Jusqu’à présent, la règle de base de l’exploration planétaire était: «Ce qui monte, reste en place.» À l’exception de la Lune et de quelques précieux exemples de missions de retour vers les astéroïdes et les comètes, une fois qu’un vaisseau spatial est parti, il ne se reverra jamais, soit en sillonnant en permanence le vide de l’espace interplanétaire ou interstellaire, soit en vivant l’éternité à la surface d’une planète. , que ce soit comme un monument à la mission réussie qui l’a menée là-bas ou comme l’épave tordue d’une bonne tentative.

Au risque de gâcher les choses, tous les signes indiquent que nous réduisons le voyage sur Mars à la pratique, ce qui fait d’une mission avec équipage sur Mars quelque chose qui peut commencer à passer d’un rêve à un plan. Mais malgré ce que disent certains aspirants martiens inconditionnels, à peu près tous ceux qui vont sur Mars voudront au moins avoir la possibilité de revenir, et les problèmes logistiques qui en découlent sont légion. Le principal d’entre eux sera le besoin de propulseurs pour faire le voyage de retour. Les tirer de la Terre serait difficile, c’est le moins qu’on puisse dire, mais si un instrument de la taille d’une batterie de voiture qui faisait du stop sur Mars Persévérance a quelque chose à dire à ce sujet, les futurs astronautes sont peut-être en train de fabriquer leurs propres propulseurs, les tirant littéralement de nulle part.

Vivre de la terre

MOXIE en cours d’installation dans Persévérance. Source: NASA / JPL

Même avec les contraintes de ressources imposées à la conception du rover Perseverance par la suite complète d’expériences scientifiques prévues pour la mission – le système de mise en cache des échantillons nécessite à lui seul deux robots dédiés et occupe presque tout le ventre de la bête – les concepteurs et les scientifiques de JPL ont encore trouvé un façon de presser deux démonstrations technologiques dans le rover. Ceci n’est pas sans précédent; le Sojourner rover inclus dans la mission Mars Pathfinder en 1997 était une preuve de concept qui a conduit directement au succès remarquable Esprit et Occasion rovers et éventuellement à Curiosité et Persévérance. Pathfinder a également démontré la faisabilité d’utiliser des airbags pour atterrir des charges utiles sur Mars; bien que cela ne soit pas utile pour les grandes charges utiles, nous nous attendons à voir les atterrissages utiliser à nouveau la méthode dans le futur.

Tandis que le Ingéniosité L’hélicoptère semble avoir retenu la part du lion de l’attention du grand public, la démonstration de la technologie Mars 2020 que nous trouvons la plus intéressante est l’expérience Mars Oxygen ISRU, ou MOXIE. Ce n’est pas souvent que vous rencontrez des acronymes imbriqués, mais cela ne sert qu’à illustrer la complexité de l’expérience. ISRU signifie «utilisation des ressources in situ» et fait référence à l’extraction et à l’utilisation de matériaux trouvés dans l’espace ou dans des environnements planétaires. Plutôt que d’expédier des matières premières de la Terre vers l’espace, ISRU cherche à exploiter ce qui existe déjà. Hormis l’élargissement de la définition pour inclure la récolte d’énergie solaire avec le photovoltaïque, nous avons fait très peu de choses à la manière d’ISRU jusqu’à présent; La NASA reconnaît la nécessité de changer ce modèle, et MOXIE est vraiment un pas dans cette direction.

Le secret est dans la céramique

Si une sonde spatiale extraterrestre venait sur Terre, elle ne serait pas confrontée à un défi majeur pour extraire l’oxygène de l’environnement. Notre atmosphère est composée d’environ 21% d’oxygène, ce qui la rend facilement séparable de l’air. Il est également abondant dans l’eau qui recouvre notre planète, et la séparation de l’oxygène et de l’hydrogène de l’eau est facilement réalisée par électrolyse.

Mars, cependant, est loin d’être aussi béni avec de l’eau que la Terre. Nous n’avons pas encore trouvé de réserves importantes d’eau liquide là-bas, et bien qu’il y ait peut-être assez d’eau là-bas pour créer un océan qui pourrait couvrir toute la planète, la majeure partie est enfermée dans les calottes glaciaires du pôle nord et d’autres réserves gelées qui sont hors de portée. Récupérer suffisamment d’eau pour l’électrolyse serait énergiquement difficile. Il existe cependant une source d’oxygène essentiellement illimitée sur Mars: son atmosphère. Bien qu’il n’y ait qu’une trace d’oxygène, 95% de l’air mince est du dioxyde de carbone. MOXIE est conçu pour extraire l’oxygène de cette ressource locale abondante, en utilisant ce qu’on appelle l’électrolyse des oxydes solides.

