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La Lune, immense réservoir d’énergie

par Philippe Jamet

Deuxième d’une série de trois articles de Philippe Jamet sur l’industrialisation de la Lune.

Nous avons vu dans un article précédent combien la Lune est le passage obligé pour la résolution de nombreux problèmes futurs de notre société. Un fait mérite particulièrement notre attention : la population de la Terre aura besoin de plus de 20 000 milliards de watts de puissance électrique, à partir de 2050, pour lui assurer un haut niveau de prospérité. A cette époque, excepté le nucléaire, la plupart des sources d’énergie fossiles seront épuisées.

 Les ressources énergétiques lunaires

L’hélium 3 est fabriqué au cœur de notre soleil et éjecté dans l’espace par le vent solaire depuis des milliards d’années, puis est piégé dans les sables et les roches lunaires. Il est utilisable pour alimenter le processus de fusion deutérium-hélium 3 et Krafft Ehricke avait élaboré des scénarios pour son extraction ainsi que pour son utilisation locale et terrestre. Le transbordement de l’hélium 3 sur Terre serait effectué par des cargos pouvant amener de grosses charges utiles d’une orbite cislunaire à une orbite circumterrestre.

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Le géologue et astronaute Harrisson Schmitt
Lors d’un événement commémorant en 2002 le 40e anniversaire de la mission Apollo 17, l’astronaute Harrisson Schmitt, le seul scientifique, un géologue, à avoir mis le pied sur la Lune, a souligné que "l’une des contributions les plus significatives des missions Apollo a été de confirmer la présence d’Hélium-3 sur la Lune".
(Photo NASA : S71-52260 (1971))

Le grand expert mondial pour l’hélium 3 est Gerald Kulcinski du Fusion Technology Institute (université du Wisconsin-Madison), conseiller de la NASA et membre de LUNEX (société des explorateurs lunaires). Selon lui : « La proximité de la Lune et la présence massive d’hélium 3 apporté par le vent solaire et piégé par les roches lunaires offre des opportunités inestimables. L’hélium 3 est le combustible parfait pour le processus de fusion deutérium-hélium 3. Autre avantage rendu possible par ce processus de fusion : les déchets radioactifs auront un très court cycle de vie, ce qui simplifiera les problèmes de stockage et de retraitement avec pour bonne conséquence un coût négligeable pour notre environnement ».

Ces réacteurs pourront également utiliser l’hélium-3 avec l’émission de radiations moins importante que dans un réacteur à fission ou même que dans un réacteur à fusion deutérium-tritium. [1]

L’abondance de l’hélium 3 sur la Lune, peut-être sous-évaluée car seuls six sites ont fait l’objet de rélèvements, est estimée au minimum à 1 million de tonnes, à comparer à 200 kg sur toute la Terre. Sur le plan économique, cette abondance lunaire peut déjà se traduire par des chiffres significatifs : une tonne d’hélium 3 pourrait délivrer annuellement 100 GW d’énergie. Selon Gerald Kulcinski, 100 tonnes suffiraient pour satisfaire toute la demande d’énergie sur Terre pendant un an. En se basant sur les mêmes données de Krafft Ehricke pour le voyage orbite lunaire-orbite terrestre, il a imaginé de faire effectuer le transport par un cargo dont la capacité serait de 5 fois celle de la navette américaine actuelle. Ce type de véhicule resterait en permanence dans l’espace pour faire des allers-retours entre les orbites lunaire et terrestre : à partir de cette dernière, le transbordement des citernes d’hélium 3 serait effectué vers un cargo ailé qui atterrirait à la surface de notre planète comme la navette actuelle. Ce cargo aurait une grande autonomie et pourrait être amarré plusieurs mois à un grand spatioport construit en orbite basse en grande partie à partir d’éléments lunaires.

Les techniques de transport imaginées par Kulcinski coûteraient, d’après ses propres estimations, 5 milliards de dollars mais cet investissement serait vite amorti pour un retour énergétique estimé à 300 milliards de dollars. Avec une valeur économique de 3 milliards de dollars au kilogramme, toujours selon Kulcinski, « l’hélium 3 vaudrait beaucoup plus que l’or, les diamants ou l’uranium enrichi ».

