Ce qui est l'utilisation des ressources in situ et pourquoi cela importe

L'utilisation in situ des ressources (ISRU) est la pratique de la récolte et du traitement des matériaux trouvés sur d'autres planètes, lunes ou astéroïdes pour soutenir les activités humaines et la fabrication.Au lieu d'expédier chaque kilogramme d'eau, d'oxygène, de carburant et de matériaux de construction de la Terre – un processus qui coûte des dizaines de milliers de dollars par kilogramme – ISRU permet aux équipages de produire ce dont ils ont besoin sur place.

En réduisant la masse de lancement, les planificateurs de mission peuvent affecter une plus grande capacité de charge utile aux instruments scientifiques, aux quartiers d'équipage et aux systèmes de sécurité. De plus, la dépendance aux ressources locales réduit le risque de défaillance de la mission en raison de perturbations de l'approvisionnement de la Terre.

Pour comprendre la portée de l'ISRU, il faut tenir compte des ressources disponibles sur la Lune : la glace d'eau dans des cratères à ombre permanente aux pôles, le régolith riche en oxygène, silicium, fer et aluminium, et l'énergie solaire pour une énergie presque continue (sauf pendant la nuit lunaire de deux semaines). Sur Mars, l'atmosphère contient du dioxyde de carbone (95 %), qui peut être transformé en oxygène et en méthane pour le carburant des fusées, tandis que la glace d'eau souterraine est abondante dans de nombreuses régions du milieu de la latitude.

Composantes clés d'un habitat spatial compatible avec l'ISRU

La conception d'un habitat qui peut extraire, traiter et utiliser les ressources locales nécessite l'intégration de plusieurs sous-systèmes spécialisés, qui doivent fonctionner de façon fiable dans des environnements difficiles et dont la surveillance humaine est minimale.

Systèmes d'extraction des ressources

Sur la Lune, les pelles sont confrontées à des poussières abrasives et à des oscillations de température extrême, de +120°C en plein soleil à -200°C en ombre. Des rovers martiens comme Perseverance ont déjà démontré des échantillons de cache, mais les futurs habitats auront besoin de véhicules miniers autonomes qui peuvent fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Un système typique comprend une pelle à godets ou un bras robotisé avec un perceur, conçu pour livrer des matières premières à une trémie pour le transport à une usine de traitement.

Unités de traitement

Une fois la matière première collectée, elle doit être transformée en produits utilisables. Plusieurs processus sont en cours de développement actif:

  • Extraction d'oxygène de la régolith:[ Grâce à l'électrolyse à haute température ou à la réduction carbothermique, l'oxygène peut être libéré par les oxydes métalliques dans le sol lunaire ou martien.
  • L'extraction de l'eau de la glace:[ Le chauffage du régolith chargé de glace dans un contenant scellé vaporise l'eau, qui est ensuite condensée, filtrée et entreposée. Cette eau peut être fractionnée par électrolyse pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène, ou utilisée directement pour la boisson, l'hygiène et l'irrigation des cultures.
  • Fuel production from Martian atmosphere: L'expérience Mars Oxygen ISRU (MOXIE) sur le rover Perseverance a démontré que l'électrolyse d'oxyde solide peut convertir le CO2 en oxygène.
  • Production de matériaux de construction:[ Regelith peut être fritté (fondé) en utilisant l'énergie micro-ondes ou solaire pour former des briques, des pavés ou même des structures imprimées en 3D. Des additifs peuvent être utilisés pour créer des composites en béton avec des liants locaux.

Chaque unité de traitement doit être compacte, fiable et facile à entretenir. L'électronique à haute résistance aux radiations et les systèmes redondants sont obligatoires.

Systèmes de survie alimentés par les ressources locales

Dans un habitat de l'ISRU, ces systèmes sont complétés par des ressources fraîchement extraites. Par exemple, l'eau de la glace lunaire polaire peut reconstituer les réserves perdues pour des fuites ou l'électrolyse pour la production d'oxygène. De même, l'azote et l'argon, qui sont présents en petites quantités dans l'atmosphère martienne, peuvent être récoltés pour pressuriser les modules d'habitat. L'intégration des cours d'eau de l'ISRU avec le soutien à la vie en boucle fermée réduit le besoin de missions de ravitaillement et augmente l'autosuffisance de l'habitat.

Matériaux de construction de Regulith transformé

La construction de structures d'habitat à partir de matériaux locaux réduit considérablement la masse qui doit être lancée de la Terre.

