Les ergols (2) : la production au sol et le stockage
Dans « Les ergols (1) : les besoins pour la circulation », nous avons dimensionné les dépôts — celui d’un Eagle d’abord, puis, par la « tonne-surface », la consommation du système entier. Reste à descendre au sol, où les ergols se fabriquent, puis à organiser leurs stocks : c’est l’objet de ce second article, qui ferme l’étude.
I. La production au sol
La règle des coûts marginaux et la phase initiale
La règle des coûts marginaux
Chacune des douze implantations au sol devra produire les ergols de ses propres rotations vers les lunes. Pour dimensionner cette production, une règle simple suffit, dérivée de l’équation de Tsiolkovski appliquée à notre navette Starship (masse sèche ~120 t, six moteurs vacuum, impulsion spécifique de 375 s) : la montée vers Phobos (Δv ≈ 5,4 km/s) impose un rapport de masse d’environ 4,3 : au décollage, le vaisseau plein pèse 4,3 fois ce qu’il pèsera à l’arrivée. Chaque tonne qui parvient à Phobos, vaisseau ou charge, a donc exigé 4,3 t au départ du sol : elle-même, plus 3,3 t d’ergols brûlés en chemin. La descente, presque entièrement freinée par l’atmosphère, n’exige que ~1,2 km/s propulsifs (rapport de masse ~1,4, soit 0,4 t d’ergols par tonne posée au sol). D’où la formule, facile à retenir :
Ergols d’une rotation ≈ 450 t (le vaisseau seul, aller-retour) + 3,3 t par tonne remontée + 0,4 t par tonne descendue.
| Poste | Ergols consommés | Remarque |
| Vaisseau seul, aller-retour (descente + remontée à vide) | ~450 t | ~400 t à la montée, ~50 t à la descente |
| Par tonne remontée (sol → lune) | +3,3 t | rapport de masse ~4,3 (Δv ≈ 5,4 km/s) : 4,3 t au départ pour 1 t à l’arrivée |
| Par tonne descendue (lune → sol) | +0,4 t | chargée au dépôt, soit ~4,2 t en équivalent surface (ratio ~10,5:1) |
| Équipage de 6 (support-vie compris, ~1,5 t) | +5 t montée / +0,6 t descente | négligeable : les humains sont propulsivement gratuits |
| Rotation remontant 150 t (soute pleine : ergols, fret, minerais) | ~950 t | cas courant : 450 t + 150 × 3,3 t ; un Starship remonte presque toujours plein |
| Rotation descendant 150 t (arrivages de la Terre, tous les 26 mois) | ~510 t | 450 t + 150 × 0,4 t ; les 60 t de plus, chargées à Stickney, valent ~630 t de surface. Plein dans les deux sens : ~1 000 t (450 + 150 × 3,3 + 150 × 0,4) |
Vérification sur nos chiffres de référence : une rotation remontant 100 t coûte ~780 t d’ergols, une rotation remontant 150 t en coûte ~950 t — et une rotation pleine dans les deux sens ~1 000 t : c’est la fourchette de 700 à 1 000 t. Une subtilité mérite d’être signalée. Les 3,3 t par tonne remontée sont des ergols chargés au sol : ils ne coûtent que leur production. Les 0,4 t par tonne descendue sont chargées au dépôt de Stickney, où chaque tonne d’ergols a d’abord dû être montée : elle y a coûté environ 10,5 t produites au sol si une citerne a fait le voyage pour elle (les ergols qu’elle a brûlés, plus la tonne livrée elle-même), 4,3 t si elle a profité d’une rotation qui volait de toute façon (les 3,3 t brûlées plus la tonne elle-même : on retrouve le rapport de masse). Une tonne descendue revient donc à ~4,2 t d’ergols de surface (0,4 × 10,5), un peu plus qu’une tonne remontée (3,3 t). Descendre n’est pas plus gratuit que monter — c’est la même usine qui paie.
C’est la masse du vaisseau et des ergols qui lui sont liés, qui domine tout. La conséquence la plus frappante concerne les équipages. Six personnes avec leurs combinaisons et les consommables de support-vie d’un trajet de quelques heures représentent ~1,5 t : soit 5 t d’ergols en plus à la montée et 0,6 t à la descente — du bruit de fond face aux 450 t du vaisseau seul. Les humains sont propulsivement gratuits. Un vol de relève d’équipage en mission martienne, sans fret, coûte pratiquement le prix d’un vol à vide.
