Avec Moxie, la NASA a fabriqué de l'oxygène sur Mars ! › Nouvelles Geek - 1

Malgré les apparences, Mark Watney a beaucoup de chance. Car non seulement cet astronaute de la mission Ares III, interprété par Matt Damon dans le film Seul sur Mars, rescapé d’une tempête martienne, est botaniste de formation et tentera de subvenir à ses besoins nutritionnels pendant de longs mois, mais surtout car, dans le monde In the 2035 imaginé pour le romancier Andy Weir et adapté au cinéma par Ridley Scott, les astronautes ont suffisamment d’oxygène pour leur mission habitée. Totalement ignoré dans le film, ce « détail » est loin d’en être un : dans le monde réel, celui de 2021, on est encore loin d’atteindre cette performance. Le 20 avril dernier, la NASA a réalisé l’exploit de produire de l’oxygène sur Mars pour la première fois, grâce à Moxie, Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment.

Cette canette en aluminium de 17 kg recouverte de feuilles d’or de la taille d’un grille-pain, tout droit sortie du California Jet Propulsion Laboratory, a produit 5,4 g d’oxygène à partir du cratère martien Jezero. Juste de quoi permettre à un astronaute de respirer pendant 10 minutes, certes, mais c’est « un premier pas important », insiste Michel Viso, conseiller scientifique du Centre national d’études spatiales (CNES).

Moxie, conçu dans le Jet Propulsion Laboratory, produira de l’oxygène sur Mars. nasa jpl-caltech

Ce petit instrument installé à l’avant droit du rover Persévérance, qui s’est posé sur le sol martien le 18 février dans le cadre de la mission américaine de mars 2020, est « la démonstration qu’un système compact est capable de développer de l’oxygène in situ, dans des conditions martiennes, « il explique. Cependant, l’oxygène sera la clé « si nous voulons amener les humains sur Mars, et c’est le cas », ajoute Michael Hecht, ingénieur responsable de Moxie.

Et pour cause : alors que Seul sur Mars se déroule en 2035, la réalité peut rattraper la fiction. SpaceX et son « technoking » Elon Musk, habitué aux promesses de Gascons, visent un vol martien habité à partir de 2026, Boeing jure de le réaliser en amont, la Chine vise 2033, la NASA recruterait un équipage d’ici 2037 et la Russie prévoit 2040.

Dans cette course contre la montre, il n’était pas question d’emporter tout l’oxygène nécessaire puisqu' »il nous faudrait environ 30 tonnes, qu’on ne pourrait apporter que plusieurs fois, ce qui rajouterait dix ans au calendrier », précise Michael Hecht. . Par conséquent, nous devrons savoir comment le produire sur place. Pas tant pour que l’équipage puisse respirer, mais « pour que la fusée puisse respirer », lance ce directeur de recherche de l’Observatoire de Haystack, un centre astronomique situé au sein du prestigieux MIT.

Comprenez : pour la relance depuis Mars. Un équipage de quatre personnes, qui devra passer au moins un an et demi sur Mars, ne consommerait qu’une tonne et demie d’oxygène pendant ce temps. Pour lancer une fusée, en revanche, il faudrait 25 tonnes d’oxygène, ainsi que sept tonnes de carburant, généralement de l’hydrogène. Bien sûr, « si nous trouvions de grandes quantités d’eau sur Mars, quel que soit son état, ce serait la source idéale pour la convertir en oxygène », explique Olivier Guaitella, chercheur au Laboratoire de physique des plasmas (École polytechnique-CNRS).

Moxie, conçu dans le Jet Propulsion Laboratory, produira de l’oxygène sur Mars. POT

Mais en attendant de mettre la main sur l’or bleu, la boîte en or de Moxie se charge de fabriquer de l’oxygène à partir du CO2, dont l’atmosphère martienne est particulièrement riche, grâce à un procédé d’électrolyse à oxyde solide.

