Le régolithe lunaire source de H2O et de O2 ?

Un ingénieur/chercheur  Thorsten Denk (et son équipe) travaillent sur un dispositif qui permettrait d'extraire de l'eau (puis par électrolyse obtenir de l'oxygène et de l'hydrogène) à partir du régolithe lunaire. Ils ont travaillé avec un financement européen à la mise au point d'un dispositif expérimental à la "Plate forme Solaire d'Almeria" en Espagne.
Un réacteur chimique solaire est utilisé.

Background: The project Oresol originates from the "ERA-STAR Regions" program, where it was part of a joint initiative between Andalusia and Bremen/Germany. PSA continued the activity due to the unique possibility to investigate a promising type of solar chemical reactor for reactions that need the processing of large quantities of solids.

Objectives: The principal goal of the project is the development and testing of a solar powered fluidized bed reactor for the extraction of oxygen from lunar regolith. This is done by the reduction of one constituent of lunar soil, ilmenite (FeTiO3), with hydrogen, and the subsequent electrolysis of the obtained water.

https://www.engineering.com/DesignerEdge/DesignerEdgeArticles/ArticleID/15945/Solar-Reactor-Makes-Water-and-Oxygen-from-Moon-Rocks.aspx
et aussi un pdf :
http://tinyurl.com/yb4uhzym

Étude très intéressante sur l’extraction de l’oxygène à partir de l’ilmenite FeTiO3 présent dans le régolithe lunaire. Cette extraction s’effectue en deux étapes :
D’abord une réduction par H2 dans un four solaire vers 980 ºC qui produit H2O selon FeTiO3 +H2 =Fe+TiO2+H2O
Ensuite une électrolyse de H20 dans un électrolyseur alimenté en électricité par des panneaux photovoltaïques pour récupérer H2 pour un nouveau cycle et produire O2
Avec ce cycle complet, on ne produit que de l’oxygène.

Toutefois si on s’arrête à la première étape, on produira de l’eau , toutefois très contaminée , et qu’il faudra purifiée si on veut la consommer et avec une consommation en hydrogène .
Il est à remarquer que même si on décide de produire de l’eau par cette voie avec la consommation en hydrogène impliqué, cela est plus intéressant que d’amener cette eau depuis la Terre puisque l’on réduit la masse à apporter de 9 fois en amenant depuis la Terre que l’hydrogène.

À noter que les Espagnols sont les champions du solaire thermique à concentration. Ils ont mis la photo d'une moule à la fin de leur présentation.
On ressort les vieilles études de la NASA du programme Constellation.
Si l'eau produite serait polluée, ce procédé produirait aussi du fer et du titane. Matériaux tout à fait utiles pour la construction de tout un tas de choses.
Avec l'étude sur les dépôts pyroclastiques cela autorise des implantations au-delà des hypothétiques glaces des pôles.
http://www.forum-conquete-spatiale.fr/t18757-une-lune-pleine-d-eau

katalpa https://astronautique.actifforum.com/t20991-etre-sur-la-luneY a-t-il des solutions ?

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/univers-colonisation-lune-methode-prometteuse-y-produire-oxygene-6475/

montmein69


Les solutions innovantes sont bien sûr à creuser.
Cela dit les "schémas de principe" sont souvent prometteurs, l'installation pratique n'aura pas cette simplicité.
Il faudra passer d'une installation de laboratoire à une version "transportable" (soit en kit à assembler sur place, soit de dimension suffisamment réduite pour un cargo). Des étapes indispensables pour disposer d'un dispositif utilisable dans l'environnement lunaire.
Si le programme Artemis dépasse l'étape Artemis 3, ou si des entreprises privées se lancent dans du business sur la Lune .... on aurait un dispositif bénéficiant d'une matière première quasi inépuisable et qui ne serait pas tributaire de la glace présente aux pôles .

