Ressources lunaires

L’énergie solaire, l’oxygène et les métaux sont des ressources abondantes sur la Lune. Les éléments connus pour être présents à la surface lunaire comprennent, entre autres, l’hydrogène (H), l’oxygène (O), le silicium (Si), le fer (Fe), le magnésium (Mg), le calcium (Ca), l’aluminium (Al), le manganèse (Mn) et le titane (Ti). Parmi les plus abondants figurent l’oxygène, le fer et le silicium. La teneur en oxygène atomique dans le régolithe est estimée à 45% en poids.

Puissance solairemodifier

La lumière du jour sur la Lune dure environ deux semaines, suivie d’environ deux semaines de nuit, tandis que les deux pôles lunaires sont éclairés presque constamment. Le pôle sud lunaire présente une région avec des bords de cratère exposés à un éclairage solaire quasi constant, mais l’intérieur des cratères est en permanence ombragé de la lumière du soleil et retient des quantités importantes de glace d’eau à l’intérieur. En localisant une installation de traitement des ressources lunaires près du pôle sud lunaire, l’énergie électrique générée par l’énergie solaire permettrait un fonctionnement presque constant à proximité des sources de glace d’eau.

Les cellules solaires pourraient être fabriquées directement sur le sol lunaire par un rover de taille moyenne (~ 200 kg) avec les capacités de chauffage du régolithe, d’évaporation des matériaux semi-conducteurs appropriés pour la structure de la cellule solaire directement sur le substrat du régolithe, et de dépôt de contacts et d’interconnexions métalliques pour terminer un réseau complet de cellules solaires directement sur le sol.

Le système de fission nucléaire Kilopower est en cours de développement pour une production d’énergie électrique fiable qui pourrait permettre des bases avec équipage de longue durée sur la Lune, Mars et des destinations au-delà. Ce système est idéal pour les endroits sur la Lune et sur Mars où la production d’énergie à partir de la lumière du soleil est intermittente.

OxygènEdit

La teneur en oxygène élémentaire dans le régolithe est estimée à 45% en poids. L’oxygène se trouve souvent dans les minéraux lunaires riches en fer et les verres sous forme d’oxyde de fer. Au moins vingt procédés différents possibles d’extraction de l’oxygène du régolithe lunaire ont été décrits, et nécessitent tous un apport énergétique élevé: entre 2-4 mégawatts-années d’énergie (soit 6-12×1013 J) pour produire 1000 tonnes d’oxygène. Alors que l’extraction de l’oxygène à partir d’oxydes métalliques produit également des métaux utiles, l’utilisation de l’eau comme matière première ne le fait pas.

Eaumodifier

Médias de lecture

Les images de l’orbiteur LCROSS volant du pôle sud lunaire montrent des zones d’ombre permanente.

L’image montre la distribution de la glace de surface au pôle sud (à gauche) et au pôle nord (à droite) de la Lune, vue par le spectromètre M3 (Moon Mineralogy Mapper) de la NASA à bord de l’orbiteur indien Chandrayaan-1

Les preuves cumulatives de plusieurs orbiteurs indiquent fortement que de la glace d’eau est présente à la surface des pôles lunaires, mais principalement dans la région du pôle sud. Cependant, les résultats de ces ensembles de données ne sont pas toujours corrélés. Il a été déterminé que la superficie cumulée de la surface lunaire couverte en permanence est de 13 361 km2 dans l’hémisphère nord et de 17 698 km2 dans l’hémisphère sud, ce qui donne une superficie totale de 31 059 km2. La mesure dans laquelle l’une ou l’ensemble de ces zones d’ombre permanente contiennent de la glace d’eau et d’autres substances volatiles n’est pas connue à l’heure actuelle, de sorte que davantage de données sont nécessaires sur les dépôts de glace lunaire, sa distribution, sa concentration, sa quantité, sa disposition, sa profondeur, ses propriétés géotechniques et toute autre caractéristique nécessaire à la conception et au développement de systèmes d’extraction et de traitement. L’impact intentionnel de l’orbiteur LCROSS dans le cratère Cabeus a été surveillé pour analyser le panache de débris résultant, et il a été conclu que la glace d’eau devait être sous forme de petits morceaux de glace discrets (< ~ 10 cm) répartis dans le régolithe, ou sous forme de mince revêtement sur des grains de glace. Ceci, couplé à des observations radar monostatiques, suggère que la glace d’eau présente dans les régions d’ombre permanente des cratères polaires lunaires est peu susceptible d’être présente sous la forme de dépôts de glace épais et purs.

