vignette|Banc d'essai d'une mini-usine simulant la production d'oxygène et d'eau à partir d'hydrogène amené depuis la Terre et de CO2 collecté sur place. Equipement développé pour la NASA pour une future mission martienne.
L’utilisation des ressources in situ ( ou ISRU) désigne l'ensemble des techniques consistant, dans le cadre d'une mission spatiale vers un autre corps céleste (Lune, Mars, astéroïdes), à utiliser les matériaux trouvés sur place pour produire certains des consommables nécessaires à la réalisation des objectifs : carburant pour le trajet retour, eau ou oxygène pour l'équipage humain, matériaux de construction L'objectif de ces techniques est de réduire la masse à lancer depuis la Terre et donc de limiter les coûts d'une mission. Le recours à l'ISRU a été étudié par la NASA, notamment pour le séjour prolongé d'équipages sur la Lune envisagés dans le cadre du programme Artemis ainsi que pour les missions habitées vers Mars.
Une première expérience de production d'oxygène à partir de l'atmosphère de Mars (expérience MOXIE transportée à la surface de Mars par la mission Mars 2020 de la NASA) a été réalisée avec succès en 2021. Le programme Artemis, qui doit ramener des astronautes à la surface de la Lune vers 2027, repose en partie sur l'exploitation des ressources en glace d'eau du pôle Sud lunaire pour permettre des séjours prolongés des équipages sur notre satellite. Plusieurs missions robotiques, dont l'astromobile VIPER, sont chargées d'évaluer la faisabilité du recours à cette ressource.
Bénéfices de la production in situ
Selon la conception ayant cours jusque là, un engin lancé vers la Lune ou la planète Mars doit emporter tout le carburant et les consommables (mission avec équipage : eau, oxygène) nécessaires pour mener la mission de bout en bout. Or chaque kilogramme transporté dans l'espace a un coût particulièrement élevé. Ainsi un kilogramme de carburant envoyé à la surface de Mars pour permettre à un équipage de redécoller de celle-ci afin de revenir sur Terre nécessite de lancer 226 kilogrammes depuis la surface de notre planète (153 kg dans le cas de la Lune). Pour la mission martienne de référence de la NASA, l'engin qui doit décoller de la surface de la planète pour ramener l'équipage sur Terre a besoin d'une quantité d'ergols comprise entre 20 et 30 tonnes. Si ceux-ci sont produits à partir de ressources martiennes, cela réduit de 335 tonnes la masse à placer en orbite basse terrestre, soit la capacité d'emport de 3 à 5 vols du lanceur super lourd Space Launch System (coût : plusieurs milliards US$).
Les ressources exploitables et leur utilisation alt=Si21-O42-Fe13-Ca8-Al7-Mg6-X3|vignette|Proportion des différents éléments chimiques dans le sol lunaire.
Les ressources pouvant être produites sur place et présentant un grand intérêt pour une mission spatiale sont les suivantes : l'eau est la ressource la plus recherchée : elle peut être utilisée pour la consommation des équipages, mais également pour produire des ergols : oxygène liquide, hydrogène liquide, méthane (sur Mars par combinaison avec le dioxyde de carbone de l'atmosphère). L'eau peut être extrait du régolithe (Mars) ou de poches de glace d'eau plus ou moins enfouie dans le sol. l'oxygène est utilisé comme ergol, mais également par le système de support de vie des habitations et vaisseaux. Il peut être obtenu à partir de la glace d'eau, du régolithe, mais également à partir de l'atmosphère martienne ; le régolithe et la roche sont des matériaux qui peuvent être utilisés pour construire des édifices, par exemple, pour protéger les astronautes du rayonnement cosmique. Ils peuvent également fournir la matière première pour fabriquer des composants par impression 3D ; l'hydrogène obtenu à partir de l'eau est utilisé comme ergol ; le carbone ; le silicium permet la production de cellules photovoltaïques ; l'azote permet de produire des fertilisants.
