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L’image de cet artiste montre un robot en train de creuser qui pourrait un jour fonctionner sur Mars, bien avant que l’homme ne pose les pieds sur cette planète.

Nous sommes en 2038. Àprès 18 mois de vie et de travail à la surface de Mars, un équipage de six explorateurs monte à bord d’une fusée de transport dans l’espace et part pour la Terre. Aucun humain ne reste à la traîne, mais le travail continue sans eux: des robots autonomes continueront à exploiter une usine de produits chimiques et de synthèse chimique, qu’ils avaient démarrée des années avant que cette première mission n’ait jamais mis les pieds sur la planète. L’usine produit de l’eau, de l’oxygène et du carburant pour les fusées en utilisant les ressources locales. Elle constituera méthodiquement toutes les fournitures nécessaires à la prochaine mission sur Mars, qui devrait arriver dans deux ans.

Une usine de robots pour produire du carburant

Cette usine de robots n’est pas de la science-fiction: elle est développée conjointement par plusieurs équipes de la NASA. L’un d’eux est le Swamp Works Lab du centre spatial John F. Kennedy de la NASA, en Floride, où Kurt W. Leucht est chef d’équipe. Officiellement, il s’agit d’un système d’utilisation des ressources in situ (ISRU), mais nous aimons l’appeler usine, car il transforme de la poussière en carburant pour une fusée. Cette technologie permettra un jour aux humains de vivre et de travailler sur Mars.

Mais pourquoi synthétiser des éléments sur Mars au lieu de les expédier depuis la Terre? La NASA invoque le «problème du rapport de transmission». Selon certaines estimations, pour acheminer un kilo de carburant de la Terre à Mars, les roquettes actuelles devraient brûler 225 kilos de carburant en transit: elles se lanceraient sur une orbite terrestre basse, se dirigeraient vers Mars et ralentiraient pour entrer en orbite martienne, puis atterriraient en toute sécurité sur la surface de Mars. Nous commencerions par 226 kg et finirions par 1 kg, ce qui donne un rapport de 226: 1, et le ratio reste le même, peu importe ce que nous expédierions. Nous aurions besoin de 225 tonnes de carburant pour envoyer une tonne d’eau, une tonne d’oxygène ou une tonne de machines. La seule façon de contourner cette limite consiste à utiliser notre eau, notre oxygène et notre carburant sur place.

Différents groupes de recherche et d’ingénierie de la NASA ont travaillé sur différentes parties de ce problème. Plus récemment, notre équipe Swamp Works a commencé à intégrer de nombreux modules de travail distincts afin de démontrer l’ensemble du système en boucle fermée. C’est toujours un prototype, mais il montre toutes les pièces nécessaires pour que notre usine de fabrication de poussières devienne une réalité, et bien que le plan à long terme soit pour la planète Mars, la NASA concentre son attention sur la lune. La plupart des équipements seront d’abord testés et mis au point sur la surface lunaire, ce qui permettra de réduire les risques liés à leur envoi vers Mars.

Le régolithe sera utilisé pour concevoir des composants

La saleté ou la poussière sur tous les corps célestes est communément appelée régolithe. Il s’agit le plus souvent de roche volcanique qui a été broyée ou altérée au fil du temps en une fine poudre. Sur Mars, sous une couche de minéraux ferreux rouillés qui donne à la planète sa célèbre teinte rougeâtre, se trouve une couche plus épaisse de silicates portant des noms tels que feldspath, pyroxène et olivine, constitués de structures en silicium et en oxygène liées à des métaux tels que le fer, l’aluminium et le magnésium.

L’excavation de ce matériau est difficile car sa consistance et sa compacité varient d’un endroit à l’autre sur Mars. Mais ce qui rend la tâche encore plus difficile est la faible gravité de cette planète, ce qui rend difficile de pousser une pelle dans le sol sans utiliser votre poids pour contrecarrer cette force. Sur Terre, lorsque nous creusons, nous utilisons souvent de gros véhicules, car leur corps lourd réagit de manière appropriée aux forces du godet à creuser qui est beaucoup plus petit. Mais rappelez-vous le problème du rapport: chaque gramme lancé sur Mars est précieux et très coûteux. Nous avons donc dû trouver un moyen de creuser à la surface de Mars avec un équipement très léger.

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RASSOR sera le robot qui fera tout cela

RASSOR, ou Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot, est un véhicule minier autonome conçu pour un objectif spécifique: creuser ou excaver le régolithe dans des conditions de faible gravité. Lors de la conception de RASSOR, les ingénieurs de NASA ont porté une attention particulière à son système d’actionnement. Les actionneurs de robots se composent de moteurs, de boîtes de vitesses et d’autres mécanismes qui représentent un pourcentage important de la masse finale du système. Dans notre conception, nous avons utilisé des moteurs sans cadre, des freins électromagnétiques et des carters en titane imprimés en 3D, entre autres choses, pour réduire le poids et le volume au minimum. Cet effort a porté ses fruits: notre conception compte environ la moitié de la masse des actionneurs standard actuels ayant des caractéristiques similaires.