L’eau a peut-être été envoyée sur la Lune à des échelles de temps géologiques par le bombardement régulier de comètes, d’astéroïdes et de météoroïdes porteurs d’eau ou produite en continu in situ par les ions hydrogène (protons) du vent solaire impactant les minéraux porteurs d’oxygène.

Le pôle sud lunaire présente une région avec des bords de cratère exposés à un éclairage solaire quasi constant, où l’intérieur des cratères est en permanence ombragé de la lumière du soleil, ce qui permet un piégeage naturel et une collecte de glace d’eau qui pourrait être extraite à l’avenir.

Les molécules d’eau (H
2O) peuvent être décomposées en ses éléments, à savoir l’hydrogène et l’oxygène, et forment de l’hydrogène moléculaire (H
2) et de l’oxygène moléculaire (O
2) pour être utilisés comme bi-propulseur de fusée ou produire des composés pour les procédés de production métallurgiques et chimiques. Seule la production de propergol, a été estimée par un groupe conjoint d’experts de l’industrie, du gouvernement et du milieu universitaire, a identifié une demande annuelle à court terme de 450 tonnes de propergol d’origine lunaire équivalant à 2 450 tonnes d’eau lunaire traitée, générant 2,4 milliards de dollars de revenus par an.

HydrogénEdit

Le vent solaire implante des protons sur le régolithe, formant un atome protoné, qui est un composé chimique de l’hydrogène (H). Bien que l’hydrogène lié soit abondant, des questions subsistent quant à la quantité d’hydrogène qui se diffuse dans le sous-sol, s’échappe dans l’espace ou se diffuse dans des pièges à froid. L’hydrogène serait nécessaire à la production de propulseurs, et il a une multitude d’utilisations industrielles. Par exemple, l’hydrogène peut être utilisé pour la production d’oxygène par réduction d’hydrogène de l’ilménite.

MetalsEdit

IronEdit

Le fer (Fe) est abondant dans tous les basaltes de jument (~ 14-17% par poids) mais est principalement enfermé dans les minéraux silicatés (c.-à-d. pyroxène et olivine) et dans l’oxyde minéral ilménite dans les basses terres. L’extraction serait très exigeante en énergie, mais certaines anomalies magnétiques lunaires importantes sont soupçonnées d’être dues à des débris météoritiques riches en Fe survivants. Seule une exploration plus poussée in situ permettra de déterminer si cette interprétation est correcte ou non et dans quelle mesure ces débris météoritiques peuvent être exploitables.

Le fer libre existe également dans le régolithe (0,5% en poids) naturellement allié au nickel et au cobalt et il peut facilement être extrait par de simples aimants après broyage. Cette poussière de fer peut être traitée pour fabriquer des pièces en utilisant des techniques de métallurgie des poudres, telles que la fabrication additive, l’impression 3D, le frittage laser sélectif (SLS), la fusion laser sélective (SLM) et la fusion par faisceau d’électrons (EBM).

TitaniumEdit

Le titane (Ti) peut être allié au fer, à l’aluminium, au vanadium et au molybdène, entre autres éléments, pour produire des alliages solides et légers pour l’aérospatiale. Il existe presque entièrement dans l’ilménite minérale (FeTiO3) de l’ordre de 5 à 8% en poids. Les minéraux d’ilménite emprisonnent également l’hydrogène (protons) du vent solaire, de sorte que le traitement de l’ilménite produira également de l’hydrogène, un élément précieux sur la Lune. Les vastes basaltes inondables du côté nord-ouest (Mare Tranquillitatis) possèdent certaines des teneurs en titane les plus élevées de la Lune, abritant 10 fois plus de titane que les roches terrestres.

AluminiumEdit

On trouve de l’aluminium (Al) avec une concentration comprise entre 10 et 18% en poids, présent dans un minéral appelé anorthite (CaAl
2Si
2O
8), l’extrémité calcique de la série minérale de feldspath plagioclase. L’aluminium est un bon conducteur électrique, et la poudre d’aluminium atomisée fait également un bon carburant de fusée solide lorsqu’elle est brûlée avec de l’oxygène. L’extraction de l’aluminium nécessiterait également la décomposition du plagioclase (CaAl2Si2O8).