  • Fabrication additive (3D impression):[ Le regonlit mélangé avec un liant (ou fondu directement) peut être extrudé couche par couche pour créer des murs, des dômes et des meubles. NASA , le défi de l'habitat imprimé 3D et l'utilisation de la régolith lunaire simulée de l'ESA ont prouvé ce concept sur Terre.
  • Les briques frittées et les blocs:[ Les micro-ondes ou le soleil concentré peuvent fusionner des particules de régolith en blocs solides, qui peuvent être assemblés en plafonds voûtés, en murs de protection contre les radiations et en masses de stockage thermique.

L'utilisation de matériaux locaux offre également une protection contre les rayonnements naturels, une exigence essentielle pour les habitats de l'espace profond. Une couche de régolith de 0,5 à 1 mètre d'épaisseur peut réduire significativement le rayonnement cosmique galactique et les événements de particules solaires.

Considérations de conception pour les habitats spatiaux de l'ISRU

L'intégration des capacités de l'IRU dans un habitat exige des compromis prudents entre plusieurs domaines d'ingénierie.

Approvisionnement énergétique pour la transformation des ressources

Par exemple, la production d'une tonne d'oxygène à partir de la régolith lunaire nécessite plusieurs mégawattheures d'énergie électrique. L'habitat doit donc comprendre un système de production d'énergie robuste. Les réseaux solaires sont un choix commun pour les orbites et les surfaces lunaires proches de la Terre, mais ils sont confrontés à des défis pendant la nuit lunaire de deux semaines ou pendant les tempêtes de poussières sur Mars.

Le système de gestion thermique de l'habitat doit également traiter la chaleur résiduelle des réacteurs de traitement. Des gains d'efficacité peuvent être réalisés par des systèmes de traitement et d'alimentation en co-implantation, mais cela doit être équilibré par rapport aux préoccupations de sécurité (par exemple, les rayonnements provenant de sources nucléaires).

Tolérance à l'environnement grave

Les joints et roulements doivent être protégés par des joints de labyrinthe ou par lévitation magnétique pour éviter l'infiltration de poussières. Les composants électroniques doivent être protégés ou fabriqués à partir de matériaux à résistance au rayonnement. L'entretien régulier, effectué par des robots ou des astronautes, nécessite des conceptions qui permettent des échanges rapides de composants.

Automatisation et autonomie

Parce que les astronautes ne seront pas toujours présents – et même lorsqu'ils le seront, leur temps est précieux – les systèmes ISRU doivent fonctionner de façon autonome sur de longues périodes, ce qui nécessite des capteurs avancés, des algorithmes d'apprentissage automatique pour la détection des défauts et des systèmes de contrôle robustes qui peuvent se remettre des anomalies sans intervention humaine.

L'automatisation s'étend également à la maintenance : les bras et les rovers robotiques peuvent remplacer les filtres, les blocages clairs et le matériel d'extraction de repositionnement.

Modularité et croissance

Un petit poste peut comprendre une unité d'extraction, un module de traitement et un module d'habitat unique. Au fil du temps, d'autres modules peuvent être fournis à partir de la Terre ou construits à partir de matériaux locaux. Les interfaces doivent être normalisées pour la puissance, les données, les fluides et les connexions structurelles. La capacité de reconfigurer et d'étendre l'habitat permet d'étendre l'échelle d'une base scientifique à une colonie complète sans remodeler l'ensemble du système.

La modularité aide également à la redondance : si une unité de traitement échoue, l'habitat peut continuer à utiliser un autre module pendant les réparations.Cette approche s'harmonise avec les pratiques industrielles des usines terrestres et a été adoptée dans les plans NASA=s pour une base lunaire.

Facteurs humains et sécurité

L'habitat doit fournir des espaces de vie et de travail sûrs et confortables. La qualité de l'air, la température, l'humidité, l'éclairage et le niveau sonore doivent être contrôlés. Le traitement de l'ISRU présente des risques potentiels : sous-produits toxiques (p. ex. monoxyde de carbone provenant de certains processus de réduction), équipement à haute température et gaz explosifs (hydrogène, méthane).

Études de cas et missions actuelles

Plusieurs missions en cours et prévues font progresser les capacités de l'ISRU qui éclaireront la conception de l'habitat.

Mars MOXIE Expériment

Le rover de Persévérance NASA, qui a atterri sur Mars en 2021, transporte l'instrument MOXIE. Ce dispositif ISRU à petite échelle convertit le CO2 martien en oxygène à un taux d'environ 6 grammes par heure. Au cours de plusieurs essais, MOXIE a démontré la faisabilité de la production d'oxygène dans des conditions réelles martiennes. Les plans prévoient d'étendre cette technologie pour produire des centaines de kilogrammes d'oxygène pour le propulseur et le soutien de la vie sur les futures missions en équipage. Lire la suite de MOXIE sur le site NASA=.

