L'introduction de la production de carburant in situ (ISSP : In Situ Propellant Production), dans l'élaboration de la stratégie d'exploration humaine de Mars, apporte un avantage considérable (Voir dossier "Mars Direct"). C'est pour cette raison que les scientifiques et ingénieurs du centre spatial Johnson de la NASA, le Jet Propulsion Laboratory et le centre de recherche John Glenn (anciennement Lewis), préparent le prototype de démonstration MIP (Mars ISSP Precursor) qui sera embarqué sur la sonde Mars 2001 Surveyor Lander. Le lancement de cette sonde est prévu en avril 2001.

L'objectif du MIP est d'évaluer les performances des concepts mis au point pour la production de carburant in situ ainsi que le comportement du matériel dans l'environnement martien. Les incertitudes liées à nos connaissances embryonnaires de l'environnement martien, et l'impossibilité de simuler correctement certaines conditions, rendent la réalisation d'essais sur Mars extrêmement importante.

MIP sera la première installation qui utilisera les ressources d'un corps extraterrestre. Le succès de cette opération ouvrira la voie aux futures missions robotiques et humaines, pour lesquelles la production de carburant à partir des ressources martiennes est un important facteur de réduction des coûts.

Cinq expériences sont implémentées dans le MIP :

• Le MAAC (Mars Atmosphere Acquisition and Compression). Système d'absorption et de compression du gaz carbonique de l'atmosphère martienne
• L'OGS (Oxygène Generator Subsystem). Système de production d'oxygène pur, qualifié propulsion.
• Le MATE (Mars Array Technology Experiment). Système de mesure du spectre reçu à la surface de Mars et essai de plusieurs nouveaux types de cellules photovoltaïques
• Le DART (Dust Accumulation and Repulsion Test) Système de mesure des caractéristiques de la poussière et essai de techniques permettant d'en réduire l'accumulation sur les panneaux solaires.
• Le MTERC (Mars Thermal Environment and Radiator Characterisation). Système de mesure des températures nocturnes et de démonstration des performances de radiateurs de refroidissement.

Les effets à long terme sur un système fonctionnant dans l'atmosphère martienne seront au cœur de l'expérimentation MIP. C'est pour cela que l'équipement est conçu pour une durée de vie de 90 sols ou plus (1 sol = 1 jour martien = 24,6 heures).

La ressource la plus facilement accessible sur Mars est son atmosphère Avec une concentration de 95%, le gaz carbonique sera la première ressource martienne utilisable. La pression atmosphérique n'est cependant que de 8 à 13 millibars (mb) alors que les systèmes ISPP nécessitent une pression variant de 1013 à 5065 mb (La pression atmosphérique moyenne terrestre est de 1013 mb). Il est donc nécessaire de concevoir un système de compression relativement petit, léger, ayant un bon rendement, insensible à la poussière, robuste et fiable pour fonctionner sur de longues périodes dans des conditions de changement de température journalière et saisonnière très sévères.

Le premier objectif du MAAC est d'évaluer les performances d'un compresseur à "absorption". Le principe de fonctionnement de ce type de compresseur est basé sur les caractéristiques d'absorption et de dégorgement de gaz de certains matériaux, en fonction de la température. La quantité et le type de gaz absorbé dépendent du matériau choisi. Ne contenant aucune pièce mobile, ce système permet d'envisager une durée de vie, une robustesse et une fiabilité potentiellement élevée.

Le MAAC accumule le CO2 durant la nuit lorsque la température tombe aux alentours de 200°K. Des radiateurs faciliteront le refroidissement du matériau d'absorption et de dégorgement. Lorsqu'une quantité suffisante de CO2 aura été absorbé (environ 12,5g), le matériau sera chauffé jusqu'à ce que la pression atteigne 1086 mb. À ce moment le CO2 pourra alimenter le générateur d'oxygène (OGS).

Le générateur d'oxygène (OGS).

L'objectif ultime d'un démonstrateur de production de carburant in situ ISPP est la production d'oxygène et/ou de carburant à partir de ressources locales. Les objectifs de l'OGS (Oxygene Generator Subsystem) sont:

• Démonter la possibilité de produire de l'oxygène à partir du gaz carbonique martien.
• D'évaluer les performances d'un générateur d'oxygène au zirconium (corps simple, très abondant dans la croûte terrestre), dans l'environnement martien.

