Systèmes énergétiques pour l'ISRU

Introduction

Quels sont les systèmes énergétiques qu'il faut déployer à la surface de Mars pour mettre en oeuvre les techniques de production d'ergols en utilisant les ressources locales ? Il y a typiquement 2 options qui sont en concurrence. Soit on exploite l'énergie nucléaire, soit on exploite l'énergie photovoltaïque. Toutefois, dans le second cas, il faut une source d'énergie complémentaire, piles à combustibles (fuel cells) ou batteries par exemple. D'autre part, il faut déterminer la meilleure solution entre des panneaux orientables qui suivent le soleil ou pas. L'arbre des choix possibles, tiré de la référence Cooper et al (voir plus loin), est décrit ci-dessous :

1. Travaux de Cooper et al, 2010

Référence : C. Cooper, W. Hofstetter, J.A. Hoffman, E. Crawley, Assessment of architectural options for surface power generation and energy storage on human Mars missions, Acta Astronautica, vol. 7-8, pages 1106-112, 2010.
Voici les caractéristiques des systèmes énergétiques envisagés :

Les auteurs ont comparé les différentes options. En prenant des hypothèses pessimistes quant à l'exploitation des panneaux solaires et des besoins en source d'énergie secondaire (conditions d'ensoleillement relativement défavorables avec comme jour moyen le jour d'ensoleillement annuel minimum), ils aboutissent aux conclusions suivantes :

  1. En terme de masse, l'option énergie solaire semble un peu meilleure que l'option énergie nucléaire, même pour des besoins moyens de l'ordre de 100 à 200kW. Pour les panneaux ultralégers, on dépasse les 25 W/kg alors que pour le nucléaire+Stirling, on est à 19 W/kg dans le cas de la production en Joules correspondant à 100 kW en continu.
  2. Les panneaux solaires ultralégers, posés simplement à plat sur le sol, ont une meilleure énergie spécifique (W/kg) que les panneaux orientables, plus rigides, qui suivent la trajectoire du soleil.
  3. Pour 100kW à l'équateur, ou plutôt, pour l'équivalent en Joules de 100kW en continu jour et nuit comme ce serait le cas d'un réacteur nucléaire et en tenant compte du rechargement de la source secondaire, les besoins en panneaux solaires ultralégers sont de 25000 m2.
  4. Le déploiement des panneaux solaires ultralégers pourrait être de l'ordre de 2 ou 3 jours s'il est réalisé par une équipe de 2 astronautes. Dans le contexte d'une mission de 500 jours à la surface de Mars, ce serait acceptable.
  5. En cas de tempête de poussière, le rendement des panneaux solaires serait de 10%, ce qui fournirait suffisamment d'énergie pour la maintenance des systèmes en attendant la fin de la tempête.
  6. La latitude a été prise en compte dans l'étude. De -20°sud à +40°nord, l'énergie spécifique se situe entre 15 et 19W/kg. Les panneaux solaires ont une meilleure production annuelle vers 31° de latitude nord (l'orbite de Mars est excentrée par rapport au soleil, ce qui explique que le maximum ne soit pas à l'équateur martien).
  7. En énergie secondaire des panneaux solaires, l'option piles à combustibles ou l'option piles à combustibles couplée à un RTG de 5 kW sont à peu près équivalentes et légèrement plus légères que les autres options.
  8. Pour 10kW, un RTG a une masse de 1200kg pour un volume de 0,6m3 et un système de piles à combustibles a une masse de 2400kg pour un volume de 8,4m3.
  9. En terme de volume, panneaux solaires et énergie nucléaire avec cycle de Brayton se valent. Pour 100kW (toujours en équivalence en Joules), le volume énergétique spécifique est de l'ordre de 1800W/m3, ce qui correspond à environ 50m3. Un tel volume est relativement facile à placer dans un vaisseau spatial.

2. Rayonnement solaire sur Mars

Commençons par le rayonnement reçu avant la traversée de l'atmopshère. L'orbite de Mars étant excentrée, les valeurs fluctuent beaucoup entre le périhélie et l'aphélie. Selon les données fournies par le JPL, le rayonnement varie ainsi de 717W/m2 à 493W/m2, avec une moyenne de 590W/m2. Une partie du rayonnement est ensuite perdu lors de la traversée de l'atmosphère. Cela dépend en particulier de l'épaisseur optique. Le dessin ci-dessous est tiré des travaux de Badescu. La référence exacte est : Viorel Badescu, Inference of atmospheric optical depth from near-surface meteorological parameters on Mars, Renewable Energy, vol. 24, p. 45-57, 2001.

Lorsque la valeur est supérieure à 1, la transparence du ciel est médiocre. Les valeurs supérieures à 2 traduisent la présence d'une tempête de poussière. Lors de la mission Viking, il y a eu en effet une des tempêtes les plus importantes jamais recensées sur Mars. Lorsque le ciel est très clair, l'épaisseur optique atteint 0,2.
Une partie du rayonnement qui atteint le sol est directe et une autre partie est diffusée. Au final, combien obtient-on au sol et quelle puissance électrique peut-on obtenir avec des panneaux solaires ? Fions-nous directement aux données de Pathfinder et aux modèles des experts. Voici ci-dessous un diagramme extrait de la référence suivante : D. Crisp, A. Pathare, R.C. Ewell, The performance of gallium arsenide/germanium solar cells at the Martian surface, Acta Astronautica, vol. 54, n°2, janvier 2004, p. 83-101.
Ce diagramme montre la puissance électrique qui serait produite par des cellules photovoltaïques à base de gallium arsenide/germanium à la surface de Mars en fonction de l'épaisseur optique et de l'heure de la journée (sol). Ces cellules ont une efficacité de conversion de 18%.

3. Etude de la NASA (DRA 5.0)

La NASA a également étudié en détail l'option panneaux solaires versus petit réacteur nucléaire pour la mission habitée vers Mars notée DRA 5.0. Pour l'option panneaux solaires, elle suggère une exploitation de 8h par jour, donc 1/3 de jour martien, avec une puissance 3 fois supérieure à celle de l'option nucléaire pour produire la même quantité d'ergols. Elle ne retient toutefois pas cette option, car dans le scénario étudié, le déploiement des panneaux doit se faire de manière automatique et la maintenance (dépoussiérage après une éventuelle tempête de poussière) pose de nombreux problèmes.

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