Exploration spatiale - le blog de Pierre Brisson

Comme déjà signalé dans mon article du 4 novembre, le Space Technology Mission Directorate (« STMD ») de la NASA a créé en 2020 un « Lunar Surface Innovation Consortium » (« LSIC ») afin d’identifier les obstacles à surmonter et les capacités technologiques nécessaires, pour permettre une présence durable à la surface de la Lune, tant humaine que robotique. Ce LSIC, inspiré et animé par une « Lunar Surface Innovation Initiative » (« LSII »), réunit autour de la NASA tous les partenaires qui peuvent s’avérer utiles, universités, institutions à but non lucratif et secteur privé (à but lucratif). L’aide accordée peut comporter un volet financier appliqué au projet.

Le LSIC concentre ses travaux sur les domaines de recherche clefs (« key capability areas ») identifiés par la LSII. Ces domaines sont au nombre de six : l’énergie nécessaire en surface (« surface power »), l’utilisation des ressources locales (« In Situ Resources Utilization », « ISRU »), l’extraction des ressources minérales et la construction (« excavation & construction »), l’atténuation des nuisances de la poussière (« dust mitigation »), l’adaptation de l’homme et de ses équipements à l’environnement extrême (« extreme environments ») et la capacité d’accès aux sites difficiles (« extreme access »).

Le LSIC permet à la NASA de communiquer à tous, les exigences, les besoins et les opportunités technologiques, et à une communauté très large de discuter avec la NASA de ce que l’on peut faire et de ce que l’on ne peut pas encore faire mais qui est cependant indispensable et donc ce pour quoi il faut rechercher une solution. Le laboratoire de physique appliquée de l’université Johns Hopkins (JHU/APL) gère le LSIC en collaboration avec la NASA. Il compte actuellement plus de 2.400 participants, issus de près de 1.000 organisations réparties dans tous les états américains et plus de 50 pays.

Après avoir présenté dans ce blog il y a un petit mois le problème de la poussière et les solutions proposées pour l’atténuation de ses nuisances, je reviens sur ce LSIC pour vous présenter les recherches menées dans les autres « domaines-clefs » et aussi pour mettre en évidence l’intérêt de ces recherches pour l’exploration et la vie humaine sur la planète Mars. Les problématiques martiennes sont déjà clairement abordées dans les documents publiés par le STMD, la Lune étant présentée comme un terrain d’essais pour des technologies utilisables ensuite sur Mars. Cet article sera aussi l’occasion de reparler du MTI de Robert Zubrin.

Voyons dans un ordre logique, les exemples données* par la LSIC de recherches entreprises dans les différents domaines clefs, l’énergie, l’adaptation à l’environnement, l’ISRU, l’extraction des minéraux et la construction, l’accès aux site extrêmes (les recherches pour l’atténuation des effets de la poussière ont été traitées dans mon article du 4 Novembre).

*donc ce qu’elle considère de plus significatif ou important.

Pour l’énergie, la LSIC distingue trois sous-domaines : la génération, la distribution, le stockage. Dans le premier, la LSII met en avant le « VSAT » (Lunar Vertical Solar Array Technology). Il s’agit d’un mât transportable (sur pieds déployables) qui pourrait facilement être orienté vers la source (le rayonnement solaire) et dont la hauteur au-dessus du sol (10 mètres) permettrait, en se situant au Pôle Sud de la Lune, de capter l’énergie solaire pratiquement en permanence. Ce dispositif qui pourrait effectivement être utilisable sur la Lune, me semble plus un gadget qu’une véritable innovation et l’on peut penser qu’il ne serait pas particulièrement utile sur Mars (nous n’irons pas avant longtemps nous « promener » aux pôles)*. La mobilité est certes intéressante mais on peut espérer davantage. Sur Mars on utilisera plus volontiers les réacteurs à fission Kilopower ou simplement quelques panneaux photovoltaïques « ordinaires ». Trois sociétés, travaillent sur le VSAT avec une subvention NASA, Astrobotic Technology, Honeybee Robotics et Lockheed Martin.

*sauf s’il pourrait équiper en recto/verso la voile (« stratosail ») d’un dirigeable, en lui servant de dérive…mais c’est un autre sujet.

