Dans un but d’exploration ou de colonisation, les agences spatiales et les entreprises privées ont déjà des plans avancés pour envoyer des humains sur Mars dans les années à venir. Le nombre de découvertes de planètes similaires à la Terre autour d’étoiles « proches » ne cesse aussi de croître, ce qui fait des voyages spatiaux sur de longues distances un sujet plus qu’intéressant.
Cependant, il n’est pas facile pour un être humain de survivre dans l’environnement hostile qu’est l’espace, surtout pendant une période prolongée. L’un des principaux défis liés au voyage spatial sur de longues distances est de transporter suffisamment d’oxygène pour que les astronautes puissent respirer et suffisamment de carburant pour alimenter la propulsion et les systèmes électroniques complexes, le tout dans un environnement sécurisé et stable.
Malheureusement, il n’y a que peu d’oxygène disponible dans l’espace et les grandes distances rendent difficiles les recharges rapides. Mais une nouvelle étude publiée dans Nature Communications montre qu’il est possible de produire de l’hydrogène (pour le combustible) et de l’oxygène à partir de l’eau en utilisant un matériau semiconducteur ainsi que la lumière du Soleil (ou d’une autre étoile). Le système peut fonctionner dans l’espace (absence de gravité).
L’un des plus grands défis énergétiques du moment est de réussir à utiliser le plus efficacement possible la seule ressource illimitée qui nous est accessible à ce jour : le Soleil. Alors que nous nous éloignons lentement du pétrole pour nous diriger vers des sources d’énergie renouvelables, les chercheurs s’intéressent à la possibilité d’utiliser l’hydrogène comme combustible.
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Sur Terre, le meilleur moyen de le faire serait de diviser l’eau (H2O) en ses différents constituants : soit l’hydrogène et l’oxygène. Ceci est possible en utilisant un processus connu sous le nom d’électrolyse, qui consiste à faire passer un courant électrique à travers un échantillon d’eau contenant un peu d’électrolyte soluble, par le biais de deux électrodes. Cela décompose l’eau en oxygène et en hydrogène, qui sont libérés séparément au niveau des deux électrodes.
L’hydrogène et l’oxygène ainsi produits à partir de l’eau pourraient également être utilisés comme combustible pour un engin spatial. Lancer une fusée munie d’un réservoir d’eau serait en fait beaucoup plus sûr qu’avec du carburant de fusée supplémentaire et de l’oxygène à bord, les risques d’explosion étant très élevés.
Une fois dans l’espace, une technologie avancée pourrait diviser l’eau en hydrogène et en oxygène, qui à leur tour pourraient être utilisés pour permettre à un équipage de respirer, ou pour alimenter l’électronique via des piles à combustible (hydrogène).
Pour le faire, il existe deux options. La première implique l’électrolyse comme nous le faisons sur Terre, en utilisant des électrolytes ainsi que des cellules solaires pour capter la lumière du Soleil et la convertir en courant électrique.
La deuxième option consiste à utiliser des « photocatalyseurs », qui agissent en absorbant les particules légères (les photons) dans un matériau semi-conducteur inséré dans l’eau. Avec ce système, l’énergie d’un photon est absorbée par un électron dans le matériau qui se déplace alors, laissant derrière lui un « trou ».
L’électron libre peut réagir avec les protons (qui, avec les neutrons, forment le noyau atomique) dans l’eau pour former de l’hydrogène. Pendant ce temps, le « trou » laissé par le premier électron peut absorber d’autres électrons contenus dans l’eau pour former des protons et de l’oxygène.
Le processus peut également être inversé. L’hydrogène et l’oxygène peuvent être rassemblés ou « recombinés » en utilisant une pile à combustible renvoyant l’énergie solaire absorbée par la « photocatalyse » – énergie qui peut être exploitée pour alimenter l’électronique. La recombinaison ne forme que de l’eau en tant que produit, ce qui signifie que celle-ci peut également être recyclée. C’est la clé du voyage spatial à longue distance.
Le procédé utilisant des photo-catalyseurs représente la meilleure option pour les voyages spatiaux car l’équipement du système est beaucoup plus léger que celui nécessaire pour l’électrolyse simple. En théorie, cela pourrait être énergétiquement plus efficace que sur Terre, en partie en raison du fait que l’intensité de la lumière du Soleil est beaucoup plus élevée dans l’espace, où l’atmosphère de la Terre n’absorbe plus une partie du rayonnement solaire.
Dans le cadre de cette nouvelle étude, les chercheurs ont lâché dans le vide un modèle expérimental complet s’appuyant sur la photocatalyse depuis le sommet d’une tour de 120 mètres de haut, créant ainsi un environnement similaire à la microgravité. Lorsque les objets accélèrent vers la Terre (chute libre), l’effet de la gravité diminue lorsque les forces exercées par cette dernière sont annulées par des forces égales et opposées, dues à l’accélération (la gravité terrestre « g » étant de 9.81 m/s2).
Les chercheurs ont ainsi réussi à montrer qu’il est effectivement possible de diviser l’eau dans cet environnement. Cependant, lorsque celle-ci est divisée pour créer du gaz, des bulles se forment. Se débarrasser des bulles sur le matériau catalytique une fois formées est un élément important. En effet, les bulles gênent le processus de création du gaz.
Sur Terre, la gravité fait naturellement aller les bulles à la surface (l’eau près de la surface est plus dense que les bulles, ce qui les rend plus actives), libérant ainsi de l’espace sur le catalyseur pour produire la prochaine bulle.
En apesanteur, ceci n’est pas possible, la bulle reste ainsi sur ou près du catalyseur. Cependant, les scientifiques ont ajusté la forme des caractéristiques nanométriques au sein du catalyseur en créant des zones en forme de pyramide, où la bulle peut facilement se désengager et flotter dans l’eau.
Mais un problème persiste. En l’absence de gravité, les bulles restent dans le liquide, et ce même si elles ont été chassées du catalyseur lui-même.
En effet, la gravité permet aux gaz de s’échapper facilement du liquide, ce qui est essentiel pour l’utilisation de l’hydrogène et de l’oxygène purs. Sans la présence de la gravité, aucune bulle de gaz ne flotte à la surface et se sépare du mélange. Au lieu de cela, tout le gaz reste dans le mélange et crée de la mousse.
L’efficacité du procédé en est donc fortement réduite, car les catalyseurs ou les électrodes sont « bloqués ». Des solutions d’ingénierie autour de ce problème seront la clé de la mise en œuvre de cette technologie dans l’espace. Une solution serait d’utiliser les forces centrifuges de la rotation d’un engin spatial pour séparer les gaz de la solution. Néanmoins, grâce à cette nouvelle étude, nous nous rapprochons davantage du voyage spatial humain de longue durée.
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