La science du carburant pour fusée est un domaine fascinant et complexe. Il combine non seulement la physique, la chimie et l'ingénierie, mais aussi la logistique. C'est le défi que doit relever SpaceX dans son développement. La prochaine génération de fusées lourdes est conçue pour nous emmener, aussi bien sur la Lune que sur Mars. Les moteurs des vaisseaux spatiaux Raptor n'utiliseront ni kérosène ni hydrogène liquide. Ils utiliseront du méthane, un carburant qui a été sérieusement envisagé par la recherche le siècle dernier. Mais il n'a jamais été utilisé à grande échelle, alors pourquoi SpaceX l'utilise-t-il maintenant ?
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Sources : https://pastebin.com/raw/BA4vae3f
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00:00 Bonjour à tous, bienvenue sur notre chaîne ATTEC, nous allons parler aujourd'hui des
00:10 recherches de SpaceX pour l'utilisation d'un nouveau carburant pour leur fusée.
00:15 Les connaissances scientifiques, la capacité technique et les matériaux nous ont permis
00:19 de poursuivre l'exploration de l'univers.
00:21 Lorsque la première fusée pour la Lune a décollé en 1969, on estime que près d'un
00:26 quart de la population mondiale regardait cet événement.
00:29 Pour réussir une telle prouesse, les chercheurs ont dû construire la fusée sur deux étages.
00:33 Avec le premier étage fonctionnant au kérosène pour lancer la fusée et le second étage
00:37 qui fonctionnait grâce à de l'hydrogène liquide pour dépasser l'atmosphère et
00:41 atteindre la Lune.
00:42 En effet, les puissants moteurs de la fusée Saturn V utilisaient deux carburants distincts
00:47 afin d'optimiser les performances.
00:48 Pour chaque litre d'oxygène brûlé par Saturn V, il fallait 0,64 litre de kérosène
00:54 pour le premier étage, tandis que son deuxième étage a nécessité 3,25 litres d'hydrogène.
00:59 Et pour des raisons de place, il n'était pas possible d'envisager un remplacement
01:03 du kérosène par l'hydrogène liquide.
01:05 La science du carburant pour fusée est un domaine fascinant et complexe.
01:09 Il combine non seulement la physique, la chimie et l'ingénierie, mais aussi la logistique.
01:13 C'est le défi que doit relever SpaceX dans son développement.
01:16 La prochaine génération de fusée lourde est conçue pour nous emmener aussi bien sur
01:20 la Lune que sur Mars.
01:21 Les moteurs des vaisseaux spatiaux Raptor n'utiliseront ni kérosène, ni hydrogène
01:26 liquide.
01:27 Ils utiliseront du méthane, un carburant qui a été sérieusement envisagé par la
01:30 recherche au siècle dernier.
01:31 Mais il n'a jamais été utilisé à grande échelle.
01:35 Alors pourquoi SpaceX l'utilise-t-il maintenant ?
01:37 Mettre des gens sur la Lune dans les années 60 était l'un des plus grands défis technologiques
01:44 que nous ayons jamais eu à relever.
01:46 Comment réduire le coût des lancements ? Comment produire l'oxygène nécessaire à la survie
01:51 ? Comment fournir de l'eau pour la culture et la boisson ? Comment produire le carburant
01:55 nécessaire au retour sur Terre ?
01:56 Le kérosène et l'hydrogène ne sont pas parfaits.
01:59 Le kérosène est extrait du pétrole brut par distillation fractionnée et est composé
02:03 d'un mélange d'hydrocarbures à longue chaîne.
02:05 Plus l'hydrocarbure est long, plus il est difficile de le brûler complètement dans
02:09 l'oxygène.
02:10 En effet, il nécessite plus d'oxygène par gramme de carburant pour être entièrement
02:14 oxydé.
02:15 Ainsi même, sous sa forme raffinée, le kérosène brûle souvent de façon incomplète, en se
02:19 décomposant en radicaux réactifs plus petits.
02:21 Le résultat est la coquéfaction, c'est-à-dire la production de particules de carbone sodique.
02:27 Ces particules peuvent facilement obstruer les mécanismes complexes du moteur de la
02:31 fusée.
02:32 Ce qui constitue un problème pour SpaceX, car il a pour objectif de rendre ses moteurs
02:36 réutilisables avec un minimum de maintenance.
02:39 Surtout sur Mars où les installations pour réparer ce type de problème ne seront pas
02:43 disponibles.
02:44 L'hydrogène liquide n'a pas ce problème et il a l'avantage de brûler plus efficacement
02:48 que le kérosène.
02:49 Il est possible de quantifier cette efficacité avec l'impulsion spécifique.
02:53 L'impulsion spécifique décrit l'efficacité avec laquelle un carburant peut convertir
02:57 sa masse en poussée.
02:58 Pour trouver l'impulsion spécifique moyenne, il faut tout d'abord calculer l'impulsion
03:03 totale, puis la diviser par le poids total du propergole.
