Produire de l’oxygène à partir de l’atmosphère martienne : c’est ce que fait Moxie, instrument intégré à Perseverance, depuis l’arrivée du rover sur Mars en février 2021. Au cours de l’année qui a suivi, les scientifiques ont testé la capacité du système à résister aux importantes variations de conditions environnementales de la planète. Une opération réussie, qui marque un pas de plus vers une exploration humaine de la planète.

Voilà 18 mois que PerseverancePerseverance arpente le sol martien, avec à son bord toute une série d'instruments et de matériel expérimental. Entre autres, une petite boîte nommée Moxie pour Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment. L'instrument Moxie est certainement passé inaperçu face aux nouvelles découvertes réalisées par le rover martien de la Nasa. Son rôle est pourtant crucial pour la préparation d'une potentielle mission habitée sur la Planète rouge. Car si l'absence d'oxygèneoxygène libre dans l'atmosphèreatmosphère de Mars ne gêne en rien le fonctionnement de Perseverance, ce n'est pas le cas des futurs astronautesastronautes, qui auront besoin d'une réserve d'oxygène conséquente pour vivre à la surface de la planète durant plusieurs mois.

L’oxygène, un élément essentiel à la préparation des futures missions habitées

Dans cette optique, deux options sont possibles : importer de l'oxygène depuis la Terre, ou produire cet élément directement sur Mars. La première solution étant coûteuse en place et en carburant, les scientifiques du MIT (Massachusetts Institute of Technology) se sont donc penchés sur la deuxième option. C'est ainsi que Moxie a été intégré à Perseverance.

Moxie est le premier instrument à produire de l’oxygène sur un autre monde. © Nasa, JPL-Caltech
Moxie est le premier instrument à produire de l’oxygène sur un autre monde. © Nasa, JPL-Caltech

Dès l'atterrissage, le petit instrument s'est donc mis à fonctionner et à fabriquer de l'oxygène à partir de l’atmosphère martienne riche en CO2. Les résultats ont rapidement été très prometteurs (voir notre article précédent, ci-dessous). Il restait cependant à tester le fonctionnement du système au cours du temps, mais également dans des conditions atmosphériques très variables. L'atmosphère martienne est en effet soumise à d'importantes variations, en particulier de température et de densité, notamment entre le jour et la nuit mais également entre les différentes saisons. Au cours de l'année, la densité de l'airair peut ainsi varier d'un facteur 2 et la température de 100 °C.

Un fonctionnement optimal en toute saison

Une nouvelle étude, publiée dans Science Advances, fait donc le point sur ces 18 mois de fonctionnement. Et force est de constater que l'opération est plutôt réussie pour Moxie. Lors de chaque test, l'instrument a atteint son objectif de produire six grammes d'oxygène pur par heure, soit l'équivalent de la quantité produite par un petit arbre sur Terre.

Il n'était pourtant pas évident que Moxie arrive à supporter le stressstress thermique que lui imposait la planète et fonctionne de manière optimale en toutes saisonssaisons.

L'objectif est désormais de pousser la production d'oxygène à son maximum lors du printemps martien, mais également de tester le fonctionnement de l'appareil à l'aubeaube et au crépusculecrépuscule, deux moments de la journée où la température change rapidement et de façon notable.

Une production à plus grande échelle en amont d’une future mission habitée

Si les derniers tests s'avèrent concluants, ce système pourrait être envisagé, à bien plus grande échelle et fonctionnant de manière continue, pour produire de l'oxygène en amont de l'arrivée d'une mission habitée. L'objectif serait de produire la même quantité que le feraient plusieurs centaines d'arbres. Cela permettrait non seulement de subvenir aux besoins des astronautes, mais également de remplir des réservoirs en prévision de leur retour du Terre.

La capacité de production d'oxygène sur Mars est un préalable à toute mission habitée de la Planète rouge. © Framestock, Adobe Stock
La capacité de production d'oxygène sur Mars est un préalable à toute mission habitée de la Planète rouge. © Framestock, Adobe Stock

Cette expérimentation est surtout remarquable du fait qu'il s'agit de la première utilisation in situ de ressources martiennes. Une première qui pourrait ouvrir la voie à l'utilisation d'autres matériaux de la planète pour supporter la vie d'astronautes à la surface de Mars.


Perseverance : de l'oxygène a été produit sur une autre planète pour la première fois !

Pour Perseverance, le dernier roverrover de la Nasa posé sur Mars depuis le mois de février dernier, les succès se suivent. La Nasa vient d'annoncer une nouvelle première : un instrument embarqué à bord vient de produire de l'oxygène en utilisant les éléments disponibles sur place.

