Mars Oxygen ISRU Experiment

expérience de production d'oxygène sur le rover Perseverance sur Mars

Mars Oxygen ISRU Experiment, littéralement « expérience d'utilisation in situ des ressources en oxygène de Mars », ou MOXIE[2], est un instrument du rover Perseverance destiné à démontrer la faisabilité de la production d'oxygène sur Mars par électrolyse à oxyde solide du dioxyde de carbone de l'atmosphère martienne[3] dans le cadre de la mission Mars 2020. Le , MOXIE a produit un total de 5,37 g d'oxygène, de quoi permettre à un astronaute de respirer normalement pendant une dizaine de minutes[4]. Il s'agit de la première mise en œuvre du concept d'utilisation des ressources in situ (ISRU) sur une autre planète que la Terre. Ce procédé pourrait être mis à l'échelle d'une mission habitée vers Mars afin de fournir de l'oxygène respirable mais aussi de produire combustibles et comburants constitutifs des propergols nécessaires au retour sur Terre ; de l'eau pourrait également être obtenue en faisant réagir l'oxygène avec de l'hydrogène.

Test d'un exemplaire du module d'électrolyse à oxyde solide SOXE de MOXIE au JPL[1].

L'expérience est le produit d'une collaboration entre le Massachusetts Institute of Technology (MIT), l'Observatoire Haystack, le Jet Propulsion Laboratory (JPL, géré par le CalTech pour le compte de la NASA), et d'autres institutions.

ObjectifModifier

L'objectif de MOXIE est de produire de l'oxygène d'une pureté d'au moins 98 % à raison de 6 à 10 grammes par heure. L'instrument est conçu pour répondre à ces exigences pendant au moins dix cycles de fonctionnement, dans la plupart des conditions environnementales martiennes à tout moment de la journée, y compris pendant une tempête de poussières[2].

DéveloppementModifier

MOXIE s'appuie sur une expérience antérieure, le Mars In-situ propellant production Precursor (MIP, « précurseur de production in situ de propergol sur Mars »), conçu et construit pour être embarqué dans la mission Mars Surveyor 2001 Lander[5]. Le MIP avait pour objectif de réaliser la production de propergol in situ (ISPP, In-Situ Propellant Production) à l'échelle d'un laboratoire par électrolyse du dioxyde de carbone pour produire de l'oxygène[6]. L'expérience MIP fut reportée avec l'annulation de la mission Mars Surveyor 2001 Lander à la suite de l'échec de Mars Polar Lander[7],[8].

Le responsable (Principal Investigator) de MOXIE est Michael H. Hecht (en) de l'observatoire Haystack au Massachusetts Institute of Technology (MIT)[9], assisté de Jeffrey A. Hoffman, du département d'aéronautique et d'astronautique du MIT et lui-même ancien astronaute. Le chef de projet est Jeff Mellstrom du Jet Propulsion Laboratory (JPL). Outre le MIT et le JPL, les principaux contributeurs sont OxEon Energy (anciennement Ceramatec, filiale de CoorsTek (en)), spécialisé dans les céramiques avancées, et Air Squared (en), dans les technologies des compresseurs et des pompes pour climatisation. Ont également contribué l'Imperial College London, Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, l'institut Niels-Bohr de l'université de Copenhague, l'université d'État de l'Arizona et l'université technique du Danemark[10],[11].

Structure et principe de fonctionnementModifier

MOXIE aspire, compresse et chauffe les gaz atmosphériques martiens à l'aide d'un filtre HEPA, d'un compresseur à spirale (en) et d'éléments chauffants isolés thermiquement[2] puis clive le dioxyde de carbone CO2 en oxygène O2 et monoxyde de carbone CO par électrolyse à oxyde solide[12].

Le processus de conversion nécessite une température d'environ 800 °C[4]. Le principe d'une cellule d'électrolyse à oxyde solide est que, à température élevée, certains oxydes céramiques tels que la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (YSZ) ou encore l'oxyde de cérium(IV) CeO2 dopé deviennent conducteurs d'anions oxyde O2–[12].

Dans le cas de MOXIE, chaque cellule d'électrolyse est constituée d'une plaque en zircone ZrO2 stabilisée à l'oxyde de scandium Sc2O3 (ScSZ) formant l'électrolyte solide avec, sur chaque face, une électrode poreuse déposée par impression : côté CO2, une cathode catalytique en cermet à base de cuivre (pour éviter les dépôts de carbone[13]) à dispersion de nickel, et, côté O2, une anode en pérovskite de nature non communiquée mais résolvant le problème du délaminage observé avec les anodes en manganite de lanthane dopé au strontium (LSM) La1−xSrxMnO3 ; des interconnexions en alliage Cr-Fe-Y2O3, dit C-I-Y, dont la composition est ajustée pour que leur coefficient de dilatation thermique corresponde très étroitement à celui des cellules elles-mêmes, permettent d'isoler ces dernières et de conditionner l'ensemble dans des unités hermétiquement closes formant une pile scellée avec du verre[14].