 Notre avenir énergétique

Sur Terre, le problème énergétique est une véritable bombe à retardement qui va s’amorcer dès les années 2025-2030 et exploser vers 2050 si nous ne prenons pas rapidement les mesures nécessaires. L’épuisement des ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz) et l’opposition au nucléaire classique, en incluant les surgénérateurs, les empêchera de combler seuls le trou énergétique. Il ne faut pas oublier que sur les 6 milliards d’habitants que compte la planète (12 milliards en 2100), 2 milliards n’ont toujours pas accès à l’électricité. L’inégalité apparaît encore plus frappante si l’on se réfère aux chiffres donnés dans le document Energie (Monde Dossiers et Documents 2001) : actuellement 1,2 milliard de personnes dans les pays les plus développés (soit 20 % de la population mondiale) utilisent 60 % de l’énergie disponible tandis que les habitants des pays en voie de développement (près de 5 milliards de personnes) en consomment 40 %. Si nous nous basons sur une option surgénérateurs pour mettre fin à ce déséquilibre, l’avantage serait positif pour la protection de la biosphère car l’électronucléaire ne rejette pas de gaz à effet de serre : selon l’expert du CEA Gilbert Naudet, l’électronucléaire permet actuellement d’éviter l’émission annuelle de 1,8 milliard de tonnes de CO2.

Ce facteur est à prendre en considération pour l’avenir car, privé d’énergie, le Tiers-monde, faute de solutions alternatives, se tourne déjà massivement vers le charbon avec des conséquences néfastes pour l’environnement. [2] Actuellement, celui-ci représente 50 % des ressources énergétiques des pays sous-développés et dans certains de ces pays les réserves sont considérables (Etats-Unis, Chine, Inde, Afrique du Sud). Il représente des dangers évidents pour la biosphère en cas d’utilisation massive dans les pays pauvres ou moins pauvres (les Etats-Unis et la Chine consomment chacun près d’un milliard de tonnes de charbon par an).

De plus, la Chine limite volontairement son extraction en fermant certaines mines et intensifie son programme électronucléaire. Elle effectue des recherches sur les centrales solaires spatiales (dans un institut de Shanghai) et met en place un gigantesque réseau hydro-électrique permettant également de dompter ses fleuves. Enfin, l’extraction du pétrole off-shore, du pétrole des schistes bitumineux et des sables asphaltiques ne sera pas suffisante pour pallier à la pénurie de pétrole annoncée.

Notre avenir est de générer une croissance économique exponentielle et si nous envisageons celle-ci dans le cadre fermé de notre globe terrestre ou même de notre proche environnement circumterrestre, celle-ci sera inévitablement limitée. Des études très sérieuses montrent que si l’on voulait développer les économies du Tiers monde à un niveau acceptable en utilisant l’actuelle combinaison de ressources énergétiques (charbon, pétrole, hydroélectricité, fission nucléaire), les ressources nécessaires seraient de plus en plus coûteuses à obtenir. D’autres études n’appréhendant pas suffisamment le phénomène de désindustrialisation des Etats-Unis, indiquent que, dans le cadre d’un véritable développement industriel et en prenant comme hypothèse un taux de croissance annuel du PNB de 3 %, l’actuel système de combinaison de ressources énergétiques serait non seulement incapable d’assurer la seule croissance de l’économie américaine mais même d’assurer son maintien, dans le cadre d’une croissance nulle, et ce dès 2025- 2030.

Ces inquiétantes perspectives montrent bien l’intérêt des travaux sur la fusion thermonucléaire à hélium 3 et sur les centrales solaires spatiales et lunaires : celles-ci impliquent une utilisation massive des ressources lunaires soit pour produire de l’énergie directement soit pour utiliser les matériaux de la Lune pour des systèmes d’énergie spatiale.

Soulignons au passage combien sont dérisoires les thèses écologistes proposant l’utilisation d’éoliennes ou du solaire terrestre. En effet la densité de puissance transmise au sol par le Soleil ne dépasse pas 235 à 236 W par mètre carré à cause des variations périodiques dues à l’alternance des jours et des nuits, des variations dues aux saisons et de la nébulosité de l’air (pour obtenir l’équivalent d’une tranche de centrale, 1650 MWh, il faudrait couvrir un carré de 3 kilomètres de côté, et le coût serait incomparablement supérieur). En adoptant des solutions de ce type, il serait impossible de maintenir une industrie développée et on permettrait tout au plus à un milliard d’individus de survivre avec une réduction drastique du niveau de vie, et en laissant les 6 à 7 milliards restants vivre dans des conditions inacceptables. Comme l’a écrit Krafft Ehricke : « Si 4,5 ou 5 milliards d’êtres humains retombaient dans l’état arriéré des débuts de l’espèce humaine, des milliards en mourraient et la biosphère serait dévastée. »