Plusieurs tentatives infructueuses

Si cette expérience est une grande réussite, l’ingénieur n’oublie pas que d’autres n’ont pas eu leur chance auparavant. En 2001, l’actuel responsable du projet Moxie était en charge du Mars Environmental Compatibility Assessment (MECA), un instrument d’analyse du sol martien qui serait réalisé à bord de la mission Mars Surveyor 2001. Mais celui-ci a été annulé en 2000. et l’atterrisseur n’a jamais été lancé, « car il ressemblait trop au Mars Polar Lander », avec lequel la NASA a perdu tout contact en décembre 1999 et qui s’est probablement écrasé sur le sol martien, se souvient Michael Hecht.

Les pièces détachées de l’atterrisseur ont ensuite servi de base à la sonde Phoenix, qui s’est posée sur Mars en 2008, équipée de MECA. Un autre instrument, le Mars In Situ Propellant Production Precursor (MIP), composé de cinq expériences autour de la production d’oxygène et également prévu pour équiper la sonde Mars Surveyor 2001, a été abandonné.

Dans les années qui ont suivi, la production d’oxygène sur Mars n’était pas une priorité pour l’agence américaine, jusqu’en 2013, lorsque Michael Hecht a réuni ses anciens coéquipiers responsables du MIP pour proposer à la NASA ce que deviendra Moxie.

L'Observatoire Haystack au MIT (Massachusetts, États-Unis).

L’Observatoire Haystack au MIT (Massachusetts, États-Unis). RD

Un an plus tard, alors qu’il était en vacances sur une île du lac Winnipesaukee, dans le New Hampshire, le chercheur du MIT ouvre un e-mail qui dit « Appelez-moi ». « C’est quelqu’un du siège de la NASA qui m’a informé que nous avions été sélectionnés pour participer à la mission Mars 2020. » Une belle histoire, comme le pays d’Hollywood sait nous le raconter.

« La réalité est que le département Mars de la NASA avait besoin du soutien du département des vols habités pour envoyer de la persévérance, témoigne le pragmatique Michel Viso. Lorsque le plan quinquennal a été proposé, le premier ne disposait pas des 1,4 milliard de dollars requis par la mission. Et donc, en échange de la collaboration du département des vols spatiaux habités et du financement qui l’accompagne, ils ont dû se lancer dans une expérience technologique liée à l’exploration humaine de la planète rouge. « 

Comment fonctionne Moxie ?

Surnommé « l’oxygénateur » par ses concepteurs, en référence au film Seul sur Mars, Moxie aspire, comprime et chauffe les gaz atmosphériques martiens à 800°C, composés de 96 % de dioxyde de carbone (CO2) et de 0,1 % d’oxygène (O2). , utilisant un filtre à air à haute efficacité (HEPA), un compresseur scroll et des éléments chauffants à isolation thermique.

Ensuite, le système sépare le CO2 en oxygène et monoxyde de carbone (CO) par électrolyse à oxyde solide, c’est-à-dire en utilisant des substances céramiques conductrices, en raison de la présence d’ions mobiles, pour déclencher la réaction chimique responsable de la séparation des gaz.

Moxie a la capacité de produire jusqu’à 10 g d’oxygène par heure, avec une pureté d’au moins 98%.

Près de six mois après le lancement de Moxie par la NASA, on peut dire que l’expérience a été un succès.

L’instrument a été utilisé quatre fois de plus au moment de la rédaction de cet article – des performances optimales par rapport aux attentes, étant donné que le système Moxie nécessite deux heures de chauffage pour une heure de production, que ses catalyseurs doivent refroidir. entre chaque utilisation et que vous devez partager les batteries du véhicule Persévérance avec les six autres instruments à bord.

« Nous l’avons fait fonctionner la nuit, le plus simple, et le jour, plus délicat, puis nous avons consacré un test pour amener la production d’oxygène au maximum (10 g), et enfin nous l’avons exposé à différentes températures pour voir si la résistance la puissance est conforme à nos projections », explique Michael Hecht.

Michael Hecht, ingénieur responsable du projet Moxie.

Michael Hecht, ingénieur responsable du projet Moxie. RD

Moxie aura une chance de fonctionner au moins dix fois jusqu’à la fin de la mission de mars 2020, mais l’équipe espère même « doubler cela, sans parler d’une éventuelle prolongation de mission ». Bien sûr, insiste la NASA, « Moxie est un test ».