Le CO2 diffuse à travers la cathode poreuse jusqu'à la limite avec l'électrolyte, au niveau de laquelle une combinaison de thermolyse et d'électrocatalyse sépare un atome d'oxygène du CO2 en acceptant deux électrons de la cathode pour former un anion oxyde O2–. Cet anion diffuse à travers l'électrolyte grâce aux lacunes d'oxygène introduites dans la zircone par le dopage au scandium et se propage jusqu'à l'anode sous l'effet de la tension électrique résultant du courant continu appliqué entre les deux électrodes. À l'interface avec l'anode, l'anion O2– cède ses électons à l'électrode pour redonner un atome d'oxygène neutre qui se combine avec un autre atome d'oxygène en formant une molécule de dioxygène O2, laquelle diffuse hors de l'anode. Cette structure est répétée dix fois en formant une pile qui constitue l'électrolyseur à oxyde solide SOXE de la sonde[2].

La réaction nette est donc 2 CO2 ⟶ 2 CO + O2. Les gaz inertes tels que l'azote N2 et l'argon Ar ne sont pas séparés de la charge, mais renvoyés dans l'atmosphère avec le monoxyde de carbone et le CO2 non utilisés[2].

Expérience sur MarsModifier

 
(en) Graphique du premier test de production d'oxygène martien le .

La première production d'oxygène a eu lieu dans le cratère Jezero le et a permis de produire 5,37 g d'oxygène, ce qui permettrait à un astronaute de respirer normalement pendant une dizaine de minutes[4]. MOXIE est conçu pour produire de manière régulière 10 grammes d'oxygène par heure[17], avec une limite technique à 12 grammes par heure en raison de la limitation à 4 ampères du courant disponible pour cet instrument à partir du générateur thermoélectrique au plutonium 238 du rover Perseverance[2].

Il est prévu que MOXIE produise de l'oxygène en tout dix fois au cours d'une année martienne complète. L'expérience comprend trois étapes : la première vise avant tout à caractériser les paramètres de la production d'oxygène sur Mars avec cet instrument ; la seconde vise à tester MOXIE dans différentes conditions atmosphériques et à différentes heures et saisons martiennes ; la troisième vise à produire de l'oxygène à différentes températures, en modifiant le mode de fonctionnement de l'instrument afin d'étudier comment ces paramètres modifient la production[4].

PerspectivesModifier

Selon la NASA, si MOXIE fonctionne efficacement, il serait possible de faire atterrir un équipement environ 200 fois plus grand dérivé de MOXIE et alimenté avec une puissance électrique d'environ 25 à 30 kW[2]. Pendant une année terrestre, ce système pourrait produire au moins 2 kg d'oxygène par heure pour les missions habitées prévues dans les années 2030[18]. L'oxygène ainsi produit pourrait être utilisé pour les systèmes de support de vie, mais le principal besoin est celui d'un comburant pour le lancement depuis Mars de la mission de retour vers la Terre[19]. On pense par exemple qu'une mission de quatre astronautes sur Mars consommerait environ une tonne d'oxygène pendant un an pour ses systèmes de support de vie mais aurait besoin de 25 tonnes d'oxygène pour produire le propergol nécessaire à son retour sur Terre[4]. Le monoxyde de carbone, sous-produit de la réaction, peut également être récupéré et utilisé comme combustible de faible performance[20] voire être converti en méthane CH4 par réaction avec l'eau afin de produire un combustible plus performant[21]. Autre possibilité, un système de génération d'oxygène pourrait remplir un petit réservoir en prévision d'une mission de retour d'échantillons martiens[22], ou encore produire de l'eau par combustion avec l'hydrogène[4].