Les générateurs au zirconium produisent l'oxygène en électrolysant le CO2 à haute température (750°) afin de soustraire un ion d'oxygène à la molécule. Le zirconium, lorsqu'il est soumis à une tension électrique, agit alors comme un séparateur en ne laissant passer que l'oxygène. L'OGS est dimensionné pour produire 0,5 cm3 d'oxygène par minute. Il est prévu de faire fonctionner l'OGS environ 10 fois, à la surface de Mars.

Mesure de l'ensoleillement et essai de nouvelles technologies pour les cellules photovoltaïques (MATE).

Avant l'atterrissage de Mars Pathfinder en 1997, les panneaux solaires n'ont jamais été utilisés à la surface de Mars. Mais Pathfinder était une mission de courte durée, comparée aux 500 sols (jours martiens) d'une mission de retour d'échantillons basée sur la production de carburant sur place. La production de carburant et le stockage cryogénique requièrent une puissance électrique significative. La génération d'électricité sur de longues périodes devient un élément critique pour le succès de la mission.

L'expérience MATE comportera 5 types de cellules photovoltaïques élaborées dans de nouveaux matériaux, 2 types d'architectures de panneaux solaires et des capteurs de température pour évaluer les performances de ces nouvelles technologies et architectures.

MATE emportera également 2 radiomètres et un spectromètre double. Ce dernier mesurera le spectre solaire entre 300 à 1700 nm (nanomètres) à l'aide de 2 réseaux de photodiodes. Chaque réseau est équipé de son propre système d'amplification et est alimenté par sa propre fibre optique. Le spectromètre permettra également, de mesurer les bandes spectrales d'absorption et de réflexion de la poussière, de quantifier les variations journalières du spectre et de l'intensité du rayonnement solaire, et d'améliorer la modélisation de l'atmosphère.

Le système de test de répulsion de la poussière (DART).

Les mesures réalisées sur l'astromobile Sojourner (Rocky pour les intimes) de Mars Pathfinder ont montré que la déposition de poussière sur les panneaux solaires entraîne une réduction de puissance de 0,28 % par jour par temps calme (sans tempête de sable). Cette accumulation serait catastrophique pour une mission de longue durée.

DART utilisera un microscope, un moniteur d'accumulation de poussière et un ensemble de senseurs pour déterminer la position du soleil. Le microscope permettra de mesurer la quantité de poussière déposée et donnera la taille, la forme et l'opacité des particules. Il livrera également des informations sur la composition de ces particules en analysant leurs caractéristiques optiques.

DART sera également équipé de cellules photovoltaïques inclinées et d'un système électrostatique de répulsion des poussières. Le principe expérimenté par DART n'est en effet pas d'enlever la poussière déposée, mais d'éviter que celle-ci se dépose en appliquant une forte tension électrique.

Les expériences MATE et DART sont montées sur la partie supérieure du MIP Cliquez sur l'image pour obtenir une vue agrandie (100K)

Système de mesure des températures nocturnes et de démonstration des performances des radiateurs (MTERC).

Un contrôle efficace de la température est un élément essentiel d'une unité ISPP. Des radiateurs sont nécessaires pour refroidir d'une part le matériau d'absorption de la pompe, et d'autre part l'oxygène et le carburant produit, avant liquéfaction et stockage.

Quatre radiateurs composent le MTERC, 2 de forte émissivité et 2 de faible émissivité. Un radiateur de chaque type est protégé par une couverture mobile et servira de radiateur de référence. Ils mesureront les températures nocturnes qui serviront de références aux mesures réalisées par les 2 radiateurs qui resteront continuellement exposés à l'environnement martien. La comparaison de ces mesures permettra de déterminer l'impact de l'accumulation de la poussière, l'abrasion dû au vent, etc…, sur les performances à long terme des radiateurs.

Vue de dessus. Les expériences MATE et DART se situent à droite alors que les plaques blanches de gauche sont les radiateurs de l'expérience MTERC Cliquez sur l'image pour obtenir une vue agrandie (80K)

Conclusion..

Le succès de ces cinq expériences du démonstrateur MIP permettra d'acquérir des connaissances sur l'efficacité et la fiabilité des technologies mises en œuvre. Les résultats attendus sont :

• Amélioration de la technologie d'absorption et de compression du gaz carbonique martien.
• Meilleure compréhension des caractéristiques qui agissent sur les performances des cellules de zirconium dans la production d'oxygène qualifié propulsion.
• Meilleure compréhension des phénomènes de dégradation des performances des panneaux solaires et des radiateurs de refroidissement dans l'environnement martien.
• Évaluation de méthodes de réduction de déposition de poussière sur les panneaux solaires et d'architectures permettant un contrôle efficace de la température par évacuation de la chaleur vers l'environnement.

(Sources:JPL et NASA)

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