Production sur Mars des ergols du retour

Nous résumons ici les techniques d'exploitation des ressources locales martiennes pour produire les ergols du vaisseau de retour. On parle classiquement de systèmes ISRU (In Situ Resource Utilization). De nombreux travaux ont été publiés dans ce domaine. La synthèse proposée ici reprend les travaux de Zubrin de 1994 ainsi que l'étude décrite dans le rapport de la NASA décrivant la mission de référence 5.0. qui date de 2009.

1. Principes généraux

De même que dans le rapport de la NASA ou dans le scénario de Space X, nous nous focalisons ici sur les besoins d'un système de propulsion basé sur la combustion de CH4 avec O2. D'autres choix sont possibles, mais le couple CH4/O2 permet théoriquement d'atteindre une bonne impulsion spécifique, de l'ordre de 370s, avec un rapport de masse entre O2 et CH4 de 3,6 pour 1. L'équation stœchiométrique suggère un différent ratio, mais des études ont montré qu'un mélange enrichi en oxygène était plus efficace. Fondamentalement, il existe 3 stratégies d'exploitation des ressources locales :

• Apporter CH4 (méthane) de la Terre et ne produire que O2 (oxygène) sur Mars à partir du CO2 atmosphérique.
• Apporter H2 (hydrogène) de la Terre et produire à la fois CH4 et O2 à partir du CO2 atmosphérique.
• Ne rien apporter de la Terre et tout produire sur Mars, à partir de H2O du sol et CO2 de l'atmosphère.

Ces 3 stratégies ont été étudiées et nous allons maintenant les développer. Pour illustrer le concept ISRU, voici ci-dessous une image tirée du rapport de la DRM 1.0 de la NASA (crédits NASA). Une petite capsule est placée au sommet du vaisseau de remontée. Les boules dorées sont des réservoirs d'ergols remplis de façon automatique grâce à l'exploitation du gaz carbonique atmosphérique et de l'hydrogène apporté de la Terre.

2. Travaux de Zubrin de 1994

Référence : 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.

Résumé : Dans le contexte du retour du vaisseau de la mission Mars Direct, les auteurs étudient un système de production de méthane et d'oxygène en utilisant au mieux les ressources locales. Le méthane (CH4) peut en effet être produit de façon assez simple grâce à des équations chimiques bien connues qui exploitent le gaz carbonique (CO2) de l'atmosphère martienne et l'hydrogène (H2) apporté de la Terre. Il s'agit essentiellement de la réaction de Sabatier, qui doit néanmoins être couplée à d'autres équations pour que H2O soit redécomposé et que la bonne quantité d'O2 soit produite. Voici ci-dessous un résumé des équations chimiques utiles à la production de méthane et d'oxygène lorsque l'hydrogène est apporté de la Terre.

Le scénario est alors le suivant :

• Un petit réacteur de fission nucléaire de type "SP-100" est déployé sur Mars.
• 5,8 tonnes d'hydrogène (apportées de la Terre ou obtenues à partir de l’électrolyse de l'eau) sont mises en réaction avec du CO2 pour produire 37,7 tonnes de méthane et d'eau selon la réaction (1).
• La réaction (2) est utilisée pour récupérer l'hydrogène de l'eau, qui est à nouveau introduit dans la réaction (1) pour obtenir finalement 23,2 tonnes de méthane et 46,4 tonnes d'oxygène.
• La réaction (3) est utilisée pour produire 37,1 tonnes d'oxygène supplémentaire.
• Bilan : 106,7 tonnes de CH4/O2 ont été produites, pour être directement utilisées dans un moteur à combustion, avec un rapport de mélange de 1 CH4 pour 6 O2.

