Vers l'utilisation des ressources dans l'espace : lacunes dans les connaissances, questions ouvertes et priorités

npj Microgravité volume 9, Numéro d'article : 22 (2023) Citer cet article

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Il existe de nombreuses questions scientifiques ouvertes sur l'utilisation des ressources spatiales en raison de la nouveauté et de l'immaturité relative du domaine. Bien que de nombreuses technologies potentielles aient été proposées pour produire des ressources utilisables dans l'espace, la conception à grande échelle et à haute confiance est limitée par des lacunes dans la connaissance des conditions environnementales locales, de la géologie, de la minéralogie et des caractéristiques du régolithe, ainsi que par des questions scientifiques spécifiques intrinsèques à chaque processus. De plus, les contraintes d'ingénierie (par exemple l'énergie, le débit, l'efficacité, etc.) doivent être intégrées à la conception. Ce travail vise à résumer brièvement les activités récentes dans le domaine de l'utilisation des ressources spatiales, ainsi qu'à identifier les principales lacunes dans les connaissances et à présenter des questions scientifiques ouvertes. Enfin, les futures priorités d'exploration pour permettre l'utilisation des ressources spatiales sont mises en évidence.

L'utilisation des ressources spatiales est essentielle pour l'avenir de l'exploration à long terme et de l'espace lointain. L'exploration spatiale présente des défis pour la durabilité; les lanceurs à usage unique, les satellites ne pouvant pas être ravitaillés en carburant et la nécessité de fournir tout le matériel et les consommables depuis la Terre, ajoutent tous une utilisation des ressources et un coût appréciables aux programmes spatiaux. Heureusement, des progrès significatifs sont en cours : SpaceX et Blue Origin démontrent la valeur des systèmes de lancement réutilisables1 ; le ravitaillement en orbite est développé par des start-up comme Orbit Fab et Orbital Express, ainsi que des acteurs établis, comme Airbus et Busek2.

L'utilisation des ressources spatiales pour fournir des propulseurs, des habitations et des matériaux essentiels à la vie humaine (par exemple, l'eau, l'oxygène) libérera tout le potentiel de l'exploration spatiale, permettant aux humains de voyager plus loin et de passer plus de temps dans l'espace3,4,5. Cela transformera l'économie de l'exploration spatiale.

L'utilisation des ressources spatiales, connue sous le nom d'utilisation des ressources in situ (ISRU), ou plus généralement d'utilisation des ressources spatiales (SRU), n'est pas un concept nouveau. Un historique détaillé de SRU est fourni par Meurisse et Carpenter6. En bref, l'utilisation des ressources spatiales a été suggérée pour la première fois par Konstantin Tsiolkovsky, largement considéré comme l'initiateur des approches modernes de la fusée, en 19037,8. Lunar SRU a été proposé par Clarke9 dans les années 1950. Pendant l'ère Apollo dans les années 1960, le SRU a été suggéré par Carr10 comme un moyen pratique de réduire la masse de lancement et la dépendance terrestre. Au cours des 50 années suivantes, le concept a gagné en maturité. De nombreuses études terrestres ont été entreprises pour concevoir et tester des technologies candidates (par exemple, réf. 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17).

En 2022, la SRU n'a été démontrée qu'une seule fois dans l'espace, bien que ces technologies jouent un rôle clé dans les feuilles de route d'exploration spatiale de l'ESA et de la NASA12,18. La charge utile MOXIE (Mars OXygen ISRU Experiment) à bord du rover Perseverance de la NASA a produit de l'oxygène à partir de l'atmosphère riche en CO2 de Mars en 2021 par électrolyse d'oxyde solide19. Des missions de démonstration Lunar SRU sont en cours de développement (par exemple, réf. 20,21), et des missions préliminaires pour tester de nouveaux cadres juridiques et économiques SRU sont prévues tout au long de 2023, par exemple la mission HAKUTO-R d'ispace inc., actuellement en route vers la Lune22,23.

