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Incroyable ! Au printemps 2021, la Nasa a produit de l’oxygène depuis Mars grâce à Moxie, un « oxygénateur » installé sur le rover Perseverance. Une première qui ouvre la voie aux missions habitées sur la planète rouge.
Malgré les apparences, Mark Watney est très chanceux. Car non seulement cet astronaute de la mission Ares III, joué par Matt Damon dans le film Seul sur Mars, survivant d’une tempête martienne, est botaniste de formation et va tenter de subsister à ses besoins nutritifs pendant de longs mois, mais surtout car, dans le monde de 2035 imaginé pour le romancier Andy Weir et adapté au cinéma par Ridley Scott, les astronautes ont assez d’oxygène pour leur mission habitée. Complètement ignoré dans le film, ce « détail » est loin d’en être un : dans le monde réel, celui de 2021, on est encore très loin d’atteindre cette performance. Le 20 avril de cette année, la Nasa a réalisé l’exploit de produire de l’oxygène sur Mars pour la première fois, grâce à Moxie, Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment.
Cette boîte en aluminium de 17 kg, recouverte d’une feuille d’or et pas plus grosse qu’un grille-pain, tout droit sortie du Jet Propulsion Laboratory, en Californie, a produit 5,4 g d’oxygène depuis le cratère martien Jezero. À peine de quoi permettre à un astronaute de respirer pendant 10 minutes, certes, mais il s’agit « d’une première étape importante », insiste Michel Viso, conseiller scientifique auprès du Centre national d’études spatiales (CNES).
Ce petit instrument installé à l’avant droit du rover Perseverance, qui s’est posé sur le sol martien le 18 février dans le cadre de la mission américaine Mars 2020, est « la démonstration qu’un système compact est capable d’élaborer de l’oxygène sur place, dans les conditions martiennes », développe-t-il. Or, l’oxygène sera clé « si l’on veut poser des humains sur Mars – et c’est le cas », complète Michael Hecht, ingénieur responsable de Moxie.
Et pour cause : alors que Seul sur Mars se déroule en 2035, la réalité pourrait bien rattraper la fiction. SpaceX et son « technoking » Elon Musk, habitué des promesses de Gascons, ambitionnent un vol martien habité dès 2026, Boeing jure d’y parvenir avant, la Chine vise 2033, la Nasa recruterait un équipage pour 2037 et la Russie se projette pour 2040.
Dans cette course contre la montre, pas question d’embarquer tout l’oxygène nécessaire puisque « nous en aurions besoin de près de 30 tonnes, que nous ne pourrions apporter qu’en plusieurs fois, ce qui ajouterait une dizaine d’années au planning », précise Michael Hecht. Il nous faudra donc plutôt savoir en produire sur place. Pas tant pour que l’équipage puisse respirer, mais « pour que la fusée puisse respirer », lance ce directeur de recherche de l’observatoire Haystack, un centre astronomique sis au sein du prestigieux MIT.
Comprendre : pour le redécollage depuis Mars. Un équipage de quatre personnes, qui devra rester au moins un an et demi sur Mars, ne consommerait qu’une tonne et demie d’oxygène pendant cette période. Faire décoller une fusée, en revanche, nécessiterait 25 tonnes d’oxygène, ainsi que sept tonnes de carburant – en général, de l’hydrogène. Bien sûr, « si l’on trouvait de grandes quantités d’eau sur Mars, qu’importe son état, ce serait la source idéale à convertir en oxygène », glisse Olivier Guaitella, chercheur au Laboratoire de physique des plasmas (École polytechnique-CNRS).
Mais en attendant de mettre la main sur l’or bleu, la boîte dorée Moxie se charge, elle, de fabriquer de l’oxygène à partir du CO2, dont l’atmosphère martienne est particulièrement riche, grâce à un procédé d’électrolyse à oxyde solide
Plusieurs essais infructueux
Si cette expérience constitue un grand succès, l’ingénieur n’oublie pas que d’autres auparavant n’ont pas eu sa chance. En 2001, l’actuel responsable du projet Moxie était chargé du Mars Environmental Compatibility Assessment (MECA), un instrument d’analyse du sol martien qui devait prendre place à bord de la mission Mars Surveyor 2001. Mais celle-ci a été annulée en 2000, et l’atterrisseur n’a jamais été lancé, « car il était trop similaire à Mars Polar Lander », avec lequel la Nasa a perdu tout contact en décembre 1999 – et qui s’est probablement écrasé sur le sol martien, rappelle Michael Hecht.
