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 ISRU martienne

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Henri
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MessageSujet: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 0:00

J'ouvre ce nouveau sujet sur l'ISRU martienne, sujet qui traine un peu dans plein de fils de discussions depuis des années dont certains assez anciens. Je commence par les fondamentaux, les réactions mises en œuvre. Je souhaiterais qu'on éclaircisse d'abord la chimie du sujet avant de passer aux questions annexes (robotisation ou déploiement manuel, panneaux solaires ou générateur nucléaire, etc.).

Commençons d'abord par la chimie sous-jacente :

  • Équation 1 : 2H2O → 2H2 + O2 électrolyse de l'eau
  • Équation 2 : CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O réaction de Sabatier

  • Équation 3 : CO2 + 2H2O → CH4 + 2O2 combinaison électrolyse & réaction de Sabatier (2 x équation 1 + équation 2)

Utilisation pour la propulsion :

  • Équation 4 : CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 combustion du méthane (propulsion), réaction supposée stœchiométrique

Comme on peut le constater, l'apport d'hydrogène depuis la Terre n'est pas nécessaire si l'on peut disposer à volonté d'eau à électrolyser et on obtient juste les proportions de méthane et d'oxygène nécessaires à la propulsion de retour d'une éventuelle mission martienne. Or la littérature à ce sujet regorge d'assertions expliquant que la réaction de Sabatier ne permet pas d'obtenir les bonnes proportions d'ergols par elle seule. S'agit-il d'une sous évaluation des possibilités d'électrolyse de l'eau ou de la disponibilité de l'eau...  ? Ou me plantai-je quelque part ?

La discussion est ouverte...


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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 8:10

Je suppose que ça correspond aux scénarios dans lesquels le H2 est importé, sans utilisation de H2O locale.
Dans ce cas, l'électrolyse de l'eau résultant de [2] ne produit pas assez d'oxygène pour la combustion.

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 16:48

lambda0 a écrit:
Je suppose que ça correspond aux scénarios dans lesquels le H2 est importé, sans utilisation de H2O locale.
Dans ce cas, l'électrolyse de l'eau résultant de [2] ne produit pas assez d'oxygène pour la combustion.
Le seul problème de l'ISRU martienne restant étant donc de trouver le bon compromis question latitude garantissant l'ensoleillement et la disponibilité de la glace d'eau pas trop profonde comme le signalait montmein69.

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 17:51

lambda0 a écrit:
Je suppose que ça correspond aux scénarios dans lesquels le H2 est importé, sans utilisation de H2O locale.
Dans ce cas, l'électrolyse de l'eau résultant de [2] ne produit pas assez d'oxygène pour la combustion.
Effectivement on ne produit pas assez dans ce cas de O2 pour une combustion complète de 1 CH4 ,mais si on accepte de ne brûler que la moitié du CH4, sa combustion sera complète:
1/2 CH4 +O2 = 1/2 CO2 + H2O  et on laisse de côté 1/2 CH4 non utilisé .
Donc si on apporte tout l’hydrogène depuis la Terre, la présence du CO2 dans l’atmosphère martienne est suffisante  et on n'a pas besoin d'eau sur place.
Toutefois la difficulté majeure est alors de conserver l'hydrogène pour le voyage aller.
Limiter au maximum les pertes en LH2 avec une isolation thermique très performante
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 20:09

Il y aurait bien un peu de vapeur d'eau dans l'atmosphère martienne, mais ça ne pèse pas bien lourd, 0.03%.
Néanmoins, indépendamment de la technologie, quelle serait la limite physique d'énergie requise pour récupérer cette eau ?
Quelque chose comme RTln(0.03/100)=18 kJ/mol ?

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 21:06

Pour avoir une quantité raisonnable, il faudra une sacrée turbine également. Pas sur que compter sur les vents moyens puisse suffire.
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 21:56

P=600 Pa => masse volumique de l'atmosphère = 12 g/m3
L'eau représente 0.03% en volume, soit 1.5 mg/m3
=> il faudrait traiter 700000 m3 d'atmosphère pour extraire 1 litre d'eau.

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Ven 15 Juil 2016 - 23:43

lambda0 a écrit:
P=600 Pa => masse volumique de l'atmosphère = 12 g/m3
L'eau représente 0.03% en volume, soit 1.5 mg/m3
=> il faudrait traiter 700000 m3 d'atmosphère pour extraire 1 litre d'eau.
Le minage de la glace d'eau me semble être plus facile... Je me rappelle qu'il y a quelques années, une sonde mise en orbite martienne (dont je me rappelle plus le nom) avait sondé à forces radar le sous-sol martien pour y repérer la présence de glace d'eau. A t'on aujourd'hui une carte de la distribution de glace d'eau issue de cette mission ?

