Selon une nouvelle étude, des scientifiques ont surmonté l’un des obstacles les plus difficiles à affronter pour voyager dans l’espace : comment s’assurer que les astronautes aient suffisamment de carburant, d’air et d’eau pour leur voyage. Leur méthode proposée fait appel à des « photocatalyseurs » qui permettent de séparer ou de recombiner les molécules d’eau.

Image d’entête : l’astronaute canadien de l’Agence spatiale canadienne et ingénieur de vol Chris Hadfield regardant à l’intérieur d’une bulle d’eau en suspension entre lui et la caméra dans le module Unity de la Station Spatiale Internationale.(NASA)

Le vide et les vastes distances impliquées posent des défis énormes et uniques aux voyages dans l’espace. L’un des plus grands est le besoin d’apporter tout ce dont vous aurez besoin avec vous ou de le récupérer en cours de route. Les éléments essentiels de base que sont le carburant, l’eau et l’air respirable sont également parmi les plus difficiles à garantir, puisque chaque gramme contenu dans l’engin spatial doit être déplacé et protégé. Et si, à la place, ils disposaient d’une méthode de recyclage et de recombinaison ?

Une solution possible à ce problème est ce qu’un groupe de scientifiques du California Institute of Technology (Caltech), de l’université libre de Berlin et de l’Agence spatiale européenne (ESA) ont noté dans leur étude publié ce mois-ci (lien plus bas).

L’eau est composée d’atomes d’hydrogène et d’oxygène, des éléments qui peuvent être utilisés comme combustible et pour la respiration, respectivement. Séparer les molécules d’eau en ces éléments est plus facile à dire qu’à faire. Il y a deux méthodes, qui impliquent toutes deux de l’électricité.

L’électrolyse est le moyen le plus facile, nous l’utilisons déjà sur Terre pour produire de l’hydrogène pour les piles à combustible. Il s’agit de faire passer un courant dans de l’eau qui contient un électrolyte soluble. Cependant, l’électrolyse nécessite de l’équipement lourd et encombrant, les dernières choses que vous voudriez dans un vaisseau spatial.

Mais, si nous pouvions y arriver, Charles W Dunnill de l’université de Swansea (Royaume-Uni), suggère que nous pourrions littéralement utiliser l’eau comme carburant de fusée et le transporter sous cette forme dans l’espace , ce qui serait beaucoup plus sûr que “de mettre des explosifs au sommet d’une tour d’incendie alimentée par d’autres explosifs”.

Ici-bas sur Terre, l’hydrogène est de plus en plus utilisé en tant que combustible propre comme alternative aux combustibles fossiles, bien que la production d’hydrogène propre en quantité suffisante reste difficile.

La deuxième méthode, qui le sujet de cette étude, est beaucoup plus intéressante. Les photocatalyseurs absorbent les photons de lumière dans un matériau semi-conducteur entouré d’eau. L’électricité dans le photon expulse l’électron d’une molécule d’eau voisine de la molécule, ce qui la libère pour qu’elle puisse se détacher et interagir avec les protons d’autres molécules. Quand un électron et un proton se séparent et forment un atome par eux-mêmes, c’est de l’hydrogène, et quand l’atome d’hydrogène quitte la molécule d’eau, il laisse derrière lui deux atomes d’oxygène (O2), la forme d’oxygène que nous respirons.

Le processus peut être inversé et utilisé pour former des molécules d’eau à partir d’air et d’hydrogène. Cela signifie que toutes ces choses peuvent être recyclées pour des utilisations répétées ou pour produire ce dont le vaisseau spatial a besoin à ce moment-là. Cela signifie également que les trois éléments peuvent être stockés comme un seul matériau stable : l’eau. De plus, l’équipement nécessaire à la photocatalyse est beaucoup plus petit et plus léger que celui nécessaire à l’électrolyse.

Les chercheurs ont testé la viabilité du procédé dans un environnement sans gravité en faisant tomber toute l’expérience dans une  » tour de chute  » de (drop tower) spécialisée de 120 m qui simule une microgravité. Le problème à surmonter était les bulles. Sur Terre, la gravité fait monter les bulles à la surface de l’eau, mais en gravité 0, les bulles ne bougent pas, ce qui diminue l’efficacité.

La seule question restante est la source d’électricité pour le processus. Le jour de publication de cette étude correspond à l’anniversaire du jour où Albert Einstein a reçu un prix Nobel en 1923 pour avoir découvert le processus qui le rend possible : l’effet photoélectrique.

Les panneaux solaires, aussi appelés cellules photovoltaïques, reçoivent les photons de la lumière du soleil et les convertissent en électricité. Ils sont une source commune de carburant pour les voyages spatiaux, car ils sont beaucoup plus efficaces dans l’espace que sur Terre, mais leur utilité diminue à mesure que l’on s’éloigne du soleil.

Dans le passé, les sondes spatiales envoyées vers l’extérieur du système solaire utilisaient généralement des générateurs thermoélectriques à radioisotope (GTR), qui exploitent l’énergie thermique dégagée par les matières radioactives en désintégration, comme combustible de remplacement.

Représentation de la sonde Juno de la NASA lors de son arrivée dans l’orbite de Jupiter. (JPL/ NASA)

Cependant, des sondes spatiales plus récentes ont utilisé des systèmes photovoltaïques plus puissants et plus efficaces : la sonde Juno (ci-dessus), lancée vers Jupiter en 2011, a été la première à utiliser l’énergie solaire au lieu de GTR. La sonde spatiale Dawn, envoyée dans la ceinture d’astéroïdes pour étudier les planètes naines Vesta et Cérès en 2007, a utilisé l’énergie solaire pour alimenter son moteur ionique, une autre première, qui génère de la poussée par ionisation et accélération du gaz et qui nécessite de l’électricité pour fonctionner.

L’étude publiée dans Nature Communications : Efficient solar hydrogen generation in microgravity environment. La page consacrée à ce domaine de recherche sur le blog du Dr. Charles W. Dunnill : Sustainable Hydrogen Innovation and Technology et son article décrivant la nouvelle étude dans The Conversation : Method of making oxygen from water in zero gravity raises hope for long-distance space travel.