Les pièces détachées de l’atterrisseur ont ensuite servi de base à la sonde Phoenix, qui s’est posée sur Mars en 2008, équipée de MECA. Un autre instrument, le Mars In Situ Propellant Production Precursor (MIP), constitué de cinq expérimentations autour de la production d’oxygène et également prévu pour équiper la sonde de Mars Surveyor 2001, a, lui, été abandonné.
Dans les années qui ont suivi, la production d’oxygène sur Mars n’a pas été une priorité de l’agence américaine, jusqu’en 2013, lorsque Michael Hecht réunit ses anciens compagnons d’équipage responsables de MIP pour proposer à la Nasa ce qui deviendra Moxie.
Un an plus tard, alors qu’il passe ses vacances sur une île du lac Winnipesaukee, dans le New Hampshire, le chercheur du MIT ouvre un e-mail dans lequel il est écrit « Appelez-moi ». « C’était quelqu’un du siège de la Nasa, qui m’a informé que nous avions été sélectionnés pour participer à la mission Mars 2020. » Une belle histoire, comme le pays d’Hollywood sait nous en raconter.
« La réalité, c’est que le département Mars de la Nasa avait besoin du soutien de celui des vols habités pour envoyer Perseverance, témoigne le pragmatique Michel Viso. Au moment de la proposition du plan sur cinq ans, les premiers n’avaient pas le 1,4 milliard de dollars que nécessitait la mission. Et donc, en échange de la collaboration du département vols habités et du financement qui va avec, il leur fallait embarquer une expérience technologique relative à l’exploration humaine de la planète rouge. »
Comment Moxie fonctionne-t-il ?
Surnommé « l’oxygénateur » par ses concepteurs, en référence au film Seul sur Mars, Moxie aspire, compresse et chauffe à 800 °C les gaz atmosphériques martiens, constitués à 96 % de dioxyde de carbone (CO2) et à 0,1 % d’oxygène (O2), à l’aide d’un filtre à air à haute efficacité (HEPA), d’un compresseur à spirale et d’éléments chauffants isolés thermiquement.
Le système sépare ensuite le CO2 en oxygène et en monoxyde de carbone (CO) par électrolyse à oxyde solide, c’est-à-dire en utilisant des substances céramiques conductrices – en raison de la présence d’ions mobiles – pour déclencher la réaction chimique responsable de la séparation des gaz.
Moxie a la capacité de produire jusqu’à 10 g d’oxygène par heure, d’une pureté d’au moins 98 %.
Près de six mois après la mise en route de Moxie par la Nasa, on peut dire que l’expérimentation est réussie.
L’instrument a été utilisé quatre fois de plus à l’heure d’écrire ces lignes – un rendement optimal par rapport aux prévisions, sachant que le système de Moxie requiert deux heures de préchauffage pour une heure de production, que ses catalyseurs doivent se reposer entre chaque utilisation et qu’il doit partager les batteries du rover Perseverance avec les six autres instruments à bord.
« Nous l’avons fait fonctionner la nuit, le plus simple, et le jour, plus délicat, puis nous avons consacré un essai à pousser la production d’oxygène au maximum (10 g), et enfin nous l’avons exposé à différentes températures pour voir si la résistance électrique est conforme à nos projections », énumère Michael Hecht.
Moxie aura l’occasion de fonctionner au moins dix fois jusqu’à la fin de la mission Mars 2020, mais l’équipe en espère même « le double, sans compter une éventuelle extension de mission ». Bien sûr, la Nasa insiste, « Moxie est un test ».
Une application terrestre ?
