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Sélénopolis, patrie de l’hélium 3

Article adapté d’une présentation de Nataly Lovegren, sur le site du LaRouchePAC.

Après l’arrivée du rover chinois Lapin de jade sur la Lune en décembre dernier, l’ancien astronaute américain Harrison Schmitt, premier scientifique et dernier homme à avoir mis le pied sur la Lune en 1972, a fait remarquer que cette mission n’était pas une entreprise isolée de la part de la Chine mais le début d’une stratégie à long terme pour coloniser notre satellite naturel.

La nomination de Xu Dazhe à la tête du programme spatial chinois, alors qu’il dirige déjà l’Autorité de l’énergie atomique ainsi que le programme de développement des sciences, de la technologie et de l’industrie pour le compte du ministère de la Défense, montre la profondeur de l’engagement des Chinois à l’égard de la Lune. Ceux-ci n’ont d’ailleurs pas caché leur intérêt pour les gigantesques réserves d’hélium-3 qui s’y trouve, un combustible qui sera utilisé dans des réacteurs de fusion nucléaire de 2e génération. Les Chinois consacrent d’importants efforts à la recherche dans le domaine de la fusion nucléaire.

La découverte de l’hélium-3 lunaire est une conséquence directe du programme Apollo, bien que personne n’avait soupçonné à l’époque l’intérêt extraordinaire que pouvait revêtir cette matière si rare sur Terre (voir encadré). La raison est que cette réaction nucléaire impliquant l’hélium-3 n’était tout simplement pas connue, même d’un point de vue théorique, au moment du programme Apollo. Ceci illustre bien comment, dans l’histoire de la science, le potentiel économique que revêt une découverte ne se révèle souvent qu’une ou deux générations plus tard.

Alors que le Congrès américain avait affirmé, avec la Loi d’autorisation de 2008 de la NASA, que le pays devait consacrer 3 milliards de dollars supplémentaires pour préparer le retour des Etats-Unis sur la Lune, l’administration Obama a malheureusement décidé de tuer ce programme.

 La réaction de fusion

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Réactions de fusion de première et de deuxième génération
Celle de la deuxième génération implique des noyaux de deutérium et d’hélium-3 puis la production de protons et d’hélium-4, des particules chargées que l’on peut facilement extraire du réacteur pour fabriquer de l’électricité.

C’est au cours des années 80 que furent découvertes pour la première fois, à l’Université du Wisconsin (Fusion Technology Institute), les réactions de fusion impliquant l’hélium-3. Des chercheurs y étudiaient les différents types de réaction impliquant les isotopes de l’hydrogène et de l’hélium et se rendirent compte que celles utilisant de l’hélium-3 ne produisaient aucun neutron. On découvrit ainsi, pour la première fois, un type de réaction de fusion ne produisant que des particules chargées (et stables en plus), permettant d’extraire plus facilement l’énergie qu’avec des particules non chargées comme des neutrons. Il suffit en effet d’un champ électromagnétique pour guider les particules chargées dans la direction souhaitée hors du réacteur, alors qu’avec les neutrons il faut extraire la chaleur issue de leur collision avec la paroi extérieure et la convertir en vapeur puis en électricité. Les électrons engendrent également des réactions secondaires qui viennent endommager les parois du réacteur.

On découvrit aussi que cet isotope de l’hélium était bien rare sur Terre, et on calcula que la quantité totale disponible ne pouvait pas dépasser les 200 kg sur toute la surface de la planète. On se douta bien vite que même si le Soleil, en tant que gigantesque machine à fusion, devait à coup sûr en produire d’importantes quantités, il y en a si peu sur Terre tout simplement parce que le champ magnétique de notre planète constitue un bouclier filtrant les particules chargées en provenance du Soleil (voir figure 2).

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Figure 2. Schéma représentant le bouclier magnétique protégeant la Terre contre les vents solaires
On voit ici que la Lune reste souvent sans protection, sauf lorsqu’elle passe derrière la Terre.

Or, il n’y a aucun champ magnétique autour de la Lune, et on avait toutes les raisons d’espérer que son sol contiendrait des quantités substantielles d’hélium-3. C’est pourquoi les chercheurs de l’Université du Wisconsin se rendirent en toute hâte en 1986 à la NASA pour analyser les échantillons de sol lunaire ramenés par les missions Apollo, afin de confirmer leur hypothèse. Et leurs collègues de la NASA répondirent : « Bien sûr que nos échantillons regorgent d’hélium-3, nous le savons depuis 1970. Mais pourquoi cela vous intéresse-t-il, est-ce qu’il peut servir à quelque chose ? » Ainsi, il aura fallu attendre 16 ans pour faire le lien entre les deux domaines de recherche.

 La colonisation de la Lune

Les échantillons lunaires ont permis de faire une autre découverte intéressante, qui aura d’immenses répercussions sur les projets de colonisation de la Lune. Comme le montre la célèbre photo de l’empreinte du pied de Neil Armstrong sur la Lune, la poussière lunaire n’a pas une structure aussi fluide que celle à laquelle nous nous attendrions si nous faisions un parallèle avec la Terre. Les bords de l’empreinte sont très marqués, contrairement à celle qu’on laisserait dans le sable ici sur Terre.

La poussière lunaire est très différente de notre sable terrestre, bien que sa composition chimique, à base de silicates, soit la même. Sur Terre, les silicates formant la roche mère ont été érodés par l’action de l’eau, de l’atmosphère et de la vie, alors que sur la Lune ce sont presque exclusivement les météorites qui ont cassé cette roche mère en morceaux. En l’absence d’atmosphère et de champ magnétique, les grains de silicate lunaires ont subi par ailleurs un autre processus d’érosion, complètement inexistant sur Terre : celle d’une myriade de micrométéorites atteignant la surface lunaire à des vitesses bien plus élevées que sur Terre, excédant les 70 000 km/h.