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Sam 16 Juil 2016 - 3:50

Je me réponds à moi-même, une carte des l'eau de subsurface de Mars (grosse image en spoiler pour ne pas déborder de la largeur du forum) de l'instrument de mesure de Mars Odyssey (Gamma Ray Spectrometer) qui ne permettait de descendre qu'à 1 mètre de profondeur...
Grande carte glace sur Mars (< 1 m):
 

À noter qu'on trouve des ressources y compris à latitudes modérées (8 à 10 % de glace dans le sol)

Sources :
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_on_Mars
http://www.wikiwand.com/en/Water_on_Mars

Pour la glace plus profonde je n'ai pas trop trouvé de carte pour l'instant, mais j'ai trouvé le PDF suivant :
http://www.mars.asu.edu/christensen/classdocs/christensen_text_v1_refs.pdf

Rien trouvé sur les résultats de l'instrument MARSIS de Mars Express hormis pour les pôles... Quid de la glace d'eau profonde aux autres latitudes ?

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Sam 16 Juil 2016 - 5:03

Quelqu'un a des informations sur la façon d'extraire cette eau ?
Elle est sous forme de glace donc il suffit pas de forer et de pomper, il faut aussi la faire fondre (je pense pas qu'une résistance dans le puits chaufferait un très gros volume, et a part ça je vois pas vraiment comment faire...), et il faut que le puits soit vraiment hermétique parce que sinon l'eau vas se sublimer et s'envoler (mais ça on doit savoir faire vu que sur terre on extrait du gaz).
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Sam 16 Juil 2016 - 12:33

Ktoum a écrit:
Quelqu'un a des informations sur la façon d'extraire cette eau ?
Elle est sous forme de glace donc il suffit pas de forer et de pomper, il faut aussi la faire fondre (je pense pas qu'une résistance dans le puits chaufferait un très gros volume, et a part ça je vois pas vraiment comment faire...)

Première remarque, la carte est titrée :
water equivalent hydrogen abundance
ce qui n'indique pas forcément la présence de "molécules d'eau"comme seule substance présente.
Il peut certes y avoir de la glace assez pure (donc un composé qu'il serait - au moins en première approche - relativement simple de "miner" (on creuse et on prélève cela comme un minerai nonobstant la sublimation à gérer).
Mais il peut y avoir aussi des molécules d'eau ou même d'autres composés (voir la citation) dans des sels hydratés et des clathrates.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrate a écrit:
Ces substances dites hydratées ne contiennent pas d'eau en tant que telle (H2O), mais ses éléments ou leur combinaison : hydrogène (H), oxygène (O) ou hydroxyle (HO). Cependant, et par abus, on dit souvent que les composés hydratés contiennent de l'eau, par opposition aux anhydres.

Donc ne pas extrapoler de façon qui serait abusive (et donc illusoire) qu'à coup sûr il y aurait de la "glace" dans le sol.

Si on peut penser qu'en s'approchant des pôles ** on peut effectivement espérer trouver de la glace (les phénomènes saisonniers favorisent son dépôt par exemple dans les calottes ), en se rapprochant de l'équateur (latitudes plus favorables - si on peut dire - pour une implantation humaine), je pencherai pour la présence majoritaire des composés hydratés* auquel cas, la séparation de l'eau s'annoncerait probablement nettement plus complexe.

Il parait donc assez incontournable de faire des prélèvements sur place (notamment sur des sites aux latitudes où on pense s'installer) pour savoir précisément ce que l'on va trouver à 1m de profondeur, ou plus. Sinon impossible de concevoir une technique d'extraction puis de séparation/purification avant d'envoyer l'eau recueillie vers un dispositif d'électrolyse.

On touche précisément du doigt, l'écart entre un "concept" avec des "réactions chimiques" sur le papier, ou même telles qu'on peut les réaliser en laboratoire en prenant des "flacons" de réactifs purs sur une étagère, et l'exploitation de ressources en l'état où on peut les trouver sur place.

* penser à une origine comme des dépôts au fond de mers qui se sont évaporées ?