Énergie, puissance et machines
La puissance électrique ne se convertit en ergols qu’au fil du temps. Le bilan net de la chaîne (captage du CO₂, électrolyse de l’eau, réaction de Sabatier, liquéfaction) est d’environ 6,7 kWh par kilogramme de méthalox (méthane et oxygène liquides), dont l’électrolyse représente à elle seule quelque 85 % ; en y ajoutant les auxiliaires (contrôle thermique, pompes, pertes), on retiendra par prudence 8 à 10 kWh/kg. Une rotation de ~800 t demande donc 6,5 à 8 GWh. L’hydrogène, lui, n’a pas à être liquéfié : il est consommé dans le réacteur de Sabatier au fur et à mesure qu’il sort de l’électrolyseur. Seuls le méthane et l’oxygène sont liquéfiés, et le froid martien y aide, surtout dans des réservoirs enterrés. L’électrolyse fournit même un peu plus d’oxygène que le moteur n’en brûle et le surplus revient au support-vie.
Mais une quantité d’énergie ne dit pas tout : il faut aussi la puissance, c’est-à-dire la taille des machines qui la consomment — électrolyseurs, capteurs de CO₂, compresseurs, liquéfacteurs. À énergie donnée, c’est la durée de production qui fixe la puissance à installer, donc le gabarit de l’usine. Les débits le montrent : produire 100 kg de méthalox par heure demande ~11 kg/h d’hydrogène, tiré d’environ 50 kg/h d’eau (net, l’eau formée par la réaction de Sabatier étant recyclée), et ~60 kg/h de CO₂. Ce dernier poste est le plus encombrant (comme l’a très bien remarqué Christophe de Reyff dans un article précédent) : l’atmosphère martienne ne contient qu’environ 0,02 kg de CO₂ par mètre cube, si bien qu’il faut aspirer et traiter au moins 3 000 m³ de gaz par heure, davantage selon le rendement du captage. C’est là, dans les pompes, les filtres et les condenseurs, que se jouent l’encombrement et la fiabilité de l’installation, bien plus que dans la source d’énergie.
Avec le parc nominal de six Megapower (12 MWe, dont ~10 MWe disponibles pour l’ISRU une fois servis l’habitat, les robots et l’industrie), une usine dimensionnée à la mesure des réacteurs produit un plein de 800 t en cinq à six semaines, arrêts compris ; mais c’est alors une usine d’une dizaine de mégawatts, qui traite plus de 30 000 m³ d’atmosphère par heure. La cadence des vols est proportionnelle à la puissance installée — celle des réacteurs, mais aussi celle des machines qui transforment leur électricité en ergols : c’est le lien structurant entre les réacteurs, l’usine et la plateforme.
La phase initiale : deux Megapower suffisent
Cette arithmétique pourrait sembler condamner les débuts, quand on ne pourra acheminer que deux réacteurs (~80 t à eux deux — ils tiennent d’ailleurs ensemble dans un seul Starship cargo), le reste de la flottille étant occupé par l’usine ISRU, les robots et les équipements de construction destinés à Deimos et au sol. Il n’en est rien, précisément parce qu’en phase initiale un seul vaisseau doit repartir vers la Terre : le vaisseau habité, à chaque fenêtre synodique.
Or le détour par le dépôt de Stickney, avec son ratio de ~10,5 t produites par tonne nette livrée, n’est rentable que lorsque le dépôt existe et qu’une noria l’alimente. Tant qu’il n’y a qu’un vaisseau, deux options plus simples s’offrent. Soit le retour direct depuis la surface : monter du sol et s’injecter directement vers la Terre coûte ~6,2 à 6,5 km/s au total, soit 700 à 900 t d’ergols chargés au sol, sans aucune logistique orbitale. Soit, si le vaisseau doit passer par une lune (récupérer l’équipage de Deimos-II, par exemple), la montée en emportant ses propres ergols d’injection comme charge utile : ~130 t d’ergols de retour coûtent, par la formule ci-dessus, ~880 t au total — du même ordre. Dans les deux cas, le besoin reste dans la fourchette d’une rotation, 700 à 1 000 t, soit 6 à 10 GWh. Avec deux Megapower, l’énergie ne pose aucun problème : sur les quelque 500 jours (12 000 heures) de production qu’offre un cycle synodique, déduction faite du voyage aller, ils délivrent ~48 GWh, dont un plein de 700 à 1 000 t ne prend que 12 à 21 %.
Le dimensionnement porte donc sur les machines, non sur les réacteurs. Si la production s’étalait en continu sur ces 500 jours, une puissance moyenne de 0,5 à 0,8 MWe suffirait. Mais il faut compter la mise en place et la montée en régime des réacteurs après l’atterrissage, les arrêts de maintenance, et la nécessité d’avoir les réservoirs pleins avant la fenêtre de départ, non le jour même. En retenant ~400 jours de production à 80 % de disponibilité, soit ~7 700 heures utiles, il faut installer 0,7 à 1,3 MWe d’équipements de production, dont 0,6 à 0,75 MWe pour l’électrolyse, pour un débit de 90 à 130 kg de méthalox par heure. Des électrolyseurs PEM (à membrane échangeuse de protons) de cette taille existent déjà sur le marché : ce n’est pas un saut technologique. Les réacteurs gardent une marge confortable — 17 à 33 % de leur puissance suffisent au plein, le reste allant à la base et à la redondance. Ce calcul vaut pour un vaisseau : plusieurs départs dans la même fenêtre multiplieraient d’autant les machines, et, avec ~2,5 à 3 MWe disponibles pour l’ISRU, deux Megapower en alimenteraient deux à quatre, selon la charge de chacun. Le facteur limitant de la phase initiale n’est donc pas la source d’énergie, mais la fiabilité des pompes, des filtres et des condenseurs : il faudra prévoir les pannes, les rechanges et les réparations.
