Comment nous allons construire une base avec de l'air respirable sur Mars

Aussi intimidant que puisse être l'envoi d'humains sur une autre planète pour la première fois, y arriver ne représente que la moitié du défi. Le gros problème est de savoir comment les humains peuvent exister à la surface d'une planète avec une atmosphère irrespirable, un rayonnement cosmique et des températures de surface glaciales à des millions de kilomètres de chez eux.

Nous voulions savoir comment vous procéderiez pour préparer une planète extraterrestre pour l'habitation humaine, alors nous avons parlé à deux experts, le Massachusetts Institute of Le professeur de technologie Michael Hecht et l'ingénieur de la NASA Asad Aboobaker, pour découvrir comment maintenir les astronautes en vie sur une planète qui veut tuer eux.

Cet article fait partie de Vie sur Mars — une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars

Une fenêtre d'opportunité

Il y a un décalage temporel essentiel pour envoyer des gens sur la planète rouge. En raison des orbites de la Terre et de Mars, le moyen le plus simple de se rendre d'une planète à l'autre est d'utiliser une trajectoire appelée Orbite de transfert de Hohmann, dans lequel un engin se déplace sur une orbite qui tourne progressivement vers l'extérieur.

"C'est à cause de la façon dont les planètes tournent", a expliqué Hecht. "La Terre est à l'intérieur de l'orbite de Mars, et elle tourne plus vite que Mars, donc elle la tourne plusieurs fois. Une année martienne équivaut à presque deux années terrestres.

« Donc, vous devez chronométrer le lancement. Et il y a une fenêtre chaque année sur Mars – tous les 26 mois, à un moment appelé une opposition de Mars lorsque Mars est proche de la Terre. Ainsi, tous les 26 mois, vous avez la possibilité de lancer un vaisseau spatial vers Mars sur cette orbite optimale. … Donc, les plans pour Mars sont d'envoyer d'abord l'infrastructure, puis 26 mois plus tard, nous enverrons l'équipage.

Envoyer des infrastructures ne signifie pas seulement s'assurer qu'il y a de l'air pour que les astronautes puissent respirer et de la nourriture pour eux. Cela signifie également envoyer et construire une centrale électrique, un habitat, des rovers et un véhicule d'ascension pour permettre aux astronautes de repartir une fois leur mission terminée.

Pourquoi l'oxygène est si important

Le premier gros problème à résoudre lors de la mise en place d'une base martienne est la production d'oxygène. Lorsque vous entendez parler de la production d'oxygène sur Mars, vous pensez probablement au besoin humain le plus fondamental: avoir de l'air pour respirer. Et certainement, nous devons trouver un moyen de produire une atmosphère respirable dans un habitat martien confiné. Mais cela ne nécessite qu'une quantité relativement faible d'oxygène par rapport à la grande demande - celle du propulseur de la fusée qui lancera les astronautes au-dessus de la surface.

"Nous essayons de fabriquer du propulseur de fusée", a déclaré Hecht. "Nous n'essayons pas de fabriquer du carburant, nous essayons de faire partie de la réaction chimique à laquelle nous ne pensons jamais sur Terre." Ici sur Terre, lorsque vous brûlez de l'essence dans le moteur de votre voiture, vous utilisez plusieurs fois le poids du carburant en oxygène pour créer ce réaction. La même chose avec la combustion d'une bûche dans une cheminée.

Cependant, "si vous allez quelque part où il n'y a pas d'oxygène gratuit, vous devez l'emporter avec vous", a ajouté Hecht.

Les fusées modernes ont des réservoirs d'oxygène liquide qui fournissent ce propulseur, et ils représentent une part considérable du poids au lancement.

"Nous aurions besoin de près de 30 tonnes métriques d'oxygène pour alimenter cette fusée pour emmener ces astronautes hors de la planète et en orbite", a déclaré Hecht. "Et si nous devons emporter ces 30 tonnes métriques d'oxygène avec nous sur Mars, cela va repousser toute la mission d'une décennie en arrière. C'est beaucoup plus facile d'envoyer un réservoir vide et de le remplir d'oxygène là-bas.

Utiliser ce qui est disponible

Pour créer de l'oxygène sur Mars, Hecht et ses collègues travaillent sur un concept appelé utilisation des ressources in situ (ISRU). Essentiellement, cela signifie utiliser ce qui est déjà sur Mars pour créer ce dont nous avons besoin.

Ils ont construit une expérience appelée MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), qui a été facilement transportée sur Mars avec le Le rover Persévérance de la NASA qui a atterri avec succès en février 2021. MOXIE est en fait une version miniature d'un appareil potentiellement beaucoup plus gros qui absorbe le dioxyde de carbone, qui est abondant dans l'atmosphère martienne, et produit de l'oxygène.

