Assas Recherche | Potentialité d'utilisation du sol lunaire (régolithe) pour la production d'oxygène et de métaux dans le contexte de l'ISRU (in-situ resources utilization)

Potentialité d'utilisation du sol lunaire (régolithe) pour la production d'oxygène et de métaux dans le contexte de l'ISRU (in-situ resources utilization) (Document en Français)

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Modalités de diffusion de la thèse :

Thèse soumise à l'embargo de l'auteur : embargo illimité (communication intranet).

Informations sur les contributeurs

Auteur : Maes Maarten

Maes, Maarten

Nom

Maes

Prénom

Maarten

Nationalité

Français

Date de soutenance : 29-08-2024

Directeur(s) de thèse : Massot Laurent

Massot, Laurent

Nom

Massot

Prénom

Laurent

- Gibilaro Mathieu

Gibilaro, Mathieu

Nom

Gibilaro

Prénom

Mathieu

Etablissement de soutenance : Université de Toulouse (2023-....)

Université de Toulouse (2023-....)

Nom

Université de Toulouse (2023-....)

Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Nom

Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Ecole doctorale : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)

École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)

Nom

École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)

Informations générales

Discipline : Génie des Procédés et de l'Environnement
Classification : Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres : Sol lunaire, Production d'oxygène, Production de métaux, ISRU, Sels fondus
Mots-clés :

Lune - Sols
Oxygène
Matériaux stratégiques

Résumé : Ces travaux de thèse se positionnent dans le cadre de l'exploration spatiale (Lune) et de l'ISRU (In Situ Resources Utilization) et explorent la faisabilité de produire de l'oxygène et des métaux directement à partir du sol lunaire (régolithe). Cette production in situ sur la Lune permettrait aux astronautes d'effectuer des missions de longues durées en diminuant la dépendance aux matières premières terrestres, dont le coût du transport peut devenir prohibitif, et de préparer les futures missions vers Mars. Ce projet est né d'une collaboration entre plusieurs organismes de la place toulousaine : l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), l'Institut Clément Ader (ICA) et le Laboratoire de Génie Chimique (LGC). Le régolithe lunaire est un mélange complexe d'oxydes métalliques (SiO2, Al2O3, FeO, CaO, MgO, TiO2...) et de nombreux procédés ISRU ont été étudiés dans le but d'en extraire l'oxygène pour produire de l'ergol (carburant pour la propulsion des vaisseaux spatiaux) et des métaux/alliages servant à la fabrication de pièces utiles comme des cellules solaires. Dans ces travaux, une roche de type basalte issue du site du Pic d'Ysson, appelée Basalte Pic d'Ysson Naturel (BPY-N), a été utilisée comme analogue du régolithe lunaire. La méthode étudiée dans ce manuscrit est basée sur le procédé Hall-Héroult (procédé de production d'aluminium primaire en sels de fluorures fondus) et consiste à dissoudre du BPY-N dans un mélange eutectique de sels fluorés (LiF-NaF) fondus à 800 °C. La dissolution de BPY-N permet de générer des ions oxyde (O2-) et des ions métalliques (Mn+) en solution qui seront respectivement oxydés en O2(g) et réduits en métal par électrolyse. La solubilité de BPY-N dans LiF-NaF a été déterminée par analyses ICP et les résultats ont montré d'une part un phénomène de co-solubilité des différents oxydes lorsqu'ils sont mélangés et d'autre part que la solubité optimale du BPY-N est de 3,9% massique. Une trop grande quantité ajoutée entraîne la formation de boues (insolubles), mais il a été montré qu'en cas de diminution de la concentration pendant une électrolyse, les oxydes présents dans les boues sont solubilisés. L'électroactivité des espèces en solution a été montrée par voltammétrie cyclique et les résultats confirment la production de différents métaux ou alliages dont la composition dépend des conditions d'électrolyse et du substrat utilisé. En comparant les résultats obtenus avec BPY-N et un mélange des poudres de taille contrôlée d'oxydes métalliques de composition chimique identique, il a été montré que la nature cristalline du simulant de régolithe lunaire n'a pas d'impact significatif sur le procédé, ouvrant la possibilité de reproduire un sol lunaire de composition désirée en mélangeant simplement des poudres d'oxydes. Enfin, l'utilisation d'une électrode d'or comme anode inerte pour produire l'oxygène a été validée, sans dégradation de l'électrode. L'optimisation des conditions opératoires d'électrolyse ont permis de produire de l'oxygène (caractérisé par analyseur oxygène gazeux) avec un rendement faradique de plus de 70%. En respectant les critères de réutilisabilité du solvant, de faible température de travail, d'indépendance vis-à-vis de la composition chimique du régolithe, de production simultanée de métaux et d'oxygène, ainsi que l'utilisation d'une anode inerte, ce procédé se présente comme une solution prometteuse pour l'ISRU lunaire.

Informations techniques

Type de contenu : Text
Format : PDF

Informations complémentaires

Entrepôt d'origine :

STAR : dépôt national des thèses électroniques françaises

Identifiant : 2024TLSES159
Type de ressource : Thèse