03:06 Ainsi, grâce à ce calcul, il a été possible de définir que le mélange de combustible
03:11 hydrogène liquide et oxygène liquide est de loin le plus performant.
03:15 L'hydrogène a une impulsion spécifique beaucoup plus élevée que le kérosène,
03:19 environ 390 secondes contre 285 secondes pour le kérosène.
03:24 Cependant, l'hydrogène est beaucoup moins dense que le kérosène, nécessitant des
03:27 réservoirs de carburant beaucoup plus grands.
03:29 L'hydrogène a également un point d'ébullition exceptionnellement bas, à -252°C.
03:34 Par conséquent, les réservoirs doivent être fortement isolés pour éviter l'expansion
03:38 de l'hydrogène liquide.
03:39 Mais l'équilibre thermodynamique est une guerre d'usure que l'univers gagnera
03:44 toujours et il faut donc prévoir également des vannes d'arrêt pour libérer l'hydrogène
03:47 gazeux afin d'éviter une explosion.
03:49 Tout cela ajoute de la masse et de la complexité à la fusée.
03:52 L'hydrogène dégrade et affaiblit aussi les métaux dans un processus appelé fragilisation
03:57 par l'hydrogène.
03:58 Il s'agit d'un problème majeur pour le projet de réutilisation de SpaceX.
04:02 En combinant deux paramètres, la densité et la chaleur spécifique de combustion,
04:06 on peut se faire une idée de la différence entre ces trois carburants.
04:09 11,9 litres d'hydrogène, 2,2 litres de kérosène ou 5,5 litres de méthane.
04:15 Le méthane est beaucoup plus proche du kérosène que de l'hydrogène, ce qui permet aux réservoirs
04:19 de méthane d'être plus petits que ceux d'hydrogène liquide.
04:22 Néanmoins, ils ne le sont pas assez pour offrir des avantages en termes de performance
04:26 par rapport au kérosène.
04:27 Ainsi, les modifications nécessaires sont apportées à la conception pour pouvoir passer
04:31 du kérosène au méthane liquide, comme l'augmentation du volume du réservoir.
04:35 Alors l'augmentation de l'impulsion spécifique est pratiquement annulée.
04:38 C'est pourquoi le méthane n'a jamais été utilisé à grande échelle.
04:41 Le méthane se situe simplement dans une position intermédiaire délicate entre les deux carburants
04:46 les plus populaires.
04:47 Il offre de meilleures performances que le kérosène, mais pas aussi bonnes que l'hydrogène.
04:51 SpaceX travaille à développer son concept de fusée réutilisable, et son intérêt
04:55 pour le méthane ne se tarie pas.
04:57 Le méthane est un hydrocarbure à un seul carbone, donc contrairement aux molécules
05:00 à longue chaîne que l'on trouve dans le kérosène, il produit beaucoup moins de
05:03 suie lorsqu'il brûle, ce qui entraîne moins de dommages pour le moteur au fil du
05:07 temps.
05:08 Son point d'ébullition est plus élevé que celui des oxygènes liquides, ce qui
05:11 permet à une grande partie de l'infrastructure nécessaire pour liquéfier et utiliser l'oxygène
05:16 d'être utilisée pour le méthane liquide.
05:18 C'est un point très important lorsqu'on travaille avec une infrastructure limitée
05:21 sur Mars.
05:22 Pourtant, la véritable raison pour laquelle le méthane est soudainement devenu intéressant
05:26 pour SpaceX est la suivante.
05:28 Il a un énorme potentiel comme matière première.
05:30 Pour produire du méthane au siècle dernier, un chimiste appelé Paul Sabatier a mis au
05:35 point un processus de conversion du dioxyde de carbone en méthane, et ce, en le faisant
05:39 passer à travers un catalyseur, généralement du nickel avec de l'hydrogène, à une
05:43 température et une pression élevées.
05:45 La réaction prend une molle de dioxyde de carbone et réagit avec 4 molles d'hydrogène
05:50 pour produire une molle de méthane et 2 molles d'eau.
05:53 Lorsqu'il est combiné avec un processus d'électrolyse, cela produit une molle de
05:57 méthane pour 2 molles d'oxygène.
05:59 En conséquence, le rapport des molles, la stoichiométrie, va bientôt être important.
06:03 Mais la première question est comment obtenir ces réactifs chimiques sur Mars ?
06:07 Pour cela, il faut une utilisation in situ des ressources.
06:11 Obtenir du dioxyde de carbone est une tâche relativement facile, avec une atmosphère
06:15 composée à 95% de dioxyde de carbone.
06:18 Extraire un échantillon pur du composé est assez simple, mais pour se débarrasser des
06:22 5% restants et condenser le dioxyde de carbone, la solution envisagée actuellement est la
06:27 cryogénie, qui est l'option la plus viable.
06:29 Le dioxyde de carbone a le point de congélation le plus élevé des gaz présents dans l'atmosphère
06:34 sur Mars.