Toutefois ce procédé -même s'il serait très utile pour la production de dioxygène - n'apporte pas l’élément hydrogène.
 Donc la glace d'eau lunaire serait quand même la bienvenue pour se procurer le dihydrogène. Sinon il faudra l'importer soit sous forme liquide à très basse température ou dans des composés en contenant comme le méthane deux fois plus hydrogéné que l'eau et de masse molaire 16 g/mol au lieu de 18 g/ mol  soit 1H pour 4 g au lieu de 1H pour 8 g  
 Néanmoins si on reste limité à l'oxygène lunaire, cela reste intéressant puisque son transport serait bien plus onéreux que celui de l'hydrogène  ( O =16 g/mol vs H = 1g/mol)

Une autre possibilité d'utilisation du dioxygène et des poudres métalliques qui seraient produites:

https://lejournal.cnrs.fr/videos/le-carburant-du-futur-sera-t-il-une-poudre-metallique

Giwa a écrit:Une autre possibilité d'utilisation du dioxygène et des poudres métalliques qui seraient produites:

https://lejournal.cnrs.fr/videos/le-carburant-du-futur-sera-t-il-une-poudre-metallique

Ça me rappelle une vieille discussion à propos d'un match entre un rover martien brûlant du magnésium à partir du CO2 atmosphérique vs un dirigeable de 300 m et de quelques tonnes, le tout pour ramener de l'eau depuis les pôles de Mars ;)

https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t13546p325-comment-coloniser-mars-a-partir-de-ses-ressources

@Eloi: effectivement nous avions discuté de la combustion de métaux et en l’occurrence du magnésium en présence du dioxyde de carbone martien pour la propulsion, et en particulier pour votre concept de dirigeables gonflés à l’hydrogène plutôt qu’à l’hélium.
Cela mériterait qu’on en reparle après cet article : 
https://lejournal.cnrs.fr/videos/le-carburant-du-futur-sera-t-il-une-poudre-metallique
dans https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t13546p325-comment-coloniser-mars-a-partir-de-ses-ressources
En effet des roches de nature assez proches sur Mars doivent exister qui permettraient la production d’oxygène et de poudres métalliques pouvant aussi servir dans une filière énergétique .

La solution serait peut-être de trouver un grand monolithe noir indétectable depuis la Terre.

En tout cas un retour sur la Lune  (sans faire appel à un monolithe noir ou plutôt d’une transparence absolue pour être indétectable  ;) ) permettrait de mettre au point des technologies qui pourraient servir ailleurs -en dehors de Mars - comme les astéroïdes et aussi les satellites martiens Deimos et Phobos .
 En particulier la maîtrise de la décarbonisation d’une chaîne énergétique par la combustion de poudres métalliques, envisagée aussi sur notre Terre serait fort utile.

montmein69 a écrit:Un ingénieur/chercheur  Thorsten Denk (et son équipe) travaillent sur un dispositif qui permettrait d'extraire de l'eau (puis par électrolyse obtenir de l'oxygène et de l'hydrogène) à partir du régolithe lunaire. Ils ont travaillé avec un financement européen à la mise au point d'un dispositif expérimental à la "Plate forme Solaire d'Almeria" en Espagne.
Un réacteur chimique solaire est utilisé.

Background: The project Oresol originates from the "ERA-STAR Regions" program, where it was part of a joint initiative between Andalusia and Bremen/Germany. PSA continued the activity due to the unique possibility to investigate a promising type of solar chemical reactor for reactions that need the processing of large quantities of solids.

Objectives: The principal goal of the project is the development and testing of a solar powered fluidized bed reactor for the extraction of oxygen from lunar regolith. This is done by the reduction of one constituent of lunar soil, ilmenite (FeTiO3), with hydrogen, and the subsequent electrolysis of the obtained water.

https://www.engineering.com/DesignerEdge/DesignerEdgeArticles/ArticleID/15945/Solar-Reactor-Makes-Water-and-Oxygen-from-Moon-Rocks.aspx
et aussi un pdf :
http://tinyurl.com/yb4uhzym

