L’énergie au sol (1) : le cadre et les ergols
1. Après la circulation dans l’espace proche de Mars, la vie au sol
Dans « Les ergols (1) » et « Les ergols (2) », nous avons chiffré l’énergie nécessaire pour faire circuler les hommes et les marchandises dans le système martien : produire au sol le méthane et l’oxygène, les monter vers Phobos, Deimos et les Eagles, remplir les vaisseaux qui repartent vers la Terre. C’est l’énergie de la circulation. Il reste à chiffrer l’énergie pour tout ce que l’homme doit faire au sol : creuser et entretenir ses habitats, respirer, se nourrir, se chauffer, s’éclairer, communiquer, faire travailler ses robots, calculer, et enfin produire sur place ce qu’il serait absurde de faire venir de la Terre et ce qui est nécessaire à sa sécurité compte tenu de l’éloignement des deux planètes.
L’énergie des Eagles eux-mêmes, nos stations spatiales rotatives, reste hors de notre sujet. Elle sera traitée dans un encadré (§ 15), parce que l’orientation de leur axe de rotation conditionne leur production solaire, et parce qu’une station voisine de chaque Eagle pourrait un jour transmettre de l’énergie solaire au sol (§ 16).
Le point de départ est un résultat de l’étude menée dans l’article « Les ergols (2) » : à chaque étape du déploiement, les ergols n’absorbent qu’un tiers à la moitié de la puissance nucléaire installée au sol. Le reste, c’est-à-dire que la moitié au moins du parc, est disponible pour la vie au sol et pour l’industrie. Cette série de quatre articles, qui commence ici, montre comment ce reste se répartit, et sa conclusion tient en peu de mots. Une base au sol est habitée par intermittence, mais c’est une usine et un centre de recherche scientifique et technologique permanents : la vie de la base elle-même se chiffre en dizaines ou en centaines de kilowatts, pas en mégawatts. Ce qui absorbera la plus grande partie de la puissance disponible, c’est l’industrie, et c’est l’énergie disponible qui fixera les ambitions industrielles et scientifiques, non l’inverse. Si je mentionne la science et la technologie, c’est que nous n’irons pas sur Mars seulement pour produire, mais aussi pour chercher : accroître nos connaissances et notre capacité à agir dans les environnements les plus difficiles, ce qui servira aussi à mieux gérer la Terre.
Deux unités sont à retenir pour la suite de votre lecture : la puissance continue, en kilowatts ou mégawatts électriques (kWe, MWe), et l’énergie consommée sur une année, en gigawattheures (GWh). Un Megapower (le réacteur nucléaire compact retenu dans « Les ergols ») fournit 2 MWe, soit 17,5 GWh par an s’il tourne en continu. Un mégawatt électrique pendant un an (un MWe-an) représente 8,8 GWh. Sauf mention contraire, l’« an » désigne l’année terrestre ; l’année martienne dure 687 jours, soit 1,88 année terrestre.
2. Le cadre : une base au sol par Eagle
Une base par Eagle
Le déploiement suit la séquence décrite dans les articles précédents. Un premier Eagle, en orbite aréostationnaire (orbite équatoriale à 17 000 km d’altitude, sur laquelle un satellite reste en permanence au-dessus du même point de la surface), s’accompagne d’une base au sol dans son secteur. Un deuxième Eagle suit avec sa base, puis deux autres, placés à 90° des premiers, de sorte que chacun couvre un quart de la planète. On va ensuite jusqu’à la douzaine, chacun avec sa base, qui produit les ergols de ses propres rotations. Chaque Eagle compte une centaine de résidents.
Des missions courtes et peu nombreuses
Les séjours au sol sont difficiles à supporter en termes de santé, en raison notamment de la faible gravité. Le tore des Eagles offre 0,7 g ; la surface de Mars, 0,38 g. On ne sait pas encore si 0,38 g suffit à prévenir, sur une longue durée, les troubles observés chez les astronautes en apesanteur, comme le syndrome neuro-oculaire (SANS, Spaceflight-Associated Neuro-ocular Syndrome, qui déforme le globe oculaire et affecte la vision). Les Eagles ont d’autres avantages : on y vit loin de la poussière, on y bénéficie d’un meilleur ensoleillement, et ils sont plus proches de la Terre en termes d’énergie. C’est donc dans les Eagles que l’on vit. Il n’y aura pas de séjour long au sol. Deux types sont prévus :
- le séjour d’urgence, d’une semaine environ, pour une intervention que les robots ne peuvent pas faire seuls ;
- le séjour d’un mois environ, pour mettre en place un nouveau procédé de production, remanier une partie de l’habitat ou installer de nouveaux équipements de communication. On en compte environ six par année martienne et par base.
