Comment la physique permet-elle d’assurer à la fois la survie humaine sur Mars et le retour vers la Terre ?

« Comment la physique permet-elle d’assurer à la fois la survie humaine sur Mars et le retour vers la Terre ? Depuis plusieurs décennies, Mars fascine les scientifiques et le grand public.

Sa surface rocheuse, ses calottes polaires et certains indices d’eau passée en font la candidate idéale pour une potentielle colonisation humaine.

Mais contrairement à la Terre, Mars possède une atmosphère très pauvre en oxygène et des températures extrêmes.

Alors comment faire pour que des astronautes puissent non seulement survivre sur Mars, mais aussi revenir sur Terre? C’est là que la physique entre en jeu.

En effet, que ce soit pour produire de l'oxygène sur Mars, pour produire de l’énergie et du carburant, ou pour calculer les meilleures trajectoires pour le voyage, la physique est partout.

Durant cet oral je vais donc vous montrer comment la physique permet d’assurer à la fois la survie humaine sur Mars et le retour vers la Terre.

(30s) I. La survie humaine sur Mars 1.

Production d'oxygène nécessaire Tout d’abord, l’un des plus grands défis pour assurer la survie humaine sur Mars est la production d’oxygène nécessaire à la respiration.

Contrairement à la Terre, l’atmosphère martienne est composée à environ 96 % de dioxyde de carbone, et ne contient que 0,13 % d’oxygène.

Pour remédier à cela, la NASA a mis au point un petit générateur appelé MOXIE, embarqué à bord du rover Persévérance.

Ce dispositif vise à produire de l’oxygène directement à partir de l’air martien, en utilisant un procédé bien connu : l’électrolyse du CO₂.

Sur le plan chimique, le dioxyde de carbone est une molécule formée d’un atome de carbone et de deux atomes d’oxygène.

L’idée est de casser cette molécule pour en extraire l’oxygène.

Pour que MOXIE puisse extraire l’oxygène du dioxyde de carbone (CO₂) présent dans l’atmosphère martienne, il faut d’abord chauffer l’air à une température très élevée, autour de 800°C.

Ainsi l’énergie cinétique microscopique des molécules de CO 2 est plus élevée donc il y a plus de chocs efficaces et donc plus de O2 formées. Ensuite, MOXIE utilise un courant électrique pour réaliser une électrolyse : ce courant fait circuler des charges électriques qui séparent les ions oxygène du CO₂.

Ces ions traversent une membrane spéciale en céramique, qui agit comme un filtre, ne laissant passer que les ions oxygène.

Ces ions se recombinent alors pour former du dioxygène (O₂), que les astronautes peuvent respirer. À la cathode : le CO₂ est réduit en monoxyde de carbone CO et en ions oxyde O2Demi équation électronique : CO₂ + 2 e- → CO + O2- (x2) Ces ions oxyde migrent vers l’anode en passant par l’électrolyte solide. À l’anode :il y a l’oxydation des ions oxyde en molécules de dioxygène Demi équation électronique : 2O2- → O2 + 4 eD’où le bilan de l'électrolyse : 2CO₂ → 2CO + O₂ Pendant ce temps, le monoxyde de carbone (CO) est évacué comme déchet.

À pleine capacité, il peut produire jusqu’à 10 grammes d’oxygène par heure, ce qui est peu à l’échelle humaine, mais cela représente déjà une avancée importante.

( Cela montre que l’on peut utiliser les ressources locales de Mars, comme le CO₂ de son atmosphère, pour produire de l’oxygène, plutôt que d’avoir à tout emporter depuis la Terre.) (1min45s) 2.

Production d’eau et d’énergie Sur Mars, un autre élément indispensable à la survie humaine est bien sûr l’eau.

Elle est essentielle pour l'hydratation et pour des usages techniques comme le refroidissement des équipements.

Mais Mars est un désert froid où l’eau liquide n’existe pas à l’état naturel en surface.

Il faut donc la produire sur place à partir de glace martienne.

Mais avant même d’envisager la fonte de cette glace, il faut disposer d’une source d’énergie fiable.

Deux méthodes principales sont envisagées : les panneaux solaires et les réacteurs nucléaires. La lumière, que nous percevons comme une onde, possède aussi une nature particulaire : elle est constituée de petites particules appelées photons.