** c'est d'ailleurs spécifiquement l'objet du PDF cité par Henri intitulé
WATER IN THE POLES AND PERMAFROST REGIONS OF MARS
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Ktoum




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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Sam 16 Juil 2016 - 13:21

ok, déjà un puits c'est pas simple, mais une mine et une usine de traitement du minerais ça me parais totalement utopiste d'envisager mettre tout ça en place sans présence humaine... et même avec des humains ça me semble vraiment très optimiste.
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Sam 16 Juil 2016 - 16:19

Une autre voie possible qui permettrait de se passer du H2O martien  surtout pour les premiers voyages  (car après on pourra installer toute l'infrastructure nécessaire à cette extraction): utiliser non plus la réaction de Sabatier, mais celle de Bosch en la faisant suivre d'une électrolyse de l'eau formée pour récupérer le dihydrogène :
CO2(g) + 2 H2(g) → C(s) + 2 H2O(l) , puis électrolyse de 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Le bilan est alors  est alors : CO2(g)  → C(s) + O2(g)
Par cette voie on ne produit que le comburant : le dioxygène et il nous faut importer le carburant qui peut être du méthane si on le souhaite (plus facile à stocker que H2 sur de long parcours)
Pour amorcer la réaction de Bosch, il faut un peu de H2 qui peut être stocker en bonbonne ou obtenu sur une petite réserve d'eau par électrolyse   et une fois le processus enclenché prévoir tout de même quelques appoints pour compenser les pertes lors du recyclage;.
 Bon d’accord, on ne produit alors que le comburant, mais c'est le plus important en masse !
En effet reprenons l'équation de combustion : CH4 + 2 O2 → CO2 +  2 H2O ; on en déduit qu'il faut en proportion massique 16 g de CHpour  64 g  de O2 :
le rapport massique dioxygène/ méthane est donc de 64/ 16 = 4
Donc l'emport du carburant méthane n'est pas très pénalisant, surtout qu'il évite d'emporter tout le matériel nécessaire  à l'extraction de l'eau martienne.
D'ailleurs ceci est général: c'est avant tout le comburant le dioxygène qui est pénalisant pour la masse d'ergols à embarquer ... d'où les recherches pour fonctionner le plus en aérobie lors de la traversée de l’atmosphère terrestre : http://www.forum-conquete-spatiale.fr/t1865p75-skylon-sabre#367791 
... ou pourquoi pas sur la Lune ou des astéroïdes, extraire O2  des roches !
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Sam 16 Juil 2016 - 17:28

Ah Giwa c'est la formule de la poudre de cheminette (ref Harry Potter) que tu nous donnes là ; elle permettait de s'échapper rapidement d'un lieu et de se faire transporter ailleurs.  blbl
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Sam 16 Juil 2016 - 21:39

Une série de posts à partir de celui ci dans un autre fil avait déjà abordé la question des diverses technique permettant de miner l'eau de Mars :
http://www.forum-conquete-spatiale.fr/t13546p425-comment-coloniser-mars-a-partir-de-ses-ressources#333591

La techno proposée par Zaptec semble assez intéressante pour minimiser les besoins en robotique ET en intervention humaine :
http://www.zaptec.com/zapspace/#zapspace-1

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Dim 17 Juil 2016 - 6:53

Astro-notes a écrit:
Ah Giwa c'est la formule de la poudre de cheminette (ref Harry Potter) que tu nous donnes là ; elle permettait de s'échapper rapidement d'un lieu et de se faire transporter ailleurs.  blbl
Je  pense  qu'entre la réaction de Bosch  et la formule de la poudre de cheminette  du grimoire d'Harry  Potter , il y a quelques différences.

De plus la combustion du méthane dans le dioxygène n'a rien de magique et les proportions massiques des réactifs sont bien de 1 pour le méthane pour 4 pour le dioxygène.
C'est une réalité que dans une fusée la masse de comburant en l’occurrence le plus souvent  le dioxygène est bien plus grande que  celle du carburant  et que c'est lui le principal facteur de l'alourdissement d'une fusée.
Donc c'est bien ce dioxygène, en premier, qu'il serait intéressant de se procurer sur place. Or l’atmosphère martienne contient beaucoup plus de dioxyde de carbone que de vapeur d'eau  et de  celui-ci on peut extraire le dioxygène ..

De l'eau sur Mars, il doit y en avoir , mais son extraction demandera sans doute pas mal d'installations .

Il me semble plus raisonnable pour des premières expéditions d'utiliser des méthodes par voie sèche qui permettent de s'en passer , or la réaction de Bosch  si on recycle   l'eau formée et qu'on l'électrolyse permet de s'en passer une fois le cycle amorcé.

Discutons plutôt de cette chimie plutôt que de Harry Potter
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Dim 17 Juil 2016 - 8:14

Il me semble bien que la DRM 5.0 NASA préconisait justement la production locale d'oxygène (pour la remontée sur orbite).

