Après son arrivée sur Mars en février 2021, le rover Persévérance de la NASA a réalisé plusieurs exploits révolutionnaires. Début avril, l’hélicoptère Ingenuity est devenu le premier appareil de l’histoire à effectuer un vol contrôlé sur une autre planète, en survolant à deux reprises le cratère Jezero. Peu après, le 21 avril, c’était au tour de MOXIE. Abréviation de “Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment”, cet instrument novateur, dont les pièces sont imprimées en 3D, a converti pour la première fois en oxygène la fine atmosphère de la planète, riche en dioxyde de carbone. Tout droit sortie de romans de science-fiction comme The Martian, cette technologie pourrait aider les futures missions à survivre dans des environnements extraterrestres en utilisant les éléments abondants trouvés sur place.
MOXIE en cours d’installation dans Perseverance : Des techniciens du Jet Propulsion Laboratory de la NASA descendent MOXIE dans le ventre du rover Persévérance. Image reproduite avec l’aimable autorisation de la NASA/JPL-Caltech.
Le tout nouveau robot à six roues de la NASA a rencontré un habitat hostile sur la surface martienne. Bien qu’elle soit remplie de nuages et de rafales de vent comme la Terre, l’atmosphère est dépourvue d’une solide couche d’ozone, de sorte que la surface est bombardée de rayons solaires ultraviolets. En outre, Mars contient beaucoup de dioxyde de carbone (96 %) et très peu d’oxygène. Avec moins de 1 %, elle soutient à peine la comparaison avec la Terre, où l’oxygène atmosphérique atteint 21 %. Un générateur d’oxygène comme MOXIE pourrait prospérer sur d’autres planètes, évoluant vers des plates-formes plus grandes et plus efficaces pour permettre aux astronautes de créer leur propre air à respirer et fournir de l’oxygène pour brûler le carburant de fusée nécessaire au retour des humains sur Terre.
Les images ont été prises par les caméras de navigation de Persévérance le 3 mars 2021, montrant des parties de son bras robotique lors de sa première vérification après son atterrissage sur Mars. Image reproduite avec l’aimable autorisation de la NASA/JPL-Caltech.
Voyageant à bord du Persévérance, MOXIE est un appareil de la taille d’un grille-pain, fabriqué avec des matériaux tolérants à la chaleur qui peuvent résister à une température d’environ 1 470° Fahrenheit (800° Celsius), nécessaire pour que le processus de conversion soit réussi. Il est constitué de composants en alliage de nickel imprimés en 3D, qui chauffent et refroidissent les gaz qui le traversent, et d’un aérogel léger qui aide à retenir la chaleur. Une fine couche d’or à l’extérieur du MOXIE reflète la chaleur infrarouge, l’empêchant de rayonner vers l’extérieur et d’endommager potentiellement d’autres parties de Persévérance.
L’administrateur associé de la NASA au Space Technology Mission Directorate (STMD), Jim Reuter, a décrit cette réalisation comme une “première étape critique dans la conversion du dioxyde de carbone en oxygène sur Mars”. Bien que MOXIE ait encore beaucoup de travail à faire, Jim Reuter a déclaré que les résultats de cette démonstration technologique sont très prometteurs, en particulier dans la perspective d’une mission martienne avec équipage.
Illustration de l’instrument MOXIE. Image reproduite avec l’aimable autorisation de NASA/JPL-Caltech.
Pour réaliser ce processus critique, le MOXIE absorbe le dioxyde de carbone de l’atmosphère martienne, puis sépare électrochimiquement les molécules de dioxyde de carbone pour produire de l’oxygène pur, en le séparant du monoxyde de carbone, dans un processus équivalent au fonctionnement d’une pile à combustible en sens inverse. L’oxygène est analysé pour vérifier sa pureté avant d’être renvoyé dans l’atmosphère de Mars avec le monoxyde de carbone et les autres produits d’échappement.
