Pour fabriquer de l’oxygène sur Mars, le rover Perseverance de la NASA a besoin de MOXIE

Mettre des bottes sur Mars n’est pas facile, mais c’est beaucoup plus facile que de les ramener.
Cette semaine, la NASA lance son rover Perseverance pour un voyage aller simple vers la surface de Mars. Parmi de nombreux autres outils, l’engin transporte un instrument expérimental qui pourrait aider les astronautes à l’avenir à faire des allers-retours sur la planète. Le Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, ou MOXIE, est petit, de la taille d’une batterie de voiture. Elle est conçue pour faire la démonstration d’une technologie qui convertit le dioxyde de carbone en oxygène grâce à un processus appelé électrolyse. L’atmosphère ténue de Mars est composée à 95 % de dioxyde de carbone, mais pour envoyer quoi que ce soit dans l’espace, il faut du carburant, et pour brûler ce carburant, il faut de l’oxygène. La NASA pourrait expédier de l’oxygène liquide sur la planète, mais le volume nécessaire occupe une bonne partie de l’espace.
MOXIE pourrait montrer la voie vers une solution. En cas de succès, une version à plus grande échelle de la technologie de production d’oxygène de MOXIE pourrait alors être utilisée pour lancer une fusée de retour. « La NASA ne veut absolument pas laisser les gens sur Mars », déclare Asad Aboobaker, ingénieur au Jet Propulsion Laboratory de la NASA.

Michael Hecht, directeur associé au MIT en charge de MOXIE, explique que depuis les années 1990, les discussions sur l’exploration de Mars revenaient toujours à une liste de quatre questions ouvertes. Deux d’entre elles consistaient à prouver que Mars était suffisamment sûre pour des missions humaines, car l’atmosphère nue de la planète menace tout ce qui se trouve à sa surface de tempêtes de poussière et de radiations. Ces questions ont été résolues. En 2001, Mars Odyssey a mesuré les radiations sur et autour de la planète, ce qui a permis de déterminer comment construire des boucliers pour les astronautes. Après 2007, l’atterrisseur Phoenix a dressé le profil de la poussière et de la chimie du sol martien, et a trouvé des nutriments qui pourraient soutenir les plantes de la Terre. Une autre question était de savoir comment de gros véhicules pourraient se poser sur la planète. Cette question a été résolue puisque quatre rovers de la NASA se sont posés en toute sécurité sur la planète entre 1996 et 2011. La quatrième question, toujours sans réponse, se demandait comment nous pourrions apporter toutes les ressources nécessaires sur Mars.

La plus grande ressource restée en suspens, selon Hecht, est un propergol nécessaire pour un vol de retour. « Tout ce que vous avez à faire pour vous en convaincre est de regarder une fusée lors de son lancement depuis la Terre », dit Hecht. « Il y a un énorme réservoir d’oxygène pour soulever une petite capsule minuscule au sommet. »

MOXIE n’est qu’un outil du rover Persévérance, dont le coût s’élève à 2 milliards de dollars ; l’engin comprend également un hélicoptère martien et SHERLOC, un laser ultraviolet qui recherchera des signes de vie ancienne. Malgré son apparence dorée, MOXIE semble humble pour sa mission ambitieuse. Le boîtier de l’expérience est une boîte à peu près cubique, mesurant environ un pied dans toutes les dimensions.

Dans ce boîtier bien rangé se trouvent un compresseur, un filtre et un empilement de céramiques rigoureusement testé qui effectue la réaction d’électrolyse. Chaque élément doit fonctionner à distance, avec précision, et dans des conditions qui étouffent les pièces mobiles et usent le précieux matériel.

L’atmosphère sur Mars est 170 fois plus fine que sur Terre. Même si cet air est si riche en dioxyde de carbone, la faible pression signifie que les quantités ambiantes d’air flottant dans le noyau réactif de MOXIE ne produiront pas beaucoup d’oxygène. Le compresseur du MOXIE, cependant, aspire le dioxyde de carbone à proximité et l’achemine vers l’unité d’électrolyse à une pression comparable à celle de la Terre. Là, un catalyseur chimique fonctionnant à 800 degrés Celsius arrache un atome d’oxygène à chaque CO2 entrant. Les paires d’atomes d’oxygène se combinent rapidement pour former l’oxygène diatomique stable, qui sort avec le monoxyde de carbone.

Puisque MOXIE fonctionne à une telle température, garder l’équipement à l’abri de lui-même et du reste des outils de Perservance nécessite une isolation de haute technologie. Ce qui complique encore l’affaire, c’est que Mars elle-même est une planète froide. Son atmosphère clairsemée a du mal à retenir la chaleur de la journée. Perservance doit donc s’attendre à d’énormes variations de température, allant d’un maximum de 60 degrés Fahrenheit à un minimum de 130 degrés sous zéro. « Nous voulons montrer que nous pouvons fonctionner de jour, et de nuit, en hiver, et en été, et quand il y a de la poussière… dans tous les environnements différents », explique Hecht.

