Production de ressources Martiennes

Production de ressources Martiennes

Fabrication d'un démonstrateur de production de ressources (O2, Acier, Polyéthylène, Méthane, Verre ...)

 

Production de ressources Martiennes
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Introduction 

L’utilisation de matériaux martiens pour la réalisation des constructions est un impératif majeur, compte tenu du coût considérable du transport de matières pondéreuses depuis la Terre. Fort heureusement, la présence d’oxydes de fer, de carbone, d’argiles et d’eau permettront d’envisager de pouvoir les produire sur place grâce à des modules importés de la Terre comme des véhicules de collecte de matière première, des installations de prétraitement des sols, de traitement chimique ou d’électrolyse, des fours de cuisson (argiles), des fours de production d’acier…

Présentation générale 

Dans ce projet, nous chercherons à fabriquer des démonstrateurs, également appelés brique, afin de valider et prouver la faisabilité d’une exploitation des ressources Martiennes.

Nous nous appuierons pour ce projet sur les études réalisées par Richard Heidmann, vice-président de l’Association Planète Mars.

Ce projet est subdivisé en 12 briques distinctes qui pourrait-être interconnectées tel que présenté sur le schéma ci-dessous :

 

Découpage du projet en briques 16-11-18.jpg

  1. Production d’eau à partir du régolithe : Séchoir micro-ondes
  2. Electrolyseur
  3. Séparation des constituants de l’air Martien (CO2, N2, Ar)
  4. Décomposition du CO2 en CO
  5. Méthanateur = Réacteur de Sabatier
  6. Production d’éthylène
  7. Production de Polyéthylène
  8. Fabrication de Duricrete et brique
  9. Séparation du minerai de fer et de la silice (Purification de la Silice)
  10. Fabrication de verre
  11. Agglomération du fer
  12. Haut fourneau

PRESENTATION SUCCINCTE DES DIFFERENTES BRIQUES :

1. Production d’eau à partir du régolithe : Séchoir Micro-ondes

Il s’agit de la ressource de base la plus importante pour une colonie Martienne. Elle est en effet non seulement utilisée en tant que telle pour les besoins humains et pour les serres, mais constitue aussi la source d’hydrogène et, au moins pour partie, la source d’oxygène. Elle sera aussi utilisée dans certains procédés métallurgiques.

Fort heureusement, l’eau sur Mars, est abondante, principalement sous forme de glace dans le sol et dès le premier mètre. Le régolite martien peut contenir entre 6 et 10 % d’eau glacée.

Une fois le régolithe hydraté collecté la première étape du processus est de le réduire en fins gravats dans un concasseur.

 

Ensuite, l’extraction de l’eau se ferait par chauffage à une température de 350°C, dans un four qui permettra, par évaporation et condensation, l’extraction du précieux liquide. Le procédé le mieux adapté pour cette opération semble être le chauffage par micro-ondes. En effet, la conductivité thermique du sol fragmenté est faible, rendant difficile sa mise en température ; par contre, sous cette forme, l’énergie se couple directement aux molécules d’eau.

2. Electrolyseur

Un des atouts majeurs de la planète Mars en tant que site d’implantation d’une colonie est que, disposant d’abondantes ressources d’eau, elle dispose ipso facto d’hydrogène et d’oxygène grâce à un système d’électrolyse.

L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène (O2) et dihydrogène (H2) gazeux avec l'aide d'un courant électrique. La cellule électrolytique est constituée de deux électrodes, habituellement en métal, immergées dans un électrolyte (ici l'eau elle-même) et connectées aux pôles opposés de la source de courant continu.

 

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3. Séparation des constituants de l’air Martien (CO2, N2, Ar)

L’air martien étant composé à environ 96% de CO2, 1,9% d’Argon (Ar), 1,9% Diazote (N2) et 0,2% d’O2, il est possible de séparer tous ces composants en comprimant l’air à 20 bar, puis de le faire refroidir. On appelle aussi cette technique la distillation fractionnée de l’air.

4. Décomposition du CO2 en CO

Le monoxyde de carbone (CO), sera utilisé dans certains procédés de synthèse chimique (urée) ou métallurgiques, en particulier pour la fabrication d’acier (cf. brique n°13).

On décompose le CO2 dans un four à 1 000 - 1 100°C, le mélange CO/O2 étant ensuite séparé à l’aide de cellules à membranes zircone, qui présentent la propriété de ne laisser transpirer que les molécules O2.

