La Lune, première étape de la conquête spatiale avant Mars

D'une manière ou d'une autre, l'Homme s'apprête à retourner sur la Lune et, cette fois, il compte bien y rester. Les États-Unis et la Chine prévoient tous deux de construire leur propre base sur le pôle Sud lunaire. Cet emplacement n'a pas été choisi au hasard : il pourrait contenir de précieuses réserves d'eau sous forme de glace ou d'eau souterraine, voire les deux. Ces réserves pourraient servir à l'hydratation des astronautes, à l'exploitation agricole ou même à la fabrication de carburant pour fusée. 

Cette dernière application peut sembler surprenante, mais le processus chimique est assez simple. L'eau est composée d'hydrogène et d'oxygène. À l'état liquide, ces deux éléments peuvent s'enflammer et être utilisés pour propulser un engin spatial avec une grande efficacité.

Si cette alchimie fonctionne sur la Lune, cela ferait du pôle sud lunaire bien plus qu'une simple station de recherche scientifique. La région deviendrait alors un dépôt de carburant, un site capable de fabriquer son propre fluide propulseur au lieu de l'importer depuis la Terre à un tarif exorbitant. Partant de là, atteindre Mars deviendrait nettement plus facile.

« Les bénéfices associés à la production massive de propergol sur la Lune sont énormes », déclare George Sowers, ingénieur en mécanique au sein de la Colorado School of Mines. « L'eau, c'est le pétrole de l'espace. »

Rien de la technologie nécessaire pour transformer l'eau en carburant ne relève de la science-fiction. Chaque élément existe déjà sous une forme ou une autre, mais nous ne les avons tout simplement jamais utilisés à cet effet sur Terre. La faible gravité et les conditions extrêmes du pôle sud lunaire offrent un environnement radicalement différent de notre douce planète. « Nous ne savons pas si le mécanisme fonctionnera dans ces conditions », précise Paul Zabel, chercheur du Centre allemand pour l'aéronautique et l'astronautique de Brême. Et il n'y a qu'une seule façon de savoir.

UN SOURCIER SUR LA LUNE 

La première étape sera de déterminer où la Lune pourrait bien cacher son eau. Les astronautes attendent encore de fouler par eux-mêmes le pôle Sud lunaire ; et même si les sondes placées en orbite autour de notre satellite par la NASA et l'Organisation indienne de recherche spatiale attestent de la présence d'eau, rien ne garantit que les réserves sont abondantes.

Exposée au Soleil, la surface lunaire peut atteindre les 120 °C, mais lorsque règne l'obscurité, la température peut descendre sous les -240 °C. Faute d'atmosphère pour retenir les gaz en surface, la moindre glace vaporisée s'échappe dans l'espace, même dans les régions les plus froides de la Lune.

Parmi les sites les plus prometteurs figurent les cratères d'obscurité éternelle, ainsi nommés car ils ne voient jamais la lumière du Soleil et comptent parmi les régions les plus froides de l'univers. Souvent profonds et escarpés, ces cratères « sont notre meilleure chance de trouver de grandes quantités d'eau pouvant effectivement servir de ressources », indique Julie Stopar, chargée de recherche principale au sein du Lunar and Planetary Institute.

Au creux de ces gouffres oubliés du Soleil, il ne faut toutefois pas s'attendre à trouver des glaciers. « Il n'y a pas de patinoire, l'eau est mélangée au régolithe lunaire », explique Stopar. « Il y a bien des signes de gel en surface, mais le volume n'est pas important. » 

Quand bien même ces cratères d'obscurité éternelle seraient gorgés d'eau, il sera très périlleux pour les astronautes de les explorer, même en utilisant des rovers lunaires à la pointe de la technologie pour transporter leur matériel scientifique et minier. « Encore faut-il pouvoir se rendre dans ces cratères à bord d'un rover », ajoute Zabel.

RECETTE POUR RÉGOLITHE LUNAIRE

Si l'eau mélangée au régolithe est accessible et suffisamment abondante, alors nous pourrons l'extraire. Les ingénieurs ont déjà proposé de multiples façons de procéder à cette extraction, dont la plupart impliquent de chauffer la pierre pour en recueillir le précieux liquide. 

« S'il y a suffisamment de glace près de la surface, la chaleur peut être appliquée directement sur celle-ci afin de collecter la vapeur dans une chambre spécialement conçue », indique Sowers. Cette vapeur d'eau est ensuite congelée dans un piège à froid, où elle est transformée en glace utilisable.

Bien que la surface de la Lune soit l'un des endroits les plus froids de l'univers, elle pourrait un jour être équipée de diverses sources de chaleur. La réflexion de la lumière du Soleil est l'une des options étudiées. Les États-Unis et la Chine envisagent également d'installer des réacteurs nucléaires sur la Lune, pour alimenter leurs bases sans dépendre de l'énergie solaire, qui pourrait être capricieuse sur le pôle Sud lunaire. La réaction de fission qui scinde les atomes afin d'alimenter ces centrales produit également de la chaleur qui pourrait être utilisée pour extraire l'eau. 

Ces dernières années, les agences spatiales et leurs partenaires privés ont élaboré différentes stratégies visant à utiliser la chaleur pour extraire la glace lunaire. L'une de ces propositions consisterait à déployer un moteur de fusée sous un dôme pressurisé pour creuser des cratères plus profonds et ainsi extraire plus d'eau que ne le permettraient les autres méthodes. En ce qui concerne  Mars, la NASA dispose de son propre concept « dust-to-thrust », de la poussière à la propulsion, qui prévoit de missionner des robots pour collecter le régolithe extraterrestre, le transporter vers une centrale de traitement et le chauffer pour en extraire l'eau.