 Les ressource minières de la Lune

Il est certain que pour faire face au défi énergétique et à d’autres besoins comme la construction d’infrastructures orbitales lunaire, terrestres géostationnaires ou basses, la Lune va jouer dans le futur un rôle croissant de fournisseur de matières premières qui auront été traitées pour devenir des produits finis ou semi-finis. En effet, comme les résultats du programme Apollo l’ont montré, la Lune n’est pas seulement une réserve d’hélium 3 mais un monde fait d’oxydes et de silice, celle-ci étant particulièrement réactive en raison des conditions qui ont régné sur la Lune dans des âges anciens.

Ainsi, en ce qui concerne les minerais ainsi que les éléments facilement exploitables et traités sur la Lune, il sera possible de desservir un certain nombre d’installations orbitales grâce à la faible gravité lunaire. Il n’est donc pas nécessaire, au contraire du trajet Terre-Lune, d’utiliser des vaisseaux très puissants dès lors que les premières implantations lunaires ont été effectuées : cette faible gravité lunaire, égale au sixième de la gravité terrestre, justifie l’utilisation de la Lune comme avant-poste pour préparer des missions plus ambitieuses comme la colonisation de Mars.

Il va de soi que pour répondre à tous ces impératifs, il faut débarquer sur la Lune une certaine masse critique d’infrastructures industrielles qui permettront rapidement la fabrication d’un grand nombre d’éléments utilisables localement et exportables vers l’espace. Il ne faudra se tromper ni sur les stratégies ni sur les choix technologiques pour déclencher un processus de développement minimisant le temps pendant lequel la colonisation lunaire pèsera sur les ressources terrestres. Les spécificités lunaires, dont nous avons parlé : faible gravité, vide élevé, alternances de températures très basses et très élevées, nous permettent également d’accéder à des matières premières vitales au niveau industriel, dans un puits gravitationnel peu profond, pour les traiter sur place ou dans l’espace afin que leur qualité soit supérieure à celle de produits importés de la Terre.

Cet impératif a été particulièrement souligné par Krafft Ehricke et, plus récemment par H.H.Koelle de l’Université technique de Berlin.

Selon Krafft Ehricke : « Il est facile de pourvoir à ce besoin, pourvu que l’on ne commence pas par mobiliser de vastes investissements dans la construction de vastes stations orbitales réalisées uniquement à l’aide de matériaux importés de la Terre, avant que les matériaux lunaires, qui doivent y être transférés, ne puissent être utilisés. » II est en effet plus rationnel de choisir, pour développer les infrastructures du système Terre-Lune, l’option Lune-orbite terrestre basse ou géostationnaire plutôt que son inverse, l’option orbite terrestre basse-Lune, en dépit de l’avantage de posséder des têtes de pont sur cette orbite : à partir de là un simple Delta-V propulsif de 3,2 km/s suffit pour être libéré de la gravité terrestre vers notre satellite, mais il est plus judicieux pour éviter de construire ces stations à un coût élevé à partir de produits finis terrestres, de choisir grâce à des lanceurs lourds, le vol direct vers la Lune et de construire ultérieurement ces stations têtes de pont en orbite basse avec une majorité de composants lunaires. Rappelons que pour atteindre l’orbite géostationnaire (GEO), là où se trouvent la plus grande partie des satellites de télécommunications, il faut vingt-deux fois moins d’énergie au départ de la surface lunaire que de la surface terrestre.

La « descente » des structures fabriquées sur la Lune en direction des orbites terrestres basses peut s’effectuer à un coût négligeable en utilisant des propulseurs électriques. Toutefois le problème fondamental, qui implique une volonté politique forte, reste celui des moyens à mettre en œuvre : systèmes de lancement, structures et équipements destinés à la protection des astronautes, masse des équipements scientifiques et industriels à débarquer sur notre satellite, indispensables équipement énergétiques...

 Un inventaire détaillé des ressources

Apollo 11 a ramené sur Terre 22 kg d’échantillons, Apollo 12 : 34 kg, Apollo 14 : 34 kg, Apollo15 : 77 kg, Apollo 16 : 95 kg et Apollo 17 : 117 kg ; cette dernière mission, qui comprenait un astronaute scientifique-géologue (Harrison Schmitt), fut la plus productive.