Notes et référencesModifier

  1. (en) « PIA24201: MOXIE Twin During Testing », sur https://photojournal.jpl.nasa.gov/, JPL/NASA, (consulté le 9 mai 2021).
  2. a b c d e f et g (en) M. Hecht, J. Hoffman, D. Rapp, J. McClean, J. SooHoo, R. Schaefer, A. Aboobaker, J. Mellstrom, J. Hartvigsen, F. Meyen, E. Hinterman, G. Voecks, A. Liu, M. Nasr, J. Lewis, J. Johnson, C. Guernsey, J. Swoboda, C. Eckert, C. Alcalde, M. Poirier, P. Khopkar, S. Elangovan, M. Madsen, P. Smith, C. Graves, G. Sanders, K. Araghi, M. de la Torre Juarez, D. Larsen, J. Agui, A. Burns, K. Lackner, R. Nielsen, T. Pike, B. Tata, K. Wilson, T. Brown, T. Disarro, R. Morris, R. Schaefer, R. Steinkraus, R. Surampudi, T. Werne et A. Ponce, « Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) », Space Science Reviews, vol. 217, no 1,‎ , article no 9 (DOI 10.1007/s11214-020-00782-8, Bibcode 2021SSRv..217....9H, lire en ligne)
  3. (en) Dwayne Brown, « NASA Announces Mars 2020 Rover Payload to Explore the Red Planet as Never Before », sur https://www.nasa.gov/, NASA, (consulté le 9 mai 2021).
  4. a b c d e et f (en) Karen Fox, Alana Johnson, Clare Skelly et Andrew Good, « NASA’s Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet », sur https://www.nasa.gov/, NASA, (consulté le 9 mai 2021).
  5. (en) David Kaplan, R. Baird, Howard Flynn, James Ratliff, Cosmo Baraona, Phillip Jenkins, Geoffrey Landis, David Scheiman, Kenneth Johnson et Paul Karlmann, Space 2000 Conference and Exposition : The 2001 Mars In-situ-propellant-production Precursor (MIP) Flight Demonstration - Project objectives and qualification test results, Long Beach, Californie, États-Unis, (DOI 10.2514/6.2000-5145)
  6. (en) Waryn Flavell, « Making Oxygen on Mars is No Match for This Johnson Team », sur https://roundupreads.jsc.nasa.gov/, JSC, NASA, (consulté le 9 mai 2021).
  7. « nasa » [archive du ], www.history.nasa.gov (consulté le 22 avril 2021)
  8. Colombano, « American Institute of Aeronautics and Astronautics 1ROBOSPHERE: SELF-SUSTAINING ROBOTIC ECOLOGIES AS PRECURSORS TO HUMAN PLANETARY EXPLORATION », www.history.nasa.gov (consulté le 22 avril 2021)
  9. (en) « MOXIE », sur https://mars.nasa.gov/, NASA (consulté le 9 mai 2021).
  10. (en) « Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) », sur https://techport.nasa.gov/, NASA (consulté le 9 mai 2021).
  11. (en) Lise Brix, « Scientists are trying to brew oxygen on Mars », sur https://sciencenordic.com/, (consulté le 9 mai 2021).
  12. a et b (en) « Game Changing Development The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) » [PDF], Space Technology, sur https://www.nasa.gov/, NASA (consulté le 9 mai 2021).
  13. (en) H. Kim, C. Lu, W. L. Worrell, J. M. Vohs et R. J. Gorte, « Cu-Ni Cermet Anodes for Direct Oxidation of Methane in Solid-Oxide Fuel Cells », Journal of The Electrochemical Society, vol. 149, no 3,‎ , A247 (DOI 10.1149/1.1445170, Bibcode 2002JElS..149A.247K, lire en ligne)
  14. (en) Joseph Hartvigsen, S. Elangovan et Lyman Frost, « MOXIE Development Driven Prospects for ISRU and Atmosphere Revitalization » [PDF], 48th International Conference on Environmental Systems, sur https://ttu-ir.tdl.org/, Université Texas Tech — Texas Digital Library, 8-12 juillet 2018 (consulté le 11 mai 2021).
  15. (en) « PIA24177: Components of MOXIE (Illustration) », sur https://photojournal.jpl.nasa.gov/, JPL/NASA, (consulté le 9 mai 2021).
  16. (en) Asad Aboobaker, « MOXIE: Generating Oxygen On Mars » [PDF], sur https://trs.jpl.nasa.gov/, JPL/NASA, (consulté le 9 mai 2021).
  17. (en) Nancy Kotary et Sara Cody, « Aboard NASA’s Perseverance rover, MOXIE creates oxygen on Mars. », sur https://news.mit.edu/, MIT, (consulté le 9 mai 2021).
  18. (en) Kyle Maxey, « Can Oxygen Be Produced on Mars? MOXIE Will Find Out. », sur https://www.engineering.com/, (consulté le 9 mai 2021).
  19. (en) Erin Mahoney, « Living off the Land in the Final Frontier », sur https://www.nasa.gov/, NASA, (consulté le 9 mai 2021).
  20. (en) Geoffrey A. Landis et Diane L. Linne, « Mars Rocket Vehicle Using In Situ Propellants », Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 38, no 5,‎ , p. 730-735 (DOI 10.2514/2.3739, Bibcode 2001JSpRo..38..730L, lire en ligne)
  21. (en) « Ceramic Oxygen Generator for Carbon Dioxide Electrolysis Systems », sur https://www.sbir.gov/, SBIR (en), (consulté le 9 mai 2021).
  22. (en) Geoffrey A. Landis, Steven R. Oleson, Thomas W. Packard, Diane L. Linne, Jeffrey M. Woytach, Michael C. Martini, James E. Fittje, John Z. Gyekenyesi, Anthony J. Colozza et James Fincannon, « Design Study of a Mars Ascent Vehicle for Sample Return Using In-Situ Generated Propellant », 10th Symposium on Space Resource Utilization,‎ (DOI 10.2514/6.2017-0424, lire en ligne)

Lien externeModifier