Schéma SOXE, montrant où se produit chaque réaction. Notez que le diélectrique solide était à l’origine prévu pour être du zirconium dopé à l’yttrium (YSZ), mais a été basculé vers le dopé au scandium (ScSZ) pour l’expérience en vol. Source: Meyen, FE, Hecht, MH et Hoffman, JA (2016). Modèle thermodynamique de l’expérience ISRU sur l’oxygène de Mars (MOXIE). Acta Astronautica, 129, 82–87. doi: 10.1016 / j.actaastro.2016.06.005

Comme l’électrolyse de l’eau liquide, l’électrolyse des oxydes solides repose sur l’électricité pour décomposer une molécule en ses éléments constitutifs. Mais il y a beaucoup plus à faire, et tout tourne autour des caractéristiques spéciales des matériaux céramiques au cœur de la machine. Certaines céramiques – dans les cellules d’électrolyseur à oxyde solide (SOXE) à l’intérieur de MOXIE, le matériau est de l’oxyde de zirconium stabilisé avec une petite quantité de scandium, et est connu sous le nom de ScSZ – se comportent comme des conducteurs électriques pour les ions oxyde, qui sont essentiellement des molécules d’oxygène avec un quelques électrons enlevés. Cette propriété (ainsi que d’autres propriétés générales des céramiques telles que la résistance à la chaleur, la haute résistance, la légèreté et la maniabilité) font du ScSZ le matériau idéal pour l’électrolyse des oxydes solides.

Vue en coupe d’un compresseur scroll testé pour MOXIE. Un autre modèle de la même société a finalement été choisi. Source: AirSquared, Inc.

Le cycle de production d’oxygène dans MOXIE commence par un simple compresseur d’air et quelques filtres à poussière. Plutôt qu’un compresseur à piston plus traditionnel ou une pompe à membrane, MOXIE comprend un compresseur de type scroll, où deux éléments en forme de spirale sont imbriqués ensemble. L’un, le stator, reste fixe, tandis que l’élément de rotor tourne dans une orbite serrée à l’intérieur du stator sans tourner sur son axe. Cela crée un espace de rétrécissement entre les deux éléments qui force le gaz du périmètre du corps du compresseur vers le centre. Les compresseurs à spirale présentent de nombreux avantages pour des applications comme celle-ci, le fonctionnement sans huile étant le principal d’entre eux. Le compresseur à spirale de MOXIE (et le moteur BLDC qui l’alimente) est sa seule partie mobile et est capable de faire monter la pression de la mince atmosphère martienne à environ la même pression que l’atmosphère terrestre – une augmentation d’environ 100 fois.

Étant donné que l’électrolyse des oxydes solides nécessite des températures élevées – de l’ordre de 800 ° C – le gaz de procédé comprimé est ensuite passé sur une série d’échangeurs de chaleur imprimés en 3D. Une grande partie du budget électrique de MOXIE est consacrée au chauffage du gaz; MOXIE est tellement gourmand en énergie qu’un seul cycle de 2 à 4 heures nécessite plus d’énergie que le générateur thermoélectrique radio-isotope (RTG) du rover ne produit en un seul sol. Cela signifie que les utilisations de MOXIE doivent être planifiées avec soin, car rien d’autre sur le rover ne peut consommer une quantité significative d’énergie.

Agir comme un arbre

Le gaz de procédé chauffé, qui contient environ 98% de dioxyde de carbone, entre ensuite dans une pile de cellules SOXE. Chaque cellule est un sandwich d’électrodes métalliques poreuses de chaque côté d’un mince morceau de ScSZ agissant comme un électrolyte en phase solide. Un courant est appliqué à travers la cellule lorsque le gaz s’infiltre dans la cathode; là, une combinaison de la décomposition thermique et de l’action catalytique du métal provoque la réaction de réduction suivante:

 bf2 { textit {CO} _ {2} + 4  textit {e} ^ {-}  rightarrow 2  textit {CO} + 2  textit {O} ^ {2-}}

Les ions oxyde (2O2-) sont attirés ioniquement vers l’électrolyte ScSZ. Ils sont retirés des déchets de monoxyde de carbone et du gaz de procédé n’ayant pas réagi laissé dans la cathode poreuse et dans l’électrolyte, où ils atteignent ensuite la limite avec l’anode. La charge positive de l’anode poreuse provoque l’oxydation des ions oxydes:

 bf {2  textit {O} ^ {2-}  rightarrow  textit {O} _ {2} + 4  textit {e} ^ {-}}

Des capteurs surveilleront le processus d’électrolyse et testeront l’oxygène produit par la pile SOXE pour la pureté et le débit, qui devraient atteindre 12 g / h en utilisant le courant maximal de 4 ampères. Une fois l’analyse terminée, tous les gaz sont évacués dans l’atmosphère – il n’y a aucun sens à le sauver, du moins pas encore, puisque MOXIE n’est qu’une preuve de concept. Cependant, multiplié par 200 environ, un méga-MOXIE pourrait potentiellement produire et stocker les 30 tonnes métriques d’oxygène nécessaires pour mettre un véhicule d’ascension sur Mars en orbite pour un voyage de retour. Envoyer autant d’oxygène liquide depuis la Terre signifierait soulever au moins 10 fois cette masse, ce qui signifie que MOXIE pourrait un jour sauver quatre ou cinq lancements de poids lourds sur Mars.

La chimie de MOXIE est assez simple, mais comme toujours, il y a des complications et des considérations pratiques, en particulier avec des réactions indésirables obstruant la cathode poreuse avec des oxydes métalliques ou même du carbone solide. Mais peut-être la plus grande considération pratique est que, comme la phase de descente et d’atterrissage d’entrée de la mission et une grande partie de la navigation sur le terrain, le Persévérance rover fera l’affaire, MOXIE devra mener ses expériences de manière autonome. Si quelque chose ne va pas, il n’y aura personne pour appuyer sur un bouton ou purger une ligne. Comme les astronautes qui dépendront un jour du grand frère de MOXIE pour les ramener à la maison, l’expérience se déroule seule et devra faire son travail, peu importe ce que Mars lui lance.

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