EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Les ergols (1) : les besoins pour la circulation

Pour rappel, il y a deux ensembles consommateurs : un grand plateau circulaire à faible gravité autour de Mars et la surface de la planète. Le plateau est délimité par l’orbite de Phobos (6 000 km de la surface) et celle de Deimos (20 000 km de la surface). Cette dernière est juste au-dessus de l’orbite aréostationnaire, équivalent de l’orbite géostationnaire terrestre (17 000 km de la surface), où sont situés les Eagles (stations spatiales rotatives), chacun contrôlant, à son nadir, un secteur au sol où est située une base pour visites limitées dans le temps. Nous parlons ici, dans cette première partie, des besoins en énergie pour la circulation entre les Eagles, entre les Eagles et les lunes de Mars, entre les lunes de Mars, et entre les lunes de Mars et le sol de Mars, et entre Deimos et la Terre. Les besoins en énergie pour la vie dans les Eagles ou sur les lunes de Mars sont assurés principalement par des panneaux solaires.

Chaque Eagle comporte, à l’extrémité de son axe (en bas sur nos illustrations), une sphère de docking avec trois ports pour Lyobas (les navettes qui circulent sur le grand plateau). Deux ports sont pour les résidents — le canot de secours et le Lyoba de mission — et le troisième est pour les visiteurs. Immédiatement au-dessus de la sphère il y a deux cylindres destinés aux ergols, un pour le méthane, un pour l’oxygène.

Nous verrons d’abord (A) ce que doit contenir le dépôt d’ergols de chaque Eagle, puis (B) ce que consommera le système martien dans son ensemble.

A. Les quantités pour chaque Eagle

Évaluons les besoins en quantité pour savoir de quels volumes nous aurons besoin et donc de quelles dimensions et de quelle masse doit être le module qui les conservera (sans oublier que ces ergols – méthane et oxygène – devront être maintenus liquides et très froids — nous y reviendrons)

Les réserves d’ergols : combien, et comment les conserver ?

La règle de dimensionnement découle de ce qui précède : un Eagle doit pouvoir lancer chacune de ses missions sans attendre une livraison d’ergols. Trois postes la traduisent en tonnes — comptées, comme dans tout ce premier article, pour un Lyoba de 60 t et une impulsion spécifique de 360 s (mesure de l’efficacité d’un moteur : plus elle est élevée, moins il faut d’ergols pour une même variation de vitesse).

Le canot de secours d’abord : ses réservoirs resteront pleins en permanence, soit ~13 t de méthane-oxygène pour l’aller simple vers Phobos (665 m/s de variation de vitesse à produire).

Le Lyoba de mission ensuite : son voyage courant le plus exigeant sera l’aller-retour vers Phobos (2 × 665 m/s, ~27 t), qui couvre largement l’aller-retour vers Deimos même en mode rapide de 4 h (~15 t) et les visites aux Eagles voisins (quelques tonnes) ; seuls les rendez-vous lointains sur la couronne (jusqu’à ~48 t pour l’antipode) exigeront un complément — mais ces voyages rares se planifient, et la livraison peut précéder le départ.

Une recharge du canot enfin (~13 t), pour couvrir les exercices d’évacuation et les compléments de pleins.

Le total tombe juste : ~53 t, qu’on arrondira à 60 t — exactement la charge utile d’un Lyoba-citerne. Le dépôt d’un Eagle se comptera donc en unités de livraison : une charge pleine en stock, réapprovisionnement déclenché dès que l’on passe sous la moitié (~30 t, le prix d’un aller-retour Phobos). La livraison se fera en principe depuis Phobos puisque les ergols seront une production ISRU (In Situ Resource Utilization : l’exploitation sur place des ressources locales) venue de Mars. Et avec une fenêtre qui s’ouvre toutes les ~11 h, il y aura moins d’une journée entre l’appel et l’accostage. Précisons que ce dépôt ne servira que les deux Lyobas résidents : visiteurs, taxis et citernes arriveront avec leurs pleins de retour à bord.