Une application terrestre ?

« Pouvons-nous utiliser Moxie pour résoudre le changement climatique ? » Non. La technique utilisée ici pour convertir le dioxyde de carbone en oxygène nécessite trop d’énergie. En revanche, le système intégré de Moxie est très similaire aux piles à combustible à hydrogène installées dans certains nouveaux modèles de véhicules. D’une certaine manière, c’est le même processus, mais à l’envers. Par conséquent, cela nous permettra d’améliorer grandement cette technologie. »Michael Hecht, Chef de projet Moxie.

Pour être utilisable, son successeur « devra être plus intelligent, autonome et capable de fonctionner en continu pendant plus de 10 000 heures, pour produire 100 fois plus d’oxygène », détaille Michael Hecht. « Il y aura des étapes intermédiaires, précise Michel Viso. Impossible de maintenir un calendrier qui verrait une mission habitée dès les années 2030 ? Mais si on s’en approche, il s’agira de fabriquer de l’oxygène sur place.

D’autres méthodes plus prometteuses mais moins avancées

« Les Américains sont pragmatiques, précise Michel Viso, conseiller scientifique du CNES. Ils marquent la différence entre les technologies stratégiques, qu’ils développeront sur leur territoire, et les technologies habilitantes, qu’ils accepteront de déléguer à d’autres. Voici les trois projets pour les futures missions martiennes de la NASA :

• Electrolyse des sels fondus
_ Le principe : décomposer les molécules de CO2 dans l’air au moyen d’un électrolyte de sels carbonatés.
_ Le projet : L’Institut national estonien de physique chimique et biophysique (NICPB) a signé un contrat avec l’ESA en août 2021 pour une collaboration de deux ans.
+ Il fonctionne à des températures modérées, possibilité de profiter du carbone produit en plus du CO2.
– Apporter des solvants liquides.

• Électrolyse du magma
_ Le principe : briser les molécules d’oxyde de fer dans le sol lunaire (ou martien), grâce à un électrolyte d’oxyde fondu, comme la magnésie.
_ Le projet : la start-up israélienne Project Helios développe son propre système, avec le soutien du ministère de la Défense et de l’agence spatiale du pays.
+ Il permet de fabriquer des métaux en plus de l’oxygène.
– Adapté au sol martien ?

• Plasmas froids
_ Le principe : décomposer les molécules de CO2 grâce à des plasmas froids, c’est-à-dire des gaz partiellement ionisés à basse température.
_ Le projet : le Laboratoire de Physique des Plasmas de l’Ecole Polytechnique et l’Institut des Plasmas et Fusion Nucléaire de l’Université de Lisbonne en dialogue avec l’ESA et le MIT pour le lancement des prototypes.
+ Économe en énergie, il peut fonctionner sans interruption.
– Séparation du monoxyde de carbone et de l’oxygène trop compliquée.

ambitions chinoises

Missions habitées vers la planète rouge en 2033, 2035, 2037 et 2041. Bien que Michel Viso, conseiller scientifique du Centre national d’études spatiales (CNES), « n’y croie pas », Wang Xiaojun, directeur de l’Académie chinoise de technologie des lanceurs (CALT), annoncé lors d’une conférence sur l’exploration spatiale en Russie au printemps 2021.

Certes, ces derniers mois, « la Chine a eu beaucoup de succès », reconnaît-il. En effet, poursuit l’expert, « c’est le premier pays à envoyer un orbiteur autour de Mars, puis à y poser un atterrisseur et un rover dans un premier temps », en référence à la mission Tianwe-1, qui a fait atterrir le rover Zhurong en sol martien. le 22 mai 2021.

Mais il faudra que Xi Jinping « en fasse une priorité, comme Kennedy avec l’humain sur la Lune » et mette les moyens de faire face à la myriade de défis techniques, comme l’amélioration des technologies de propulsion ou la production d’oxygène.

Si les informations sur leurs avancées techniques ne fuient pas, c’est peut-être parce que « les Chinois ont tendance à ne parler que lorsqu’ils sont prêts », suggère le spécialiste.

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