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Nov 17, 2023

Les futures missions lunaires et martiennes pourraient fabriquer de l'oxygène à l'aide d'une technologie solaire expérimentale

La technologie n'est pas encore prête, mais elle se rapproche. Future Lune et Mars

La technologie n'est pas encore prête, mais elle se rapproche.

Les futures missions lunaires et martiennes pourraient utiliser une combinaison de haute technologie d'énergie solaire et de réactions chimiques pour fabriquer de l'oxygène, et même du carburant de fusée, à partir de glace lunaire ou de dioxyde de carbone dans l'atmosphère martienne.

Considérez-le comme une version high-tech de la photosynthèse, le processus qui aide les plantes à convertir la lumière du soleil et le dioxyde de carbone en énergie chimique et en oxygène. Les ingénieurs travaillent depuis des années sur cette technologie, appelée cellules photoélectrochimiques (PEC). Dans une étude récente, la chercheuse en photosynthèse de l'Université de Warwick, Katharina Brinkert, et ses collègues analysent les chiffres et suggèrent que les cellules PEC pourraient fonctionner suffisamment bien pour être utiles sur la Lune et, éventuellement, sur Mars.

Le cratère Shackleton est une source potentielle de glace d'eau pour les futures missions lunaires. Dans cette image de Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA, le côté proche (face à la Terre) de la Lune est à droite. Dans l'élévation en fausses couleurs sur la gauche, le rouge est plus haut et le bleu est plus bas.

Les cellules PEC sont à la pointe de la technologie, mais le principe qui les sous-tend est assez simple. Tout d'abord, la lumière du soleil frappe un matériau appelé photosensibilisateur. Plusieurs matériaux différents peuvent être des photosensibilisateurs ; les plantes en utilisent un appelé chlorophylle, et certains matériaux utilisés dans les semi-conducteurs – un composant important des puces informatiques – sont également des photosensibilisateurs. Tout le travail du photosensibilisateur consiste à transmettre l'énergie de la lumière du soleil à d'autres molécules par le biais d'une réaction chimique.

Sans approfondir la chimie, le résultat final est que la lumière du Soleil aide à déclencher des réactions chimiques qui peuvent briser les molécules d'eau en oxygène (pour la respiration) et en hydrogène (pour le carburant des fusées), ou le dioxyde de carbone en oxygène et en carbone (pour toutes sortes de choses). Et Brinkert et ses collègues disent que les futurs colons lunaires pourraient fabriquer des photosynthétiseurs à partir de matériaux qui se trouvent déjà sur la Lune.

Diviser l'eau en ses atomes composants n'est pas une idée nouvelle, et une poignée de technologies existent déjà pour faire le travail, mais la plupart d'entre elles sont encombrantes, complexes et coûteuses. Les partisans des cellules PEC disent qu'elles sont une alternative compacte qui pourrait être suffisamment étendue pour soutenir une colonie lunaire.

À bord de la Station spatiale internationale, ou ISS, des panneaux solaires génèrent de l'électricité pour tout à bord, y compris l'appareil qui divise les molécules d'eau pour produire de l'oxygène (fait amusant : une partie de l'oxygène que les astronautes respirent provient de leur propre pipi recyclé). Mais dans un appareil PEC, la lumière du soleil est directement impliquée dans la réaction chimique, pas seulement une source d'énergie pour un autre équipement. C'est moins efficace que la configuration de l'ISS, mais c'est aussi beaucoup plus compact et implique moins de pièces mobiles, ce qui est un avantage pour tout équipement qui pourrait avoir à voler vers la Lune.

Les panneaux solaires de la Station spatiale internationale produisent de l'électricité, qui est utilisée dans le processus de séparation de l'eau à bord. Ceci est différent des cellules PEC, qui convertissent directement la lumière du soleil en énergie chimique pour la réaction.

Brinkert et ses collègues voulaient savoir si les cellules PEC pourraient réellement aider les futurs colons lunaires à convertir la glace (comme l'approvisionnement caché dans l'ombre du cratère Shackleton près du pôle sud de la Lune) en air respirable et en hydrogène liquide. Une façon de tester cela aurait pu être de placer des cellules PEC réelles dans un environnement construit pour simuler les conditions sur la Lune, de la température à la présence de fine poussière rocheuse appelée régolithe. Un moyen plus simple de le tester, cependant, consistait à mettre les réactions chimiques qui se produisent dans une cellule PEC dans une série d'équations, qui incluaient également des facteurs tels que la température, la quantité de lumière solaire qui atteindrait les cellules et les effets du régolithe.

Les résultats semblent prometteurs, selon un article publié dans la revue Nature.

"Nous avons montré que l'application de ces appareils pourrait aller au-delà de la Terre et potentiellement contribuer à la réalisation de l'exploration spatiale humaine", écrivent Brinkert et ses collègues.

Un grand défi peut provenir de la relation compliquée de la Lune avec la Terre. La Lune est verrouillée par les marées, ce qui signifie qu'elle tourne une fois à chaque fois qu'elle orbite autour de la Terre, de sorte que le même côté de la Lune fait toujours face à la planète. Cela signifie qu'un jour lunaire dure environ un mois et que la moitié de ce mois se passe dans l'obscurité totale.

En d'autres termes, les cellules PEC devront être très efficaces si elles veulent générer suffisamment d'oxygène pour soutenir les astronautes pendant un mois en seulement deux semaines. Et s'assurer que ces appareils sont suffisamment efficaces à long terme est quelque chose sur lequel les ingénieurs ici sur Terre travaillent encore.

Brinkert et ses collègues disent également que de meilleurs électrocatalyseurs (les produits chimiques qui déclenchent les réactions chimiques une fois qu'ils sont zappés avec un peu de lumière solaire) pourraient rendre les cellules PEC plus efficaces. Des revêtements autonettoyants pour la surface qui absorbe la lumière du soleil pourraient empêcher la poussière de devenir un problème, ce qui sera important pour les futures explorations de Mars.

En d'autres termes, la technologie a un réel potentiel, mais elle est encore loin d'être prête pour que les astronautes y mettent leur vie en jeu.