À la proportion de mélange du méthane-oxygène (~3,6 kg d’oxygène par kg de méthane), ces 60 t se décomposent en ~13 t de méthane liquide et ~47 t d’oxygène liquide, soit ~31 m³ et ~41 m³ — 72 m³ de liquides en tout. Ils occuperont les deux cylindres d’ergols (décrits dans l’article « arriver aux et partir des Eagles ») au gabarit commun de l’axe — 6 m de diamètre —, un par liquide pour tenir méthane et oxygène séparés, immédiatement au-dessus de la sphère de docking, au plus court des ports. Ces modules n’étant pas les derniers de l’axe (les derniers étant ceux des sanitaires, vestiaires et sas pour EVA), hommes et robots devront pouvoir les traverser : chacun sera donc percé d’un tunnel axial pressurisé d’1,4 m de passage libre, gainé de vide et d’isolation multicouche, autour duquel le réservoir prendra la forme d’un anneau — en section, une couronne de 5,5 m de diamètre extérieur autour d’un fourreau de 2 m. À ce gabarit, 2,5 m de longueur suffisent au méthane et 3 m à l’oxygène, garde de vapeur comprise : les deux modules n’occuperont que 5,5 m de l’axe. Avec la structure, l’isolation, les cryoréfrigérateurs, les radiateurs, les tuyauteries, le fourreau du tunnel et le bouclier anti-micrométéorites, l’ensemble pèsera de l’ordre de 9 t à vide — environ 15 % des ergols stockés — et les évents resteront orientés à l’opposé des trois ports d’amarrage.

Solidaire du module de docking, le dépôt sera fixe, donc en apesanteur vraie — et en apesanteur, le liquide ne se tient pas au fond du réservoir : on ne peut pas pomper « en bas », il n’y a pas de bas. La solution sera celle-là même que SpaceX met au point pour le ravitaillement orbital de ses Starships, en méthane-oxygène précisément, et elle tient en deux dispositifs passifs, sans pièce mobile :

D’abord les dispositifs « à effet capillaire ». L’effet capillaire est cette propriété qu’a un liquide, par sa tension superficielle, d’adhérer aux parois solides et de progresser de lui-même dans les passages étroits — c’est lui qui fait monter le café dans le sucre trempé, l’eau dans l’éponge ou la sève dans l’arbre. Des écrans métalliques finement ajourés et des ailettes tapisseront donc l’intérieur des réservoirs : le liquide s’y accroche, s’y rassemble et se laisse conduire jusqu’à la prise de soutirage.

Ensuite l’évent thermodynamique, qui règle l’autre difficulté de l’apesanteur — évacuer de la vapeur, et non du liquide, quand la pression monte : on soutire un peu de liquide, on le détend (il se refroidit), on le fait circuler dans un échangeur qui refroidit la masse du réservoir, puis on ne rejette que la vapeur. C’est d’ailleurs par ce circuit que le réservoir d’oxygène « respirera » vers le support-vie : l’évent livre naturellement du gaz propre. Le transfert depuis un Lyoba-citerne accosté procédera de même — écrans capillaires côté citerne, légère surpression pour pousser le liquide — et la masse de ces équipements internes, quelques centaines de kilogrammes, est déjà comprise dans les ~9 t du module.

Reste la conservation, et d’abord une précision : les ergols ne seront pas comprimés mais liquéfiés — stockés à 2 ou 3 bars seulement, à 90 K pour l’oxygène et 111 K pour le méthane. Le gaz comprimé serait ruineux en masse de réservoirs comme en volume ; et si le méthane et l’oxygène ont été choisis (par SpaceX comme par nous), c’est précisément parce que ce sont des cryogènes « doux », sans commune mesure avec l’hydrogène et ses 20 K. L’environnement s’y prête : à la distance de Mars, la constante solaire tombe à ~590 W/m² (43 % de la valeur terrestre) et, à 17 000 km d’altitude, le rayonnement infrarouge de la planète est négligeable (~3 W/m²). Sous un pare-soleil et quelques dizaines de couches d’isolation multicouche, la fuite thermique résiduelle — tunnel de passage compris, paroi chaude au cœur d’un bain cryogénique, qui y ajoutera sa quinzaine de watts — sera de l’ordre de la centaine de watts par réservoir. Laissée sans traitement, elle évaporerait ~35 kg d’oxygène et ~13 kg de méthane par jour — 1 à 2 % du stock par mois : tolérable entre deux livraisons, ruineux à l’année.