06:35 Donc, dans un processus qui est l'opposé de la distillation, il est possible de refroidir
06:39 l'air pour séparer le dioxyde de carbone.
06:41 Alors, il gèlera en un solide, tandis que les autres gaz resteront sous forme de gaz.
06:46 Le dioxyde de carbone peut ensuite être simplement réchauffé pour créer un flux de CO2 gazeux
06:51 à haute pression lorsqu'ils ont besoin de l'utiliser dans leur réacteur.
06:55 Cependant, obtenir l'hydrogène nécessaire est beaucoup plus difficile.
06:58 La première option est de l'importer directement de la Terre.
07:01 Mais étant donné la quantité requise et la difficulté de la stocker pendant de longues
07:05 périodes, ce n'est pas une bonne option.
07:07 Notamment car, à long terme, ils voudraient l'extraire directement sur Mars.
07:11 En effet, l'eau est contenue dans le sol martien.
07:13 S'ils trouvent un moyen d'extraire l'eau, ils pourront alors la convertir en oxygène
07:17 et en hydrogène en utilisant un courant électrique.
07:20 Ensuite, l'hydrogène pourra être combiné à l'oxygène d'une part et d'autre
07:24 part du dioxyde de carbone pour produire du méthane.
07:26 Ce processus donne un excès d'oxygène qui peut être poussé vers les systèmes
07:30 de survie sur Mars.
07:31 Mais extraire de grandes quantités d'eau de Mars, que ce soit de la glace dans les
07:35 régions polaires ou des petites quantités d'eau liquide dans le sol, ne serait pas
07:38 facile et la technologie pour le faire à grande échelle n'existe pas encore.
07:42 A court terme, s'ils amènent leur propre hydrogène sur Mars, il est possible d'utiliser
07:47 cet oxygène supplémentaire pour utiliser un autre processus qui bénéficierait de
07:51 l'atmosphère riche en dioxyde de carbone de Mars.
07:53 Ce processus est proche de celui de Sabatier et implique la réaction du dioxyde de carbone
07:58 avec l'hydrogène.
07:59 Mais au lieu de produire du méthane et de l'eau, cela produit du monoxyde de carbone
08:02 et de l'eau.
08:03 L'eau qui est formée dans cette réaction peut alors être électrolysée et l'hydrogène
08:07 peut être recyclée.
08:08 L'avantage supplémentaire de cette approche est que ces deux réactions, celle de Sabatier
08:13 et l'inversion de l'échange gazeux de l'eau, peuvent être faites dans le même
08:16 réacteur comme l'a démontré Pioneer Astronautics en 2005.
08:19 La combinaison de ces deux réactions a un énorme avantage thermique, car la réaction
08:23 de Sabatier est exothermique.
08:25 Elle libère de la chaleur et la réaction d'inversion du cycle au gaz est endothermique.
08:29 Elle absorbe de la chaleur, ce qui entraîne une réduction globale de 35% de la production
08:33 en chaleur, améliorant ainsi l'efficacité de l'ensemble du processus.
08:37 Néanmoins, la recherche sur l'optimisation du processus ne date que de quelques décennies.
08:42 Au cours des 20 dernières années, les scientifiques ont commencé à réaliser le potentiel de
08:46 la conversion du dioxyde de carbone, notamment pour aider à atténuer les effets du changement
08:51 climatique.
08:52 Au lieu de laisser le dioxyde de carbone formé par la combustion des énergies fossiles
08:56 dans l'atmosphère, que se passerait-il si nous pouvions le collecter et le retransformer
09:00 en carburant en utilisant le processus de Sabatier ? Cela nécessiterait une méthode
09:05 non seulement pour capturer efficacement le dioxyde de carbone de l'air, mais aussi
09:08 pour créer de l'hydrogène.
09:09 En décembre de l'année dernière, Elon Musk a tweeté que SpaceX finançait des programmes
09:14 de capture et de stockage du carbone.
09:16 Et il a ajouté que cette recherche serait importante pour les missions de SpaceX sur
09:19 Mars.
09:20 On ne sait pas encore exactement ce qu'il développe, mais ça sera probablement très
09:24 similaire au projet de conversion de l'électricité en gaz qui sont déjà en cours de développement.
09:28 De nombreuses personnes critiquent cette démarche de viabilisation de la vie sur Mars, mais
09:32 il est clair que cela permettra d'aider à résoudre le plus grand problème auquel la
09:36 Terre est confrontée aujourd'hui, celui du réchauffement climatique à cause du
09:39 dioxyde de carbone.
09:40 Et voilà, nous sommes arrivés à la fin de notre sujet du jour.
09:46 Si vous avez apprécié cette vidéo, laissez-nous un petit pouce bleu pour ne pas rater notre
09:50 prochain sujet, n'hésitez pas à vous abonner à notre chaîne et n'oubliez pas d'activer
09:54 la cloche des notifications.
09:55 Merci d'être resté jusqu'à la fin de la vidéo et à bientôt sur ATTEC !
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