Siliconemodifier

Photo d’un morceau de silicium purifié

Le silicium (Si) est un métalloïde abondant dans tout le matériau lunaire, avec une concentration d’environ 20% en poids. Il est extrêmement important de produire des panneaux solaires pour la conversion de la lumière du soleil en électricité, ainsi que du verre, de la fibre de verre et une variété de céramiques utiles. Atteindre une très grande pureté pour une utilisation en tant que semi-conducteur serait difficile, en particulier dans l’environnement lunaire.

Calciummodifier

Cristaux d’anorthite dans un vug de basalte du Vésuve, Italie (taille: 6,9 × 4,1 × 3,8 cm)

Le calcium (Ca) est le quatrième élément le plus abondant des hautes terres lunaires, présent dans les minéraux anorthites (formule CaAl
2Si
2O
8). Les oxydes de calcium et les silicates de calcium ne sont pas seulement utiles pour la céramique, mais le métal de calcium pur est flexible et un excellent conducteur électrique en l’absence d’oxygène. L’anorthite est rare sur Terre mais abondante sur la Lune.

Le calcium peut également être utilisé pour fabriquer des cellules solaires à base de silicium, nécessitant du silicium lunaire, du fer, de l’oxyde de titane, du calcium et de l’aluminium.

Magnésiummodifier

Le magnésium (Mg) est présent dans les magmas et dans les minéraux lunaires pyroxène et olivine, on soupçonne donc que le magnésium est plus abondant dans la croûte lunaire inférieure. Le magnésium a de multiples utilisations comme alliages pour l’aérospatiale, l’automobile et l’électronique.

Éléments de terres raresmodifier

Les éléments de terres rares sont utilisés pour fabriquer tout, des véhicules électriques ou hybrides, des éoliennes, des appareils électroniques et des technologies d’énergie propre. Malgré leur nom, les éléments de terres rares sont – à l’exception du prométhium – relativement abondants dans la croûte terrestre. Cependant, en raison de leurs propriétés géochimiques, les éléments de terres rares sont généralement dispersés et ne se trouvent pas souvent concentrés dans des minéraux de terres rares; par conséquent, les gisements de minerai économiquement exploitables sont moins courants. D’importantes réserves existent en Chine, en Californie, en Inde, au Brésil, en Australie, en Afrique du Sud et en Malaisie, mais la Chine représente plus de 95% de la production mondiale de terres rares. (Voir: Industrie des terres rares en Chine.)

Bien que les preuves actuelles suggèrent que les éléments de terres rares sont moins abondants sur la Lune que sur Terre, la NASA considère l’exploitation des minéraux de terres rares comme une ressource lunaire viable car ils présentent un large éventail de propriétés optiques, électriques, magnétiques et catalytiques d’importance industrielle.

Hélium-3modifier

Selon une estimation, le vent solaire a déposé plus de 1 million de tonnes d’hélium-3 (3He) à la surface de la Lune. Les matériaux à la surface de la Lune contiennent de l’hélium-3 à des concentrations estimées entre 1,4 et 15 parties par milliard (ppb) dans les zones éclairées par le soleil, et peuvent contenir des concentrations allant jusqu’à 50 ppb dans les régions à l’ombre permanente. À titre de comparaison, l’hélium-3 dans l’atmosphère terrestre se produit à 7,2 parties par billion (ppt).

