L'hydrogène pour aller plus loin : les carburants spatiaux

Nous assistons depuis la fin des années 1990 à une recrudescence des missions lunaires et martiennes non habitées. La prochaine décennie sera celle des missions habitées, vers la Lune – avec un premier atterrissage prévu en 2024,– puis vers Mars, Elon Musk ayant réitéré son ambition d’y faire atterrir des vaisseaux Starship avant 2030. La NASA prévoit également d’établir après 2024 une station spatiale cis-lunaire (« Gateway ») positionnée en orbite halo (NHRO), qui deviendrait une porte d’accès incontournable pour l’exploration de « l’espace profond ». L'approvisionnement en carburants spatiaux sera alors un défi majeur pour rendre les voyages vers la Lune et vers Mars économiquement crédibles.

L’énergie nécessaire pour s’arracher à l’attraction terrestre est très significativement supérieure à celle qui est utilisée pour quitter la surface de la Lune. Cette différence majeure a amené industriels et universitaires à étudier la pertinence de produire des carburants spatiaux (LH2, LOX) sur la Lune, où la présence d’eau est démontrée, afin d’alimenter une infrastructure de ravitaillement au niveau de la station Gateway.

La production de carburants spatiaux sur la Lune nécessite d’y établir une chaine de valeur complète : extraction minière de l’eau dans des zones d’ombre permanente (PSR), électrolyse de l’eau en LH2 et LOx et activités annexes (manipulation et transport de l’eau et des carburants spatiaux, maintenance robotisée, production d’énergie et communications).

Des acteurs publics (NASA, Universités, etc.) et privés se positionnent sur cette chaine de valeur. La constitution d’écosystèmes cohérents autour des agences spatiales ou des leaders privés tels SpaceX sera nécessaire pour mobiliser les ressources techniques et financières indispensables (investissement initial estimé à ~ 7B$ pour une première phase ravitaillant 2 à 3 missions lunaires par an et une mission martienne tous les deux ans – soit environ 240t / an en orbite de Halo au cours de la prochaine décennie).

La production de carburants spatiaux sur la Lune nécessitera également de disposer d’un espace économique suffisant par rapport à des business models où l’ensemble du carburant serait produit sur Terre. En effet, une production sur la Lune n’est pertinente que dans la mesure où l’ensemble des coûts de production et transport afférents (y.c. les investissements et les coûts de financement) sont sensiblement inférieurs aux prix d’envoi des combustibles au point de ravitaillement (NHRO), soit ~ 12k$/kg, en cohérence avec les coûts de lancement actuels de SpaceX.

Dans l’état actuel des connaissances, les coûts extrapolés sur la base des études de référence (Blair, Charania, Lavoie, etc.) – s’ils sont maîtrisés – devraient permettre une rentabilité en ligne avec le niveau de risque associé (IRR > 20%), dans la mesure où les prix des lancements se maintiennent à des niveaux proches des niveaux actuels.

De plus, les retombées des travaux de R&D associés pourraient également être bénéfiques pour des applications « terrestres », par exemple dans le domaine de l’avion à hydrogène où les circuits d’alimentation cryogéniques issus de la technologie spatiale auront des débouchés probables.