L'utilisation des ressources in situ : un défi technologique
Le projet de colonisation de la Lune (puis de mars) implique d'exploiter in situ des ressources disponibles en surface ou dans le sous-sol, et donc de mettre au point des techniques d'extraction, de production et de stockage adaptées aux conditions très particulières régnant à la surface de ces planètes – atmosphère ténue ou absente, températures extrêmes, poussière – et aux contraintes de fonctionnement : déploiement, miniaturisation pour réduire la masse à lancer vers Mars ou la Lune, absence d'intervention humaine nécessitant une automatisation poussée, en particulier sur Mars du fait du temps de latence des communications (8 à 20 minutes). La NASA est l'agence spatiale qui a le plus investi ce sujet ; elle a depuis le début des années 2000 développé des prototypes d'équipement, testés sur Terre. Mais, dans les cas les plus favorables, la maturité technique (TRL) de ces équipements atteint tout juste 5, c'est-à-dire la validation dans un environnement simulé (vide, température, composition du sol) de composants du système. Une réelle opérationnalité nécessitera des investissements très importants. Les processus de traitement de ces ressources nécessitent par ailleurs une source d'énergie locale beaucoup plus puissante (plusieurs kilowatts) que tout ce qui a été déployé jusqu'à présent sur Mars et sur la Lune. Pour les besoins en eau, une analyse plus précise des gisements doit précéder tout déploiement pour définir le processus de traitement à mettre en œuvre. De premières missions d'expérimentation in situ seront nécessaires avant de déployer un équipement opérationnel.
Ressources lunaires
La Lune, qui bénéficie de la proximité de la Terre, doit servir de banc d'essais pour la mise au point des techniques d'utilisation des ressources in situ. Ses caractéristiques (faible gravité, température, absence d'atmosphère) permettront d'adapter facilement les équipements mis au point pour une utilisation sur Mars, qui pose deux difficultés supplémentaires dues à son éloignement : automatisation plus poussée en raison du temps de latence dans les communications (de 8 à 20 minutes) et plus grande fiabilité. Les ressources lunaires les plus étudiées sont le régolithe et la glace d'eau.
La glace d'eau des régions polaires
L'eau ne peut théoriquement pas subsister dans les couches superficielles du sol lunaire du fait de l'absence d'atmosphère, des températures très élevées et du bombardement constant de la surface par les astéroïdes. La NASA, en vue de séjours de longue durée sur la Lune, tente depuis plusieurs décennies de trouver de l'eau exploitable dans des cratères toujours à l'ombre et en région polaire.
En 2009 l'impacteur LCROSS a permis d'estimer la quantité d'eau présente dans un de ces sites (cratère Cabeus au pôle Sud) à 5,6% (marge d'erreur de 2,9%). Des mesures infrarouges réalisées par l'instrument de la NASA Moon Mineralogy Mapper embarqué à bord de l'orbiteur lunaire Chandrayaan-1 auraient détecté des concentrations de 30%. Toutefois ces mesures demandent à être confirmées et les caractéristiques de ces ressources (glace d'eau ou minéraux hydratés ?) doivent être précisées avant toute tentative d'exploitation.
