Énergie solaireEdit
La lumière du jour sur la Lune dure environ deux semaines, suivies d’environ deux semaines de nuit, tandis que les deux pôles lunaires sont éclairés presque constamment. Le pôle sud lunaire présente une région dont les bords des cratères sont exposés à une illumination solaire quasi constante, mais l’intérieur des cratères est en permanence à l’ombre de la lumière solaire, et conserve des quantités importantes de glace d’eau à l’intérieur. En plaçant une installation de traitement des ressources lunaires près du pôle sud lunaire, l’énergie électrique générée par le soleil permettrait un fonctionnement quasi 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) ayant les capacités de chauffer le régolithe, d’évaporer les matériaux semi-conducteurs appropriés pour la structure de la cellule solaire directement sur le substrat du régolithe, et de déposer les contacts métalliques et les interconnexions 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 habitées de longue durée sur la Lune, Mars et les destinations au-delà. Ce système est idéal pour les endroits sur la Lune et sur Mars où la production d’électricité à partir de la lumière du soleil est intermittente.
OxygèneEdit
La teneur en oxygène élémentaire dans le régolithe est estimée à 45% en poids. L’oxygène est souvent présent dans les minéraux et les verres lunaires riches en fer sous forme d’oxyde de fer. Au moins vingt processus différents possibles pour extraire l’oxygène du régolithe lunaire ont été décrits, et tous nécessitent un apport énergétique élevé : entre 2 et 4 mégawatts-années d’énergie (soit 6-12×1013 J) pour produire 1 000 tonnes d’oxygène. Alors que l’extraction d’oxygène à partir d’oxydes métalliques produit également des métaux utiles, l’utilisation d’eau comme matière première ne le fait pas.
EauEdit
Des images par 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 (gauche) et au pôle nord (droite) de la Lune, vue par le spectromètre Moon Mineralogy Mapper (M3) de la NASA à bord de l’orbiteur indien Chandrayaan-1
Les preuves cumulées de plusieurs orbiteurs indiquent fortement que la glace d’eau est présente à la surface aux pôles de la Lune, mais surtout sur 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 ombragée 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 une partie ou la totalité de ces zones ombragées en permanence contiennent de la glace d’eau et d’autres volatiles n’est pas connue à l’heure actuelle. Il est donc nécessaire d’obtenir davantage de données sur les dépôts de glace lunaire, leur distribution, leur concentration, leur quantité, leur disposition, leur profondeur, leurs 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 suivi pour analyser le panache de débris qui en a résulté, et il a été conclu que la glace d’eau doit être sous la forme de petits (< ~10 cm) morceaux de glace discrets répartis dans le régolithe, ou sous la forme d’un revêtement mince sur les grains de glace. Ceci, couplé aux observations radar monostatiques, suggère que la glace d’eau présente dans les régions ombragées en permanence des cratères polaires lunaires est peu susceptible d’être présente sous la forme de dépôts épais de glace pure.
L’eau peut avoir été livrée à la Lune sur des échelles de temps géologiques par le bombardement régulier de comètes, d’astéroïdes et de météoroïdes contenant de l’eau ou produite en continu in situ par les ions hydrogène (protons) du vent solaire impactant des minéraux contenant de l’oxygène.
Le pôle sud lunaire présente une région avec des bords de cratères exposés à une illumination solaire quasi constante, où l’intérieur des cratères est en permanence à l’ombre de la lumière solaire, ce qui permet le piégeage naturel et la collecte de glace d’eau qui pourrait être exploitée dans le futur.
Les molécules d’eau (H
2O) peuvent être décomposées en ses éléments, à savoir l’hydrogène et l’oxygène, et former de l’hydrogène moléculaire (H
2) et de l’oxygène moléculaire (O
2) pour être utilisées comme bi-propulseur de fusée ou produire des composés pour les processus de production métallurgique et chimique. Juste la production de propergol, a été estimée par un panel conjoint d’experts de l’industrie, du gouvernement et de l’université, a identifié une demande annuelle à court terme de 450 tonnes métriques de propergol dérivé de la Lune, ce qui équivaut à 2 450 tonnes métriques d’eau lunaire traitée, générant 2,4 milliards de dollars US de revenus annuels.
HydrogèneEdit
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 sur la quantité de celui-ci qui diffuse dans le sous-sol, s’échappe dans l’espace ou se diffuse dans les pièges froids. L’hydrogène serait nécessaire pour la production de propergols, et il a une multitude d’utilisations industrielles. Par exemple, l’hydrogène peut être utilisé pour la production d’oxygène par réduction à l’hydrogène de l’ilménite.
MetalsEdit
IronEdit
Le fer (Fe) est abondant dans tous les basaltes de type mare (~14-17 % en poids), mais il est surtout enfermé dans les minéraux silicatés (c’est-à-dire le pyroxène et l’olivine) et dans le minéral oxydé ilménite dans les basses terres. L’extraction serait assez coûteuse en énergie, mais on soupçonne que certaines anomalies magnétiques lunaires importantes sont dues à des débris météoritiques riches en Fe qui ont survécu. 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 aussi dans le régolithe (0,5% en poids) naturellement allié au nickel et au cobalt et il peut être facilement 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 sélectif par laser (SLS), la fusion sélective par laser (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 le minéral ilménite (FeTiO3), à raison de 5 à 8 % en poids. Les minéraux ilménites piègent 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 d’inondation de la face nord-ouest (Mare Tranquillitatis) possèdent des teneurs en titane parmi les plus élevées de la Lune, abritant 10 fois plus de titane que les roches de la Terre.