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Dim 17 Juil 2016 - 11:55

lambda0 a écrit:
Il me semble bien que la DRM 5.0 NASA préconisait justement la production locale d'oxygène (pour la remontée sur orbite).
Tout à fait !

J;M. Salotti a écrit:
 Rappelons ici que le choix de la NASA s'est porté sur la production d'oxygène à partir du CO2 martien en complément du CH4 apporté de la Terre et qu'au niveau énergétique, c'est l'énergie nucléaire qui est suggérée plutôt que les panneaux solaires.

Mission martienne de référence de la NASA version DRA 5.0


Argyre est assez critique sur cette mission de référence, mais à partir du moment où l'on opte pour l'ISRU  , personnellement, ce choix de la NASA de ne produire que le O2 à partir du CO2 me parait le plus judicieux  pour les raisons que j'ai déjà évoquées.
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Dim 17 Juil 2016 - 20:29

Si on creuse l'option Réaction de Bosch comme suggéré par Giwa :
https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_de_Bosch a écrit:

La réaction de Bosch est une réaction chimique qui a lieu entre le dioxyde de carbone et l'hydrogène ; les produits sont le carbone (graphite), l'eau et la chaleur.

L'équation chimique générale est :

CO2(g) + 2 H2(g) → C(s) + 2 H2O(l)

Cependant, la réaction précédente est le résultat de deux réactions, la première étant :

CO2 + H2 → CO + H2O

La seconde réaction est :

CO + H2 → C + H2O

L'électrolyse qui doit suivre de H20 fournit :
2 H2O = 2 H2 + O2

- On doit apporter sur Mars


    * un dispositif permettant de capter puis purifier le CO2 contenu dans l'atmosphère (qui est en proportion de 96%)
    *un dispositif permettant de réaliser la réaction dans une plage de température de 450°C à 700°C, puis extraction du C formé et de la vapeur d'eau qu'il faut condenser
    *un apport initial de H2 en réservoir pour amorcer la réaction
    * une cellule d'électrolyse pour fabriquer H2 à partir de l'eau récupérée  lors de la réaction
    * un réservoir contenant le CH4


Cela doit fonctionner en continu puisque le H2 fabriqué lors de l'électrolyse doit être réinjecté dans le réacteur et celui-ci maintenu à la température optimale.
L'O2 doit être liquéfié puis stocké.
Il faut trouver le moyen d'extraire le C qui est sous forme solide (pulvérulent ?) et probablement en suspension dans la vapeur d'eau au sortir du réacteur (au moins en partie).

Il y a donc une série de difficultés qui ne sont pas triviales à résoudre.
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Dim 17 Juil 2016 - 23:23

Attention avec les histoires de pureté. Quand on a fait de la chimie on sait que la pureté n'est pas une nécessité pour parvenir à ses fins... Sinon la chimie n'aurait pas existé avant le XXème siècle... On sait fabriquer depuis l'antiquité des décoctions efficaces à partir de réactifs assez impurs... Confère l'Ile Mystérieuse de Jules Verne...

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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Lun 18 Juil 2016 - 5:43

montmein69 a écrit:
Si on creuse l'option Réaction de Bosch comme suggéré par Giwa :
https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_de_Bosch a écrit:

La réaction de Bosch est une réaction chimique qui a lieu entre le dioxyde de carbone et l'hydrogène ; les produits sont le carbone (graphite), l'eau et la chaleur.

L'équation chimique générale est :

CO2(g) + 2 H2(g) → C(s) + 2 H2O(l)

Cependant, la réaction précédente est le résultat de deux réactions, la première étant :

CO2 + H2 → CO + H2O

La seconde réaction est :

CO + H2 → C + H2O

L'électrolyse qui doit suivre de H20 fournit :
2 H2O = 2 H2 + O2

- On doit apporter sur Mars


    * un dispositif permettant de capter puis purifier le CO2 contenu dans l'atmosphère (qui est en proportion de 96%)*un dispositif permettant de réaliser la réaction dans une plage de température de 450°C à 700°C, puis extraction du C formé et de la vapeur d'eau qu'il faut condenser*un apport initial de H2 en réservoir pour amorcer la réaction* une cellule d'électrolyse pour fabriquer H2 à partir de l'eau récupérée  lors de la réaction* un réservoir contenant le CH4


Cela doit fonctionner en continu puisque le H2 fabriqué lors de l'électrolyse doit être réinjecté dans le réacteur et celui-ci maintenu à la température optimale.
L'O2 doit être liquéfié puis stocké.
Il faut trouver le moyen d'extraire le C qui est sous forme solide (pulvérulent ?) et probablement en suspension dans la vapeur d'eau au sortir du réacteur (au moins en partie).