Une mission ordinaire compte 6 à 8 personnes, assistées de robots humanoïdes (du type Optimus) pour l’entretien et la maintenance. L’effectif monte à 13 au maximum : un représentant de chacun des douze Eagles plus un pour l’Eagle invitant, si une découverte exceptionnelle ou une constatation importante justifient la présence de tous. Les participants se retrouvent alors à Phobos pour descendre ensemble vers la base concernée. Comme l’a montré « Les ergols (2) », les hommes sont « propulsivement gratuits » : un vol de relève d’équipage coûte pratiquement le prix d’un vol à vide. La rareté des missions tient donc aux effets de la vie au sol sur la santé, non au coût du transport.
Une base est occupée par des hommes entre un quart et un tiers de l’année martienne (687 jours, soit près de deux années terrestres). Avec six séjours d’un mois et quelques séjours d’urgence, à 8 personnes, cela représente de l’ordre de 1 800 personnes-jours par année martienne, soit environ 950 par année terrestre. Le reste du temps, la base fonctionne avec ses robots, téléopérés depuis l’Eagle. L’habitat circulaire enterré décrit dans « Séjourner sur Mars » (la « galette »), avec ses neuf chambres dédoublables (jusqu’à 18 personnes), garde ainsi une marge confortable.
Cette intermittence commande toute la série d’articles sur ce sujet de « l’énergie au sol ». Les postes qui dépendent de la présence humaine (respirer, s’éclairer, se chauffer) ne pèsent qu’une partie de l’année. Ceux qui n’en dépendent pas (produire des ergols, extraire de la glace, cultiver, calculer, fabriquer) pèsent en permanence.
Les contraintes de site
Trois contraintes guident le choix du site d’une base, par ordre d’importance.
- L’accès à la glace d’eau, matière première des ergols et de la vie. C’est la contrainte décisive, mais elle est bornée par une autre : chaque degré de latitude renchérit les vols vers les lunes et les Eagles, qui orbitent dans le plan de l’équateur (§ 13). La base se place donc sur la glace la plus proche possible de l’équateur, et jamais au-delà de 20° de latitude (§ 4).
- La visibilité depuis l’Eagle. Vu du sol, l’Eagle est fixe dans le ciel. Sa hauteur au-dessus de l’horizon diminue avec la latitude : la liaison est confortable jusqu’à 60–70° de latitude, et l’Eagle disparaît sous l’horizon au-delà d’environ 80°. Jusqu’à 20° de latitude, la liaison est excellente. En revanche, les pôles sont invisibles depuis l’orbite aréostationnaire. Accessoirement, plus la base s’éloigne de l’équateur, plus elle est loin de l’Eagle : le délai de transmission, important pour les interventions robotiques de précision, augmente donc un peu, tout en restant très faible (un aller-retour de 0,114 s à l’équateur, de 0,115 s à 20° de latitude).
- L’ensoleillement, si l’on veut compléter l’énergie nucléaire par du solaire. Il compte peu, puisque le socle est nucléaire.
Les sources disponibles
La source de référence est le Megapower, réacteur nucléaire, indifférent à la nuit et aux tempêtes de poussière. Il constitue le socle.
Le solaire au sol est un complément. Au sommet de l’atmosphère, Mars reçoit environ 590 W/m² en moyenne (de 490 à 715 W/m² selon la distance au Soleil, l’orbite de Mars étant assez excentrique). Au sol, il faut retrancher l’absorption par la poussière, la nuit, et surtout les tempêtes de poussière globales, qui peuvent masquer le Soleil pendant plusieurs semaines : le rover Opportunity n’a pas survécu à celle de 2018.
Une troisième source est envisageable à terme : l’énergie solaire collectée dans l’espace, auprès de chaque Eagle, et transmise au sol par faisceau. Elle sera discutée au § 16.
