De l’eau sur la Lune ? : le point par Lev Zelyony et Vladislav Shevchenko

Nous reproduisons un article passionnant paru dans Roussky Kosmos, le magazine de Roscosmos:

La découverte de la glace d'eau sur la Lune à l'échelle industrielle ouvrirait de grandes perspectives pour son développement. Presque tous les projets existants de construction de bases lunaires prévoient l'utilisation des ressources en eau locales. Ils sont nécessaires dans les systèmes de survie des stations habitées et sont également nécessaires pour obtenir des composants de carburant de fusée. Cet article sur les ressources de la Lune portera sur l'eau, le Californium et, bien sûr, le légendaire hélium-3.

L'une des découvertes les plus inattendues faites lors de l'étude de la Lune a été la découverte de signes d'une quantité importante de glace d'eau sous sa surface. Et ce, en l'absence d'atmosphère et de traces de plans d'eau !

Lev Zelyony du Conseil spatial de l'Académie des sciences russe.

Lev Zelyony du Conseil spatial de l'Académie des sciences russe.

Les premières suppositions sont apparues en 1994 grâce à une expérience radar réalisée par la sonde américaine "Clementine". L'intensité et le degré de polarisation des ondes radio réfléchies enregistrées par les radiotélescopes au sol ont permis de penser à la présence de glace d'eau dans la région du pôle sud de la Lune. Les auteurs de la découverte ont estimé le volume des gisements à environ un kilomètre cube.

Les études se sont poursuivies en 1998. Le spectromètre à neutrons installé sur le vaisseau spatial Lunar Prospector a enregistré une concentration accrue d'hydrogène à la surface près des pôles lunaires. Selon de nouveaux calculs, la part de glace d'eau dans les régions polaires pourrait représenter trois à quatre pour cent de la masse de la couche supérieure du sol.

Des informations plus précises ont été obtenues en 2009 grâce à une expérience intéressante.

Dans un nuage de poussière et de gaz

La station interplanétaire américaine LRO a été lancée en orbite autour de la Lune avec le détecteur de neutrons russe LEND, développé et fabriqué à IKI RAN sous la direction du Docteur en Phys.-Math. sciences Igor Mitrofanov. En étudiant la surface, l'appareil a indiqué que dans la zone du cratère Cabeus, il pourrait y avoir une quantité particulièrement importante de glace d'eau.

Pour tester l'hypothèse, il a été décidé d'utiliser l'étage supérieur Centaur, avec l'aide duquel le LRO s'est envolé vers la Lune. Il allait devenir un projectile tiré sur le cratère Cabeus à des fins scientifiques. L'idée était que la chute d'une structure lourde à grande vitesse entraînerait inévitablement un éclair lumineux et l'éjection d'un nuage de gaz et de poussières. Et la sonde de recherche LCROSS, envoyée après le bloc Centaur, volant à travers le nuage éjecté, était censée analyser la composition chimique de la matière remontée du fond du cratère. Il a été possible de réaliser le plan dans son intégralité.

À la suite de la chute de l'étage supérieur Centaur, un cratère d'impact d'un diamètre d'environ 80 m s'est formé, à partir duquel un nuage de vapeur d'une température d'environ 827 ° C s'est élevé. Il a été suivi d'un nuage de poussière, dans lequel LCROSS a pu détecter environ 155 ± 12 kg d'eau sous forme de vapeur.

En tenant compte de la masse totale supposée du régolithe éjecté, la concentration de glace d'eau dans la couche de surface au site de la chute LCROSS a été estimée à 2,7–8,5 % de la masse. Certains scientifiques pensent qu'une partie de la vapeur a traversé les capteurs LCROSS et que la concentration d'eau dans le sol soulevée par l'impact pourrait être encore plus élevée.

En plus de l'eau, des bandes spectrales ont également été observées pour un certain nombre d'autres composés volatils, notamment les hydrocarbures légers, les composés soufrés et le dioxyde de carbone.

Selon des scientifiques de l'Institut astronomique d'État PK Sternberg (GAISH), de l'Université d'État de Moscou, la superficie totale des zones ombragées éternellement dans le cratère Cabeo, dans lesquelles s'accumule la glace d'eau, peut être d'environ 530 km2 (Fig. 1). Sur la base de ces estimations, on peut supposer que la masse totale de glace d'eau dans le sol du cratère Cabeus atteint ~ 18 000 tonnes. Si cette hypothèse est correcte, les réserves totales de glace dans la région polaire sud de la Lune peuvent être de 100 à 200 000 tonnes.

Zones occupées par des dépôts de glace dans le cratère Cabeus (calculs du GAISh MGU).