Aujourd'hui, l'accès et l'utilisation des ressources spatiales sont au centre des préoccupations de nombreuses agences spatiales18,24,25,26,27, gouvernements28,29,30,31, organisations intergouvernementales32,33 et industrie privée34,35,36. Plus récemment, il y a eu un regain d'intérêt pour le SRU pour un certain nombre d'applications, telles que :

Produire de l'oxygène et des métaux sur la Lune et Mars (ex. réf. 19,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46) ;

Extraire l'eau des pôles lunaires (ex. réfs. 47,48,49,50,51) ;

Extraction d'eau, de substances volatiles et de métaux d'objets géocroiseurs (par exemple, réf. 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) ;

Construction d'habitats et d'abris thermiques, y compris par fabrication additive (ex. réf. 59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70) ; et,

La fabrication d'équipements et de technologies à partir de ressources locales (ex. réf. 71,72,73,74,75,76).

Les projets SRU à l'échelle de démonstration sont une première étape viable et nécessaire pour l'industrie. Leur succès élargira sensiblement la base de connaissances de la SRU et des communautés scientifiques lunaires. Une connaissance détaillée de la géologie locale, de la minéralogie et des caractéristiques du régolithe améliorera considérablement la confiance dans la conception des systèmes d'exploitation minière, d'extraction et de production à l'échelle industrielle. D'autres questions scientifiques, intrinsèques à chaque processus spécifique, devraient être abordées pour optimiser la conception de systèmes à l'échelle industrielle. Les conditions environnementales de fonctionnement (par exemple, les environnements électrostatiques et de rayonnement locaux) et les contraintes techniques (par exemple, la consommation d'énergie, le débit requis, l'efficacité attendue, etc.) affecteront considérablement la conception des équipements77). Le succès des processus d'utilisation des ressources à grande échelle dépend donc d'une connaissance suffisante de la ressource spécifique et de la région d'intérêt, ainsi que de la capacité technologique requise pour extraire des produits utiles.

Ce travail a été développé à la suite de l'exercice SciSpacE Space Resources White Paper de l'Agence spatiale européenne. Ici, les lacunes dans les connaissances, les questions scientifiques ouvertes et les priorités de recherche pour la science lunaire et les communautés SRU sont identifiées. Au fur et à mesure que les capacités et les limites des SRU seront clarifiées grâce à des démonstrations in situ, il sera possible de répondre à bon nombre de ces lacunes et questions et, ce faisant, améliorera considérablement le développement de technologies SRU à grande échelle. De plus, répondre à ces questions apportera une valeur considérable à la communauté scientifique.

L'extraction et l'utilisation des ressources spatiales sont analogues à l'extraction et à l'utilisation des ressources terrestres78,79. Premièrement, la ressource donnée (par exemple l'oxygène, la glace d'eau) doit être identifiée par la prospection et l'exploration de la vérité sur le terrain pour augmenter la certitude80,81. La composition du matériau environnant et les caractéristiques de la ressource spécifique au sein de ce matériau hôte doivent être comprises. La variabilité de la répartition de la ressource dans une région donnée est également requise. Par exemple, la glace d'eau présente dans le régolithe ou enfouie sous le régolithe aux pôles lunaires varie à la fois dans l'espace et en profondeur50,82. L'adoption de normes et de meilleures pratiques de l'industrie terrestre modifiées de manière appropriée pour l'exploration et les rapports (par exemple, JORC et LORS81), ainsi qu'une terminologie commune78 encouragera la participation et attirera les investissements des acteurs non spatiaux dans la SRU.

La chaîne de technologies liées entre elles pour traiter un corps minéralisé particulier sur Terre est décrite par un organigramme78. Le schéma de traitement peut être subdivisé en trois grandes étapes : l'excavation, l'enrichissement et l'extraction du produit final78. L'excavation a été largement explorée dans la littérature83, tout comme les méthodes d'extraction84. L'enrichissement est le processus dans lequel le matériau extrait est cassé ou aggloméré et classé par taille dans une gamme appropriée pour un traitement ultérieur, et également pour concentrer un composant d'intérêt (par exemple l'eau ou l'ilménite) par élimination physique des composants indésirables. La valorisation des matériaux spatiaux extraits sous une forme adaptée à l'extraction du produit final requis a été beaucoup moins étudiée en comparaison85.