3. Le poste dominant : la production des ergols
Nous ne reprenons ici que les résultats de l’article « Les ergols (2) », auquel on se reportera pour le détail.
Le bilan net de la chaîne de production (captage du CO₂, électrolyse de l’eau, réaction de Sabatier, qui combine le CO₂ et l’hydrogène en méthane et en eau, puis liquéfaction) est d’environ 6,7 kWh par kilogramme de méthalox (méthane et oxygène liquides). L’électrolyse en représente à elle seule quelque 85 %. Avec les consommations auxiliaires (contrôle thermique, pompes, pertes), on retient par prudence 8 à 10 kWh/kg.
La figure ci-dessous, reprise de « Les ergols (2) », compare à chaque étape du déploiement la puissance installée et le besoin pour les seuls ergols, tous les vols voyageant à plein.
Puissance installée au sol et besoin des seuls ergols (figure de « Les ergols (2) »)
Quatre étapes s’en dégagent :
| Étape | Megapower | Puissance installée | Besoin des ergols | Part maximale |
| Phase initiale (un départ par fenêtre) | 2 | 4 MWe | 0,7–1,3 MWe | 32 % |
| Eagle-One et Deimos-II (100 résidents) | 6 | 12 MWe | 3,3–4,2 MWe | 35 % |
| Quatre Eagles (phase pionnière) | 6 | 12 MWe | 4,5–6,0 MWe | 50 % |
| Douze Eagles (la douzaine complète) | 12 | 24 MWe | 5,6–10,0 MWe | 42 % |
La production d’ergols reste le premier poste de consommation au sol, mais elle n’absorbe jamais plus de la moitié du parc de réacteurs. À chaque étape, il reste donc disponible de 2,7 à 14 MWe. C’est ce reste que les trois articles suivants vont répartir.
Un point mérite d’être souligné, parce qu’il éclaire la question que l’on peut se poser au sujet des pôles (§ 13). Le captage du CO₂ atmosphérique est le poste le plus encombrant de l’usine, comme l’a remarqué Christophe de Reyff : il faut aspirer et traiter au moins 3 000 m³ d’atmosphère par heure pour produire 100 kg d’ergols. Mais il ne pèse presque rien en énergie. Un kilogramme d’ergols demande environ 0,6 kg de CO₂ ; le comprimer depuis la pression martienne (environ 6 millibars) coûte en théorie 0,06 kWh par kilogramme de CO₂, en pratique plutôt 0,2 kWh, soit 0,1 kWh environ par kilogramme d’ergols : à peine plus de 1 % du total. Aller chercher du CO₂ gelé aux pôles réduirait l’encombrement des capteurs, mais l’économie d’énergie serait insignifiante.
Le traitement de ce sujet, l’énergie au sol, sera poursuivi dans trois autres articles. La semaine prochaine, nous verrons les besoins d’énergie pour la vie au sol, hors le besoin pour produire et stocker les ergols : l’eau, le creusement des habitats, l’air, la nourriture, le chauffage et l’éclairage. Nous verrons ensuite ceux nécessaires pour l’activité au sol : les robots, les télécommunications, les centres de données, les mines et l’industrie, les transports au sol et depuis les pôles. Enfin, nous établirons un bilan, nous expliquerons pourquoi nous avons choisi de garder l’axe des Eagles parallèle à celui de Mars plutôt que de l’orienter en permanence vers le Soleil, et quels choix de sources d’énergie nous avons faits pour satisfaire ces besoins. La numérotation des paragraphes se poursuit d’un article à l’autre : les renvois aux §§ 4 à 17 désignent les articles suivants. Ce découpage n’a d’autre but que de faciliter la lecture de l’ensemble.
Illustration de titre (et ci-dessus): L’énergie au sol: 1) Le cadre et les ergols. Concept Pierre Brisson, réalisation claude.ai
Copyright Pierre Brisson
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Une réponse
Finalement, il semble que 8 à 10 kWh d’énergie par kg de méthalox soient sous-estimés. Il faut compter plutôt avec 15 à 20 kWh/kg, soit bien le double, ce qui change le dimensionnement en nombre de mégapowers dédiés à cette seule tâche de production d’ergols.