L'une des technologies les plus prometteuses nous vient tout droit de l'Agence spatiale européenne, avec le projet Lunar Water Extraction (LUWEX), dont il existe déjà un prototype fonctionnel soumis en laboratoire à des conditions de température et de pression rappelant celles de la Lune. Là-haut, les robots mineurs autonomes ou les astronautes devront charger la machine d'un mélange de glace et de régolithe. Comme nous l'explique Zabel, responsable du projet LUWEX, il est assez difficile de chauffer ce mélange sur la Lune, en raison de l'absence d'atmosphère et des températures de surface effroyablement basses. C'est pourquoi l'extracteur LUWEX est équipé d'un creuset qui chauffe et brasse simultanément le mélange afin de séparer la glace du régolithe et ainsi améliorer le rendement de l'extraction. 

Ensuite, un piège à froid capture la vapeur d'eau sublimée et la transfère dans un liquéfacteur, prête à être utilisée, ou presque : à ce stade, l'eau est encore polluée par des particules extrêmement fines de poussière lunaire, semblables à des morceaux de verre. « Elle a une apparence laiteuse, comme un lait grisâtre », indique Zabel. Par chance, les ingénieurs impliqués dans le projet ont déjà conçu un purificateur qui semble faire des merveilles. « Nous avons atteint la qualité de l'eau potable. » 

TRANSFORMER L'EAU EN GAZ INFLAMMABLE  

Pour obtenir du carburant, la molécule d'eau doit être divisée en hydrogène et en oxygène via un processus appelé électrolyse, dans lequel le courant électrique brise les liaisons moléculaires entre ces deux éléments.

Sur Terre, le processus en question existe sous diverses formes, mais les démonstrations se font plus rares dans l'espace, même si plusieurs laboratoires ont déjà testé la technologie dans des chambres à vide simulant la pression de la surface lunaire ainsi que sa température. De plus, l'expérience MOXIE menée par le rover Perseverance de la NASA montre qu'il est possible d'utiliser l'électrolyse pour scinder l'oxygène du dioxyde de carbone toxique du Mars. 

Cependant, même l'eau potable n'est pas d'une qualité suffisante pour être divisée en hydrogène et en oxygène ; il y subsiste encore de trop nombreuses impuretés chimiques pour produire un carburant propre. Pour LUWEX, « il faudrait ajouter une autre étape de finition », indique Zabel, en ajoutant que les technologies de purification de l'eau extrêmement efficaces sont courantes sur Terre. « Il faut juste les adapter à l'espace. »

Ensuite, une fois cette eau cristalline obtenue, il suffit de lui appliquer un courant électrique pour en extraire l'hydrogène et l'oxygène gazeux. « Les gaz sont finalement liquéfiés et conservés sous la forme de propergols d'hydrogène et d'oxygène liquides », résume Sowers. 

Zabel espère voir LUWEX en action sur le pôle Sud lunaire d'ici quelques années. « Ce serait génial de produire un litre d'eau sur la Lune en guise de démonstration », jubile-t-il.

LE CARBURANT BON MARCHÉ DE LA PROCHAINE COURSE À L'ESPACE ?

Nous sommes encore loin de voir apparaître des stations-service sur le pôle Sud lunaire. Néanmoins, si la course à l'espace entre la Chine et les États-Unis s'accélère, comme le prévoient les spécialistes, nous devrions également assister à une catalyse du développement technologique. 

« L'ingénierie multiplie les prouesses et les grandes idées s'accumulent », témoigne Stopar. « Quelqu'un doit faire le premier pas. »

Lorsque les premières bases seront installées sur la Lune et que les astronautes y passeront plus de quelques jours ou quelques semaines à la fois, la majorité des ressources dont ils auront besoin pour survivre sera envoyée de la Terre. Au fil du temps, ces bases devront gagner en autonomie, car chaque lancement depuis la Terre coûte une somme d'argent colossale, en raison de l'attraction gravitationnelle exercée sans relâche par notre planète, qui nécessite d'utiliser d'immenses quantités de carburant.

De son côté, la Lune possède une gravité faible et aucune atmosphère à percer. Le décollage des fusées y est donc plus facile et moins onéreux que n'importe quel lancement depuis la Terre. 

Pourquoi utiliser le pôle Sud lunaire comme théâtre des opérations pour l'exploration future du système solaire ? Tout d'abord, cela diminuerait grandement les besoins de carburant, « le coût d'une seule mission habitée sur Mars serait réduit de 12 milliards de dollars en utilisant les propergols lunaires », indique Sowers.

En outre, ce carburant issu de l'eau ne propulserait pas uniquement les fusées. Il pourrait être utilisé « dans les piles à combustible qui alimentent les rovers », suggère Zabel. Avec un tel carburant, ces piles seraient capables de répondre aux exigences de machines autrement plus énergivores, pour lesquelles l'énergie solaire n'est pas assez stable et la fission nucléaire trop dangereuse.

Par ailleurs, ce qui fonctionne sur la Lune a de grandes chances de fonctionner dans d'autres régions de l'univers. Créer sur la Lune un environnement autonome présente une utilité certaine, mais pour les astronautes qui séjourneront sur la Planète rouge, ce genre de système sera crucial. « Pour un jour passer de la Lune à Mars, nous devons d'abord démontrer que les éléments fonctionnent sur la surface lunaire », déclare Stopar.

Enfin, même si la production massive d'eau potable et de propergol devient possible sur la Lune, il reste un problème relativement embarrassant auquel il nous tarde de trouver une solution : « les ressources ne sont pas infinies », déplore Zabel. On peut tout à fait imaginer une situation dans laquelle la Chine et les États-Unis s'affrontent pour trouver, extraire et transformer cette eau le plus rapidement possible, le tout dans le même petit coin de la Lune.

« À un certain point, un conflit pourrait éclater », conclut Zabel.