Dans l'exploitation minière terrestre, la ressource, le matériau environnant, l'emplacement et la technologie utilisée pour extraire la ressource sont appariés dans le schéma de procédé de telle sorte que :

La ressource spécifique et son emplacement sont ciblés en fonction de la technologie disponible ; ou,

La technologie est conçue pour répondre aux exigences d'extraction d'une ressource cible spécifique.

Les missions de démonstration visant à prouver les technologies SRU et à augmenter les TRL ont une immense valeur pour caractériser les entrées potentielles du schéma de traitement. Cependant, les caractéristiques du matériau hôte des ressources sur la Lune, Mars ou ailleurs dans l'espace sont également des éléments clés de la conception du schéma de traitement. Les technologies de traitement requises doivent être choisies pour maximiser la confiance dans les niveaux de production de la ressource ainsi que dans l'efficacité opérationnelle globale. Il est inapproprié de supposer qu'une approche « taille unique » de l'excavation, de l'enrichissement et de l'extraction conviendrait à la SRU. Les opérations minières terrestres sélectionnent avec soin les équipements miniers utilisés en fonction des caractéristiques de la ressource cible ; une SRU bénéficiera sans aucun doute de l'adoption d'une approche similaire.

L'utilisation des ressources spatiales nécessite des solutions d'ingénierie pour produire un approvisionnement fiable en produits utilisables à partir d'une matière première naturellement variable77. L'utilisation des ressources minérales pour la SRU n'a jamais été testée dans l'espace, mais cela changera dans les années à venir avec des missions de démonstration (par exemple PROSPECT), l'exploration des pôles lunaires et les prochaines missions de collecte de régolithes de la NASA20,22. Pour que la SRU devienne une option réalisable pour les futurs voyages spatiaux, il sera important que les premières missions de démonstration abordent autant de questions scientifiques ouvertes que possible, car cela permettra finalement la mise en œuvre de la SRU à l'échelle industrielle.

Il reste de nombreux aspects de la SRU qui sont mal quantifiés, en raison du manque de données et d'échantillons disponibles, et des limites de la démonstration des technologies spatiales à la surface de la Terre. Les données requises pour activer SRU à l'avenir peuvent être classées en deux groupes : les données environnementales et les données sur les ressources. Ces données auront en outre une valeur scientifique intrinsèque.

Les données environnementales sont essentielles pour le développement d'équipements robustes avec une disponibilité opérationnelle élevée et une utilisation à long terme. Une connaissance approfondie des conditions environnementales locales aura un impact direct sur les choix de conception effectués pour garantir que seules les technologies les plus robustes et les plus fiables sont déployées. L'environnement d'exploitation affectera de manière significative la conception et le fonctionnement de tout processus, par exemple :

Variation des propriétés électrostatiques du régolithe dans différentes conditions (par exemple, jour et nuit) ;

Concevoir des opérations pour une gravité plus faible, des caractéristiques atmosphériques différentes ou pas d'atmosphère du tout ;

Concevoir pour résister à des températures extrêmement élevées et basses, et au processus de les traverser ;

Manutention de matériaux dans des environnements poussiéreux ;

Environnement de rayonnement local ; et,

Conception pour la fiabilité et la durabilité.

Les données sur les ressources sont impératives pour sélectionner les technologies appropriées pour les opérations SRU. Ces données doivent préciser :

L'emplacement de la ressource;

Les propriétés de la ressource (par exemple concentration, phase, associations) ;

Les propriétés du matériau hôte (par exemple la minéralogie du régolithe, la distribution granulométrique, la forme des particules, les propriétés géotechniques) ;

La variabilité des propriétés des ressources et des matériaux hôtes (par région, par emplacement et par conditions environnementales) ; et,

L'effet des propriétés des ressources sur l'utilisation (par exemple, l'efficacité du réacteur, la résistance de la construction).