Après une période de réchauffement de deux heures sur site, le MOXIE a commencé à produire de l’oxygène à un taux de six grammes par heure. Ce taux a été réduit deux fois au cours de l’opération pour évaluer l’état de l’instrument. Après une heure de fonctionnement, l’oxygène total produit était d’environ 5,4 grammes, ce qui est suffisant pour maintenir un astronaute en bonne santé pendant près de dix minutes d’activité normale. Le petit dispositif expérimental est conçu pour générer jusqu’à 10 grammes d’oxygène par heure, mais la production d’oxygène a été “assez modeste lors de sa première opération”, a déclaré la NASA.
Après une période de réchauffement de deux heures, MOXIE a commencé à produire de l’oxygène à un rythme de 6 grammes par heure. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Observatoire Haystack du MIT.
Pour les fusées ou les astronautes, l’oxygène est essentiel. En séparant les atomes d’oxygène des molécules de dioxyde de carbone, MOXIE assure la production d’oxygène. Les fusées doivent fonctionner dans l’espace, où il n’y a pas d’oxygène, ce qui signifie qu’elles doivent transporter non seulement du carburant mais aussi leur propre réserve d’oxygène. Pour brûler son carburant, une fusée doit avoir plus d’oxygène en poids, et pour faire décoller quatre astronautes de la surface martienne lors d’une future mission, il faudrait environ 15 000 livres (sept tonnes métriques) de carburant pour fusée et 55 000 livres (25 tonnes métriques) d’oxygène, a déclaré le chercheur principal de MOXIE, Michael Hecht, de l’observatoire Haystack du Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Pourtant, transporter 55 000 livres d’oxygène de la Terre à Mars serait une tâche ardue. Si les futurs explorateurs dépendent de la production d’ergols sur Mars pour faire le voyage de retour, trouver un moyen durable, peu coûteux et efficace de convertir les ressources locales en oxygène sera essentiel au succès de toute mission. Les astronautes qui vivront et travailleront sur Mars auront également besoin d’oxygène pour respirer, mais beaucoup moins qu’une fusée pour décoller. Hecht estime que les astronautes qui passeront un an à la surface en utiliseront une tonne métrique à eux deux. En comparaison, un humain sur Terre respire environ 740 kilogrammes d’oxygène par an.
Vue de la Navcam de Perseverance lors du premier vol d’Ingenuity. Image reproduite avec l’aimable autorisation de la NASA/JPL-Caltech.
Bien que la démonstration technologique ne fasse que commencer, MOXIE pourrait ouvrir la voie pour que “la science-fiction devienne un fait scientifique”, a déclaré la NASA. Cette démonstration technologique a été conçue pour que l’instrument survive au lancement depuis la Terre, à un voyage de près de sept mois dans l’espace lointain et à un atterrissage avec Persévérance. MOXIE devrait extraire de l’oxygène au moins neuf autres fois au cours d’une année martienne, soit près de deux ans sur Terre.
Les essais de production d’oxygène se dérouleront en trois phases. La première phase consistera à vérifier et à caractériser le fonctionnement de l’instrument. La deuxième phase consistera à faire fonctionner l’instrument dans des conditions atmosphériques variables, par exemple à différentes heures de la journée et en fonction des saisons. Au cours de la troisième phase, a déclaré M. Hecht, “nous pousserons l’enveloppe”, en essayant de nouveaux modes de fonctionnement ou en introduisant de “nouvelles rides”, comme un essai pour comparer les opérations à trois températures différentes ou plus.
Tirer parti des éléments présents dans les environnements extraterrestres, c’est ce que Trudy Kortes, directrice des démonstrations technologiques au sein de la STMD, appelle “vivre de la terre”, également connu sous le nom d’utilisation des ressources in situ, la réponse à la survie de l’homme dans l’exploration spatiale. Tout comme de nombreuses entreprises et institutions de recherche explorent des techniques de construction alternatives pour bâtir des structures d’habitation sur d’autres planètes en s’appuyant sur le matériau d’alimentation du régolithe local, la transformation d’une substance abondante comme le dioxyde de carbone en oxygène est l’une des expériences les plus prospectives si les humains prévoient de se rendre sur la Lune, sur Mars et au-delà dans les prochaines décennies. Pour en savoir plus sur les autres façons dont l’impression 3D prépare l’avenir des humains dans l’espace, consultez la Space Zone de 3DPrint.com.
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