En reprenant le premier post de ce sujet, il est important de souligner que ce qui extrait de la  régolithe, c’est l’oxygène et que l’eau n’est obtenue que par combinaison avec de l’hydrogène qui doit être apporté depuis la Terre...car si on trouve de la glace d’eau au fond des cratères lunaires, on ne ne va pas l’électrolyser pour obtenir l’hydrogène nécessaire .
Si entre une  basse terrestre et une orbite basse lunaire ,on envisage un remorqueur à propulsion ionique, la durée du voyage serait incompatible avec un transport de cet hydrogène sous forme de dihydrogène liquide.  A la réflexion le mieux serait son transport sous forme d’ammoniac qui par pyrolyse à basse pression se décompose en diazote et dihydrogène selon 2 NH₃ = N₂ +3H₂
PS. : NH₃ contient 1H de plus que H₂O et comme NH₃ = 17g/mol au lieu de H₂O = 18g/mol, donc 5,7g/mol H au lieu de 8g/mol H avec donc  un rapport entre l'ammoniac et l'eau de presque la moitié : 0,6
 Pour un transport Terre / Lune, tout gain est important...et de plus  l’apport d’azote peut avoir son intérêt , en particulier dans des serres avec des légumineuses pour fixer l’azote.

On n'y verra pas clair aussi longtemps qu'on aura pas envoyer du matériel et des cosmonautes sur la Lune, car ça fait longtemps que tout le monde prépare ces missions et les techniques sont théoriquement à peu près au point, concrètement c'est une autre affaire. Il faut y aller pour voir.

katalpa a écrit:On n'y verra pas clair aussi longtemps qu'on aura pas envoyer du matériel et des cosmonautes sur la Lune, car ça fait longtemps que tout le monde prépare ces missions et les techniques sont théoriquement à peu près au point, concrètement c'est une autre affaire. Il faut y aller pour voir.

Tout à fait! Mais on peut toujours cogiter sur les phases ultérieures qui suivront ces premiers débarquements pionniers pour des installations permanentes  .

Je me permet de reposter un vieil article de recherche commandé par la NASA en 1987. 

Lunar Surface Base Propulsion System Study
Vol 1
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19890010900.pdf
Vol 2
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19870012623.pdf


Il "résume" les possibilités d'extraction de différents ergols à partir du régolite selon les types de sol et va jusqu'à estimer le matérielle et leur masse nécessaire pour fournir une quantité utilisable de ses ergols.

Je retiens qu'en plus de l'Hydrolox, il y aurait les sels d'Aluminium/Oxygène, mais aussi mon préféré le Silane/Oxygène (LSiH4/LOX)
Chaque ergol a ses pour et ces contres. 
L'hydrolox demeure le champion de l'Isp et il y aurait plusieurs méthodes de synthèse possibles. Cependant le stockage du LH2 demeure très problématique.
Du côté du Silane je retiens que le régolite est composé d'environ 20% de Silice (Si) et 40% d'Oxygène. Le Silane a une combustion spontané avec l'Oxygène un peu comme les Hypergoles, ce qui diminue la complexité de démarrage des moteurs-fusées. Il est stable au long terme et aussi facile à entreposer que le LOX (température similaire et volume similaire). Son Isp est un peu meilleur que le MéthaLox et ce situe entre 350 et 400s selon le ratio d'expansion de la tuyère.
Il faudrait bien sûr avoir des moteurs conçus pour ce Silane, cependant ils n'évoquent aucune difficulté particulière à leur conception, étant très similaires aux moteurs actuellement utilisés. Ce qui n'est pas le cas des potentiels moteurs basé sur l'Aluminium.

Bonne lecture et vos commentaires son les bienvenus

@ Arès F : articles très intéressants 
A propos de l’utilisation du silane comme carburant en présence du comburant dioxygène, ses performances sont excellentes. Toutefois il y a toujours le problème de disposer de l’élément hydrogène pour sa synthèse : soit on peut se le procurer à partir de la glace d’eau lunaire, soit on doit le faire venir depuis la Terre, par exemple à partir de l’ammoniac pour 5,7g/mol H car, directement à partir du silane 
SiH4 avec Si = 28g/mol, cela donnerait 8 g/mol H : à réserver pour s’extraire de la champ de gravitation lunaire ou au moins pour des vols orbitaux lunaires.
Pour des vols suborbitaux.l’ISP du mélange Aluminium / dioxygène avec excès de ce dernier avec  MR (pour mixture ratio)= 2,3 devrait  convenir sans avoir recours à l’élément hydrogène et en utilisant des éléments abondants sur la Lune.
Il faut rappeler peut-être pourquoi un moteur-fusée fonctionnant avec Al/O2 exige un excès de O2 : car sans gaz dans les éjectas...pas de pression ...or pas de gaz aluminium , ni alumine Al2O3

