Énergie extraterrestre: comment nous produirons de l'énergie sur Mars

L’établissement d’une présence humaine sur Mars comportera de nombreux défis, dont beaucoup sont liés à une exigence essentielle: la puissance. Que ce soit pour créer de l'oxygène, conduisant des rovers, fournissant de la chaleur et de la lumière ou des communications, les futurs résidents de Mars auront besoin d'un approvisionnement constant en électricité pour assurer leur sécurité et maintenir la mission en cours.

Il n’y a cependant pas de réseau électrique sur Mars et les solutions actuelles ne peuvent nous mener que jusqu’à un certain point. Alors, à quoi ressemblera la première centrale électrique hors planète? Nous avons contacté deux personnes travaillant à la pointe des systèmes énergétiques spatiaux dans deux agences différentes pour le savoir.

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

Réacteurs nucléaires dans l'espace

Les projets de la NASA pour l’avenir de la production d’électricité incluent des systèmes de fission nucléaire, dans lesquels des atomes d’uranium sont divisés à l’intérieur d’un réacteur pour générer de la chaleur. Comparés aux systèmes radio-isotopiques (RTG) qui propulsent les rovers comme Perseverance, les systèmes à fission peuvent produire plus de puissance tout en restant dans une petite taille.

En mars 2018, le projet Kilopower de l’agence a démontré une expérience de fission capable de produire 1 kilowatt d’énergie, qui pourrait servir de base aux futurs réacteurs spatiaux. L'expérience, surnommée KRUSTY d'après le réacteur Kilopower utilisant la technologie Stirling, était alimentée par un noyau d'uranium 235 qui La NASA a décrit comme « de la taille d’un rouleau d’essuie-tout ». Cela générait de la chaleur, qui était ensuite convertie en électricité grâce à un mécanisme appelé moteur Stirling.

Un futur système électrique de surface à fission sera petit et léger et pourrait fonctionner pendant au moins 10 ans. Cela rend le concept idéal pour les futures missions sur la Lune et, éventuellement, sur Mars.

L'année dernière, la NASA, en collaboration avec le ministère de l'Énergie, a sollicité des idées de l'industrie pour un système de 10 kilowatts. Quatre ou cinq de ces unités pourraient alimenter un habitat martien avec tout ce que cela implique, comme la production d'oxygène pour une fusée. propulseur ainsi que de répondre aux besoins de trois à quatre astronautes, ce qui nécessiterait au total environ 40 kilowatts.

Dionne Hernandez-Lugo était chef de projet pour Kilopower et est maintenant chef de projet adjoint pour l'énergie de surface de fission de la NASA. démonstration de la technologie lunaire, et elle a déclaré à Digital Trends qu'ils avaient l'intention de tester la première unité sur la lune dans les prochains mois. décennie.

"L'idée est de démontrer le système d'abord sur la Lune dans le cadre du programme Artemis", a-t-elle déclaré. « Notre projet consiste à développer un système de 10 kilowatts et à en faire la première démonstration sur la Lune. Cela nous aiderait à comprendre le système. Après cela, toutes les modifications de conception nécessaires pourraient être apportées et le système pourrait être utilisé dans de futures missions vers Mars.

Le plan pour le premier test sur la Lune est que le groupe motopropulseur reste à l’intérieur de l’atterrisseur lunaire. Laisser l’unité dans l’atterrisseur « facilite les opérations du système plutôt que de prendre la masse supplémentaire qui permettrait son retrait », a-t-elle expliqué. C’est sur cela que travaille son équipe. Mais ils espèrent également voir des idées de l’industrie sur la façon dont un système amovible pourrait également fonctionner. "Pour l'instant, au sein de notre groupe, l'idée est de laisser le système à l'intérieur de l'atterrisseur", a-t-elle déclaré. "Mais il existe de nombreuses innovations, et à l'heure actuelle, nous recherchons ces innovations auprès de l'industrie pour voir d'autres options qui pourraient s'offrir à elles."

Une étude interne de la NASA a estimé que chaque unité de 10 kilowatts mesurerait environ six mètres (19,6 pieds) de haut et plus de deux mètres (6,5 pieds) de large, bien que les détails exacts dépendent de la conception finale. Une image conceptuelle (ci-dessus) produite par la NASA montre quatre de ces unités reliées entre elles à la surface de Mars pour alimenter une base là-bas, afin que vous puissiez imaginer à quoi pourrait ressembler une centrale électrique martienne.