Suite aux investigations menées par une centaine de laboratoires de tous pays, le physicien Gerard O’Neill (inventeur du concept novateur de « villes de l’espace ») estimait énorme le potentiel de richesses utilisables sur la Lune de par les spécificités de la géologie lunaire : celle- ci, à cause de sa faible gravité, possède ses éléments lourds en surface car, contrairement à la Terre, elle n’a pas subi le processus de différenciation qui a entraîné, pour notre planète, les éléments lourds vers le noyau.

Toujours selon O’Neill, de 3 millions de tonnes de matériaux lunaires on peut tirer :

  • 200 000 t d’aluminium,
  • 500 000 t de fer,
  • 200 000 t de titane,
  • 160 000 t de silicium.

Quelle est la base des affirmations d’O’Neill ? Ce sont les travaux d’analyse, sur Terre, des échantillons recueillis sur notre satellite. Les travaux portant sur les roches lunaires ont été centrés sur trois points :

  • la minéralogie et la pétrographie : description des roches et étude cristallographique,
  • l’étude des propriétés chimiques,
  • l’étude des propriétés physiques, thermiques et mécaniques (mesure de leur résistance mécanique, de leur point de fusion et de leur densité dont la moyenne est de 2,9).

Les éléments lunaires identifiés lors du programme Apollo se rencontrent le plus souvent dans 4 types de roches. Ces roches sont :

  • le plagioclase (Na, Ca) (Si, A1)3 O8,
  • le pyroxène (Ca, Fe, Mg)2 Si2 O6,
  • l’olivine (Mg, Fe)2 (Si3O4),
  • l’ilménite (FeTiO3).

Pour certains de ces éléments, la Lune est plus riche que la Terre. Les éléments lunaires se répartissent comme suit.

Les éléments principaux sont :

  • l’oxygène (42 % contre 48 % pour la Terre),
  • le silicium (20 % identique à la Terre),
  • le fer (8,5 % contre 5 % pour la Terre),
  • le calcium (5,5 % contre 3 % pour la Terre),
  • le titane (4,5 % contre 0,6 % pour la Terre, soit 7,5 fois plus que sur Terre !),
  • l’aluminium (4,3 % contre 7,5 % pour la Terre),
  • le magnésium (1,8 % contre 2,5 % pour la Terre).

Les autres éléments, contenus dans une concentration inférieure à 1 % dans la croûte lunaire :

  • le chrome (1 % à peine, soit 10 fois plus que sur Terre),
  • le sodium très volatil (0,8 % au lieu de 2,5 % pour la Terre et qui se rencontre surtout dans le plagioclase, car celui-ci a un pouvoir absorbant sur le sodium, mais à un taux variable),
  • le manganèse (0,3 %) deux fois plus abondant que sur Terre,
  • le soufre (0,3 %) trois fois plus abondant que sur Terre.

Compte tenu de sa grande volatilité, on aurait pu penser que ce dernier serait totalement absent des roches lunaires. Les scientifiques pensent que la Lune se serait formée à partir d’un noyau de sulfure de fer, pour l’essentiel, dont le soufre ne serait qu’un résidu. L’abondance de fer sur la Lune semble accréditer cette hypothèse. La Lune semble être porteuse de certains métaux à l’état de traces : potassium en faible quantité, cuivre rarissime, cobalt (néanmoins 100 fois plus abondant que sur Terre), le tantale, qui est l’élément le plus rare de l’univers et que l’on trouve en quantités 10 fois supérieures à celles contenues dans la croûte terrestre.

Au total les éléments suivants sont plus abondants que sur Terre : fer, calcium, titane, chrome, manganèse, soufre et cobalt, ce qui justifie l’intérêt économique de la Lune. Et c’est sans tenir compte des quantités considérables d’éléments un peu moins abondants que sur notre planète, ainsi que de l’oxygène des roches lunaires et des glaces souterraines détectées aux pôles par Lunar Prospector.