La règle sera donc le « zéro évaporation » (zero boil-off), démontré au sol par la NASA dès les années 2000 : des cryoréfrigérateurs réinjectent dans les réservoirs le froid que l’isolation laisse fuir. Le bilan restera modeste — 2 à 3 kW électriques et quelques mètres carrés de radiateurs, une « miette » pour une station qui disposera de centaines de kilowatts. On pourra même faire mieux que ne rien perdre : l’évaporation passive du réservoir d’oxygène (~35 kg par jour) dépasse largement l’appoint qu’exigera le support-vie d’une centaine de résidents (compensation des fuites, cyclages de sas, marges de la boucle de recyclage). Rien n’interdira donc de laisser ce réservoir « respirer » vers le circuit de la station et de réserver le cryoréfrigérateur au méthane, plus petit et plus facile à refroidir. Le dépôt d’ergols sera du même coup la réserve d’oxygène de l’Eagle : sur le grand plateau, rien ne se perdra.

Intérêt de la patience, regard sur les autres propulsions

Un mot d’abord des rendez-vous lointains. Pour rejoindre un Eagle éloigné sur la couronne, on pourrait être tenté de passer par Phobos, qui défile sous chaque Eagle toutes les ~11 h : y descendre, y refaire le plein, puis repartir quand la lune passe en bonne position vers l’Eagle de destination. Ce serait une fausse bonne idée. Descendre de l’orbite des Eagles (17 000 km d’altitude) à celle de Phobos (6 000 km), puis remonter, coûte deux fois 665 m/s, soit 1 330 m/s, et prend de 16 à 27 h selon l’attente. Rester sur le plateau coûte bien moins : il suffit de quitter l’orbite aréostationnaire pour une orbite de période un peu différente, d’y laisser l’Eagle de destination venir à soi (ou d’aller à lui), puis de se réinsérer. Pour l’antipode, une orbite d’une demi-période arrive en 12 h 20 pour ~1 040 m/s par trajet — c’est ce mode rapide que chiffrent les ~48 t aller-retour évoquées plus haut : plus vite que le détour par Phobos, et pas plus cher, même en comptant le plein refait à Stickney (lieu de stockage sur Phobos) à 9 tonnes-surface au lieu de 13 (~270 tonnes-surface de part et d’autre). Mais qui accepte de faire deux tours d’une orbite un peu plus basse arrive en 37 h pour 325 m/s (~6 t) ; trois tours, en 2,5 sols pour 195 m/s (~3,4 t) — six fois moins de tonnes-surface que le mode rapide, sans jamais quitter la bande comprise entre l’orbite de Phobos et celle des Eagles. La doctrine s’écrit donc en une ligne : pour l’antipode, on prend son temps, pas Phobos. Le détour par la lune ne se justifie que si l’on a de toute façon affaire à Stickney.

Ensuite, la nature même des ergols. Sur un plateau de si faible gravité, ne pourrait-on pas se passer du méthane-oxygène — par exemple en propulsant du gaz carbonique, inerte, ininflammable, stockable liquide sans cryogénie (sous ~20 bars vers −20 °C) ? La comptabilité en tonnes-surface tranche : dans le système martien, une tonne coûte d’abord par son transport, non par sa fabrication. Or le CO₂ détendu à froid n’offre qu’une impulsion spécifique de ~65 s (~130 s s’il est chauffé), contre 360 s : l’aller-retour Eagle–Deimos d’un Lyoba de 60 t, qui brûle 3,4 t de méthane-oxygène, en demanderait ~21 t (~10 t chauffé), et l’aller simple vers Phobos plus de 100 t. Monté du sol, ce gaz « gratuit » deviendrait l’ergol le plus cher du système. Il garde pourtant un emploi tout trouvé : le contrôle d’attitude et l’approche finale des Lyobas. Les quantités y sont faibles, le panache est propre et sans flamme à quelques mètres de la coque et des ports, et la source est à bord : chaque résident exhale ~1 kg de CO₂ par jour, que le support-vie retire de l’air de toute façon ; la part qui n’est pas recyclée vers les cultures ou l’oxygène alimentera les propulseurs à gaz froid des Lyobas résidents. Si enfin la mission japonaise MMX révélait sur Phobos des volatils exploitables (carbone, eau), la question serait à reprendre : un ergol qui n’a pas à être monté du sol change toute l’arithmétique.