La sécurité de l'énergie nucléaire

L’un des facteurs qui préoccupent généralement les gens lorsqu’il s’agit d’utiliser l’énergie nucléaire sur Terre est la sécurité, et cela s’applique également aux missions spatiales. Les éléments radioactifs utilisés dans les réacteurs nucléaires, comme l'uranium utilisé dans la démonstration Kilopower, émettent des rayonnements dangereux pour les humains et qui peuvent également causer des problèmes avec les appareils électroniques à proximité. équipement.

Pour assurer la sécurité des personnes et des appareils électroniques, les systèmes électriques à fission sont entourés d’un épais blindage métallique qui contient le rayonnement. Tout nouveau système d'alimentation destiné à une mission sur Mars serait soumis à des tests approfondis sur Terre pour s'assurer qu'il était sûr même dans des conditions extrêmes, telles que les tests opérationnels, les tests sous vide et les vibrations. essai.

Hernández-Lugo a souligné que la NASA avait déjà lancé plus de 20 missions dans le passé utilisant différents types de systèmes d’énergie nucléaire, « la NASA possède donc une expertise et une expérience dans le lancement de systèmes d’énergie nucléaire à la fois sur la Lune et Mars."

Il existe également des inquiétudes quant à l’utilisation d’uranium hautement enrichi dans les systèmes électriques, ce que la démonstration Kilopower a utilisé. Ce matériau peut également être utilisé pour fabriquer des armes nucléaires. certains dirigeants politiques s'inquiètent que son utilisation dans des projets spatiaux pourrait encourager sa prolifération sur Terre.

Pour répondre à ces préoccupations, les futurs systèmes de fission de surface pourraient utiliser à la place de l'uranium faiblement enrichi, qui est couramment utilisé dans les réacteurs de puissance sur Terre et n'est pas de qualité militaire. « Les conceptions à base d’uranium faiblement enrichi sont très attractives du point de vue d’une réglementation et d’une réglementation réduites. respect des récentes directives de politique nucléaire spatiale nationale », a écrit Hernandez-Lugo dans un communiqué de suivi. e-mail. "L'utilisation d'uranium hautement enrichi est toujours possible si la mission a un besoin impérieux."

Le dernière directive sur la politique spatiale, publié par la Maison Blanche en décembre de l'année dernière, autorise uniquement l'utilisation d'uranium hautement enrichi. s'il est approuvé par divers organismes gouvernementaux et qu'il peut s'avérer qu'il s'agit du seul moyen de réaliser un mission.

L'énergie du soleil

L’énergie nucléaire n’est cependant pas la seule option pour la production d’électricité: l’une des options d’énergie les plus couramment utilisées pour les missions spatiales à l’heure actuelle est l’énergie solaire. L'Agence spatiale européenne (ESA) utilise l'énergie solaire pour pratiquement toutes ses missions, et son prochain rover martien, appelé Rosalind Franklin, sera également alimenté par l'énergie solaire.

Leopold Summerer, chef de l'équipe des concepts avancés de l'ESA, qui étudie les technologies émergentes pour les missions spatiales, a déclaré: Tendances numériques dans un e-mail indiquant que l'énergie solaire a un avantage sur l'énergie nucléaire dans la mesure où elle n'a pas besoin de sécurité supplémentaire mesures. Il a également souligné que l'utilisation intensive de la technologie de l'énergie solaire sur Terre implique des développements constants qui peuvent être appliqués à l'espace. missions: « L’énergie solaire est une technologie en évolution rapide offrant une utilisation facile, un accès et une maturité élevée en plus d’être entièrement renouvelable », a-t-il déclaré. dit.

Ce rythme de développement rapide signifie que les ingénieurs conçoivent des panneaux capables de produire encore plus d'électricité à partir de la même quantité de lumière solaire, et Summerer s'attend à ce que les futurs systèmes solaires continuent d'en recevoir davantage efficace.

"Dans l'espace, l'efficacité est encore plus importante que sur terre et nous repoussons constamment ce qui est techniquement possible", a déclaré Summerer. Des augmentations relativement faibles de l'efficacité et de la masse des cellules solaires peuvent faire une grande différence dans le coût total des systèmes solaires, en particulier pour les petits engins comme les satellites.

Mais comme toutes les technologies, l’utilisation de l’énergie solaire connaît des limites. "Il présente l'inconvénient de dépendre d'une source externe, le soleil, et de tous les inconvénients qui en découlent", a déclaré Summerer. Dans de nombreuses situations, l’énergie solaire n’est qu’intermittente. Sur une planète avec un cycle jour/nuit, les batteries peuvent être utilisées pour stocker l’énergie excédentaire pendant la journée et continuer à la fournir la nuit. Mais cela ajoute un autre élément volumineux au système électrique ainsi qu’une couche supplémentaire de complexité.

