Harry Cohen Tanugi

La récolte d'oxygène par plasma pourrait aider les humains à vivre sur Mars.

"J'ai commencé à me demander si le reformage du CO2 sur lequel nous travaillions pouvait être adapté à la production d'oxygène sur Mars. J'ai fait part de ces réflexions à mes collègues le lendemain... plus nous y réfléchissions, plus l'idée semblait bonne", raconte Guerra à l'IE.

Avance rapide jusqu'en 2022. Guerra et son équipe de l'université de Lisbonne, ainsi qu'une équipe internationale de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, de l'université de la Sorbonne, de l'université de technologie d'Eindhoven et de l'institut néerlandais de recherche fondamentale sur l'énergie, ont présenté une méthode permettant d'exploiter et de traiter les ressources locales pour produire de l'oxygène sur Mars.

Leur arme de prédilection ? Le plasma lui-même.

La méthode de production et de séparation de l'oxygène dans l'environnement martien, basée sur le plasma, pourrait fonctionner comme une approche complémentaire à l'approche de la NASA. Expérience d'utilisation des ressources in situ d'oxygène sur Mars (MOXIE) et fournir des taux élevés de production de molécules par kilogramme d'instrumentation envoyé dans l'espace.

La recherche a été publiée mardi dans la revue Journal of Applied Physics, de AIP Publishing.

La récolte d'oxygène par plasma pourrait aider les humains à vivre sur Mars

Le système à base de plasma.

Ce système pourrait jouer un rôle majeur dans le développement de systèmes de survie sur Mars, ainsi que dans la production des matières premières et des produits chimiques de base nécessaires au traitement des carburants, des matériaux de construction et des engrais.

Alors, comment cela fonctionne-t-il ?

Puisque le l'atmosphère martienne est principalement composée de dioxyde de carbone qui peut être divisé pour produire de l'oxygène et sa pression est favorable à l'allumage du plasma, les conditions sur la planète rouge pourraient être presque idéales pour l'utilisation in situ des ressources par les plasmas.

"Pour extraire l'oxygène de la molécule de CO2, nous devons la décomposer. Cela nécessite de l'énergie. Le plasma est un moyen efficace de canaliser cette énergie. [acquired from its free electrons] pour obtenir le résultat souhaité", explique M. Guerra.

En d'autres termes, l'énergie disponible peut être utilisée de manière sélective. "Nous devons également séparer l'oxygène produit d'un mélange gazeux qui contient également, par exemple, du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone, ce pour quoi nous utilisons une membrane de perméation de l'oxygène", poursuit-il.

Le plasma contient des particules à charge librecomme les ions et les électrons, qui sont légères et peuvent facilement être accélérées jusqu'à des énergies très élevées par des champs électriques. "Lorsque ces électrons "en forme de balle" entrent en collision avec une molécule de CO2, ils peuvent directement la décomposer ou transférer de l'énergie pour la faire vibrer", explique M. Guerra. Dans une large mesure, cette énergie peut être canalisée pour la décomposition du CO2. "En outre, la chaleur générée dans le plasma et les autres effets du plasma seront également bénéfiques pour la séparation de l'oxygène en augmentant les performances de la membrane de séparation", explique M. Guerra.

MOXIE, un instrument expérimental de la taille d'un grille-pain situé à bord du rover Persévérance, convertit l'atmosphère de la planète rouge, riche en dioxyde de carbone, en oxygène. Il isole et stocke l'oxygène sur Mars pour aider à alimenter les fusées qui pourraient soulever les astronautes de la surface de la planète. Le dispositif pourrait un jour fournir de l'air que les astronautes eux-mêmes pourraient respirer.

Il s'agit actuellement de la seule proposition concrète de production d'oxygène sur Mars à ce jour.

"L'expérience MOXIE de la NASA part d'une technologie qui fonctionne sur Terre et de son adaptation aux conditions martiennes (de pression et de température, par exemple). Une méthode basée sur le plasma tire directement profit des conditions naturelles sur Mars, qui sont presque idéales pour le fonctionnement du plasma. En particulier, la composition de l'atmosphère, la pression et la température ambiantes sur Mars - tout joue en faveur d'un processus plasma. Il s'agissait de notre première spéculation, étayée par des arguments théoriques et quelques simulations numériques, et portant uniquement sur la décomposition du CO2", explique M. Guerra.

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En particulier, la composition de l'atmosphère, la pression ambiante et la température sur Mars - tout cela joue en faveur d'un processus de plasma.

Avec leurs collègues de l'Ecole Polytechnique en France et de l'Institut néerlandais pour la recherche fondamentale sur l'énergie (DIFFER) aux Pays-Bas, Guerra et son équipe ont ensuite démontré la validité de cette théorie.

Cependant, il y a des obstacles.