Démonstrations de l'ISRU lunaire

NASA-Resources Polar L'expérience 1 (PRIME-1) et le Rover d'exploration polaire (VIPER) des Volatiles sont conçus pour localiser et extraire la glace d'eau des régions de la Lune à ombre permanente. VIPER cartographiera la distribution et la concentration de glace, en indiquant où les habitats futurs devraient être placés. Les résultats guideront la conception de systèmes d'extraction à grande échelle. L'ESA a également étudié à l'aide d'une impression 3D avec simulant régolith lunaire, des blocs d'essai avec concentrateur solaire. ESA=]s La recherche d'impression 3D fournit une base pour les habitats de construction.

NASA , Camp de base Artemis

Le programme Artemis vise à établir une présence humaine durable sur la Lune d'ici la fin de cette décennie. Le camp de base Artemis proposé comprend un module d'habitat, un rover et une usine pilote ISRU. La plante produira initialement de l'oxygène de la régolith et tentera d'extraire de la glace d'eau. Les leçons apprises sur la Lune éclaireront directement les conceptions des habitats martiens. Artemis mission panorama fournit le contexte de ces développements.

Défis et orientations futures de la recherche

Malgré des progrès importants, plusieurs obstacles subsistent avant que les habitats pouvant être exploités par l'ISRU ne deviennent opérationnels.

  • Reliabilité:[ Tous les composants doivent survivre des années de fonctionnement dans le vide, la poussière et le rayonnement.Des systèmes redondants et des capacités de réparation sur place sont nécessaires, mais la fabrication de pièces de rechange à partir de matériaux locaux demeure un objectif à long terme.
  • Stockage d'énergie:[ Sur la Lune, la nuit de 14 jours nécessite de grandes batteries ou des piles à combustible régénératives qui peuvent stocker l'énergie solaire. L'énergie nucléaire offre une solution mais ajoute de la complexité et des obstacles réglementaires.
  • Efficacité du traitement:[ Les expériences actuelles à petite échelle sont loin du débit requis pour une colonie. L'intensification des processus comme l'électrolyse et le frittage regolith fondus est un domaine actif de la science des matériaux.
  • Caractérisation des ressources:[ Nous avons besoin de meilleures cartes de la répartition de la glace d'eau sur la Lune et sur Mars pour localiser de façon optimale les habitats.
  • Collaboration homme-robot:[ Il faut trouver un juste équilibre entre le contrôle humain et l'exploitation autonome. La formation de l'équipage pour les tâches d'entretien sur l'équipement ISRU doit faire partie de la planification future de la mission.

La collaboration internationale est également essentielle. La communauté ISRU dirigée par la NASA comprend des contributions de l'Agence spatiale européenne, de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale et de partenaires commerciaux.

La route à suivre : vers des colonies autosuffisantes

La vision à long terme de l'exploration spatiale est la création d'avant-postes humains autosuffisants qui peuvent se développer sans soutien constant de la Terre. ISRU est le catalyseur technologique qui rend cela possible. Les habitats conçus avec les capacités ISRU évolueront de petites stations de recherche dépendantes en de grandes colonies autonomes qui produisent non seulement des consommables mais aussi des pièces de rechange, de l'électronique et même de la nourriture.

Au cours des 20 prochaines années, nous verrons probablement le premier avant-poste lunaire permanent où les astronautes vivent et travaillent pendant de longues périodes, soutenues par l'oxygène et l'eau locaux. Les concepts de la colonie Mars incluent déjà des modules de serre qui recyclent le CO2 en oxygène et en nourriture.

Pour toute personne qui participe à l'architecture spatiale, à la science planétaire ou à l'ingénierie des systèmes, la compréhension de l'ISRU n'est pas seulement intéressante, elle est essentielle. Les compétences et les technologies développées pour ces habitats auront également des avantages sur Terre, comme les systèmes de recyclage en boucle fermée, l'exploitation minière autonome et les matériaux de construction durables.

La conception d'habitats spatiaux qui intègrent l'utilisation des ressources in situ est l'un des défis les plus passionnants de notre temps. Elle exige une réflexion interdisciplinaire, de la créativité et un engagement à créer un avenir où les humains pourront prospérer au-delà de la Terre.