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Figure 3. Un agglutiné issu de l’action des micrométéorites.

L’action de ces micrométéorites ultra énergétiques, d’une taille inférieure à un millimètre, fait fondre les grains de silicate et les combine avec d’autres grains non fondus, pour les agglutiner en grains plus gros de forme irrégulière contenant des sphérules de verre et aussi des bulles, ce qui les rend extrêmement abrasifs et nuisibles (voir figure 3). Les bulles ont été formées par l’évaporation, après l’impact des micrométéorites, des ions d’hydrogène et d’hélium (dont le fameux hélium-3) apportés en grandes quantités par les vents solaires et qui se sont collés à la surface des grains. Ces « agglutinés » ont une taille variant de quelque vingt micromètres à quelques millimètres et finissent par constituer une partie importante de la poussière lunaire. Rappelons qu’un cheveu a une épaisseur d’environ 50 micromètres.

 Le secret de la poussière lunaire

La chose la plus étonnante avec cette poussière lunaire est qu’elle est magnétisée. Un autre géologue, Lawrence Taylor, qui a travaillé étroitement avec Harrison Schmitt depuis son séjour sur la Lune, s’est rendu compte que ce magnétisme était associé à de très petites particules de fer natif, à l’échelle du nanomètre, c’est-à-dire mille fois plus petites que les grains de poussière les plus petits. Leur existence est due à l’action combinée des vents solaires et des micrométéorites. Les ions d’hydrogène apportés par les vents solaires s’évaporent sous l’impact des micrométéorites et réagissent avec les molécules d’oxyde de fer présentes dans les grains de silicate pour former ces nanoparticules de fer à l’état natif, qui se retrouvent piégés à l’intérieur des agglutinées ou bien se déposent en couche sur la surface de tous les grains de poussière, agglutinés ou non.

Lawrence Taylor et son équipe ont également découvert que si l’on passait cette poussière au micro-onde, elle fondait en quelques minutes, et ce malgré le fait que le fer ne fond normalement qu’à partir d’une température de 1535°C, sans parler du fait qu’on ne met pas de métal dans un micro-onde !

Les nanoparticules, par le fait qu’elles sont en quelque sorte isolées, absorbent l’énergie des ondes et forment en alternance avec les grains de silicates une matière qui emmagasine la chaleur. Des températures plus élevées que celles normalement obtenues dans un four micro-onde sont ainsi atteintes.

Le résultat, qui est extrêmement intéressant pour les futurs projets de colonisation de la Lune, est que ce processus permet de produire sur place, à partir de cette poussière lunaire autrement si nuisible, une sorte de béton tout usage. On pourra lors du même processus extraire l’hélium-3 et l’hélium-4 que l’on pourra rapatrier sur Terre, ainsi que les autres gaz (azote, oxygène, etc.) qui seront fort utiles sur la Lune. Il est ainsi ironique que l’absence d’atmosphère et de bouclier magnétique ait permis aux vents solaires et aux micrométéorites d’engendrer une matière première aussi singulière !

On pourra ainsi créer sur place, en utilisant une sorte de « moulin à micro-onde » l’eau, l’oxygène et les autres composés utiles à la vie. On pourra paver d’immenses surfaces du sol lunaire pour faire des plateformes qui accueilleront des télescopes et les protégeront de la poussière, pour faire des pistes d’atterrissage, pour créer le béton qui servira de bouclier de protection contre les radiations cosmiques et solaires et bien d’autres choses encore.

Ajoutons à tout cela que l’Agence spatiale européenne est en train de développer un projet d’imprimante 3D, la « D-Shape » de l’ingénieur Enrico Dini, qui permettra de fabriquer directement sur la Lune, à partir de la poussière lunaire, les structures nécessaires à la construction d’un habitat humain.

A quand le prochain départ pour Sélénopolis ? Et comment cela se dit-il en chinois ?

(Traduction et adaptation : Benoit Chalifoux)

 L’hélium, un élément rare et pourtant très utile

S’il s’agit d’un des éléments les plus répandus de l’univers, l’hélium se fait rare sur Terre, car sa densité est faible et il s’échappe rapidement de l’atmosphère. Déjà, l’hélium ordinaire (4He), un élément inerte, est fortement utilisé dans l’industrie électronique comme atmosphère protectrice pour la croissance du silicium des circuits intégrés. Dans le spatial, cet élément permet de pressuriser les réservoirs des moteurs de fusées. Dans les hôpitaux, les aimants des appareils d’IRM sont maintenus à basse température par l’hélium liquide (-269°) et on s’en sert au CERN de Genève pour refroidir les expériences de physique des particules.

L’hélium 3 est un isotope stable et non radioactif de l’hélium et un candidat idéal comme combustible alimentant des réacteurs de fusion nucléaire de 2e génération. Alors que sur Terre, on estime qu’il existe à peine 200 kg d’hélium-3, la sonde chinoise Chang’e-1 en octobre 2007 a permis d’évaluer à 100 000 tonnes les réserves lunaires. Or, en termes énergétiques, une vingtaine de tonnes d’hélium-3 suffirait à répondre à la demande d’électricité des Etats-Unis et de l’Europe pendant un an, ce qui voudrait dire que l’humanité disposerait d’énergie pour des centaines d’années.

La réaction de fusion deutérium-hélium se fait à partir d’isotopes qui ne sont pas radioactifs, ne produit pratiquement aucune radioactivité ni aucun élément radioactif. Pour ce qui est des applications médicales, lorsqu’il s’agit de regarder à travers les parois des poumons par exemple, rien n’arrive à la cheville de l’hélium-3.

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