Guerra mentionne deux défis importants pour la production d'oxygène sur Mars. "Premièrement, la décomposition même du CO2 (en CO et O), car le CO2 est une molécule très difficile à briser. La seconde est la séparation de l'oxygène produit d'un mélange gazeux qui contient également, par exemple, du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone. Nous essayons en fait d'envisager ces deux étapes de manière holistique, en résolvant les deux problèmes en même temps", explique-t-il.

L'équipe devra également relever des défis scientifiques, dont le principal est de démontrer que son concept fonctionne. "Nous avons compris et résolu de nombreux aspects et nous avons de fortes indications et des résultats préliminaires très prometteurs. Nous disposons d'un financement de l'Agence spatiale européenne et d'autres projets nationaux pour y parvenir et nous sommes convaincus que nous y parviendrons", déclare Vasco.

Un défi d'ingénierie se présente également dans le tableau, car le concept doit être réalisé avec un dispositif compact et léger. "Nous devrons optimiser le réacteur et montrer qu'il peut fournir des taux élevés de production de molécules par kilogramme d'instrumentation envoyé dans l'espace", ajoute Guerra.

Dans quelle mesure cela permettrait-il de réduire la logistique d'une mission vers Mars ?

"Chaque gramme et chaque centimètre cube que nous pouvons épargner dans une mission spatiale sont importants", déclare Guerra. "L'oxygène est essentiel pour créer un environnement propice à la respiration, bien sûr. Mais l'oxygène et le monoxyde de carbone peuvent également être utilisés pour fabriquer des propergols liquides pour les fusées. Le rover Perseverance collecte déjà des échantillons qui seront ramenés sur Terre. Des fusées à combustible solide seront utilisées pour les prochaines missions de retour d'échantillons de Mars, mais la production locale de combustibles sera importante pour des missions futures similaires. L'impact sur la logistique d'une mission vers Mars peut donc être très important, en réduisant la quantité de carburant et d'oxygène respirable à transporter", explique-t-il.

De plus, l'oxygène et l'azote - également disponibles dans l'atmosphère martienne - sont les éléments de base pour la synthèse d'engrais à base d'azote pour la future agriculture martienne.

"Avec l'oxygène pour le maintien de la vie et la production de carburants, il ne s'agit plus seulement de réduire la logistique d'une mission, mais aussi de créer les conditions d'une future installation humaine", souligne M. Guerra.

L'équipe progresse maintenant vers l'assemblage d'un prototype de preuve de concept. "Ensuite, nous devons optimiser le réacteur et montrer qu'il peut être compétitif. Et, enfin, le faire voler vers Mars un jour", déclare Guerra.

Ces résultats peuvent également avoir un impact significatif sur la vie sur Terre. L'auteur de l'étude précise que "l'adaptation de nos recherches aux conditions sur Terre (que nous poursuivons également) fait partie de la stratégie de "capture et d'utilisation du carbone" (CCU)."

Dans cette approche, le dioxyde de carbone est utilisé comme matière première pour être converti en produits chimiques à valeur ajoutée et en carburants verts. "Toute technologie qui recycle le CO2 pour une utilisation ultérieure contribue à la réduction des émissions de gaz à effet de serre et peut jouer un rôle essentiel dans la transition vers une économie nette zéro prospère", ajoute M. Guerra.

Exploiter les ressources sur le site cible au lieu de les transporter depuis la Terre est certainement le premier pas vers l'autosuffisance des bases et des missions spatiales. Selon l'étude, l'utilisation in situ des ressources, avec l'impact le plus élevé, est extrêmement importante pour de telles entreprises, car elle permet de réduire la logistique et les coûts du voyage ainsi que les risques pour l'équipage.

Résumé :

Ce travail discute du potentiel de la combinaison des plasmas non thermiques et des membranes conductrices pour l'utilisation des ressources in situ (ISRU) sur Mars. En convertissant différentes molécules provenant directement de l'atmosphère martienne, les plasmas peuvent créer les matières premières et les produits chimiques de base nécessaires à la transformation des carburants, de l'oxygène respirable, des matériaux de construction et des engrais. Les différentes sources de plasma fonctionnent selon des principes différents et sont associées à des mécanismes physico-chimiques dominants distincts. Cette diversité permet d'explorer différentes voies de transfert d'énergie menant à la dissociation du CO2, notamment les processus d'impact direct des électrons, la chimie du plasma médiée par des états excités vibratoirement et électroniquement, et la dissociation induite par la chaleur. Le couplage des plasmas avec les membranes est encore une technologie en cours de développement, mais on prévoit un effet synergique entre la décomposition par plasma et la perméation de l'oxygène à travers les membranes conductrices. La technologie émergente est polyvalente, évolutive et a le potentiel de fournir des taux élevés de production de molécules par kilogramme d'instrumentation envoyé dans l'espace. Par conséquent, elle jouera probablement un rôle très important dans les futures stratégies ISRU.

[SOURCE]

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