« Peut-on utiliser Moxie pour résoudre le dérèglement climatique ? Non. La technique utilisée ici pour transformer le dioxyde de carbone en oxygène est bien trop gourmande en énergie. En revanche, le système intégré dans Moxie est très similaire aux piles à hydrogène installées dans certains nouveaux modèles de véhicules. D’une certaine façon, c’est le même procédé, mais à l’envers. Cela va donc nous permettre de grandement améliorer cette technologie. » Michael Hecht, responsable du projet Moxie.
Pour être utilisable, son successeur « devra être plus intelligent, autonome et capable de fonctionner en continu pendant plus de 10 000 heures, afin de produire cent fois plus d’oxygène », détaille Michael Hecht. « Il y aura des étapes intermédiaires », tranche Michel Viso. Impossible de tenir un calendrier qui verrait une mission habitée dès les années 2030 ? Mais si on s’en rapproche, cela passera par la fabrication d’oxygène in situ.
D'autres méthodes plus prometteuses, mais moins avancées
La technologie d’électrolyse à oxyde solide choisie par l’équipe de Michael Hecht pour développer Moxie n’est pas la seule élaborée dans le monde pour produire de l’oxygène sur Mars. Mais c’est la plus avancée.
« Les Américains sont pragmatiques, précise Michel Viso, conseiller scientifique auprès du CNES. Ils font la différence entre les technologies stratégiques, qu’ils développeront sur leur territoire, et les technologies habilitantes, qu’ils accepteront de déléguer à d’autres. » Voici les trois projets pour les futures missions martiennes de la Nasa :
• Électrolyse de sels fondus
_ Le principe : casser les molécules de CO2 dans l’air grâce à un électrolyte de sels carbonatés.
_ Le projet : le National Institute of Chemical Physics and Biophysics (NICPB), en Estonie, a signé un contrat avec l’ESA en août 2021 pour une collaboration de deux ans.
+ Fonctionne à des températures modérées, possibilité d’exploiter le carbone produit en plus du CO2.
– Embarquer des solvants liquides.
• Électrolyse de magma
_ Le principe : casser les molécules d’oxyde de fer dans le sol lunaire (ou martien), grâce à un électrolyte d’oxydes fondus, telle la magnésie.
_ Le projet : la start-up israélienne Project Helios développe son propre système, soutenu par le ministère de la Défense et l’agence spatiale du pays.
+ Permet de fabriquer des métaux en plus de l’oxygène.
– Adapté au sol martien ?
• Plasmas froids
_ Le principe : casser les molécules de CO2 grâce à des plasmas froids, c’est-à-dire des gaz partiellement ionisés à basse température.
_ Le projet : le Laboratoire de physique des plasmas de l’École polytechnique et l’Institut des plasmas et de fusion nucléaire de l’université de Lisbonne en discussion avec l’ESA et le MIT pour lancer des prototypes.
+ Économe en énergie, peut fonctionner sans interruption.
– Séparation du monoxyde de carbone et de l’oxygène trop compliquée.
Les ambitions chinoises
Des missions habitées sur la planète rouge en 2033, 2035, 2037 et 2041. Bien que Michel Viso, conseiller scientifique auprès du Centre national d’études spatiales (CNES), « n’arrive pas y croire », c’est pourtant bien ce qu’a annoncé Wang Xiaojun, directeur de l’Académie chinoise de technologie des lanceurs (CALT), lors d’une conférence sur l’exploration spatiale organisée en Russie au printemps 2021.
Certes, ces derniers mois, « la Chine engrange les grands succès », concède-t-il. De fait, poursuit l’expert, « c’est le tout premier pays à envoyer un orbiteur autour de Mars, puis à y poser un atterrisseur et un rover du premier coup », faisant référence à la mission Tianwe-1, qui a débarqué le rover Zhurong sur le sol martien le 22 mai 2021.
Mais il faudra que Xi Jinping « en fasse une priorité, comme Kennedy avec l’humain sur la Lune » et mette les moyens pour relever les innombrables défis techniques, comme celui d’améliorer les technologies de propulsion ou encore la production d’oxygène.
Si aucune information sur leurs avancées techniques ne filtre, c’est peut-être parce que « les Chinois ont tendance à ne parler que quand ils sont prêts », suggère le spécialiste.
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