Pour la source d'Hydrogène, je me demande s'il ne serait pas possible de le "capturer" en provenance du Vent Solaire qui est constitué à 73% de protons (Hydrogène ionisé)??

https://www.clubic.com/mag/sciences/conquete-spatiale/actualite-851119-vents-solaires-surface-lune-produire-eau.html

Arès F a écrit:Pour la source d'Hydrogène, je me demande s'il ne serait pas possible de le "capturer" en provenance du Vent Solaire qui est constitué à 73% de protons (Hydrogène ionisé)??

https://www.clubic.com/mag/sciences/conquete-spatiale/actualite-851119-vents-solaires-surface-lune-produire-eau.html

C’est une hypothèse possible de la formation de molécules H2O qui après de multiples migrations au hasard finissent par se retrouver piégées au fond des cratères sous forme de glace en s’accumulant pendant des millions, voire des milliards d’années.
On pourrait créer des champs magnétiques artificiels en entonnoir pour concentrer ce flux de protons du vent solaire avec au fond une cathode pour les transformer en atomes d’hydrogène pour réduire ensuite de la régolithe avec formation de molécules H2O et d’alliages métalliques.

Giwa a écrit:

Arès F a écrit:Pour la source d'Hydrogène, je me demande s'il ne serait pas possible de le "capturer" en provenance du Vent Solaire qui est constitué à 73% de protons (Hydrogène ionisé)??

https://www.clubic.com/mag/sciences/conquete-spatiale/actualite-851119-vents-solaires-surface-lune-produire-eau.html

C’est une hypothèse possible de la formation de molécules H2O qui après de multiples migrations au hasard finissent par se retrouver piégées au fond des cratères sous forme de glace en s’accumulant pendant des millions, voire des milliards d’années.
On pourrait créer des champs magnétiques artificiels en entonnoir pour concentrer ce flux de protons du vent solaire avec au fond une cathode pour les transformer en atomes d’hydrogène pour réduire ensuite de la régolithe avec formation de molécules H2O et d’alliages métalliques.

Le vent solaire ne peut fournir que des quantités dérisoires de protons.

Astro-notes a écrit:@ Argyre : Que dois-je comprendre, que parmi les "miliasses" de protons envoyés par le soleil ceux emportés par le vent solaire et atteignant la Lune sont peu nombreux ; ou alors le soleil n'envoie que peu de protons en regard des photons et autres électrons ?

Je veux simplement indiquer que même 1 milliard de milliards de protons par seconde et par mètre carré ne représenteraient qu'une masse ridicule de 1 microgramme par mètre carré par seconde. La masse du proton est en effet de 1,6 10 puissance -27kg.
Collecter les protons du vent solaire pour fabriquer de l'hydrogène, c'est un peu comme collecter des gouttes d'eau pour remplir un océan ...

Cette collecte a pu se faire pendant des millions d’années sur une surface de 38 000 000 km2 ( les deux Amériques) :  Cosmosvisions
Bien sûr il reste bien des énigmes : comment à partir des radicaux hydroxyles présents dans les matériaux lunaires soumis à ce vent solaire, les molécules d’eau se seraient formées et auraient ensuite migré vers les cratères lunaires du pôle Sud ?
Par contre pour la possibilité d’une collecte artificielle, j’ai bien conscience que ce serait ardu à mette en oeuvre car cela demanderait des champs magnétiques étendus sur des surfaces de collecte considérables avant de les concentrer sur des pièges cathodiques pour réduire les protons en hydrogène....J’admets que c’est encore du domaine du rêve...mais bon .... dans les siècles prochains... ;)
voir NASA:
Moon Chemical Factory


Voir aussi FCS ;)

Même si ces entonnoirs magnétiques géants pour recueillir et concentrer le vent solaire sont encore du domaine du rêve, une application plus localisée pour la protection contre le vent solaire serait envisageable au moyen de paravents...solaires ;)
Bouclier magnétique 

Des moyens de protection sont donc nécessaires pour planifier de façon réaliste des missions d'exploration vers Mars, les astéroïdes proches de la Terre ou pour coloniser la surface lunaire