AluminiumEdit
L’aluminium (Al) se trouve avec une concentration de l’ordre de 10 à 18% en poids, présent dans un minéral appelé anorthite (CaAl
2Si
2O
8), le membre terminal calcique de la série minérale des feldspaths plagioclases. L’aluminium est un bon conducteur électrique, et la poudre d’aluminium atomisée constitue également un bon combustible solide pour fusée lorsqu’elle est brûlée avec de l’oxygène. L’extraction de l’aluminium nécessiterait également la décomposition du plagioclase (CaAl2Si2O8).
SiliciumEdit
Photo d’un morceau de silicium purifié
Le silicium (Si) est un métalloïde abondant dans tout le matériel lunaire, avec une concentration d’environ 20% en poids. Il est d’une importance énorme pour produire des réseaux de 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. Obtenir une très grande pureté pour l’utiliser comme semi-conducteur serait un défi, surtout dans l’environnement lunaire.
CalciumEdit
Cristaux d’anorthite dans un vug de basalte du Vésuve, en Italie (taille : 6.9 × 4,1 × 3,8 cm)
Le calcium (Ca) est le quatrième élément le plus abondant dans les hautes terres lunaires, présent dans les minéraux anorthites (formule CaAl
2Si
2O
8). Les oxydes et les silicates de calcium sont non seulement utiles pour les céramiques, mais le calcium métal pur est flexible et constitue un excellent conducteur électrique en l’absence d’oxygène. L’anorthite est rare sur la Terre mais abondante sur la Lune.
Le calcium peut également être utilisé pour fabriquer des cellules solaires à base de silicium, nécessitant du silicium, du fer, de l’oxyde de titane, du calcium et de l’aluminium lunaires.
MagnésiumEdit
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 raresEdit
Les éléments de terres rares sont utilisés pour fabriquer tout, des véhicules électriques ou hybrides aux éoliennes, en passant par les appareils électroniques et les technologies d’énergie propre. Malgré leur nom, les éléments de terres rares sont – à l’exception du prométhium – relativement abondants dans la croûte terrestre. Toutefois, 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. Des réserves importantes 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 données actuelles suggèrent que les éléments de terres rares sont moins abondants sur la Lune que sur la 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 importantes pour l’industrie.
Hélium-3Modifié
Selon une estimation, le vent solaire a déposé plus d’un 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 ensoleillées, et peuvent contenir des concentrations allant jusqu’à 50 ppb dans les régions ombragées en permanence. A titre de comparaison, l’hélium-3 dans l’atmosphère terrestre se trouve à 7,2 parties par trillion (ppt).
Un certain nombre de personnes depuis 1986 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 des quantités extrêmement importantes 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 d’exploration lunaire chinois pour explorer la Lune et étudie la possibilité d’une exploitation minière lunaire, en recherchant spécifiquement l’isotope hélium 3 pour l’utiliser comme source d’énergie sur Terre. Tous les auteurs ne pensent pas que l’extraction extraterrestre de l’hélium 3 soit possible, et même s’il était possible d’extraire de l’hélium 3 de la Lune, aucune conception de réacteur à fusion n’a produit plus d’énergie de fusion que d’énergie électrique, ce qui va à l’encontre du but recherché. Un autre inconvénient est qu’il s’agit d’une ressource limitée qui peut être épuisée une fois extraite.
Carbone et azoteEdit
Le carbone (C) serait nécessaire pour la production d’acier lunaire, mais il est présent dans le régolithe lunaire à l’état de traces (82 ppm), apportées par le vent solaire et les impacts de micrométéorites.
L’azote (N) a été mesuré à partir d’échantillons de sol ramenés sur Terre, et il existe à l’état de traces à moins de 5 ppm. On l’a trouvé sous forme d’isotopes 14N, 15N et 16N. Le carbone et l’azote fixé seraient nécessaires aux activités agricoles au sein d’une biosphère scellée.
Régolithe pour la constructionEdit
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’un des principaux besoins sera de fournir des matériaux de construction pour construire des habitats, des bacs de stockage, des pistes 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 la résistance des matériaux du régolithe peut être considérablement améliorée en utilisant de la fibre de verre, par exemple un mélange de 70 % de fibre de verre de basalte et de 30 % de PETG. Des tests réussis ont été effectués sur Terre en utilisant certains simulants de régolithe lunaire, notamment MLS-1 et MLS-2.
Le sol lunaire, bien qu’il pose un problème pour toute pièce mécanique en mouvement, 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 pour les télescopes infrarouges.
Certaines propositions suggèrent de construire une base lunaire à la surface en utilisant des modules apportés de la Terre, et en les recouvrant de sol lunaire. Le sol lunaire est composé d’un mélange de silice et de composés contenant du fer qui peuvent être fondus en un solide semblable à du verre en utilisant le rayonnement micro-ondes.
L’Agence spatiale européenne travaillant en 2013 avec un cabinet d’architectes indépendant, 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 des radiations et de la température ». À l’intérieur, un gonflable pressurisé léger ayant la même forme de dôme constituerait l’environnement de vie des premiers colons lunaires humains. »
Début 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 comprennent la construction de structures lunaires d’un matériau qui pourrait être composé à 90 % de matériaux lunaires, avec seulement dix pour cent du matériau nécessitant un transport depuis la Terre. La NASA étudie également une autre technique qui consisterait à fritter la poussière lunaire à l’aide de micro-ondes de faible puissance (1500 watts). Le matériau lunaire serait lié par chauffage à une température de 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 qui ressemble à de la céramique et qui ne nécessiterait pas le transport d’un matériau liant depuis la Terre.