basée sur le nucléaire et la deuxième sur les panneaux photovoltaïques couplés à un système de stockage, batteries, piles à combustibles ou autres. De manière un peu surprenante, ces deux méthodes ont pratiquement les mêmes ratios concernant le nombre de watts produits par kilogramme de système acheminé sur Mars, typiquement de 20 à 25 Watts par kilogramme. Autrement dit, pour produire 2,4 MW, il faut acheminer un réacteur nucléaire qui pèserait de l’ordre de 100 tonnes, ou d’immenses rouleaux de panneaux photovoltaïques déployables associés à un système de stockage dont la masse totale serait également de l’ordre de 100 tonnes. Or, il n’est pas prévu que les Starship cargo soient uniquement consacrés à l’acheminement des systèmes énergétiques. En outre, le déploiement de tels systèmes de manière automatique serait extrêmement fastidieux, d’autant plus que la baie de stockage des Starship est positionnée à plusieurs mètres de hauteur, ce qui complexifie la phase de déchargement. L’option la plus simple serait sans doute de considérer un Starship cargo supplémentaire. Et en complément, il faudrait choisir un site d’atterrissage proche d’un gisement de glace facilement exploitable.
Conclusion
La production de méthane et d’oxygène à partir de techniques ISRU est faisable, mais elle reste malgré tout complexe en particulier dans le scénario de Space X, où la quantité d’ergols à produire est phénoménale. La problématique de masse des systèmes énergétiques et la complexité de leur déploiement sont clairement des obstacles qu’il sera difficile de surmonter. Gageons cependant que si aucune solution claire n’était trouvée, les ingénieurs de Space X n’hésiteraient pas à changer radicalement d’approche. Ils l’ont déjà fait par le passé (par exemple en abandonnant les matériaux carbone composite au profit de l’acier). Comme le dit Elon Musk, l’erreur classique des ingénieurs est de chercher à optimiser un système complexe, alors qu’il est possible de se passer du système en question. Affaire à suivre donc.