Insoler une expérience à haute température pour fonctionner sur un tel était difficile, selon Aboobaker, qui a participé aux tests de MOXIE au Jet Propulsion Laboratory de la NASA depuis 2014. « Comment le construire ? Et comment l’emballer de manière à ce qu’il survive au lancement ? », dit-il. « Il y avait beaucoup d’itérations. »

Les ingénieurs de la NASA ont utilisé des aérogels développés pour un tout autre projet comme isolant léger et durable. Chaque solution comme celle-ci a augmenté les chances de succès, et a même permis de découvrir de nouvelles données scientifiques – l’équipe a récemment publié une étude sur la façon dont les filtres se comportent dans une atmosphère martienne simulée. « Nous avons déjà appris tellement de choses sans même aller sur Mars », déclare Hecht.

Selon Hecht, le calendrier chargé de Persévérance représente également un énorme défi technique pour le fonctionnement de MOXIE. L’instrument doit s’allumer et s’éteindre par cycle pour partager la précieuse énergie de la batterie avec les autres instruments à bord. Tous ces arrêts et démarrages – le gel et le gonflement – sont difficiles pour le système. Les tests de MOXIE ont révélé que ces cycles dégradent l’expérience de plusieurs façons. L’équipe a utilisé des correctifs – comme la recirculation d’une partie du monoxyde de carbone pour empêcher le dioxyde de carbone de dégrader le site de réaction – pour résoudre le problème du cycle, qui, selon Hecht, était « le problème le plus difficile ».

La NASA a finalisé son travail sur le matériel en mars 2019. Comme Persévérance n’atterrira pas avant février prochain, le matériel de MOXIE sera resté inutilisé pendant près de deux ans. « Pour commencer, le simple fait de rester sur une étagère pendant deux ans est un défi », explique Hecht. « Sans parler de l’abus extrême qu’il subit entre le moment où il quitte cette étagère et celui où il s’allume sur Mars. »

Lorsqu’on lui demande si c’est une préoccupation majeure à ce stade, Aboobaker répond : « Non – parce que nous avons été conçus pour cela. »

Une incertitude persistante, selon Hecht, est de laisser MOXIE fonctionner seul sans quelqu’un à proximité pour claquer un bouton d’arrêt. Si un capteur défaillant fait monter trop haut la tension de l’instrument, du carbone élémentaire pourrait se former et ruiner l’expérience.

« Je m’attends pleinement à ce que MOXIE fasse ce qu’il dit qu’il va faire », dit Julie Kleinhenz, une experte en ressources de la NASA qui n’a pas participé au développement de MOXIE. Mais Kleinhenz dit que MOXIE est confronté à ce qu’elle appelle des « inconnues ». L’environnement unique de Mars pourrait réserver des surprises, comme des effets peu familiers de la poussière. « Toute l’idée ici est d’essayer quelque chose qui est un bon pari, de voir ce que cela fait, et de récupérer les données. »

Sur Mars, le succès sera quelque peu sans cérémonie. « Si vous vous teniez à côté du rover – dans une combinaison spatiale évidemment – vous ne pourriez probablement pas dire qu’il se passe grand-chose en fait », déclare Aboobaker.

MOXIE ne remplira aucun réservoir avec son oxygène. Au lieu de cela, les scientifiques suivront le succès avec trois mesures indépendantes : un capteur de pression dans le trajet du gaz, une molécule fluorescente qui s’atténue après avoir rencontré de l’oxygène et un courant électrique provenant de la réaction. Persévérance apporte également des microphones, les premiers sur une mission martienne. Les scientifiques qui écouteront le flux audio guetteront le ronronnement d’un compresseur en bonne santé.

MOXIE est très attendu, mais ne produit qu’environ six grammes d’oxygène par heure, soit à peu près le rythme respiratoire d’un corgi. Les humains ont besoin de plusieurs fois cette quantité pour respirer, et une fusée a besoin d’environ 200 fois cet oxygène pour rentrer chez elle. Pour les scientifiques, une année martienne réussie – 687 jours terrestres – serait le feu vert pour faire passer MOXIE à une échelle supérieure à celle du corgi. Étant donné qu’une unité pleinement performante devrait également fonctionner 1000 fois plus longtemps que MOXIE, les ingénieurs peuvent utiliser les résultats de MOXIE pour que les conceptions soient aussi fiables – et compactes – que possible. Et la NASA pourrait commander d’autres expériences sur les ressources, comme la production de méthane, pour fabriquer du carburant pour fusée. Mais comme la production de méthane implique de trouver, d’excaver et de faire fondre de la glace sur Mars, Hecht estime que cela sera plus probable « une fois que nous aurons des bottes sur le sol ». Quels que soient les objectifs futurs, le calendrier de l’orbite de Mars signifie que la prochaine mission n’aura pas lieu avant 26 ou 52 mois, au moins.

Lorsqu’on lui demande s’il accepterait un jour l’opportunité de visiter Mars lui-même, Hecht rit en disant : « Hé, je ne suis pas à l’aise en haut d’une échelle. » Après plus de réflexion, il concède qu’il ne pourrait pas laisser passer l’occasion. L’ingénieur de la NASA Aboobaker émet une réserve. « Mars semble être un endroit agréable à visiter », dit-il.  » Ce serait génial… si je pouvais m’assurer de pouvoir revenir. «