Pour le fret sans urgence, la vraie économie viendra de l’électricité plutôt que de la chimie. L’atmosphère martienne contient ~2 % d’argon, que les usines ISRU récupèrent à peu de frais : quand on condense le CO₂, l’azote et l’argon restent dans le gaz résiduel, dont on les sépare aisément. Éjecté par un propulseur à effet Hall à une impulsion spécifique de l’ordre de 2 000 s, cet argon — même monté du sol au prix de la tonne-surface — réduit l’aller-retour Eagle–Deimos d’un Lyoba-cargo de 60 t à ~0,6 t, et l’aller simple vers Phobos à ~2 t. La contrepartie est la lenteur : avec une centaine de kilowatts solaires, la poussée ne dépasse guère quelques newtons, et chaque trajet prend deux à trois semaines. Ce ne sera jamais le mode des passagers ; ce peut être celui des pièces détachées, des consommables et des modules qui circulent entre Deimos et les Eagles — une noria lente, presque gratuite en ergols, qui soulagera d’autant les dépôts de méthane-oxygène.

B. Les quantités pour l’ensemble du système

Nous venons de voir ce que doit contenir le dépôt de chaque Eagle — quelques dizaines de tonnes, entretenues au fil des livraisons. Mais ce dépôt n’est qu’un terminus parmi d’autres : avant de descendre au sol où les ergols se fabriquent, il faut prendre la mesure de tout ce que le système martien consommera — et répondre à la question qui commande le rythme de la colonisation : combien d’Eagles les ergols permettent-ils, quatre ou la douzaine ?

Du dépôt d’un Eagle au système entier : la tonne-surface

Tout ergol brûlé quelque part dans le système martien aura été produit au sol, par l’une des usines ISRU, avec l’électricité des Megapower (réacteurs nucléaires installés au sol, de ~1,7 MWe chacun). Pour additionner des consommations qui se font à des étages différents — au sol, à Stickney (Phobos), à Deimos, au quai d’un Eagle —, il faut une unité de compte commune : la tonne-surface, c’est-à-dire la tonne produite par l’usine au sol, avec tout ce que sa livraison aura coûté en chemin. Les taux de change découlent de nos chiffres de référence : une tonne rendue au dépôt de Stickney a coûté environ 9 t produites au sol ; une tonne rendue à Deimos, environ 11 à 12 t, la noria des Lyobas-citernes ajoutant son étage de Tsiolkovsky (la loi qui fait croître la masse d’ergols bien plus vite que la vitesse visée) ; une tonne rendue au dépôt d’un Eagle, environ 13 t, l’aller-retour de la citerne (2 × 665 m/s) brûlant ~27 t pour 60 t livrées. La règle se retient d’elle-même : plus on consomme loin dans le système, plus la tonne est chère — d’un facteur 9 à 13.

Appliquons cette comptabilité au scénario qui suivra l’achèvement d’Eagle-One : une population martienne de 100 personnes — 50 dans Deimos-II (station rotative ancrée à Deimos), 44 dans Eagle-One (le premier Eagle), 6 en mission au sol. Par cycle synodique (~26 mois, l’intervalle entre deux fenêtres de lancement Terre-Mars), il y aura quatre postes :

Les retours sur Terre d’abord, le poste dominant : 60 personnes rentrent — 20 restent dans chaque station, ne serait-ce que pour assurer la liaison entre le départ des uns et l’arrivée des autres —, soit deux vaisseaux de 30 passagers (la capacité étant de 40) et ~130 t d’injection chacun : 260 t chargées à Deimos, soit ~3 000 tonnes-surface.