Cela peut sembler compliqué, mais en fait, l'appareil est similaire à quelque chose de bien connu ici sur Terre. "MOXIE ressemble beaucoup à une pile à combustible", a déclaré Hecht. "C'est presque identique. Si vous preniez une pile à combustible et inversiez les deux fils entrants, vous auriez un système d'électrolyse. Cela signifie que s'il s'agissait d'une pile à combustible, vous auriez un combustible et un oxydant qui formeraient une molécule stable. S'il s'agissait de monoxyde de carbone comme combustible et d'oxygène, cela produirait du dioxyde de carbone. Vous sortez également de l'électricité.

"Si vous le faites fonctionner en sens inverse, vous devez mettre du dioxyde de carbone et vous devez mettre de l'électricité. Mais vous dégagez du monoxyde de carbone et de l'oxygène. C'est ainsi que nous savons comment faire cela.

Cette idée apparemment simple est radicale car elle s'attaque à un problème que presque personne en dehors de la communauté spatiale ne considère comme un problème: la production d'oxygène. "Personne ne veut fabriquer de l'oxygène sur Terre - nous n'avons aucune raison de le faire", a déclaré Hecht. «Nous en avons beaucoup partout. Mais nous avons beaucoup de connaissances grâce aux piles à combustible.

Comment construire une machine à oxygène

Comprendre les principes chimiques de la création d'une machine à oxygène est une chose, mais concevoir et construire une version pouvant tenir dans un rover en est une autre. Aboobaker, un ingénieur thermique pour MOXIE au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA qui a été impliqué dans le MOXIE projet tout au long de son développement, a expliqué comment l'expérience a été construite et certains des défis que l'équipe du JPL a dû relever attaquer.

"La principale contrainte de ressources que nous avions, outre la masse et le petit espace pour travailler, était l'énergie", a-t-il déclaré. "Le rover est équipé d'un générateur thermoélectrique à radio-isotopes, qui est une source d'énergie nucléaire. Les gens pensent donc que le rover est à propulsion nucléaire, mais ce n'est pas le cas. Il est alimenté par batterie, avec un chargeur d'entretien nucléaire.

Cela signifie que les chercheurs doivent être extrêmement prudents avec la quantité d'énergie qu'ils utilisent afin de ne pas vider la batterie. L'ensemble du rover Persévérance ne fonctionne qu'à 110 watts, ce qui est juste un peu plus qu'une ampoule lumineuse.

À son tour, une expérience comme MOXIE ne peut utiliser qu'une petite quantité d'énergie. "Cela a donc fixé une limite à la puissance de chauffage que nous pourrions utiliser pour le chauffer, à la puissance que le compresseur - qui souffle le gaz dans le système - peut tirer et à la durée de fonctionnement", a déclaré Aboobaker.

C'est pourquoi la version de MOXIE voyageant sur Persévérance est si petite, même si le système fonctionnerait aussi bien, voire mieux, à plus grande échelle.

On veut juste savoir si ça marche

Mais la conception de l'équipement n'est qu'un côté de l'expérience - l'autre côté vérifie s'il fonctionne réellement sur Mars. Même avec un concept qui fonctionne solidement ici sur Terre, il peut y avoir des conséquences inattendues d'environnements extraterrestres, de la atmosphère mince affectant la façon dont la chaleur est transférée, aux roulements s'usant de manière inattendue en raison d'une gravité plus faible et inconnue poussière. C'est pourquoi les ingénieurs du JPL vont bientôt collecter des données de MOXIE pour voir comment il se comporte dans un véritable environnement martien.

"À bien des égards, MOXIE ne prend pas vraiment de données scientifiques", a déclaré Aboobaker. Par rapport aux instruments scientifiques comme les télescopes ou les spectromètres, utilisés pour analyser des échantillons de roche, les données recueillies par MOXIE sont relativement simples. "Ce que nous avons ressemble presque à des données de télémétrie d'ingénierie. Nous mesurons les tensions, les courants et les températures, des choses comme ça. Ce sont nos données, et le volume de données est en fait assez faible. Vous pourriez presque le faire tenir sur une disquette.

Cela signifie que l'équipe peut obtenir une rétroaction très rapide sur le fonctionnement du système comme prévu, en quelques jours. Contrairement aux autres instruments Perseverance, pour lesquels l'analyse des données prend des semaines, des mois, voire des années, MOXIE est une démonstration pratique autant qu'une expérience.