5. Méthanateur = Réacteur de Sabatier

Le méthane, excellent ergol (carburant) pour la propulsion fusée et vecteur d’énergie compact et d’emploi commode pour la motorisation planétaire, est également des plus faciles à synthétiser sur Mars. Le procédé, connu dans l’industrie chimique depuis plus d’un siècle, est le procédé de Sabatier, basé sur la réaction (exothermique) du dihydrogène (H2) et du dioxyde de carbone (CO2) :

CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O

Dans les conditions typiques suivantes : température voisine de 300°C (donc modérée), pression de 1 bar, en présence d’un catalyseur à base de ruthénium/alumine, on obtient un excellent rendement de réaction (94 % de conversion).

6. Production d’éthylène

L’éthylène est à la base de la production de la plus grande partie des plastiques les plus couramment utilisés, en particulier le polyéthylène, le polypropylène, le polycarbonate (pour les fenêtres), la résine de polyester. Cette filière permettra d’étendre la palette de produits bien au-delà des matériaux de construction : tissus, lubrifiants, isolants, outils divers, emballages, récipients, etc.

Il est facile de produire de l’éthylène à partir d’hydrogène (brique n°2) et de monoxyde de carbone (brique n°4). On utiliserait à cette fin la réaction (fortement exothermique et à constante d’équilibre élevée, donc à bon rendement) :

2 CO + 4 H2 -> C2H4 + 2H2O

7. Production de Polyéthylène

Traditionnellement, la polymérisation de l’éthylène était menée à très haute pression (quelques centaines de bars) et température élevée (jusqu’à 300°C), mais au cours des années l’apport d’énergie a été diminué en utilisant des systèmes catalytiques. Le catalyseur de type Ziegler et métallocène ont démontré leur flexibilité dans la copolymérisation de l’éthylène avec des oléfines plus lourdes. Cela fait que ces types de catalyseurs occupent une place fondamentale dans le process de fabrication d’une variété de polymères issues de l’éthylène.

Le polyéthylène est aisé à manipuler et conserver, car il se liquéfie à la température nocturne de Mars et se conserve liquide sous quelques bars.

8. Brique et Duricrete

Les argiles, abondants au moins dans certaines régions (en particulier dans les terrains anciens), permettront de fabriquer des briques, excellent matériau de construction. Pour une qualité optimale, il faudrait porter la cuisson à 900°C, mais une température de 300°C pourrait suffire ; ce niveau réduit permettrait d’envisager, pour le chauffage du four, l’utilisation de la chaleur provenant des générateurs électronucléaires (c’est à ce niveau que fonctionnent également les réacteurs de Sabatier).

Il est également possible de fabriquer un ciment de bonne qualité mécanique à partir de sol martien, qui est chargé en sels (sulfates de magnésium, chlorure de sodium) et riche en argiles. En mouillant ce sol on obtient après séchage un matériau (duricrete) de résistance analogue au béton, mais plus sensible à la fracture, défaut qui peut être corrigé en ajoutant des fibres dans le mélange. A partir de ce matériau on peut couler toutes sortes d’éléments de construction, comme avec du béton.

9. Purification de la Silice

La silice omniprésente sur Mars permettra de produire du verre. Une difficulté cependant : la silice martienne sera obtenue à partir d’un sable riche en oxyde de fer Fe2O3 (hématite), qu’il est nécessaire d’éliminer si l’on veut obtenir un verre de bonne qualité optique. Ceci peut se faire par réduction de Fe2O3 par du monoxyde de carbone (CO produit dans la brique n°4) et séparation du fer ainsi obtenu.

10. Fabrication de verre

Fabriquer du verre sur Mars peut sembler relativement simple, sachant que la principale matière première requise, la silice (SiO2) y abonde et qu’on savait déjà fabriquer du verre dans l’Antiquité. En réalité, la première étape, l’alimentation en ingrédients, n’est déjà pas si facile. En effet, le processus de base requiert non seulement de la silice (70%), mais également de la soude (14%), de la chaux (10%) et des oxydes métalliques (magnésie, alumine, 5%). Pas de problème pour récolter de la silice, sauf que la silice martienne est chargée d’oxyde de fer (cf. brique n°11). Normalement, soude et chaux sont produites à partir de carbonates, mais ceux-ci n’abondent pas sur Mars, du moins en surface. On peut aussi partir de la calcite (présente à 5%).

