ISRU - Production 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.

Principes généraux

De même que dans le rapport de la NASA, 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 stoechiométrique 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.

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. 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 CO2 atmosphérique et d'H2 apporté de la Terre.

Travaux de Zubrin et al 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 :

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), mais il n'y a aucune garantie qu'il y en ait précisément une là où le vaisseau atterrira. Cette hypothèse étant rejetée, il existe 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.

Masse des systèmes ISRU en fonction de l'option considérée

Le plus simple est de prendre un cas particulier. Dans le cas de la mission de référence de la NASA, 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 a) b) c) 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.

Comparaison des options

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 :

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.

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