"À bien des égards, ce que nous faisons n'est pas de la science, c'est de la technologie", a déclaré Aboobaker. « Surtout, nous voulons juste savoir si cela fonctionne. Et, si nous voulions l'étendre à l'avenir, quel genre de choses devrions-nous faire pour y parvenir? »

Une station McMurdo pour Mars

Si MOXIE réussit, il peut démontrer comment le principe de l'ISRU peut fonctionner sur Mars. Ensuite, il est relativement simple de faire évoluer le projet et de créer une version à grande échelle qui pourrait produire de l'oxygène à un rythme beaucoup plus élevé. Et la bonne nouvelle est qu'une version plus grande serait plus efficace et pourrait produire une quantité considérable d'oxygène sans nécessiter trop de puissance.

Avec l'oxygène trié, nous pourrions passer aux autres types de ressources dont nous aurions besoin pour les humains vivant sur Mars. Une autre des ressources les plus essentielles dont nous aurions besoin pour établir une base sur la planète est eau. Non seulement pour la consommation humaine, mais aussi parce que l'eau (ou l'hydrogène) et le dioxyde de carbone peuvent être combinés en une grande variété de produits chimiques utiles.

"L'idée à court terme est que nous voulons faire un certain nombre d'ISRU autonomes pour rendre nos missions réalisables", a déclaré Hecht. "Une fois que nous avons une base sur la planète, comme la station McMurdo en Antarctique ou comme la Station spatiale internationale, vous pouvez alors penser à des types d'ISRU bien plus agressifs, comme l'extraction de glace.

«Beaucoup de gens pensent que nous devrions extraire de la glace de manière autonome. Mais je dis non, ça n'en vaut pas la peine. La glace est un minéral, c'est-à-dire qu'il faut la prospecter, l'extraire, la purifier. Il sera plus facile de simplement l'apporter. Quelque chose comme MOXIE, cependant, est un arbre mécanique. Il respire du dioxyde de carbone et expire de l'oxygène.

Comparé à la chasse aux ressources via l'exploitation minière, MOXIE est beaucoup plus simple, affirme Hecht. « Il n’a pas besoin d’aller nulle part, il n’a pas besoin de chercher quoi que ce soit. Ce sont les types de méthodes IRSU qui sont vraiment pratiques à court terme. Vous reportez le reste jusqu'à ce que vous ayez des gens en surface qui peuvent faire des tâches plus compliquées.

Prime martienne inattendue

Mars a beaucoup de glace d'eau, mais elle est située aux pôles, alors que la plupart des missions sur Mars veulent se concentrer sur l'atterrissage à l'équateur, qui ressemble à un désert. Les concepts actuels pour résoudre ce problème incluent l'idée d'une cartographie mondiale des glaces, où les emplacements de plus petites quantités de glace pourraient être cartographiés pour une utilisation future.

Une autre option consiste à extraire l'eau des minéraux du sol martien. "Il y a des minéraux comme le gypse et les sels d'Epsom qui sont des sulfates et attirent beaucoup d'eau", a expliqué Hecht. « Ainsi, vous pourriez les déterrer et les faire cuire et évacuer l'eau. Vous pourriez exploiter le sol pour trouver de l'eau, qui est assez abondante.

Mais Mars n'a pas seulement des matériaux similaires à ceux que nous trouvons ici sur Terre. Il contient également de grandes quantités d'un produit chimique appelé perchlorate (ClO4), qui est dangereux pour la santé humaine et ne se trouve qu'en petites quantités sur notre planète. Bien qu'elle soit toxique, cette substance pourrait être extrêmement utile en raison de ses propriétés chimiques, car elle est utilisée dans des choses comme les propulseurs de fusées solides, les feux d'artifice et les airbags.

"Sur Mars, la majeure partie du chlore dans le sol s'avère être du perchlorate", a déclaré Hecht. « Il représente près de 1 % du sol. Et il a une énorme quantité d'énergie. Lorsque vous libérez des atomes d'oxygène du ClO4 pour fabriquer du Cl, cela libère une énorme quantité d'énergie. J'ai toujours pensé que ce serait une excellente ressource à récolter.

Le problème avec cela est que ces applications sont toutes explosives et que le contrôle de la réaction du ClO4 est un défi. Cependant, il existe un système qui a le potentiel de libérer l'énergie doucement, en utilisant un réacteur biologique.

"Les microbes peuvent manger ces choses et produire de l'énergie", a expliqué Hecht. "Et les gens ont en fait construit ce genre de réacteurs biologiques, qui sont des réservoirs de bactéries qui digèrent une substance et en extraient de l'énergie.

"J'ai donc cette vision d'un réacteur biologique à l'arrière d'un rover, et l'astronaute monte et roule. Et quand la jauge de puissance devient faible, ils sortent et commencent à pelleter de la terre dans une trémie à l'arrière, et les microbes mangent la terre et produisent de l'énergie et l'astronaute peut continuer à conduire. C'est une idée folle, mais c'est mon concept d'utilisation des ressources pour animaux de compagnie.

Cet article fait partie de Vie sur Mars — une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars.

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