Des panneaux solaires israéliens sur la Lune pour alimenter la production d’oxygène

La mission non habitée Artemis I de la NASA sur la Lune du mois dernier, a représenté un petit pas vers le rêve éventuel d’envoyer des hommes sur Mars et au-delà, un objectif qui nécessitera un pas de géant pour trouver des moyens de s’installer et d’exploiter les ressources du satellite solitaire de la Terre.

En 2024, le projet Artemis II – auquel se sont joints plus d’une douzaine de pays, dont Israël – emmènera des astronautes jusqu’à la Lune, toujours sans y atterrir. Et, si tout se passe comme prévu, 2025 verra le premier alunissage avec équipage depuis Apollo 17 en 1972.

D’ici le milieu de la prochaine décennie, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) prévoit de peupler son premier camp permanent d’équipes de recherche en rotation.

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Pour que cela soit possible, l’un des principaux défis consistera à extraire et à séparer les métaux et l’oxygène liés entre eux d’après un processus appelé électrolyse du régolithe fondu (de la start-up Helios) qui utilise un réacteur alimenté par le sol. Il fait fondre le sol lunaire à 1 600 degrés Celsius, puis, par électrolyse, crée de l’oxygène qui est stocké pour être utilisé.

Selon le site web de l’administration, la NASA et le département américain de l’énergie travaillent à faire progresser les technologies nucléaires spatiales. Le site indique que « les systèmes de fission nucléaire sont fiables et pourraient permettre une alimentation continue en énergie indépendamment de l’emplacement, de la lumière solaire disponible et d’autres conditions environnementales naturelles. Une démonstration de tels systèmes sur la Lune ouvrirait la voie à des missions de longue durée sur la Lune et sur Mars ».

Comme alternative, un universitaire israélien né aux États-Unis a conçu un projet pour équiper la Lune de panneaux solaires.

Le professeur émérite Jeffrey Gordon, du département de l’énergie solaire et de la physique environnementale de l’université Ben Gurion, a calculé que cette solution nécessiterait six fois moins de masse que la meilleure option nucléaire pour fournir la même quantité d’énergie.

Il affirme que sa proposition permettrait d’assurer une alimentation électrique ininterrompue des installations de production d’oxygène 100 % du temps, grâce à un nombre suffisant de panneaux exposés au soleil en permanence.

Gordon a publié son projet dans la revue universitaire Renewable Energy au début de cette année et a ensuite été invité à donner une conférence au centre de recherche John H. Glenn de la NASA à Cleveland, dans l’Ohio.

« Nous en avons discuté et c’était stimulant », a déclaré Gordon, expliquant que les chercheurs en énergie solaire du centre de recherche étaient en concurrence avec d’autres scientifiques œuvrant pour une solution nucléaire.

« La NASA veut un système fiable, de longue durée et de masse minimale », a-t-il déclaré. « La fiabilité prévaut même sur le coût. »

Au stade initial de la colonisation humaine de l’espace, seules de petites quantités d’énergie seront nécessaires. La NASA a déjà sélectionné six entreprises pour présenter leurs propositions, trois basées sur l’énergie solaire et trois employant la fission nucléaire.

À plus long-terme, cependant, la NASA aura besoin de plus grandes quantités d’énergie pour extraire l’eau – qui existe sur la Lune sous différents états – et pour extraire de la surface lunaire les métaux qui seront utilisés pour la construction lunaire, et pour séparer ces métaux de l’oxygène, qui constitue environ 45 % des dépôts pierreux.

Les recherches du Pr. Gordon ont commencé lorsqu’il a été contacté il y a quelques années par la start-up israélienne Helios, qui a conçu un réacteur lunaire produisant de l’oxygène via une technologie nécessitant de très hautes températures.

Une demande conjointe de financement auprès de l’Autorité israélienne de l’Innovation n’a pas porté ses fruits, et le partenariat a été interrompu – mais pas avant que Gordon ait rédigé son plan conceptuel pour un anneau de panneaux solaires sur la Lune.

Le professeur Jeffrey Gordon dans son laboratoire du département de l’énergie solaire et de la physique environnementale de l’université Ben Gurion. (Autorisation)

L’oxygène extrait du régolithe lunaire servira aux besoins humains mais sera surtout utilisé pour alimenter et ravitailler les fusées et les satellites en orbite.

Aujourd’hui, les fusées doivent être chargées avec suffisamment d’oxygène et d’hydrogène liquides pour leur fournir la propulsion nécessaire pour aller dans l’espace et revenir sur Terre.

Il faut actuellement environ un million de dollars pour chaque kilogramme de charge nécessaire. Les coûts pourraient être réduits s’il était possible de fournir de l’oxygène aux « stations-service lunaires ».