Calottes glaciaires

Au cours de la dernière décennie, l'instrument LEND a effectué plus de 12 400 orbites autour de la Lune et transmis plus de 110 gigaoctets d'informations scientifiques à la Terre. Sur cette base, des cartes de la fraction massique de l'eau dans la matière lunaire ont été construites. La principale conclusion est peut-être qu'à proximité des pôles lunaires nord et sud, il y aura probablement des régions de pergélisol avec une teneur relativement élevée en glace d'eau, augmentant à certains endroits jusqu'à plusieurs pour cent de la masse du sol (Fig. 2).

Fig. 2. Carte de la région polaire sud de la Lune selon l'instrument LEND de 2009 à 2018. La couleur montre les zones d'une présence d'une fraction massique d'eau (WEH) significative, qui correspond à la quantité d'hydrogène observée dans le sol (IKI RAN).

Des études similaires ont été menées par l'engin spatial indien "Chandrayan-1" avec un scanner multispectral, dont la tâche était de cartographier les emplacements de divers minéraux sur la surface lunaire. Avec son aide, des régions de distribution de minéraux enrichis en hydroxyle et en eau ont été découvertes (Fig. 3).

Fig. 3. Région polaire sud de la Lune. Les surfaces sont mises en évidence avec une teneur élevée en minéraux enrichis en hydroxyle et en glace d'eau (données de la sonde indienne "Chandrayan-1").

Et dans la région du pôle Nord, dans une zone relativement petite, les chercheurs ont découvert environ 40 cratères remplis de glace. Les diamètres de ces cratères varient de 2 km à 15 km. Les calculs montrent que la masse totale des dépôts de glace qu'ils contiennent peut atteindre 600 millions de tonnes.

De la glace sous les pieds

En réalité, il peut y avoir encore plus de ressources en eau sur la lune. Comme déjà mentionné, avant le lancement de la sonde LRO, on pensait que les zones de la Lune les plus susceptibles de contenir des dépôts de glace d'eau étaient les "pièges froids" - des zones ombragées au fond des cratères ou des dépressions où le soleil les rayons ne tombent pas. Il a été supposé que les molécules d'eau ne peuvent plus s'évaporer de ces zones en raison de la température constamment basse (environ 60 degrés Kelvin, ou -213 ° C).

À la suite de la généralisation des recherches menées avec l'aide de LEND, il a été conclu que l'eau gelée peut être trouvée non seulement dans des "pièges froids", mais également sur la surface normale de la Lune éclairée par le Soleil. Cela a été indiqué par la faible émission de neutrons, qui indique très probablement la concentration d'hydrogène. Ce résultat était inattendu : on pensait que les zones à forte teneur en hydrogène, et donc en glace, devaient coïncider avec les zones éternellement ombragées au voisinage des pôles lunaires.

Fig. 4. La microstructure de la surface du régolithe dans la zone d'exploitation de l'appareil "Lunokhod-1", qui était situé à une latitude d'environ 38 ° dans l'hémisphère nord de la Lune.

Essayant de comprendre ce paradoxe, les scientifiques ont examiné de près les photographies prises plus tôt lors des missions lunaires, en particulier le "Lunokhod-1" soviétique (Fig. 4). Il s'est avéré que la structure lâche et rugueuse du relief crée des micro-zones d'ombre pouvant occuper jusqu'à la moitié de la surface de la Lune. Ces "taches" de la surface lunaire cachent très probablement la glace dans leur ombre du chauffage par les rayons du soleil (Fig. 5).

Fig. 5. Diagramme de géométrie simplifiée: micro-zones constamment ombragées de la surface lunaire.

Pas seulement les comètes

Depuis plusieurs années maintenant, la discussion sur les options pour l'origine de la glace d'eau lunaire se poursuit. Les versions initiales - que l'eau est arrivée sur la Lune avec des comètes - sont progressivement complétées par des versions plus complexes, qui prennent en compte les processus d'interaction au niveau moléculaire de la surface lunaire avec l'espace environnant.

Selon l'une des hypothèses modernes, l'eau pourrait se former non seulement à l'aide de comètes, mais aussi en combinant des atomes d'hydrogène apportés par le vent solaire avec de l'oxygène, qui fait partie des minéraux lunaires. À la suite d'un tel composé, un hydroxyle pourrait être formé (il se compose d'un atome d'oxygène et d'un atome d'hydrogène et ressemble à une molécule d'eau - Ed.). Ensuite, l'énergie libérée par l'impact des météorites pourrait contribuer à la conversion de l'hydroxyle en eau sous forme de dépôts microscopiques de glace d'eau.

Rareté dans l'univers

L'interaction du vent solaire et d'autres types de rayonnement cosmique avec le matériau de surface de la Lune peut présenter une autre surprise pour les terriens.

Dans la description des développements qui sont censés être inclus dans le programme de la China National Space Administration (CNSA), un autre matériau vraiment unique est mentionné. Nous parlons du Californium (Cf) - un élément chimique radioactif. Ce métal est le plus cher au monde : le prix du gramme atteint 30 millions de dollars. Le californium est utilisé pour la recherche scientifique et en médecine. Malgré son coût élevé, l'effet économique de l'utilisation de ce métal rare couvre les coûts de sa production.