Des recherches menées aux Etats-Unis (Ehricke, Narodny, Maryniak, O’Neill) et en France (Institut du génie chimique de Toulouse, Ecole des Mines de Nancy, Ecole de Chimie de Paris) ont permis de lister les utilisations possibles de ces matériaux :

  • l’aluminium et le fer peuvent servir comme matériaux de construction dans les grandes installations orbitales ou planétaires. Plus étonnant encore, une équipe franco-suisse composée de Frédéric Lantelme, Otto Haas et Jean-Claude Mayor a publié un article en 1989 (La Recherche, décembre 1989) où ils montrent qu’il semble possible, pour le stockage de l’électricité, de se servir des capacités d’accumulation de l’aluminium pour transformer celui-ci en matériau tampon fabriqué avec le surplus d’électricité durant les périodes creuses, puis capable de restituer du courant électrique pendant les heures de pointe, à l’image de ce qui est déjà fait depuis longtemps avec le zinc, le plomb et le lithium ;
  • le titane, selon Guy Pignolet ex-ingénieur au CNES et fervent militant de la cause de la conquête spatiale, possède un certain nombre de qualités : résistance à la corrosion, faible densité, rôle catalyseur, propriétés supraconductrices. Deux fois plus léger que l’acier et deux fois plus résistant, il est à la base d’alliages très purs utilisés dans les industries aéronautiques et nucléaires et la construction des sous-marins. Sur Terre le problème vient de sa relative rareté et des conditions de sa préparation liée à la présence d’oxygène qui, au-dessus d’un certain seuil, lui fait perdre ses qualités. Préparé sur la Lune, son coût baisserait rapidement et cela permettrait de supplanter l’acier dans de nombreuses constructions. Selon Guy Pignolet : « Il serait possible de construire des ponts, des navires capables de résister pendant des siècles sans corrosion et pratiquement sans entretien » ;
  • le silicium : abondant sur la Lune, il serait un avantage pour la production de cellules solaires utilisables sur les centrales solaires de type SPS (en orbite géostationnaire) et de type LSPS (sur la Lune). Ce silicium permettrait de se passer des coûteuses importations terrestres et pourrait concurrencer l’arséniure de gallium élaboré dans l’espace ;
  • les matériaux bruts lunaires : compactés et entassés, ils pourraient servir de protection contre les rayonnements dans la construction de boucliers passifs pour des installations orbitales habitées.
  • enfin, les gaz sont rares sur la Lune, sauf l’oxygène et les gaz lourds qui ont été piégés dans les roches lunaires (hélium, argon, krypton, néon).
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Le Titane
Deux fois plus léger que l’acier et deux fois plus résistant, il est à la base d’alliages très purs utilisés dans les industries aéronautiques et nucléaires et la construction des sous-marins. Sur Terre le problème vient de sa relative rareté et des conditions de sa préparation liée à la présence d’oxygène qui, au-dessus d’un certain seuil, lui fait perdre ses qualités. Préparé sur la Lune, son coût baisserait rapidement et cela lui permettrait de supplanter l’acier dans de nombreuses constructions.

Nous venons de voir combien les spécificités du milieu lunaire permettraient le développement in situ d’industries correspondant à des besoins de notre société en produits finis ou semi-finis et à des activités scientifiques multiples.

Il faudra faire des choix et donner la priorité à certains des justificatifs de la colonisation lunaire. Outre la science, il faudra rapidement, parallèlement aux recherches terrestres sur la fusion, donner une priorité aux sources d’énergie dans l’optique de fournir celle-ci à bas coût et en quantité 4 à 5 fois supérieure à la production actuelle.

Prochain article : « Industrialisation lunaire : les grands axes ».


[1En fait, s’il est vrai que la réaction de fusion deutérium-hélium-3 avait été découverte par l’équipe de Gerald Kulcinski quelques années avant le décès de Krafft Ehricke en décembre 1984, ce n’est qu’en 1986 que l’on a découvert l’existence de réserves massives d’hélium-3 sur la Lune. Ehricke avait proposé d’utiliser la réaction deutérium-tritium, et espérait, dans le cadre de la mise en œuvre des réactions de deuxième génération, recycler l’hélium-3 produit par un excès de tritium stocké au sein même du réacteur comme ressource ultérieure. Ehricke avait très vite compris l’intérêt des réactions de fusion aneutronique, plus propres et produisant un plasma de proton-hélium-4 pouvant être facilement dirigé et utilisé de multiple façons. Voir : La fusion nucléaire : un tournant dans l’histoire de l’humanité.

[2Etude effectuée par J. Hanson, du Goddard Institute for Space Studies de la NASA, et étude Global Solar Energy Concept qui a fait l’objet d’un exposé de la société allemande MBB lors du Colloque SPS 91 de Gif-sur-Yvette.