Pour l’adaptation à l’environnement, la LSIC met en avant le « BMGG » (Bulk Metallic Glass Gear) conceptualisé par le JPL (financement STMD). Il s’agit d’un engrenage en « verre métallique » (BMG), un alliage dont la microstructure métallique est non-cristalline (amorphe) après un traitement particulier (chauffage jusqu’à liquéfaction suivi d’un refroidissement rapide). Le matériau reste stable sur un écart de températures qui recouvre les grandes variations à la surface de la Lune (de +150°C le jour à -180°C la nuit et jusqu’à -240°C dans les zones à l’ombre perpétuelle). Sur Mars les écarts de températures sont lissés par l’atmosphère, la durée plus courte des nuits et la plus grande distance au Soleil. Mais même si les écarts sont moins grands et les transitions plus douces, de toute façon ce BMGG y sera très utile.

Pour l’ISRU (In Situ Resources Utilization) préconisée pour la première fois par Robert Zubrin au début des années 1990, La LSIC met en avant le « PRIME-1 » (Polar Resources Ice Mining Experiment-1) une mission prévue dans le milieu des années 20 pour évaluer les volatils présents au Pôle Sud de la Lune et en déterminer le contenu en eau. La suite d’instruments embarqués pour ce faire, VIPER, a été décrite dans mon article du 4 février 2023, « Sur Mars, l’eau sera l’objectif premier des missions robotisées du Starship ». Les instruments sont un spectromètre de masse (MSolo) et une foreuse de régolithe et de glace (TRIDENT). Il est évident que le besoin est le même pour l’exploration des deux astres et VIPER sera également utilisable mais y faire face sera sans doute moins difficile sur Mars puisque la glace d’eau y sera plus facilement accessible.

Pour l’extraction des minéraux et la construction, la LSIC met en avant un logiciel de visualisation et de simulation en 3D, « I-SOLVE » (Immersive Surface Operations Lunar Visualization Environment) communément appelé le « Moon-Tycoon ». Ce logiciel a été conçu par un ingénieur en robotique du Kennedy Space Center. Il permet, itérativement, de visualiser sur le site lunaire (pré-enregistré ou visualisé en direct) le comportement d’un équipement en cours d’élaboration et d’y apporter les adaptations nécessaires en fonction de l’environnement et des besoins d’action dans cet environnement. Il a déjà servi à mettre au point un engin d’excavation et de transport, l’IPEx (In Situ Resources Utilization Pilot Excavator). Cet engin aura la capacité d’extraire du régolithe en grande quantité et de le transporter sur un site de construction. Il sera équipé de caméras au travers desquels l’opérateur pourra voir le travail en cours d’exécution. I-SOLVE pourra de la même manière servir à concevoir, construire et adapter toutes sortes de structures sur la Lune et bien sûr sur Mars (dans ce cas avec un décalage de temps dans les réactions et les retours vers la Terre, sauf si l’on agit à partir d’une base sur place).

Pour l’accès aux sites extrêmes, la LSIC veut notamment développer les opérations autonomes (en dehors des moyens de télécommande ou pour alléger les opérations exécutées sur télécommande), l’exploration des volumes vides souterrains, la détection des dangers. Dans cet esprit, elle met en évidence le projet « CADRE » (Cooperative Autonomous Distributed Robotic Exploration) du JPL. Il s’agit d’un groupe de robots mobiles travaillant ensemble de façon coopérative, qui pourront explorer des environnements difficiles d’accès tels que cratères ou cavernes, de façon autonome, en collectant et stockant toutes sortes de données. Dans le projet actuel, chaque robot serait équipé d’un ordinateur de bord avec une radio sans fil pour la communication et d’une caméra stéréo pour observer l’environnement devant lui et capturer des images en 3D. Les robots communiqueraient entre eux et la station de base par un système Wifi, avec un minimum d’intelligence artificielle. L’idée est de réduire le nombre de fois où les rovers devront communiquer avec la base (ou la Terre) pour obtenir des instructions. Plus tard on peut concevoir équiper du même système de communication et coordination, des champs de capteurs de divers rayonnements qui pourraient être disposés de manière à créer une couverture synthétique par interférométrie et agir ainsi comme un seul télescope. Il est évident que ce projet CADRE servira également sur Mars. Il sera très utile pour limiter les désagréments du « time-lag » tant que le contrôle devra se faire depuis la Terre. Mais même après la création d’une base quelque part sur Mars, des flottes de robots pourront être envoyées (avec une source d’énergie) un peu partout sur la planète et pourront ainsi faire leur « reporting » à la base après avoir mené des opérations avec un contrôle allégé. Et on pourrait bien sûr les utiliser aussi pour coordonner des champs de télescopes.