Depuis 1986, un certain nombre de personnes ont proposé d’exploiter le régolithe lunaire et d’utiliser l’hélium-3 pour la fusion nucléaire, bien qu’à partir de 2020, des réacteurs expérimentaux de fusion nucléaire fonctionnels existent depuis des décennies – aucun d’entre eux n’a encore fourni de l’électricité commercialement. En raison des faibles concentrations d’hélium-3, tout équipement minier devrait traiter de très grandes quantités de régolithe. Selon une estimation, plus de 150 tonnes de régolithe doivent être traitées pour obtenir 1 gramme (0,035 oz) d’hélium 3. La Chine a lancé le Programme chinois d’exploration lunaire pour explorer la Lune et étudie la perspective d’une exploitation minière lunaire, en recherchant spécifiquement l’isotope hélium-3 pour une utilisation comme source d’énergie sur Terre. Tous les auteurs ne pensent pas que l’extraction extraterrestre de l’hélium-3 soit réalisable, et même s’il était possible d’extraire de l’hélium-3 de la Lune, aucune conception de réacteur de fusion n’a produit plus de puissance de fusion que l’énergie électrique, allant à l’encontre de l’objectif. Un autre inconvénient est qu’il s’agit d’une ressource limitée qui peut être épuisée une fois extraite.

Carbone et nitrogènEdit

Le carbone (C) serait nécessaire pour la production d’acier lunaire, mais il est présent dans le régolithe lunaire en quantités infimes (82 ppm), contribué par les impacts du vent solaire et des micrométéorites.

L’azote (N) a été mesuré à partir d’échantillons de sol ramenés sur Terre, et il existe sous forme de traces à moins de 5 ppm. Il a été trouvé sous forme d’isotopes 14N, 15N et 16N. Le carbone et l’azote fixe seraient nécessaires pour les activités agricoles dans une biosphère scellée.

Régolithe de constructionmodifier

Le développement d’une économie lunaire nécessitera une quantité importante d’infrastructures sur la surface lunaire, qui s’appuiera fortement sur les technologies d’utilisation des ressources In situ (ISRU) pour se développer. L’une des principales exigences sera de fournir des matériaux de construction pour construire des habitats, des bacs de stockage, des aires d’atterrissage, des routes et d’autres infrastructures. Le sol lunaire non traité, également appelé régolithe, peut être transformé en composants structurels utilisables, grâce à des techniques telles que le frittage, le pressage à chaud, la liquéfaction, la méthode du basalte coulé et l’impression 3D. Le verre et la fibre de verre sont faciles à traiter sur la Lune, et il a été constaté que les résistances des matériaux régolithes pouvaient être considérablement améliorées en utilisant des fibres de verre, telles que 70% de fibres de verre de basalte et 30% de mélange de PETG. Des tests réussis ont été effectués sur Terre en utilisant des simulants de régolithes lunaires, notamment MLS-1 et MLS-2.

Le sol lunaire, bien qu’il pose un problème pour toutes les pièces mobiles mécaniques, peut être mélangé avec des nanotubes de carbone et des époxydes dans la construction de miroirs de télescope jusqu’à 50 mètres de diamètre. Plusieurs cratères près des pôles sont en permanence sombres et froids, un environnement favorable aux télescopes infrarouges.

Certaines propositions suggèrent de construire une base lunaire à la surface en utilisant des modules apportés de la Terre, et de les recouvrir de terre lunaire. Le sol lunaire est composé d’un mélange de composés contenant de la silice et du fer qui peuvent être fusionnés en un solide de type verre à l’aide d’un rayonnement micro-ondes.

L’Agence spatiale européenne, en collaboration avec un cabinet d’architectes indépendant en 2013, a testé une structure imprimée en 3D qui pourrait être construite en régolithe lunaire pour servir de base lunaire. Le sol lunaire imprimé en 3D fournirait à la fois « une isolation par rayonnement et par température. À l’intérieur, un gonflable léger sous pression avec la même forme de dôme serait le cadre de vie des premiers colons de la Lune humaine. »

Au début de 2014, la NASA a financé une petite étude à l’Université de Californie du Sud pour développer davantage la technique d’impression 3D Contour Crafting. Les applications potentielles de cette technologie incluent la construction de structures lunaires d’un matériau pouvant être constitué de jusqu’à 90% de matériau lunaire, dont seulement dix pour cent du matériau nécessitant un transport depuis la Terre. La NASA étudie également une technique différente qui impliquerait le frittage de la poussière lunaire en utilisant un rayonnement micro-ondes de faible puissance (1500 watts). Le matériau lunaire serait lié par chauffage à 1 200 à 1 500 ° C (2 190 à 2 730 ° F), un peu en dessous du point de fusion, afin de fusionner la poussière de nanoparticules en un bloc solide ressemblant à de la céramique et ne nécessitant pas le transport d’un matériau liant depuis la Terre.