Comment construire un réseau électrique sur la Lune

Les premières expéditions sur la lune utilisaient des technologies jetables, conçues pour fonctionner pendant la période de deux semaines de jour lunaire, puis périr dans le froid de la nuit tout aussi longue. Mais pour soutenir une colonie, tout doit être conçu pour survivre à des extrêmes mortels. Pendant la journée, les températures lunaires peuvent atteindre 120°C à l’équateur. La nuit, la température chute à -220°C, aussi froide que Pluton. Sans un système de chauffage, l’équipement se détériore. Les composants structurels deviennent cassants et peuvent se fissurer en raison des contraintes mécaniques engendrées par ces variations de température. Sans soleil, les panneaux solaires deviennent inutiles, leur vaste surface ne servant alors qu’à perdre de la chaleur. Les batteries perdent leur capacité et leurs composants liquides gèlent, ce qui nécessite d’utiliser une grande partie de l’énergie des batteries pour les chauffer. En se rendant sur la lune, un engin spatial doit également faire face à des variations extrêmes de température, avec un côté plongé dans l’ombre des centaines de degrés plus froid que le côté ensoleillé. Une combinaison d’isolation, de réflexion et d’énergie produite par des panneaux solaires fonctionne pour maintenir l’ensemble de l’engin spatial dans une plage de température acceptable tout au long de son vol. Ce n’est qu’après l’atterrissage de l’engin spatial que le compte à rebours vers ces très difficiles conditions nocturnes lunaires commence. La plupart des missions spatiales lointaines, comme Voyager et New Horizons, et les sondes lunaires à long terme, comme le pack d’expérience à la surface lunaire d’Apollo (ALSEP), survivent avec une lumière solaire limitée en utilisant des générateurs thermiques radioisotopiques. Ces générateurs peuvent produire de la chaleur de manière constante pendant des décennies, mais en raison du carburant hautement radioactif nécessaire, ils présentent des défis en termes de sécurité, d’approvisionnement et d’approbation réglementaire. L’énergie solaire serait une meilleure solution si elle pouvait supporter les extrêmes de la surface lunaire. Nous, ainsi que nos collègues d’Astrobotic, une petite entreprise basée à Pittsburgh fondée en 2007, avons pour mission de rendre l’espace accessible au monde entier. La société est principalement connue pour sa flotte de modules d’atterrissage lunaires, qui comprend Peregrine, dont la première mission est prévue pour 2023, et Griffin, qui est prévu pour transporter le rover d’exploration polaire des volatiles de la NASA (VIPER) vers le pôle sud de la lune en 2024. Maintenant, la société souhaite résoudre le problème de l’alimentation sur la lune avec un service capable de collecter l’énergie solaire aux pôles, où la lumière du soleil est toujours à portée, et de la distribuer dans des endroits plongés dans l’obscurité. Le système que nous avons l’intention de construire sur la lune, appelé LunaGrid, sera constitué d’un réseau de stations de génération d’énergie solaire, ou nœuds, reliés par des câbles de transmission. Ce réseau est conçu pour fournir de l’énergie là où elle est nécessaire grâce à une flotte de rovers robotiques. Astrobotic prévoit de démontrer la première génération du système dès 2026, et que le premier LunaGrid complet deviendra opérationnel d’ici 2028 au pôle sud de la lune. Pourquoi là-bas ? Parce que, grâce à son programme Artemis, la NASA prévoit d’envoyer des astronautes sur la lune en 2025 et d’établir une base permanente près du pôle sud de la lune d’ici 2030. Dans cette région, les cratères profonds dont l’intérieur se trouve en permanence à l’ombre restent très froids. Ces pièges froids naturels sont là où l’on peut trouver de la glace d’eau. Cette glace pourrait fournir de l’eau potable et, après électrolyse, de l’oxygène respirable. L’autre produit de cette électrolyse, l’hydrogène, pourrait, avec l’oxygène, être utilisé un jour pour refaire le plein de fusées. La base Artemis devra être construite à proximité de ces régions en permanence à l’ombre. Rien des missions Apollo n’a tenté de produire suffisamment d’énergie pour survivre à la nuit lunaire. Ces missions ont toutes été menées pendant la journée lunaire afin que les astronautes puissent travailler à la chaleur du soleil. Les piles à combustible, plutôt que les panneaux solaires, fournissaient l’énergie, car les panneaux solaires des années 