Une solution futuriste à ce problème envisagée est le développement de centrales solaires en orbite, qui pourrait fonctionner en tandem avec des panneaux solaires en surface pour collecter l’énergie du soleil et la diffuser sans fil vers la surface. L'ESA est actuellement chercher des concepts pour faire de cette idée une réalité.

La lumière du soleil sur Mars

Cependant, en ce qui concerne Mars en particulier, l’utilisation de l’énergie solaire présente certains défis. Comme elle est plus éloignée du soleil que la Terre, moins de lumière solaire atteint la surface de la planète. Cela signifie que les explorateurs sur Mars auront accès à environ la moitié de l’irradiation solaire que sur Terre.

Cela ne signifie pas que l’utilisation de l’énergie solaire est impossible sur Mars, mais simplement que les missions doivent être très prudentes quant à leur consommation d’énergie. Les rovers martiens de la génération précédente de la NASA, Spirit et Opportunity, utilisaient l'énergie solaire, et les orbiteurs actuels comme Mars Express et la mission Mars Orbiter sont également alimentés par l'énergie solaire.

Cependant, il y a un autre problème sur Mars: Tempête de sable. Mars possède un système météorologique complexe qui entraîne parfois d'énormes tempêtes de poussière mondiales, bloquant temporairement une grande partie de la lumière du soleil et recouvrant pratiquement tout sur la planète d’une couche de poussière – y compris l’énergie solaire. panneaux. C’est ce qui a finalement fait sombrer le rover Opportunity, à la durée de vie incroyablement longue, lorsqu’une énorme tempête de poussière a traversé la planète en 2018.

Summerer pense qu’en combinant des centrales solaires de surface et orbitales, vous pourriez probablement produire suffisamment d’énergie pour un habitat humain. Mais il a également reconnu l’intérêt de combiner l’énergie solaire avec d’autres sources d’énergie comme le nucléaire. « L’énergie solaire à la surface et éventuellement complétée depuis l’orbite peut fournir suffisamment d’énergie pour les habitats humains sur Mars, mais comme l’ont démontré les derniers rovers, tels que Comme Perseverance qui vient d'arriver, les petites sources d'énergie nucléaires offrent parfois un tel avantage concurrentiel que je m'attendrais à ce qu'elles jouent également un rôle », a-t-il déclaré. a écrit.

Choisir la bonne source d'alimentation pour la mission

Hernandez-Lugo a reconnu que toutes sortes de systèmes électriques pour une mission sur Mars, y compris l'énergie solaire, les batteries et le nucléaire, ont une valeur potentielle. « Le système électrique dépendra de la mission spécifique », a-t-elle déclaré. Le Glenn Research Center de la NASA, où elle travaille, est le centre de développement énergétique de la NASA et effectue des recherches dans un vaste domaine. variété d'options d'alimentation, notamment des batteries, des cellules solaires, des systèmes radio-isotopiques, des systèmes d'énergie à fission et du carburant régénératif cellules. La clé est de choisir la source d’énergie adaptée aux besoins de la mission, en fonction des ressources disponibles.

Un système nucléaire présente des avantages distincts pour les missions d’habitation humaine. Premièrement, lorsque vous souhaitez concevoir un système électrique destiné à être utilisé à la fois sur la Lune et sur Mars, comme le fait la NASA, vous devez alors faire face aux périodes d’obscurité de deux semaines sur la Lune.

"Lorsque vous commencez à réfléchir à la manière de concevoir une architecture de mission qui vous permette d'avoir une puissance constante, c'est alors que le nucléaire entre en jeu", a-t-elle déclaré. "Parce que vous avez besoin d'un système fiable qui vous fournira une alimentation continue pendant les opérations nocturnes."

Pour Mars, la production continue d’électricité est également importante, notamment pour la sécurité des astronautes qui y vivent. Vous voulez absolument un système électrique qui continuera à fonctionner dans toutes les conditions météorologiques, même dans un système poussiéreux, et l'énergie nucléaire peut vous le fournir.

Hernandez-Lugo a également souligné que les missions actuelles de la NASA vers Mars, comme Mars 2020, utilisent une combinaison des deux énergies solaires. puissance pour l’hélicoptère Ingenuity et puissance nucléaire pour le rover Perseverance, pour répondre aux besoins particuliers du mission.

"À l'heure actuelle, au sein de l'agence, ils envisagent de faire progresser tous les différents systèmes d'alimentation pour les rendre disponibles sur des missions telles que la Lune et Mars", a-t-elle déclaré. "Il y a donc une place pour tous les systèmes électriques."

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