Sur Terre, le californium (isotope 252) est créé dans les réacteurs nucléaires par des produits de fission irradiés avec du plutonium radioactif, du curium ou des neutrons. L'essence de la production de ce métal réside dans les étapes répétées de désintégration et de transformation de l'élément initial en un état intermédiaire - un isotope d'un autre élément.

Les scientifiques chinois suggèrent que le californium peut se former sur la surface lunaire dans des conditions naturelles (Fig. 6). Selon eux, la concentration du la Californium sur la Lune ne cesse d'augmenter en raison du bombardement de la surface par les protons formés lors des éruptions solaires.

Fig. 6. Schéma présomptif pour la formation de californium in situ à la surface lunaire.

L'extraction d'éléments comme le Californium sur la Lune est susceptible de rendre profitable tout programme lunaire. Mais jusqu'à ce que le Congrès américain ait alloué un financement pour l'ensemble du programme Artemis et que les coûts prévus par la Chine pour un programme lunaire habité ne soient annoncés, il est presque impossible d'estimer de manière fiable le coût de l'exploitation minière du Californium sur la Lune et de sa livraison sur Terre.

Mais qu'en est-il de l'hélium-3 ?

Rappelons également le « légendaire » hélium-3, le « héros » des publications populaires il y a 10-15 ans pour sauver l'humanité de la soif d'énergie. Il était censé être utilisé comme combustible dans les réacteurs thermonucléaires afin de produire de l'électricité pour toute la Terre. Il faut admettre que le rendement d'une telle centrale serait vraiment formidable. De plus, un réacteur à fusion à l'hélium-3 serait plus sûr qu'un réacteur traditionnel.

Le problème, cependant, est que la température nécessaire pour maintenir la réaction avec l'hélium-3 est de l'ordre d'un milliard de degrés… d'un milliard ! Il est même difficile d'imaginer des solutions techniques pour créer et maintenir une telle température.

Et comme dernier argument, il convient de noter que la quantité d'hélium-3 qui tombe sur la lune dans le cadre des particules du vent solaire et s'attarde dans le sol lunaire est catastrophiquement faible. Sa quantité, selon la revue "Geokhimiya" (volume 51, n°12 pour 2013), varie de 0,02 mg à 130 mg par tonne de sol superficiel, et il sera très difficile de s'en procurer. Ceux qui s'intéressent à cette question, on peut se référer à l'article détaillé de A. A. Petroukovich "La lune et un sou d'énergie lunaire" dans la revue "Naouka i zhizn" n°8, 2004.

Calcul lunaire

L'étape de l'exploration de la Lune est loin d'être terminée, et depuis le nouveau cycle de la « course lunaire » qui a commencé (dans lequel les appareils automatiques russes « Luna-25, -26 et -27», et, espérons-le, des expéditions habitées prendront également une part digne), nous attendons les prochaines découvertes. Il arrive que dans le processus d'une telle recherche, les chercheurs ne trouvent souvent pas du tout ce qu'ils avaient initialement prévu, mais quelque chose de beaucoup plus intéressant. Il est possible que l'image des ressources lunaires attrayantes pour les terriens soit différente dans quelques décennies.

Par exemple, vous vous souviendrez que le principal résultat des voyages de Colomb vers un nouveau continent (alors pas encore appelé Amérique, du nom de son principal concurrent) n'était pas des tas d'or (pas trop gros pourtant) livrés à la couronne espagnole, mais les pommes de terre les plus ordinaires, sans lesquelles il est difficile d'imaginer la vie de l'Europe médiévale il y a quelques siècles.

Le concept de ressources lunaires de la section science-fiction devrait évoluer dans les années à venir vers un plan pratique concret. Selon les experts, le concept global d'exploration spatiale et l'utilisation réelle des ressources naturelles extraterrestres nécessitent d'allouer jusqu'à un tiers des coûts totaux de développement du complexe industriel à la science spatiale.

Un tel niveau de financement sera inaccessible pour aucun pays du monde pendant très longtemps. La société n'a pas encore réalisé la gravité des problèmes mondiaux imminents. En conséquence, les programmes spatiaux scientifiques vraiment vitaux ne reçoivent qu'un soutien très limité, perdant face à des projets qui, du point de vue de l'avenir, ne peuvent être considérés que comme de la galère.

Les auteurs espèrent que cet article contribuera à attirer l'attention sur la possibilité d'utiliser les ressources spatiales (dans notre cas, lunaires) pour résoudre les graves problèmes auxquels l'humanité sera confrontée au cours de ce siècle. L'exploration de la Lune - en réalité le septième continent de la Terre - devrait devenir la suite logique de l'expansion spatiale, qui a débuté le 4 octobre 1957 avec le lancement du premier satellite artificiel de la Terre.

Lev Zeleny et Vladislav Shevchenko

Source et crédits graphiques: Roussky Kosmos/Roscosmos