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. |
This thesis work is positioned within the framework of space exploration (Moon) and ISRU (In Situ Resources Utilization) and explores the feasibility of producing oxygen and metals directly from lunar soil (regolith). This in situ production on the Moon would enable astronauts to carry out long-duration missions while reducing their dependence on terrestrial raw materials, which can become prohibitively expensive to transport, and prepare for future missions to Mars. The project is the result of collaboration between several Toulouse-based organisations: the Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), the Institut Clément Ader (ICA) and the Laboratoire de Génie Chimique (LGC). Lunar regolith is a complex mixture of metal oxides (SiO2, Al2O3, FeO, CaO, MgO, TiO2, etc.) and numerous ISRU processes have been studied with the aim of extracting oxygen from it to produce ergol (fuel for spacecraft propulsion) and metals/alloys used to manufacture useful parts such as tools. In this work, a basalt-type rock from the Pic d'Ysson site, called Basalte Pic d'Ysson Naturel (BPY-N), was used as an analogue for lunar regolith. The method studied in this manuscript is based on the Hall-Héroult process (a process for producing primary aluminium in molten fluoride salts) and involves dissolving BPY-N in a eutectic mixture of fluoride salts (LiF-NaF) melted at 800°C. Dissolving BPY-N generates oxide ions (O2-) and metal ions (Mn+) in solution, which are respectively oxidised to O2(g) and reduced to metal by electrolysis. The solubility of BPY-N in LiF-NaF was determined by ICP analysis and the results showed that the various oxides are co-soluble when mixed and that the optimum solubility of BPY-N is 3.9% by mass. Adding too many leads to the formation of (insoluble) sludge, but it has been shown that if the concentration is reduced during electrolysis, the oxides present in the sludge are solubilised. The electroactivity of the species in solution was demonstrated by cyclic voltammetry and the results confirm the production of different metals or alloys, the composition of which depends on the electrolysis conditions and the substrate used. By comparing the results obtained with BPY-N and a mixture of size-controlled powders of metal oxides of identical chemical composition, it was shown that the crystalline nature of the lunar regolith simulant has no significant impact on the process, opening the possibility of reproducing a lunar soil of the desired composition simply by mixing oxide powders. Finally, the use of a gold electrode as an inert anode to produce oxygen was validated, without any degradation of the electrode. Optimisation of the electrolysis operating conditions made it possible to produce oxygen (characterised by an oxygen gas analyser) with a faradic yield of over 70%.
By meeting the criteria of reusability of the solvent, low operating temperature, independence from the chemical composition of the regolith, simultaneous production of metals and oxygen, and the use of an inert anode, this process is a promising solution for the lunar ISRU. |