On voit donc que ce LSIC est une institution très efficace pour préparer non seulement l’exploration de la Lune mais aussi celle de Mars. Si on le rapproche du MTI de Robert Zubrin, on peut constater que (1) travailler directement à la préparation de la vie sur Mars serait forcément plus pertinent que se concentrer sur la Lune (on pourrait dès maintenant préparer « la suite »). Par exemple s’intéresser à prélever du régolithe lunaire pour les constructions n’est pas exactement la même chose que prélever du sol martien à cet effet, puisque la consistance du sol martien est beaucoup plus variée et qu’en dehors des champs de dune de sable ou des étangs de poussière, il y a beaucoup plus de roches dures. Ou encore le panneau solaire vertical VSAT aura peu d’intérêt vu la localisation des premiers établissements humains sur Mars qui devront être proche de l’équateur. (2) A contrario certains sujets concernant la vie sur Mars ne seront pas pertinents pour faciliter la vie sur la Lune. Un problème majeur qui se posera aux hommes vivant sur Mars sera l’éloignement de la Terre et l’impossibilité de liaisons physiques pendant des cycles de 26 mois. Par ailleurs la gestion du time-lag entre Mars et la Terre sera quotidienne et omniprésente. (3) Le LSIC aura tout de suite accès à de l’argent public et cela facilitera bien les choses. Pour le LSIC, le critère de choix sera l’intérêt pour la recherche et non le montant des capitaux nécessaires pour la mener (avec évidemment des limites).

Le principe d’un MTI reste donc intéressant comme complément à ce qui est entrepris par la NASA avec le LSIC. Encore faut-il bien entendu que les sujets d’étude du MTI soient bien choisis et que les capitaux qu’il pourra réunir soient suffisants pour les financer.

Illustration de titre: La Lune et Mars, effet de Zoom. Photo prise par la NASA lors du vol Artemis 1.

Liens :

https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/06/live-eco-envisioned-future-priorities-2023-v2-final-tagged.pdf

https://www.nasa.gov/space-technology-mission-directorate/lunar-surface-innovation-initiative/

https://lsic.jhuapl.edu/

https://www.nasa.gov/news-release/three-companies-to-help-nasa-advance-solar-array-technology-for-moon/

https://www.jpl.nasa.gov/news/metallic-glass-gears-make-for-graceful-robots

https://www.nasa.gov/image-article/polar-resources-ice-mining-experiment-1-prime-1-2/

https://www.nasa.gov/centers-and-facilities/langley/cooperative-autonomous-distributed-robotic-explorers-cadre/

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 23 11 17

Cet index reprend l’intégralité des articles publiés dans le cadre de la plateforme letemps.ch

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7 réponses

  1. « Sur Mars on utilisera plus volontiers les réacteurs à fusion Kilopower », je ne savais pas que Kilopower avait maintenant passé à la fusion :-)! Pour l’instant il ne s’agit « que » d’un petit réacteur de fission expérimental, d’une puissance de l’ordre du kilowatt comme son nom l’indique. Mais effectivement, pour Mars en tout cas, je pense que la seule source d’énergie suffisamment fiable et de production continue utilisable dans un avenir prévisible sera l’énergie nucléaire de fission (la fusion, c’est encore pour l’instant de la S.F.).

    1. Lapsus calami! Merci Pierre-André de l’avoir remarqué et signalé. J’ai corrigé!
      .
      Il est bien clair que le Kilopower est un réacteur à fission nucléaire et non à fusion nucléaire (puisque, pour le moment, nous ne sommes pas parvenu à obtenir un bilan énergétique positif de l’utilisation d’un réacteur à fusion).