Chaque photon transporte une quantité d’énergie qui dépend de sa fréquence.

En effet, pour calculer l'énergie d’un photon la formule est : E = h * ν Avec h la constante de planck en J/s et ν la fréquence du rayonnement associé au photon en Hz Dans un panneau solaire, la lumière solaire arrive sur un matériau semi-conducteur, souvent du silicium.

Ce matériau possède une structure électronique particulière : ses électrons sont organisés en bandes d’énergie.

Entre la bande d’énergie où les électrons sont liés aux atomes, la bande de valence, et la bande où ils peuvent se déplacer librement, la bande de conduction, il existe une zone interdite appelée « bande interdite » ou « gap ».

Pour qu’un électron puisse passer de la bande de valence à la bande de conduction, il doit recevoir une énergie au moins égale à cette bande interdite. Lorsque un photon frappe le semi-conducteur, s’il possède suffisamment d’énergie, c’est-àdire si sa fréquence est assez élevée, il peut transférer cette énergie à un électron lié dans la bande de valence.

Cet électron gagne alors assez d’énergie pour franchir la bande interdite et passer dans la bande de conduction, où il devient libre de se déplacer. Ce déplacement des électrons libres crée un courant électrique.

En connectant le semiconducteur à un circuit externe, ce courant peut être utilisé pour alimenter des équipements, comme les systèmes de chauffage nécessaires à la fonte de la glace martienne. Mais sur Mars, l’ensoleillement est moins intense qu’à la surface de la Terre, car la planète est plus éloignée du Soleil.

De plus, des tempêtes de poussière fréquentes peuvent réduire encore davantage la lumière disponible pour les panneaux solaires.

Pour pallier ces limitations, la NASA envisage d’utiliser des réacteurs nucléaires à fission, qui fournissent une source d’énergie stable et puissante, indépendamment des conditions extérieures.

La fission nucléaire désigne le processus par lequel un neutron est projeté sur un atome lourd, ici l’uranium 235 et, en étant absorbé, divise le noyau de l’atome en deux atomes plus légers. Ainsi un exemple d'équation de fission d’un atome d'uranium 235 est: Une fois l’énergie produite, l’objectif est de passer de la glace à l’eau liquide.

Sur Mars, où les températures moyennes sont très basses, cela nécessite un apport important de chaleur. Le processus est donc simple mais énergétiquement coûteux.

Grâce à l’énergie produite, qu’elle soit solaire ou nucléaire, on peut chauffer la glace présente sous la surface martienne, notamment dans les régions proches des pôles ou en sous-sol, et la transformer en eau.

Cette eau pourra ensuite être stockée, purifiée et utilisée par les astronautes. (2min) II.

Le retour vers la Terre 1.

Produire le carburant sur place Ensuite, l’un des enjeux les plus complexes d’une mission habitée sur Mars, après la survie sur place, est le retour vers la Terre.

Pour cela, il est indispensable de disposer d’un carburant efficace et suffisamment puissant pour permettre à une fusée de quitter la surface martienne.

Cependant, transporter ce carburant depuis la Terre représenterait une charge immense et peu réaliste.

En effet, selon les estimations de la NASA, il faudrait embarquer environ 33 tonnes de carburant uniquement pour assurer le voyage retour.

C’est pourquoi les ingénieurs étudient aujourd’hui la possibilité de produire ce carburant directement sur Mars, à partir des ressources locales. Le carburant envisagé est principalement composé de méthane (CH₄).

L’un des grands avantages du méthane est qu’il peut être produit à partir de deux ressources présentes sur Mars : le dioxyde de carbone (CO₂), extrêmement abondant dans l’atmosphère martienne, à plus de 96 %, et l’eau, que l’on peut extraire du sol, comme vu précédemment.

L’idée est donc de combiner ces deux éléments pour générer du méthane, qui sera ensuite stocké sous forme liquide dans des réservoirs, prêts à alimenter une fusée. Pour produire le méthane, les scientifiques s’appuient sur une réaction chimique découverte par le chimiste français Paul Sabatier, au début du 20e siècle.

Cette réaction, connue sous le nom de réaction de Sabatier, combine une molécule de dioxyde de carbone (CO₂) avec quatre molécules de dihydrogène (H₂) pour produire une molécule de méthane (CH₄) et deux molécules.... »