Les navettes d’Eagle-One ensuite : une tous les deux mois, treize par cycle, presque toutes des transferts de Hohmann vers Deimos (la trajectoire la plus économe entre deux orbites) (~4 t l’aller-retour) — à peine plus de 50 t au dépôt, soit ~700 tonnes-surface.

Les liaisons propres de Deimos-II (réceptions de fret, réunions, rotations vers Phobos) : de l’ordre de 900 tonnes-surface.

Les missions au sol enfin, quatre par an, huit à neuf rotations de Starship par cycle : 4 000 à 4 500 tonnes-surface, vaisseaux et charges comprises.

Le total de l’enveloppe approche 9 000 tonnes-surface par cycle. Mais c’est compter deux fois les mêmes vols : les trois premiers postes contiennent implicitement des rotations de citernes dédiées, alors qu’une discipline simple — aucun Starship ne remonte à vide — confie ces remontées aux rotations de mission, qui volent de toute façon : quatre ou cinq d’entre elles, emportant chacune 150 t d’ergols en soute, couvrent toute la demande orbitale, et la tonne ainsi remontée ne coûte plus que ~4,3 tonnes-surface au lieu de 9. L’enveloppe retombe à ~6 500 tonnes-surface par cycle, soit ~3 000 t par an, soit ~45 GWh par an : à 15 kWh par kilogramme, environ 5 MWe dédiés à l’ISRU. Le parc nominal de six Megapower, avec ses ~10 MWe disponibles, couvre le scénario minimal avec une marge de un à deux.

Développement après Eagle-One

Que coûte alors chaque Eagle supplémentaire ? Deux régimes se succéderont. En phase pionnière, la plupart des résidents voudront rentrer au terme de leur séjour — c’est le cas de figure ci-dessus, 60 retours pour 100 résidents — et le poste dominant croît avec les stations : environ 2 000 à 2 500 tonnes-surface par cycle et par Eagle, soit ~15 GWh par an — un Megapower par Eagle, en chiffre rond. NB : les Megapower sont sur le sol de Mars.

Puis, station après station, un seuil de confiance sera franchi (effets de l’environnement sur les personnes, fiabilité des équipements, et… compagnie) : en régime mûr, une dizaine de résidents par Eagle et par cycle rentrera sur Terre — les 120 personnes de la douzaine complète tiendront dans trois Starships de 40 — et le coût marginal retombera aux livraisons courantes plus une quote-part de vaisseau : ~1 000 tonnes-surface par cycle, ~7 GWh par an — un demi-Megapower par Eagle.

La question posée en ouverture trouve ainsi sa réponse. Quatre Eagles espacés de 90° vivent sur le parc de six Megapower. La douzaine complète — retours, livraisons de douze dépôts, liaisons de Deimos-II et une activité au sol qui aura crû à proportion — demandera de l’ordre de 100 à 130 GWh par an selon la cadence des missions, soit 12 à 16 MWe d’ISRU : la douzaine de Megapower y suffit. Côté cadence, une trentaine de rotations par cycle, que deux ou trois Starships navettes assurent sans peine — c’est la production qui cadence les vols, jamais la flotte. Il n’existe donc pas de plafond d’ergols qui interdise les douze Eagles : la contrainte est une indexation — un Megapower par station tant que les pionniers rentrent, un demi ensuite. Le déraisonnable n’est pas une masse, c’est un régime : des sprints systématiques là où des Hohmann suffisent, des allers-retours d’antipode improvisés, des pleins faits à l’étage le plus cher — chaque habitude paie son facteur 9 à 13.

Ces taux de change reposent sur une arithmétique qu’il faut maintenant établir : descendons au sol, où les ergols se fabriquent — c’est l’objet du second article : « Les ergols (2) : la production au sol et le stockage ».

Illustration de titre (et ci-dessus): Consommation d’ergols par type de déplacement dans le monde de Mars. Concept Pierre Brisson, réalisation claude.ai

Copyright Pierre Brisson

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