  2. C est un vaste programme: le LSIC va mettre un certain temps (des annees) a realiser celui ci si bien que je crois que les premiers voyages sur MARS seront des missions assez simplifiees du type APOLLO .

    Pour la fourniture d energie aux « petits consommateurs » des piles nucleaires au plutonium qui ont fait leurs preuves sur Voyager 1 et 2 peuvent etre utiles.(environ 500W/KG)

    1. quand j ecris des annees je suis optimiste :plutot deux ou trois decennies car rien n existe pour l instant…et la chine developpe son programme Mars pour l allee 2033 et les chinois n ont pas pour habitude d avancer lentement mais au contraire de progresser extremement vite.Donc pour nous il y a « le feu ». Poser les premiers un pied sur MARS est tres important tout en continuant a developper ce que vous listez ci dessus.

    2. Oui, les générateurs thermiques à radio-istotopes (RTG), sont déjà utilisés dans des sondes spatiales inhabitées.
      L’isotope le plus utilisé est le plutonium-238 avec une demie-vie de près de 88 ans. C’est là une matière très fortement radioactive.
      Les 500 W/kg que vous mentionnez sont la puissance thermique par kilogramme d’isotope, mais la transformation en électricité doit encore se faire, soit par des couples thermoélectriques (par effet Seebeck, soit l’inverse de l’effet Peltier permettant de produire du froid), avec seulement tout juste 8 à 10% (15% au mieux théorique) de rendement de conversion, soit par des générateurs Stirling à radio-isotopes (SRG) pouvant aller jusqu’à 25%.
      Les sondes spatiales n’ont besoin que de quelques centaines de watts électriques, par exemple, 255 W pour New Horizon.
      Une application sur une base martienne me paraît complètement sous-dimensionnée (il faudrait des dizaines de kilogrammes d’isotope fortement radioactif…). De vrais réacteurs nucléaires à fission, du style Kilopower (4 kW thermiques et donc 1 kW électrique), dont la chaleur est aussi transformée en électricité par huit moteurs Stirling donnant chacun 125 W, seront seuls à même d’assurer des demandes attendues de plusieurs kilowatts électriques. Ils seront repris par le programme Artemis pour les futures bases lunaires.

  3. Les sous-marins nucléaires ont une centrale atomique de petite taille à fission qui inspire les micro-centrales en projet voire déjà réalisées. A reprendre pour Mars ou la lune. Quant à la fusion, Iter ne semble pas avancer très vite mais si les Japonais s’y mettent (et ils ne sont pas les seuls: les Russes par exemple ont un tokamak, les Américains aussi) avec un tel désir d’y arriver on finira bien par réussir

    1. « on finira bien par réussir », espérons-le, mais pour avoir travaillé dans ce domaine je suis devenu sceptique. Lors d’une conférence sur la fusion aux Etats-Unis dans les années 1980 (!), la plaisanterie qui courait dans les couloirs était: « quand est-ce qu’on parviendra à maîtriser la fusion? », et la réponse était: « dans une trentaine d’années, … comme on le disait il y trente ans en arrière! ». Et plus de trente ans ont passé depuis (et combien de milliards dépensés!) , … et on attend toujours! En plus, si une installation comme ITER peut effectivement permettre le plus « facilement » (critère de Lawson le plus bas) de faire la démonstration que le « breakeven » (au moins autant d’énergie récoltée à la sortie de la machine qu’on a dû en investir en entrée pour réaliser les conditions de fusion) est réalisable dans un Tokamak, j’ai déjà mentionné plusieurs fois ici que je ne crois guère à la possibilité de concevoir un réacteur commercial de fusion basé sur ce type de machine; trop complexe avec ses enroulements magnétiques enchevêtrés, difficulté de régénérer le tritium nécessaire, changement relativement fréquent d’une première paroi contaminée qui plus est au tritium radioactif … . Je vois très mal en tout cas une installation de ce genre un jour embarquée dans un vaisseau spatial ou mise en service sur la Lune ou Mars.
      Quant aux réacteurs de sous-marin nucléaire, ils sont pour des raison historique très majoritairement du type « à eau ordinaire pressurisée », qui n’est pas une « inspiration » pour des réacteurs spatiaux qui répondent à d’autres exigences (incompatibilités trop longues à développer ici).

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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