Produire avant de partir
Une discipline opérationnelle rend l’ensemble robuste, dans le droit fil du principe posé par Robert Zubrin pour Mars Direct : les ergols du retour doivent être produits et stockés avant même que l’équipage ne quitte la Terre. Notre architecture précurseur s’y prête exactement : à la fenêtre N, les cargos robotiques déposent les deux Megapower et l’usine ISRU, dont la mise en route et la production occupent le cycle ; à la fenêtre N+1, l’équipage part de la Terre en sachant que ses ~800 t de retour l’attendent déjà, réservoirs pleins. Aucun pari, aucune course contre la montre : la production robotique précède le premier vol habité.
La contrainte initiale, loin d’affaiblir l’architecture, en révèle la vertu : elle démarre petit. Deux réacteurs, une usine, un vaisseau qui rentre — puis le système croît par paliers, et chaque palier (le dépôt de Stickney, la noria, les six Megapower, puis la douzaine) n’est requis que par le trafic qu’il rend lui-même possible. La règle générale demeure : la taille du parc nucléaire au sol, et celle de l’usine, sont fixées par la flotte qui repart.
II. Le stockage
La géographie des besoins dessine celle des stocks : trois étages, chacun avec sa fonction. Au plus bas, le dépôt de Stickney, sur Phobos : c’est là que les rotations déposent leurs 150 t de soute, là que les Lyobas-citernes et les navettes font leurs pleins — le carrefour de gros, au meilleur prix du système (~10,5 tonnes-surface la tonne). À l’étage au-dessus, les stocks de Deimos : la réserve stratégique, dédiée aux retours sur Terre. Au plus loin (mais pas en altitude puisque Deimos est plus haut que l’orbite aréostationnaire), les dépôts des Eagles : 60 t chacun — une charge de citerne —, le stock opérationnel de proximité décrit dans « Les ergols (1) : les besoins pour la circulation ».
L’affectation des stocks de Deimos mérite sa règle écrite. Le vaisseau habité partira de Deimos : c’est donc à Deimos qu’il fera ses pleins, avant l’embarquement, et il quittera son quai réservoirs complets — aucune opération de ravitaillement sur le chemin critique entre l’équipage et la Terre. Ce choix a un prix : la tonne rendue à Deimos revient à ~13 tonnes-surface, un bon quart de plus que la tonne de Stickney, la noria ajoutant sa dîme — le Starship-citerne remonte les ergols du sol à Phobos, les Lyobas-citernes font le relais jusqu’à Deimos. Il l’a pour de bonnes raisons, et il prolonge vers l’orbite le principe de Zubrin posé au chapitre précédent : de même que les ergols du retour sont produits au sol avant que l’équipage ne quitte la Terre, ils sont rendus à Deimos avant qu’il n’embarque pour le voyage du retour. Le stock cible s’en déduit : une campagne de retours complète plus une marge — deux vaisseaux, 260 t, arrondis à 300 t —, soit cinq livraisons de citerne étalées sur le cycle, et ~4 000 tonnes-surface produites au sol (300 × 13) : de l’ordre de quatre pleins de rotation.
La technique, elle, sera la même à tous les stades, celle décrite dans « Les ergols (1) : les besoins pour la circulation » : ergols liquéfiés à 2 ou 3 bars (90 K, 111 K), écrans capillaires et évents thermodynamiques pour l’apesanteur, zéro évaporation par cryoréfrigérateurs — et, partout où vivent des résidents, un réservoir d’oxygène qu’on laisse « respirer » vers le support-vie. Seule l’échelle change : des dizaines de tonnes au quai d’un Eagle, quelques centaines à Deimos et à Stickney. Sur tous les plateaux du système, rien ne se perdra.
Ainsi s’achève cette étude des ergols : les réacteurs fournissent l’énergie, les machines fixent la production, la production fixe les vols, les vols remplissent les dépôts — et les dépôts, du sol de Mars au quai du dernier Eagle, font circuler le système.
Illustration de titre (et ci-dessus): Puissance installée au sol de Mars et besoin pour les seuls ergols. Concept Pierre Brisson, réalisation claude.ai
Copyright Pierre Brisson
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