Les oxydes métalliques sont moins problématiques. Mais on constate qu’il va falloir : localiser les sols favorables (gisements), récolter, isoler, éventuellement transformer, donc disposer de moyens mobiles de récolte sur le terrain et d’un véritable petit atelier de traitement chimique.

Ces ingrédients doivent être portés à 1550°C et mélangés de façon à produire une pâte de verre homogène.

11. Agglomération du fer

Le procédé d'agglomération est un processus sidérurgique servant à fritter le minerai de fer pour le rendre apte à l'utilisation dans le haut fourneau. Le minerai de fer est tout d'abord mélangé avec du monoxyde de carbone (cf. brique n°11). L'opération d'agglomération proprement dite consiste à brûler le combustible pour atteindre la température de frittage du minerai. Le produit obtenu, appelé « aggloméré », a une composition chimique, une porosité et une tenue mécanique compatibles avec le fonctionnement du haut fourneau.

12. Haut fourneau et raffinage

L’acier jouera un rôle important dans l’établissement de la colonie, pour les structures, mais aussi pour l’élaboration de réservoirs divers et de pièces résistantes d’outils, de machines, de véhicules… A noter qu’en présence d’une atmosphère ne contenant pas d’oxygène et des quantités minimes de vapeur d’eau, l’acier sera pratiquement inoxydable.

La matière première est particulièrement abondante et facile à collecter, principalement sous forme d’hématite (Fe2O3). Il s’agit ensuite de réduire l’oxyde pour obtenir du fer ; traditionnellement, cela se fait dans un haut-fourneau, qui exige une alimentation en coke (du carbone presque pur), en oxygène (air) et une température de 1200°C. Sur Mars, on ne dispose pas directement de carbone ; par contre on obtient du monoxyde de carbone, CO, comme sous-produit de la décomposition thermique du gaz carbonique atmosphérique (une des deux sources d’oxygène avec l’électrolyse de l’eau). Or le CO est l’agent efficace de la réduction du fer. La réaction étant légèrement exothermique, il sera possible de faire fonctionner un « haut-fourneau » au CO sans dépenser beaucoup d’énergie, à condition de le porter d’abord à température suffisante (700°C ou, mieux, 900°C).

On obtiendra ainsi de la fonte. Pour obtenir de l’acier, il faut encore doser la teneur du carbone au pourcentage requis, tout en « brûlant » les impuretés puis, éventuellement, allier le métal à d’autres métaux (aluminium, chrome, manganèse, silicium, titane, vanadium…). Mais disposer de ces aciers plus résistants ou inoxydables n’est a priori pas une nécessité sur Mars, où les poids sont divisés par 3 et l’atmosphère privée des agents oxydants traditionnels sur Terre (eau, oxygène). Pour ce faire, sur Terre, la fonte sortant du « haut-fourneau » est acheminée dans une station d’affinage où elle est soumise à un flux d’oxygène permettant de brûler le carbone en excès et les impuretés résiduelles, à une température de 1200°C ; puis les additifs métalliques éventuels sont ajoutés. Sur Mars, il se pourrait qu’on puisse effectuer les deux opérations successivement dans la même enceinte, en y injectant d’abord du monoxyde de carbone, puis, en tant que besoin, de l’oxygène.

Contraintes de faisabilités   :

  1. Séchoir : Réalisable facilement
  2. Electrolyseur : Réalisable mais assez dangereux dû à la nature des gaz produits
  3. Séparateur d’air : Réalisable mais nécessite de bonne connaissance dans la mise sous pression de matériaux
  4. CO2 -> CO : Dangereux au vu de la nature toxique du monoxyde de carbone et technologie peu développée donc beaucoup de recherche en perspective
  5. Méthanateur : Réalisable
  6. Ethylène : compliqué technologie peu développée donc beaucoup de recherche en perspective
  7. Polyéthylène : compliqué
  8. Duricrete : Très compliqué, très peu de donnés et besoin de simulant de régolithe, possibilité de créer un sous-projet de création de simulant de régolite à partir de Pouzzolane.
  9. Purification Silice : Faisable
  10. Verre : Réalisable mais nécessite de très hautes température 1500°C
  11. Réduction de l’hématite : Faisable
  12. Acier : Faisable mais nécessite de très hautes température 900°C
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