La nouvelle fusée lunaire de la NASA décolle de la rampe de lancement 39B au Kennedy Space Center à Cap Canaveral, en Floride, le 16 novembre 2022. Ce lancement est le premier test en vol du programme Artémis I. (Crédit : AP Photo/John Raoux)

Avant de commencer, le Pr. Gordon a examiné trois options, dont l’une était le nucléaire, bien qu’en tant qu’expert en énergie solaire, il cherchait à développer une alternative solaire. Le point de référence était la production d’énergie 24 heures sur 24.

Les deux options solaires – produire de l’énergie solaire lorsque le soleil brille et la stocker dans des batteries pendant les périodes d’obscurité, ou construire deux fois plus de centrales solaires que nécessaire et ne faire fonctionner chacune d’elles que la moitié du temps – se sont révélées impossibles, financièrement parlant.

« J’ai élaboré un concept et effectué toutes les estimations quantitatives qu’un ingénieur d’une agence spatiale souhaiterait examiner », a expliqué Gordon.

Son plan prévoit l’installation d’un anneau de panneaux solaires à proximité de l’un des pôles lunaires ; il a utilisé le pôle nord à titre d’illustration. Ils ne seraient pas situés plus haut (ou plus bas, dans le cas du pôle sud) que la 88e latitude, afin d’équilibrer l’avantage d’une circonférence lunaire relativement courte dans ces régions et la nécessité de s’assurer que les périodes de lumière du jour les plus courtes répondent toujours aux besoins en énergie.

Les usines de fabrication d’oxygène seraient situées à environ 10 kilomètres d’un pôle. Cela permettrait de maintenir une distance suffisante pour éviter que la poussière lunaire, générée par l’exploitation minière, ne recouvre les panneaux photovoltaïques, tout en conservant des lignes de transmission relativement courtes.

« Les lignes de transmission elles-mêmes ne nécessiteraient aucune isolation », a souligné le Pr. Gordon, car le sol lunaire fournit une isolation électrique naturelle.

« Les expériences visant à tester la résistance des panneaux photovoltaïques face au rayonnement cosmique semblent prometteuses », a ajouté le Pr. Gordon. « Le photovoltaïque devrait être capable de survivre aux radiations cosmiques suffisamment longtemps pour répondre aux besoins », a-t-il déclaré.

Mais sa plus grande préoccupation – et celle de la NASA – est de savoir comment suffisamment protéger les humains qui feront fonctionner les usines d’oxygène, entre autres tâches. « Il n’y a pas encore de réponse à cette question », a-t-il déclaré.

Gordon a déclaré qu’il n’avait « aucune opinion » sur les risques potentiels de la construction de réacteurs nucléaires sur la Lune, et a fait remarquer que le combustible nucléaire pourrait facilement durer 100 000 ans, même si les turbines et les générateurs se dégraderaient en quelques dizaines d’années.

« Le traitement des déchets nucléaires est une ‘bonne question' », a-t-il concédé, ajoutant « qu’il y aurait une pollution nucléaire ».

« À l’heure actuelle, j’ai l’impression que la NASA prévoit des réacteurs nucléaires sur la Lune à long-terme et que les gens pro-solaire essaient de les persuader du contraire ou au moins de disposer des deux technologies », a-t-il poursuivi.

Son propre projet est encore « dans un horizon lointain ».

La NASA ne s’est pas encore exprimée.

Un prototype d’unité de production d’oxygène lunaire fonctionnant sous vide dans le laboratoire Helios. (Crédit : The Helios Project)

Helios, qui a signé l’année dernière un protocole d’accord pour coopérer avec la société japonaise Ispace Inc, espère envoyer un petit prototype de son unité de production d’oxygène lunaire sur la Lune en 2025.

Selon Jonathan Geifman, co-fondateur et PDG d’Helios, l’objectif est de produire quelques dizaines de grammes d’oxygène pour démontrer la validité du concept. Pour ce faire, une batterie sera probablement utilisée.

Jonathan Geifman, co-fondateur et PDG d’Helios. (Autorisation)

Geifman a déclaré que l’objectif final était de produire 1 000 tonnes d’oxygène par mois, soit suffisamment pour ravitailler le vaisseau spatial SpaceX. Alimenté par de l’oxygène liquide et du méthane liquide, le vaisseau serait « la principale source dans un avenir proche ».

Israël a lancé sa propre capsule d’alunissage, Bereshit, en 2019. En raison d’un problème technique, le vaisseau s’était écrasé à l’atterrissage.

Plus tôt cette année, l’ancien pilote de chasse israélien Eytan Stibbe a été le deuxième Israélien envoyé dans l’espace, en payant la société privée Axiom Space pour rejoindre trois autres personnes en volant vers la Station spatiale internationale (ISS).

Le tout premier astronaute israélien, Ilan Ramon, avait trouvé la mort en 2003 dans la désintégration de la navette spatiale Columbia, à son retour dans l’atmosphère. Les sept membres d’équipage à bord avaient été tués.