Grâce aux panneaux solaires légers et flexibles d’aujourd’hui, le photovoltaïque peut être plus pratique pour les longs séjours

La plupart des scientifiques et des ingénieurs qui ont réfléchi à la logistique de la vie à la surface de la planète rouge ont supposé que l’énergie nucléaire était la meilleure alternative, en grande partie à cause de sa fiabilité et de son fonctionnement 24h/24 et 7j/7. Au cours de la dernière décennie, les réacteurs à fission nucléaire miniaturisés Kilopower ont progressé au point où la NASA les considère comme une source d’énergie sûre, efficace et abondante et la clé de l’exploration robotique et humaine future.

L’énergie solaire, en revanche, doit être stockée pour être utilisée la nuit, qui dure sur Mars à peu près la même durée que sur Terre. Et sur Mars, la production d’électricité des panneaux solaires peut être réduite par la poussière rouge omniprésente qui recouvre tout. Le rover Opportunity de la NASA, âgé de près de 15 ans, alimenté par des panneaux solaires, a cessé de fonctionner après une énorme tempête de poussière sur Mars en 2019.

La nouvelle étude, publiée cette semaine dans la revue Frontières en astronomie et sciences spatiales, utilise une approche systémique pour comparer ces deux technologies face à face pour une mission prolongée de six personnes vers Mars impliquant un séjour de 480 jours à la surface de la planète avant de retourner sur Terre. C’est le scénario le plus probable pour une mission qui réduit le temps de transit entre les deux planètes et prolonge le temps à la surface au-delà d’une fenêtre de 30 jours.

Leur analyse a révélé que pour les sites de peuplement sur près de la moitié de la surface martienne, le solaire est comparable ou meilleur que le nucléaire, si vous tenez compte du poids des panneaux solaires et de leur efficacité – tant qu’une partie de l’énergie diurne est utilisée pour produire de l’hydrogène gazeux pour une utilisation dans les piles à combustible pour alimenter la colonie la nuit ou pendant les tempêtes de sable.

“La production d’énergie photovoltaïque couplée à certaines configurations de stockage d’énergie dans l’hydrogène moléculaire surpasse les réacteurs à fusion nucléaire sur 50 % de la surface de la planète, principalement dans les régions autour de la bande équatoriale, ce qui contraste assez fortement avec ce qui a été proposé à maintes reprises dans la littérature, qui est que ce sera l’énergie nucléaire », a déclaré Aaron Berliner, étudiant au doctorat en bio-ingénierie à l’UC Berkeley, l’un des deux premiers auteurs de l’article.

L’étude donne une nouvelle perspective sur la colonisation de Mars et fournit une feuille de route pour décider quelles autres technologies déployer lors de la planification de missions habitées vers d’autres planètes ou lunes.

“Ce document donne une vision globale des technologies énergétiques disponibles et de la manière dont nous pourrions les déployer, quels sont les meilleurs cas d’utilisation pour elles et où sont-elles insuffisantes”, a déclaré le co-premier auteur Anthony Abel, étudiant diplômé en le Département de génie chimique et biomoléculaire. “Si l’humanité décide collectivement que nous voulons aller sur Mars, ce type d’approche au niveau du système est nécessaire pour l’accomplir en toute sécurité et minimiser les coûts d’une manière éthique. Nous voulons avoir une comparaison lucide entre les options, que nous ‘ Nous décidons quelles technologies utiliser, à quels endroits aller sur Mars, comment y aller et qui amener.”

Les missions plus longues ont des besoins en énergie plus importants

Dans le passé, les estimations de la NASA sur les besoins en énergie des astronautes sur Mars se concentraient généralement sur de courts séjours, qui ne nécessitent pas de processus gourmands en énergie pour cultiver des aliments, fabriquer des matériaux de construction ou produire des produits chimiques. Mais alors que la NASA et les dirigeants d’entreprises qui construisent maintenant des fusées qui pourraient aller sur Mars – y compris Elon Musk, PDG de SpaceX, et Jeff Bezos, fondateur de Blue Origin – évoquent l’idée de colonies à long terme hors de la planète, plus grandes et des sources d’énergie plus fiables doivent être envisagées.

La complication est que tous ces matériaux doivent être transportés de la Terre à Mars à un coût de centaines de milliers de dollars par livre, ce qui rend essentiel un faible poids.

L’un des principaux besoins est l’électricité pour les installations de bioproduction qui utilisent des microbes génétiquement modifiés pour produire de la nourriture, du carburant pour fusée, des matières plastiques et des produits chimiques, y compris des médicaments. Abel, Berliner et leurs co-auteurs sont membres du Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES), un effort multi-universitaire visant à modifier les microbes en utilisant les techniques d’insertion de gènes de la biologie synthétique pour fournir les fournitures nécessaires à une colonie.

