La NASA a réussi à produire de l’oxygène sur Mars

De la taille d’une batterie de voiture, la boîte dorée, appelée MOXIE pour Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, a réussi à produire de l’oxygène sur Mars. Cette première expérience historique représente la première étape avant d’envisager une mission habitée sur la planète rouge.

Dans la revue scientifique Science Advances, des chercheurs du MIT ont détaillé les résultats de MOXIE, une machine qui a pu produire de l’oxygène sur Mars. Plusieurs tests ont été effectués en fonction des conditions atmosphériques sur la planète. L’appareil a ainsi été activé le jour, la nuit et durant les différentes saisons martiennes. 

En effet, les températures varient au cours du temps sur Mars. On considère 4 saisons martiennes comme sur Terre. Cependant, celles-ci durent environ 2 fois plus longtemps que sur Terre en raison de la période orbitale de 687 jours (au lieu de 365 jours environ pour la Terre).

Une expérience concluante

À chaque essai, MOXIE a produit de l’oxygène, atteignant l’objectif fixé par les ingénieurs de 6 grammes d’oxygène par heure. Même si l’expérience est pour l’instant à taille réduite, les chercheurs considèrent qu’une version plus grande de MOXIE pourrais produire davantage d’oxygène et donc permettre une mission habitée sur Mars. 

Une mission sur Mars se déroulerait alors en plusieurs étapes. Dans un premier temps, une capsule déposerait une génératrice d’oxygène. Ensuite, une capsule habitée rejoindrait la planète rouge pour une mission de plusieurs mois. "Nous avons appris énormément de choses qui serviront de base aux futurs systèmes à plus grande échelle", déclare Michael Hecht, chercheur principal de la mission MOXIE à l'observatoire Haystack du MIT.

La production d’oxygène par MOXIE représente la première démonstration d’une technologie basée sur l’"in-situ resource utilization", c’est-à-dire l’exploitation de matières (ici le dioxyde de carbone) pour fournir les ressources suffisante à une mission. "Il s'agit de la première démonstration de l'utilisation effective de ressources à la surface d'un autre corps planétaire, et de leur transformation chimique en quelque chose d'utile pour une mission humaine", explique Jeffrey Hoffman, chercheur principal adjoint de MOXIE et professeur de pratique au département d'aéronautique et d'astronautique du MIT. "C'est historique en ce sens".

MOXIE

Une technologie complexe 

La NASA a participé au projet via son Jet Propulsion Laboratory. Les ingénieurs de la NASA ont conçu le logiciel de vol de Perseverance, l’intégration au rover et les essais avant le lancement. Malgré les compromis nécessaires dans la conception actuelle de MOXIE, l'instrument a montré qu'il pouvait convertir de manière fiable et efficace l'atmosphère de Mars en oxygène pur. 

Pour ce faire, il aspire d'abord l'air martien à travers un filtre qui le débarrasse des contaminants. L'air est ensuite pressurisé et envoyé dans un électrolyseur à oxyde solide (SOXE), un instrument développé et construit par OxEon Energy, qui sépare électrochimiquement l'air riche en dioxyde de carbone en ions oxygène et en monoxyde de carbone.

Les ions d'oxygène sont ensuite isolés et recombinés pour former de l'oxygène moléculaire respirable, ou O2, dont le MOXIE mesure ensuite la quantité et la pureté avant de le relâcher sans danger dans l'air, avec le monoxyde de carbone et les autres gaz atmosphériques.

L’intégration de MOXiE

Une série de tests pour comprendre l’environnement martien

Depuis l'atterrissage du rover en février 2021, les ingénieurs de MOXIE ont mis en marche l'instrument sept fois au cours de l'année martienne, prenant à chaque fois quelques heures pour se réchauffer, puis une autre heure pour fabriquer de l'oxygène avant de s'éteindre. Chaque démarrage a été programmé à une heure différente du jour ou de la nuit, et à différentes saisons, afin de voir si MOXIE pouvait s'adapter aux changements des conditions atmosphériques de la planète.

"L'atmosphère de Mars est beaucoup plus variable que celle de la Terre", note Hoffman. "La densité de l'air peut varier d'un facteur deux au cours de l'année, et la température peut varier de 100 degrés. Un des objectifs est de montrer que nous pouvons fonctionner en toutes saisons." Jusqu'à présent, MOXIE a montré qu'il pouvait produire de l'oxygène à presque n'importe quel moment de la journée et de l'année martienne.

"La seule chose que nous n'avons pas démontrée, c'est la possibilité de fonctionner à l'aube ou au crépuscule, lorsque la température change considérablement", explique Hecht. "Nous avons un atout dans notre manche qui nous permettra de le faire, et une fois que nous l'aurons testé en laboratoire, nous pourrons atteindre cette dernière étape pour montrer que nous pouvons vraiment fonctionner à tout moment."

Le printemps semble être la meilleure saison pour produire de l’oxygène sur Mars. En effet, la densité de CO2 est la plus élevée à cette époque de l’année. En avril 2021, le premier cycle d'oxygène du MOXIE a produit 5,4 grammes d'oxygène en une heure. L'alimentation électrique limite la production potentielle à 12 g/h, soit à peu près la quantité que produirait un grand arbre.

Pour faire décoller quatre astronautes de la surface martienne lors d'une future mission, il faudrait 15 000 livres (7 tonnes métriques) de carburant par fusée et 55 000 livres (25 tonnes métriques) d'oxygène." L’atmosphère de Mars est composée à 95.97% de dioxyde de carbone, 1.93% d’argon, 1.89% de diazote et seulement 0.146% de dioxygene. En comparaison, l’atmosphère terrestre contient environ 20% de dioxygène.

Durant l'hiver martien les pôles sont perpétuellement dans l'obscurité et la surface devient si froide que près de 25 % du CO2 atmosphérique se condense aux calottes polaires en glace solide. L'équipe du rover du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, qui exploite Persévérance, activera l'un des deux microphones du rover pour surveiller le compresseur de MOXIE.

Une mission qui ne fait que débuter

Un système capable de produire de l’oxygène est la première étape pour envisager une mission sur Mars. Le rover Perseverance continue sa mission et les chercheurs du MIT espèrent récolter de nouvelles données de MOXIE. De l’eau pourrait potentiellement être produite en faisant réagir l’oxygène à de l’hydrogène. Cela éviterait d’emporter de l’eau durant la mission.

Dans l’ISS, un astronaute consomme en moyenne 840 grammes d’oxygène par jour. Il faudrait donc augmenter massivement les capacités de production d’oxygène.

Explication du système MOXIE:

Quelques chiffres concernant MOXIE:

Masse: 17.1 kilogrammes

Puissance: 300 watts

Volume: 23.9x23.9x30.9 centimètres 

Production d’oxygène: jusqu’à 10 grammes par heure

- La NASA estime que l’oxygène liquide produit sur Mars pourrait fournir 75% du carburant nécessaire pour explorer la planète rouge.

- En 2021, MOXIE a été allumé 7 fois pour une durée d’environ 1 heure 15 minute à chaque fois.

Article scientifique sur MOXIE:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8636

La planète rouge ne cesse d’intéresser la NASA mais aussi Elon Musk, qui envisage une mission martienne de SpaceX d’ici 2030. La NASA préfère se concentrer sur Artemis, c’est-à-dire le retour sur la Lune depuis la dernière mission Apollo. L’agence américaine compte envoyer la première femme sur la Lune en 2025.

Depuis 1960, environ 50 missions ont eu pour objectif de survoler ou atterrir sur Mars. La première mission réussie est américaine, Mariner 4, qui a survolé la planète rouge en 1965.