Pour combler ces lacunes, des ensembles de données orbitales à haute résolution doivent être capturés et corrélés aux activités d'exploration de la vérité au sol sur des cibles sélectionnées. A titre d'illustration, parmi les propositions qui ont été développées précédemment pour l'exploitation à grande échelle des ressources, plusieurs se sont concentrées sur l'extraction de la glace d'eau aux pôles lunaires pour la production de propulseur (par exemple, réfs. 17,47,48). Ces élaborations détaillées des installations de production sur la Lune sont basées sur des hypothèses concernant la forme, la quantité, la variabilité et le comportement du régolithe glacé. À l'heure actuelle, il n'existe aucune donnée de référence permettant de vérifier l'une ou l'autre de ces hypothèses, et des incertitudes majeures y sont associées86. Une prospection rigoureuse et une exploration de la vérité terrain doivent être effectuées afin d'élever le niveau de certitude géologique80,81. Il s'agit d'une pratique courante sur Terre pour le développement économique des mines, et sera également pertinente pour SRU80,81.

Les échantillons de régolithe renvoyés par les missions Apollo et Luna des années 1960 et 1970 ont une valeur incroyable pour tester des appareils à l'échelle du banc, mais la quantité de matériel lunaire mis à disposition pour les tests est insuffisante pour développer des équipements à l'échelle industrielle. De plus, le succès du développement de démonstrateurs SRU terrestres dépendra de la disponibilité de simulants appropriés. Cependant, la communauté scientifique, ainsi que les acteurs des secteurs privé et public, doivent s'accorder sur une approche standardisée pour la caractérisation du régolithe lunaire et des simulants de régolithe lunaire. Une telle norme permettrait des comparaisons honnêtes, transparentes et comparables des matières premières et des performances des équipements, et justifierait l'utilisation de certains simulants pour une démonstration technologique donnée.

Il existe de nombreuses questions scientifiques ouvertes sur l'utilisation des ressources spatiales en raison de la nouveauté et de l'immaturité relative. Les questions ouvertes suivantes se concentrent spécifiquement sur les aspects scientifiques appliqués nécessaires pour faire passer le SRU à une échelle industrielle économiquement viable. L'un des avantages de ce domaine est que, avec une conception soignée, les données et les échantillons nécessaires à la conception des processus SRU peuvent également être utilisés pour répondre à des questions ouvertes intéressant la communauté scientifique lunaire.

Quelles caractéristiques de la ressource sont requises pour établir la viabilité d'une ressource ? Cela englobe les caractéristiques de la ressource spécifique telles que la concentration et l'occurrence, en plus de celles du matériau hôte. Les propriétés du régolithe, telles que la distribution de taille, la texture, la cohésion, la charge électrostatique et la minéralogie, seront intéressantes85,86. La quantité minimale de données pour augmenter la certitude géologique d'un gisement et la manière dont elles sont collectées doivent également être prises en compte77,78,80,81. L'utilisation de tels ensembles de données dans des études scientifiques fondamentales (par exemple la géologie, l'évolution planétaire) devrait être un facteur clé dans la planification des mines extraterrestres.

Comment les processus géologiques et environnementaux ont-ils affecté les propriétés des ressources et comment ces propriétés affectent-elles les processus d'extraction ? Les facteurs environnementaux comprennent les processus géologiques (par exemple le volcanisme, la formation de la croûte), les impacts (livraison de ressources versus perte de ressources lors du retraitement par impact), l'exposition au vent solaire et aux rayons cosmiques et les anomalies magnétiques. De nombreuses questions scientifiques fondamentales peuvent être abordées en comprenant les processus géologiques et environnementaux se produisant dans la région d'une ressource spatiale donnée, par exemple le taux d'impact pour créer un environnement de régolithe local. Pour les applications de ressources spatiales, cependant, ces processus affecteront la composition et les caractéristiques de la ressource et du matériau hôte (par exemple profondeur d'enfouissement, porosité, teneur en agglutinats)87,88,89. Les propriétés géotechniques, par exemple, sont affectées par la composition géologique (minéralogie, chimie), l'impact et l'exposition à l'espace du régolithe lunaire90.

Comment les conditions environnementales locales affectent-elles la ressource et les opérations potentielles ? Par exemple, la charge électrostatique du régolithe, la gravité, les conditions thermiques, les conditions atmosphériques et le rayonnement. La charge électrostatique du régolithe lunaire est connue pour présenter des défis opérationnels, en particulier en ce qui concerne la fiabilité91,92,93,94. Il n'est pas possible de reproduire simultanément tous les aspects de l'environnement lunaire sur Terre, et alors que des développements rapides sont réalisés dans le domaine des simulants de régolithe95,96,97, la production d'agglutinats reste difficile à toute échelle98. Des questions subsistent sur l'ampleur et la distribution de la charge électrostatique du régolithe, et sur la manière dont cela peut être atténué. Les études in situ sont essentielles pour améliorer la compréhension. Un autre aspect intéressant est le taux de changement des conditions environnementales (par exemple l'atmosphère de Mars).