1960 et 1970 avaient un rapport poids-puissance prohibitif. Mais les avancées technologiques de ces dernières décennies ont rendu les panneaux solaires beaucoup plus légers. Un certain nombre de robots lunaires à petite échelle, tels que l’ALSEP des États-Unis, le rover Lunakhod de l’Union soviétique et les récents atterrisseurs chinois Chang’e, ont survécu pendant des mois ou des années en utilisant une énergie nucléaire. Ils ont réussi en utilisant une unité de chauffage radioisotopique, qui utilise la radioactivité pour chauffer directement les choses, et un générateur thermoélectrique radioisotopique, qui convertit la chaleur radioactive en électricité. Des réacteurs à fission ont été proposés pour soutenir la mission Artemis. Cependant, cette technologie fait face aux mêmes défis que les alternatives nucléaires précédentes : toute approche impliquant le lancement de charges radioactives devrait surmonter d’importants obstacles de sécurité et réglementaires. Astrobotic n’a pas exclu l’énergie nucléaire – il s’est associé à Westinghouse pour développer des réacteurs à fission dans le cadre d’un contrat conjoint NASA/Department of Energy. Cependant, pour alimenter les premières années de la base Artemis, la société s’attend à ce que la NASA adopte le LunaGrid entièrement alimenté par l’énergie solaire d’Astrobotic. Voici comment nous et nos collègues prévoyons de le concevoir. Un CubeRover déploie son panneau solaire, puis le positionne verticalement. John MacNeillUn réseau électrique lunaireLunaGrid sera constitué d’un réseau modulaire de stations d’énergie fixes et de stations de recharge mobiles. Les stations d’énergie fixes seront reliées par des câbles électriques. De telles connexions électriques directes sont préférables à une transmission d’énergie par micro-ondes ou laser, qui présente des inefficacités et peut potentiellement représenter un danger pour les astronautes travaillant dans la zone. Les stations seront déployées près du pôle sud de la lune, où la région éclairée par le soleil est suffisamment proche de la région nocturne pour garantir qu’au moins certaines de ces stations solaires fourniront toujours de l’électricité. Et non loin se trouvent les fonds de cratères en permanence à l’ombre qui contiennent de la glace d’eau. Bien sûr, LunaGrid pourrait également fonctionner au pôle nord, s’il devait jamais y avoir une base construite là-bas. Sur Terre, les panneaux solaires sont généralement installés sur une surface horizontale ou presque horizontale. Cela fonctionne bien lorsque le soleil se lève haut dans le ciel à midi. Mais aux pôles lunaires, le soleil reste toujours près de l’horizon. Ainsi, pour intercepter le plus de lumière possible, les panneaux solaires doivent être installés verticalement. Cette image de la lune montre le pôle sud [en bas], un endroit où le soleil brille toujours et où les stations solaires peuvent donc toujours fournir de l’électricité. NASA.L’équipement que nous prévoyons d’utiliser comprend des panneaux solaires enroulés qui se dressent au-dessus d’une base de rover. Ces panneaux solaires verticaux, une fois déployés, atteignent plus de 20 mètres de hauteur. La conception mobile permet à la station de descendre de l’atterrisseur jusqu’à la surface lunaire, de se mettre à niveau et de se déplacer vers une position éloignée, tout en gérant des câbles d’alimentation pouvant s’étendre jusqu’à 2 kilomètres. Cette approche évite d’avoir besoin d’astronautes ou d’un rover robotique spécialement conçu pour déployer cet équipement de génération d’énergie. L’ensemble de capteurs solaires déployable, de la société aérospatiale Redwire, basée à Jacksonville, en Floride, est actuellement utilisé sur la Station spatiale internationale. Les stations d’énergie fixes utiliseront des caches de cellules solaires électrodynamiques du Kennedy Space Center de la NASA, qui créent une force empêchant les particules de poussière de se déposer sur les panneaux. Pour convertir l’énergie des différentes stations afin qu’elle puisse être intégrée au réseau, le système utilise des dispositifs électroniques de gestion de l’énergie développés au centre de recherche Glenn de la NASA. Ce que les stations ne peuvent pas faire par elles-mêmes, c’est distribuer de l’énergie à des endroits séparés de ce réseau. Cela est réalisé en utilisant de petits véhicules robotiques appelés CubeRovers, qui servent de mains agiles au système LunaGrid. Ces robots modulables légers pès