Les zones comportant des concentrations d'eau lunaire sont situées dans des terrains en permanence à l'ombre du fait des reliefs créés par des cratères des régions polaires. Pour pouvoir extraire l'eau d'un gisement, celui-ci doit être placé immédiatement à côté d'une zone éclairée par le Soleil sur de longues périodes. Celle-ci permet d'accueillir les équipements permettant d'exploiter le gisement ainsi que la station lunaire utilisée par les équipages. Plusieurs architectures sont envisageables pour le traitement des gisements : transport du matériau brut (mélange de minéraux hydratés, de glace d'eau et d'autres matériaux) extrait du gisement depuis celui-ci jusqu'à l'usine fixe chargée de produire l'eau, engin mobile combinant l'extraction du matériau et la production d'une eau "sale" qui est retraitée dans une installation fixe, système d'extraction de l'eau sur place sans excavation (réchauffement d'une portion de terrain placé sous un dôme souple) et retraitement de l'eau sale produite dans une installation fixe. La NASA a évalué en 2019 huit concepts pour parvenir à produire de l'eau dont le traitement des matériaux extraits par une vis d'Archimède chauffante, l'extraction par une foreuse chauffante, le réchauffement du gisement par des micro-ondes ou par un dôme chauffant. L'efficacité de chaque méthode dépend du degré d'enfouissement de l'eau, de sa distribution spatiale et de sa concentration.
Les régolites lunaires
vignette|Prototype de la NASA de traitement du régolithe lunaire par carboreduction thermique. Développé dans le cadre du programme Constellation. vignette|En bleu zones présentant une concentration relativement importante de glace d'eau au pôle sud (à gauche) et au pôle nord (à droite) de la Lune.
Le régolite lunaire, omniprésent à la surface de la Lune, et principalement composé de silicium, d'oxygène, de fer, de calcium et d'aluminium, peut potentiellement constituer un gisement important de ressources in situ.
Extraction de l'oxygène
L'oxygène représente à lui seul plus de 40% de la masse du régolite lunaire. L'extraction de ce composant volatil, qui repose sur des technologies relativement peu complexes à mettre au point, est le domaine de recherche prioritaire en matière d'ISRU. L'oxygène sera utilisé à la fois comme ergol (comburant) pour les fusées redécollant de la Lune et pour le système de support de vie. Les techniques mises au point sur la Lune sont facilement transposables sur Mars.
Différents procédés chimiques peuvent être mis en œuvre pour extraire l'oxygène du régolithe. Tous nécessitent un grand apport d'énergie. Généralement un meilleur rendement (taux d'oxygène extrait) exige une température plus élevée. Les procédés historiquement étudiés sont : La réduction à l'aide d'hydrogène ou de méthane. Ce procédé, qui ne nécessite qu'une température modérée (900 °C), ne permet d'extraire l'oxygène que des oxydes ferreux et son rendement est donc limité (1 à 3%). La réduction carbothermique permet un meilleur rendement (5 à 15%), mais la température doit être portée à plus de 1650 °C. Compte tenu de sa maturité technique – TRL 4/5 contre TRL 2/3 pour l'électrolyse décrite ci après –, c'est la solution privilégiée par les chercheurs de la NASA. L'électrolyse du régolithe fondu permet d'extraire l'oxygène avec un bon rendement (> 20%), mais elle exige également une température élevée (> 1600 °C). La fluoration est un procédé complexe mieux adapté à l'extraction des métaux. L'oxygène n'est qu'un sous-produit. La pyrolyse en phase vapeur repose sur l'échauffement du régolithe à l'aide de concentrateurs solaires. Mais il nécessite la mise au point d'un délicat procédé de séparation de l'oxygène en phase gazeuse avec les vapeurs de fer et d'oxydes de fer. De récentes études ont cependant montré le potentiel de l'électrolyse dans du sel fondu. En se basant sur le procédé FFC Cambridge, 100% de l'oxygène contenu dans les minéraux du régolithe lunaire a pu être extrait. Dans ce procédé, le régolithe, sous forme de poudre ou fritté, est placé dans un panier métallique qui est ensuite immergé dans du chlorure de calcium fondu à 950 °C. Cet ensemble forme la cathode. L'anode de son côté se doit d'être un matériau inerte pour produire du dioxygène. En appliquant un potentiel entre les deux électrodes, on observe une électro-déoxidation du régolithe en phase solide, laissant ainsi une poudre métallique qui pourrait être réutilisée pour plusieurs applications telle que l'impression 3D.
Fabrication de composants par impression 3D