Les deux chercheurs ont découvert, cependant, que sans connaître la quantité d’énergie qui sera disponible pour une mission prolongée, il était impossible d’évaluer le caractère pratique de nombreux processus de biofabrication. Ainsi, ils ont entrepris de créer un modèle informatisé de divers scénarios d’alimentation électrique et de demandes d’énergie probables, tels que l’entretien de l’habitat – qui comprend le contrôle de la température et de la pression – la production d’engrais pour l’agriculture, la production de méthane pour que le propulseur de fusée retourne sur Terre, et production de bioplastiques pour la fabrication de pièces détachées.

Face à un système nucléaire Kilopower se trouvaient des systèmes photovoltaïques avec trois options de stockage d’énergie : des batteries et deux techniques différentes pour produire de l’hydrogène gazeux à partir de l’énergie solaire – par électrolyse et directement par des cellules photoélectrochimiques. Dans ces derniers cas, l’hydrogène est pressurisé et stocké pour une utilisation ultérieure dans une pile à combustible pour produire de l’électricité lorsque les panneaux solaires ne le sont pas.

Seule l’énergie photovoltaïque avec électrolyse – utilisant l’électricité pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène – était compétitive avec l’énergie nucléaire : elle s’est avérée plus rentable par kilogramme que le nucléaire sur près de la moitié de la surface de la planète.

Le critère principal était le poids. Les chercheurs ont supposé qu’une fusée transportant un équipage vers Mars pouvait transporter une charge utile d’environ 100 tonnes, hors carburant, et ont calculé quelle quantité de cette charge utile devrait être consacrée à un système d’alimentation à utiliser à la surface de la planète. Un voyage vers et depuis Mars prendrait environ 420 jours, soit 210 jours dans chaque sens. Étonnamment, ils ont constaté que le poids d’un système d’alimentation serait inférieur à 10 % de la charge utile totale.

Pour un site d’atterrissage près de l’équateur, par exemple, ils ont estimé que le poids des panneaux solaires plus le stockage d’hydrogène serait d’environ 8,3 tonnes, contre 9,5 tonnes pour un système de réacteur nucléaire Kilopower.

Leur modèle spécifie également comment ajuster les panneaux photovoltaïques pour maximiser l’efficacité pour les différentes conditions sur les sites sur Mars. La latitude affecte l’intensité de la lumière du soleil, par exemple, tandis que la poussière et la glace dans l’atmosphère peuvent diffuser des longueurs d’onde de lumière plus longues.

Les progrès du photovoltaïque

Abel a déclaré que le photovoltaïque est désormais très efficace pour convertir la lumière du soleil en électricité, même si les plus performants sont encore chers. La nouvelle innovation la plus cruciale, cependant, est un panneau solaire léger et flexible, qui facilite le stockage sur la fusée sortante et réduit les coûts de transport.

“Les panneaux de silicium que vous avez sur votre toit, avec une construction en acier, un support en verre, etc., ne rivaliseront tout simplement pas avec le nouveau nucléaire amélioré, mais les nouveaux panneaux légers et flexibles changent tout d’un coup vraiment, vraiment cette conversation, ” dit Abel.

Il a également noté qu’un poids plus léger signifie que plus de panneaux peuvent être transportés vers Mars, fournissant une sauvegarde pour tous les panneaux qui échouent. Alors que les centrales nucléaires kilowatts fournissent plus d’énergie, il en faut moins, donc si l’une tombe en panne, la colonie perdrait une part importante de sa puissance.

Berliner, qui prépare également un diplôme en génie nucléaire, est entré dans le projet avec un parti pris pour l’énergie nucléaire, tandis qu’Abel, dont la thèse de premier cycle portait sur les nouvelles innovations dans le photovoltaïque, était plus en faveur de l’énergie solaire.

“J’ai l’impression que cet article découle vraiment d’un désaccord scientifique et technique sain sur les mérites de l’énergie nucléaire par rapport à l’énergie solaire, et que le travail consiste vraiment à essayer de comprendre et de régler un pari”, a déclaré Berliner. “que je pense avoir perdu, sur la base des configurations que nous avons choisies pour publier ceci. Mais c’est une perte heureuse, c’est sûr.”

Les autres co-auteurs de l’article sont Mia Mirkovic, chercheuse à l’UC Berkeley au Berkeley Sensor and Actuator Center; William Collins, professeur en résidence à l’UC Berkeley en sciences de la terre et des planètes et scientifique principal au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab); Adam Arkin, directeur de CUBES et professeur Dean A. Richard Newton Memorial au département de bio-ingénierie de l’UC Berkeley ; et Douglas Clark, professeur Gilbert Newton Lewis au Département de génie chimique et biomoléculaire et doyen du Collège de chimie. Arkin et Clark sont également des scientifiques principaux du corps professoral du Berkeley Lab.

Le travail a été financé par la NASA (NNX17AJ31G) et des bourses de recherche de troisième cycle de la National Science Foundation (DGE1752814).