Pour creuser, RASSOR utilise deux tambours à godets opposés, chacun équipé de plusieurs petites cuillères à creuser. Lorsque les tambours de seau de RASSOR tournent et que les bras qui les retiennent descendent, ils ne récupèrent qu’une petite quantité de régolithe dans chaque godet pendant qu’il avance lentement. Cela crée une tranchée peu profonde plutôt qu’un trou. Ces tambours à godets rotatifs et creuseurs sont creux à l’intérieur, ce qui leur permet de collecter et de retenir le régolithe. Une autre caractéristique-clé de RASSOR est que, tout en creusant, les tambours à godets tournent dans des directions opposées. Ceci annule une grande partie des forces de creusement et permettra à RASSOR de procéder à des excavations en situation de faible gravité.

Construire des structures des routes et de pistes d’atterrissage

Une fois que RASSOR a rempli ses bidons, il lève les bras et se rend à une usine de traitement. Pour décharger le régolithe, le robot tourne simplement les tambours en sens inverse et le régolithe sort de ses petites cuillères par où il est entré. Une autre pièce d’équipement, un bras de levage à trémie robotisé, gère la tâche suivante. Il soulève une charge de régolithe sur le pont de l’usine et la transfère dans un four qui se ferme et commence à le faire chauffer. Toutes les molécules d’eau attachées au régolithe sont chassées par une soufflante à gaz sec, puis collectées à l’aide d’un tube de condensation appelé doigt froid.

Vous vous demandez peut-être: «mais le régolithe de Mars n’est-il pas asséché?» La réponse est: c’est compliqué. Cela dépend surtout de l’endroit où vous creusez et de la profondeur à laquelle vous creusez. Certaines zones sur Mars semblent avoir des nappes de glace presque solides à quelques mètres sous la surface. Aux basses latitudes, il y a des dunes de sable de gypse composées d’environ 8% d’eau.

Une fois débarrassé de son eau, le régolithe est jeté sur le sol, afin que le robot RASSOR puisse le ramasser et le transporter. Ce «déchet» peut en fait être utilisé pour la construction de structures de protection ou même de routes et de pistes d’atterrissage, en utilisant les méthodes d’impression 3D actuellement en développement à la NASA.

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L’équipe fera face à de nombreux défis

Tout cela est très intéressant, mais ce robot ne sera pas disponible demain matin. Entre-temps, de nombreux défis techniques doivent être surmontés avant qu’une mission de ce type puisse réussir. L’une des questions les plus critiques est de savoir si chaque sous-système de notre système de traitement de surface de Mars peut être mis à niveau pour répondre aux besoins et au débit requis par une mission humaine sur Mars. De récentes études de la NASA estiment qu’un système de ce type devra produire environ 7 tonnes de méthane liquide et environ 22 tonnes d’oxygène liquide en environ 16 mois.

Ensuite, nous devons déterminer où atterrir et creuser pour optimiser notre rendement, combien d’excavatrices RASSOR dont nous aurons besoin et combien d’heures par jour ils devront être utilisées. Nous devons également déterminer la taille que doivent avoir le congélateur de dioxyde de carbone et le réacteur Sabatier, ainsi que la puissance nécessaire à tous ces équipements.

De plus, nous devons anticiper les problèmes en identifiant les défaillances ponctuelles qui pourraient interrompre la mission de traitement de surface et retarder ainsi la mission humaine planifiée. Nous devrons évaluer les probabilités de chacune de ces défaillances afin d’ajouter la quantité appropriée de duplication et de redondance au système.

Pour que les technologies robotiques puissent supporter cette mission pendant des années sans maintenance ni réparation, nous devrons les concevoir selon des spécifications très strictes. Toutes les pièces mobiles doivent rester en dehors de ces minuscules particules de poussière de régolithe qui sont destructrices. Renforcer les technologies d’étanchéité ou renforcer les pièces mobiles pour tolérer la poussière ajoutera de la complexité et du poids à moins que nous puissions trouver une solution ingénieuse au problème.

Déterminer le degré de dureté du mélange de régolithe

Nous devons également déterminer le degré de compacité ou de dureté du mélange de régolithe et de la glace sous la surface de Mars, puis concevoir les outils pour creusement de manière appropriée. Les scoops et les dents de notre robot d’excavation RASSOR sont mieux adaptés au régolithe mélangé à des morceaux de glace. Mais cette conception ne conviendra pas pour briser de grandes feuilles de glace. Nous aurons besoin de preuves définitives de la composition de la glace et du régolithe sous la surface sur Mars afin de concevoir l’équipement le plus approprié et le plus efficace. Soit cela, soit nous devrons concevoir des outils plus complexes et plus robustes capables de gérer diverses densités de sol et de la glace.

Nous devons aussi résoudre les problèmes de stockage à long terme des liquides super-froids. Les technologies et les matériaux pour des appareils sous pression et d’isolation sont en constante amélioration, mais les technologies actuelles fonctionneront-elles à la surface de Mars pendant de longues années ?

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La NASA examinera tous ces défis au cours des prochaines années, et nous continuerons à augmenter les capacités et le niveau de préparation de tous nos prototypes. Nous allons rendre le robot RASSOR plus fort et plus léger et le tester dans des environnements similaires à ceux de Mars. Nous continuerons à tester et à intégrer le four et l’électrolyseur, et nous tenterons d’augmenter la capacité du congélateur de dioxyde de carbone et du réacteur Sabatier afin de vérifier s’ils peuvent répondre aux besoins d’une mission sur Mars avec un équipage. Tout ce travail et d’autres encore se poursuivront afin que notre prototype puisse devenir un jour un système entièrement opérationnel sur Mars.

Crédit photos : NASA
Source : IEEE Spectrum