3. Trouver l'hydrogène sur place

H2 n'est pas présent dans l'atmosphère martienne. L'idée est de l'obtenir grâce à H2O qui existe dans le sol martien. Idéalement, il pourrait y avoir dans le sous-sol une nappe d'eau (ou plutôt de glace puisque l'eau ne peut exister à l'état liquide sur Mars). Il est en effet admis aujourd'hui qu'il existe de la glace dans le sous-sol de Mars, notamment au niveau des pôles, mais pas seulement, il en existe également dans différentes zones, y compris aux latitudes plus proches de l'équateur. Cela contraint cependant beaucoup la mission, puisqu'il faudrait atterrir précisément dans une de ces zones. Il existe toutefois une autre solution qui consiste à extraire l'eau qui est présente dans le sol, mêlée aux autres éléments avec un ratio de 3 à 8% selon les estimations de la NASA. Pour cela, il faut procéder à des excavations et extraire les molécules d'eau qui s'y trouvent. Un premier système chauffe fortement le sol (600K), puis il est fluidifié pour faciliter la libération des molécules d'eau grâce à un flux de gaz inerte. Un processus de nettoyage des gaz est ensuite appliqué et enfin un processus de refroidissement permet de recueillir et de stocker l'eau à l'état liquide.

4. Masse des systèmes ISRU en fonction de l'option choisie

Le plus simple est de prendre un cas particulier. Dans le cas de la mission de référence de la NASA de 2009, il faut qu'un véhicule décolle de Mars pour rejoindre en orbite le vaisseau de retour vers la Terre. L'orbite visée est une ellipse de 250 x 33793 km, ce qui nécessite un Delta V de 5,625 km/s. La NASA a calculé que la masse des ergols pour un véhicule à 2 étages était d'environ 32 tonnes, le véhicule pesant 46 tonnes au total. Nous présentons ci-dessous un tableau modifié par nos soins (essentiellement copié du rapport de la NASA avec quelques lignes en Français) afin de montrer les besoins massiques des systèmes ISRU pour chacune des options citées précédemment. Comme on peut le voir, la masse de ces systèmes est relativement faible devant la masse de carburant dont on a besoin. Le gain est donc évident et justifie qu'on s'intéresse à l'exploitation des ressources locales.

En ce qui concerne le scénario 5.0 de la NASA, il est intéressant de voir pourquoi celle-ci n'a retenu que la production d'O2 pour les ergols du vaisseau de retour, CH4 étant apporté de la Terre. Voici ci-dessous les 2 raisons fondamentales de leur choix :

• La production de CH4 à partir du CO2 atmosphérique et de H2 importé de la Terre n'a pas été retenue en raison du volume requis pour le stockage de H2, de la complexité des systèmes de stockage (haute pression, basse température) et de son impact à la fois sur les risques de la phase d'entrée descente et atterrissage et la complexité de l'aménagement de la fusée.
• L'option consistant à exploiter le sol martien pour en extraire de l'eau n'a pas été retenue non plus en raison de la complexité et des risques des opérations à la surface de Mars. Un grand potentiel existe, mais les risques sont mal connus et les besoins en terme de masse sont peut-être sous-estimés.

Attention toutefois, selon que la quantité d'ergols à produire soit élevée ou pas, le fait que tout doit être produit en automatique ou pas ou que l'on dispose d'une marge de quelques tonnes ou pas pour le véhicule de descente, le choix pourrait être différent. Il convient donc de rester prudent et de ne pas tirer de conclusion trop hâtive. En particulier, on peut noter que pour l'option c), une présence humaine à la surface de Mars pourrait réduire considérablement les risques que les machines excavatrices se retrouvent bloquées sur un terrain accidenté. Si les astronautes sont entrainés en conséquence et qu'ils disposent d'outils appropriés, ils peuvent également réparer les appareils qui tomberaient en panne.

Conclusion

L'exploitation des ressources locales pour la production d'ergols est une option très intéressante pour réduire la masse totale à poser sur Mars. Cette option est retenue dans la plupart des scénarios de mission proposés par les spécialistes, au moins pour la production de l'oxygène.

Articles complémentaires de l'association Planète Mars :

De l'eau pour le Starship, par Pierre Brisson

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