Quelle est la variabilité des ressources dans une région cible et l'effet sur la transformation et la variabilité des produits extraits ? La variabilité est un aspect de l'utilisation des ressources qui est critique à long terme. La variabilité de la ressource et du matériau hôte affecte chaque étape du processus, de l'excavation à la purification du produit final77,99. De plus, une compréhension des processus géologiques, comme souligné précédemment, permettra une meilleure prédiction de la variabilité des ressources.

Quels sont les processus physiques et chimiques qui peuvent être appliqués pour extraire et transformer les ressources locales ? De nombreux processus ont été proposés83,84,85, mais tous ne conviennent pas à tous les endroits (par exemple, la réduction de l'hydrogène dans les hautes terres lunaires100). Des stratégies pour établir soit l'emplacement le plus approprié, soit le processus le plus approprié sont nécessaires. Il faut également tenir compte de l'effet des conditions locales sur l'efficacité du procédé ; cela inclut les caractéristiques des matières premières. Le traitement de bout en bout de la ressource, y compris l'élimination/la réutilisation des déchets et le stockage des produits, est également requis.

La conception en toute confiance et le bon fonctionnement des opérations de traitement SRU à grande échelle ou à l'échelle industrielle nécessitent une connaissance détaillée de la ressource spécifique d'intérêt et des technologies d'extraction appropriées. La priorité pour les missions de démonstration à court terme et les futurs programmes d'exploration doit être de recueillir des données haute résolution et haute fidélité sur les caractéristiques de performance de l'équipement, les conditions environnementales locales et la disponibilité des ressources cibles. Le secteur minier terrestre possède une immense expertise dans l'exploration des ressources; la combinaison de cette base de connaissances avec celle des scientifiques lunaires/planétaires permettra le développement d'une stratégie réaliste, remplissant à la fois les objectifs scientifiques et permettant la SRU. En outre, un vaste programme de développement des technologies de base et auxiliaires, y compris l'optimisation et l'évaluation des performances, est nécessaire. Cela améliorera à son tour la conception et le développement de technologies SRU robustes tout en apportant des connaissances inestimables à la communauté scientifique.

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Les auteurs tiennent à remercier l'Agence spatiale européenne (ESA) pour l'opportunité de contribuer à l'exercice du livre blanc SciSpacE, ainsi que pour avoir soutenu cette soumission au numéro spécial de npj Microgravity. Nous tenons également à remercier l'équipe thématique de l'ESA sur « Un organigramme complet de production de ressources pour les matériaux lunaires », financé par le contrat ESA 4000123986/18/NL/PG.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Jan Cilliers, Kathryn Hadler, Joshua Rasera.

Department of Earth Science and Engineering, Imperial College London, Exhibition Road, Londres, SW7 2AZ, Royaume-Uni

Jan Cilliers, Kathryn Hadler et Joshua Rasera

European Space Resources Innovation Center (ESRIC), Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), Maison de l'Innovation, 5, avenue des Hauts-Fourneuax, Esch-sur-Alzette, L-4362, Luxembourg

Catherine Hadler

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JJC et KH étaient responsables de l'élaboration du contexte du processus, de l'analyse des lacunes et de l'identification des questions ouvertes, de la révision du document et de l'édition générale. JNR était responsable de l'élaboration de l'introduction, de la revue de la littérature, de la synthèse de la littérature et des lacunes/questions ouvertes, de la révision de la structure de l'article et de l'édition générale.

Correspondance avec Jan Cilliers.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Cilliers, J., Hadler, K. & Rasera, J. Vers l'utilisation des ressources dans l'espace : lacunes dans les connaissances, questions ouvertes et priorités. npj Microgravité 9, 22 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00274-3

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Reçu : 03 août 2022

Accepté : 13 mars 2023

Publié: 25 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41526-023-00274-3

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