Article de Nathalie MayerNathalie Mayer publié le 27 avril 2021

Si les Hommes veulent un jour conquérir la planète Mars, il leur faudra qu'ils apprennent à produire leur oxygène sur place. En utilisant des éléments de l'environnement de ce monde. C'est dans cette optique que les ingénieurs de la Nasa ont imaginé Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment. Un démonstrateurdémonstrateur de la taille d'une batterie de voiturebatterie de voiture affectueusement surnommé Moxie, emporté sur la Planète rouge par le rover Perseverance.

Moxie est le premier instrument à produire de l’oxygène sur un autre monde. © Nasa, JPL-Caltech
Moxie est le premier instrument à produire de l’oxygène sur un autre monde. © Nasa, JPL-Caltech

Et ce mardi 20 avril, il a été testé pour la toute première fois. Avec succès. Moxie a converti un oxygène (O) une partie de la fine couche d'atmosphère de Mars, une atmosphère riche en dioxyde de carbonedioxyde de carbone (CO2). Il a ainsi produit environ cinq grammes -- soit juste assez pour permettre à un astronaute de respirer pendant 10 minutes.

« Moxie a encore du travail à faire, mais les résultats de cette démonstration technologique sont pleins de promesses alors que nous nous dirigeons vers notre objectif de voir un jour des humains sur Mars », a précisé Jim Reuter, administrateur associé de la Direction des missions de technologie spatiale à la Nasa, dans un communiqué. « L'oxygène n'est pas seulement ce que nous respirons. Les propulseurspropulseurs de nos fuséesfusées dépendent de l'oxygène et les futurs explorateurs dépendront de la production d'oxygène sur Mars pour rentrer chez eux. »

Ici, le <em>Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment</em> (Moxie) et ses composants. Une pompe aspire le dioxyde de carbone (CO<sub>2</sub>) de l’atmosphère martienne. Celui-ci est alors acheminé vers un électrolyseur (Soxe) où il est divisé électrochimiquement pour produire de l’oxygène pur. © Nasa, JPL-Caltech
Ici, le Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (Moxie) et ses composants. Une pompe aspire le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère martienne. Celui-ci est alors acheminé vers un électrolyseur (Soxe) où il est divisé électrochimiquement pour produire de l’oxygène pur. © Nasa, JPL-Caltech

Avant de poursuivre, arrêtons-nous sur quelques chiffres. La Nasa avance qu'une fusée aurait besoin de 25 tonnes d'oxygène pour décoller de la surface martienne et de sept tonnes de carburant pour retourner sur Terre. Pour produire autant d'oxygène, il faudrait un Moxie d'une tonne. Alors que celui fixé à l'avant droit du rover Perseverance pèse moins de 20 kilos. Mais il faut souligner que pendant une année entière passée sur Mars, un colon humain ne consommerait qu'une seule tonne d'oxygène.

Des cycles de production d’oxygène encore à venir

Pour éviter d'avoir à transporter autant d'oxygène de la Terre vers Mars, les ingénieurs ont donc imaginé récupérer -- avec émissionsémissions de monoxyde de carbonemonoxyde de carbone (CO) -- les atomesatomes d'oxygène disponibles dans le CO2 qui compte pour 96 % de l'atmosphère téénue de Mars. Le démonstrateur Moxie devait, dans un premier temps, montrer la possibilité de faire voyager un tel instrument jusqu'à la planète rouge. Puis passer en phase d'extraction expérimentale d'oxygène pendant les près de deux ans à venir.

Notez que le processus de séparationséparation des atomes se produit à des températures de quelque 800 °C. Le Moxie a donc été conçu en conséquence. À partir de pièces en alliagealliage de nickel qui chauffent et refroidissent les gaz qui les traversent, un aérogelaérogel qui aide à retenir la chaleur et une fine couche d'or qui l'empêche de rayonner vers l'extérieur et d'endommager ainsi d'autres parties de Perseverance.

Le Moxie a d’abord dû passer par une phase de deux heures de préchauffage avant de commencer à produire de l’oxygène à une vitesse d’environ 6 grammes par heure. Objectif : atteindre les 10 grammes par heure. © Observatoire MIT Haystack
Le Moxie a d’abord dû passer par une phase de deux heures de préchauffage avant de commencer à produire de l’oxygène à une vitesse d’environ 6 grammes par heure. Objectif : atteindre les 10 grammes par heure. © Observatoire MIT Haystack

Maintenant que le premier test a été mené avec succès, les cycles de production se dérouleront comme suit. Une première phase servira à vérifier et caractériser le fonctionnement de l'instrument. Une deuxième phase fera fonctionner l'instrument dans des conditions atmosphériques variables, telles que différentes heures de la journée et différentes saisons. Dans une troisième phase, les ingénieurs comptent « repousser les limites » en essayant de nouveaux modes de fonctionnement par exemple.

Voir aussi

Mars : on a trouvé comment y produire de l’oxygène