Il y a donc une série de difficultés qui ne sont pas triviales à résoudre.
C'est tout à fait les opérations à effectuer. C'est sûr que ce n'est pas simple, mais en Chimie on est habitué aux successions d'opérations complexes  et comme le dit Henrii il n’est pas toujours nécessaire de rechercher une pureté très grande (absolue n'existe pas en en Chimie où on trouvera toujours quelques ppb d'autres substances que l'on nomme impuretés si non désirées).
Mais si on s'en tient à la production du comburant, le dioxygène, on réduit quand même les difficultés car la recherche et l'extraction de H2O sur Mars dont on aurait besoin pour produire des carburants hydrogénés  , cela demanderait une toute autre infrastructure beaucoup plus étendue
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Lun 18 Juil 2016 - 8:48

Giwa a écrit:
Citation :
Argyre
Citation :
 Rappelons ici que le choix de la NASA s'est porté sur la production d'oxygène à partir du CO2 martien en complément du CH4 apporté de la Terre et qu'au niveau énergétique, c'est l'énergie nucléaire qui est suggérée plutôt que les panneaux solaires.

Mission martienne de référence de la NASA version DRA 5.0


Argyre est assez critique sur cette mission de référence, mais à partir du moment où l'on opte pour l'ISRU  , personnellement, ce choix de la NASA de ne produire que le O2 à partir du CO2 me parait le plus judicieux  pour les raisons que j'ai déjà évoquées.
En fait, tout dépend des options de la mission.
Si on part avec 3 astronautes, d'après les calculs que j'ai présentés dans mon dernier article sur Mars semi-direct (voir également mon site ici : http://salotti.pagesperso-orange.fr/MarsSD.htm) , oui, ne produire que l'O2 est sans doute la meilleure option, car la masse du MAV reste raisonnable.
Cependant, si on passe à 6 astronautes et qu'on prend les chiffres de la NASA, la capsule de remontée devient beaucoup plus lourde (augmentation en volume, plus de support vie et plus d'astronautes, avec un impact également sur les systèmes d'entrée descente et atterrissage) et du coup on ne peut plus envoyer ce MAV grâce à une seule fusée SLS. Du coup, ça complique beaucoup et il faut regarder les options ISRU en ayant en tête qu'une option ISRU plus ambitieuse pourrait éviter un lancement supplémentaire et surtout un assemblage en orbite et une EDL moins compliquée, sans compter l'aérocapture ...
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Lun 18 Juil 2016 - 11:11

Ce qui va surtout concerner l'avenir proche en termes d'actualités et de développements concrets, c'est le cas à plusieurs dizaines d'astronautes et 100t de CU. Pas de SLS ni de "3 ou 6" astronautes, j'ai l'impression.
Dans ce cas, les bases de réflexion sur l'ISRU ne seront probablement plus vraiment les mêmes. J'espère que SpaceX s'étendra un peu sur ces aspects fondamentaux en septembre.
Il paraît que la NASA travaille actuellement d'arrache-pied pour fournir un proto ISRU à mettre sur Red Dragon. Aucune idée de la techno en question.


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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Lun 18 Juil 2016 - 11:13

Tout juste grillé par Space Opera :

Bien, je sais que ce fil est une base de réflexions, mais je reprends une remarque de Argyre, soit trois, soit six astronautes ! si je peux imaginer un tel long voyage avec six astronautes, le voyage à trois me semble plus difficile à vivre. Mais je sais que nous sommes ici à discuter des fondamentaux et pas encore des détails humains.
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MessageSujet: Re: ISRU martienne   Lun 18 Juil 2016 - 23:48

Space Opera a écrit:
Ce qui va surtout concerner l'avenir proche en termes d'actualités et de développements concrets, c'est le cas à plusieurs dizaines d'astronautes et 100t de CU. Pas de SLS ni de "3 ou 6" astronautes, 
Oui le fameux Transporteur colonial martien. Rien que l'intitulé ... Lorsque E. Musk se la joue H. Hughes. ou peut être de la comm ... Il a un peu tâté de la technique tout de  même. On se sort pas ce genre de c... avec son bagage universitaire.


Dernière édition par Pline le Lun 18 Juil 2016 - 23:51, édité 1 fois (Raison : ou peut être de la comm)
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