Can helium-3 create a ‘gold rush’ on the moon?

Depuis des temps immémoriaux, les humains regardant la lune se posent de grandes questions. D’où vient-il ? Pourquoi est-ce que ça croît et décroît ? Est-ce fait avec du fromage ?

Nous avons désormais des réponses à la plupart d’entre elles (« un impact géant », « phases orbitales » et « non, malheureusement », respectivement). Mais alors que la course lunaire internationale du XXIe siècle s’intensifie, une question pragmatique demeure : comment gagner de l’argent sur la Lune ?

La réponse, selon plusieurs scientifiques et entrepreneurs, réside dans une ressource extrêmement rare sur Terre, mais qui pourrait exister en abondance sur la Lune : l’hélium-3.

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L’hélium-3 est incroyablement utile et la demande monte en flèche. Liquide de refroidissement superlatif, l’hélium-3 permet aux ordinateurs quantiques d’atteindre leurs températures de fonctionnement, des fractions de degré au-dessus du zéro absolu. La précieuse substance est également vitale pour l’imagerie médicale avancée, ainsi que pour détecter les matières nucléaires de contrebande, et est prometteuse en tant que combustible propre pour les futurs réacteurs à fusion. Sur la terre ferme, la majeure partie de l’hélium-3 disponible est un sous-produit des armes nucléaires via la désintégration radioactive du tritium, un isotope rare de l’hydrogène qui augmente la puissance des bombes thermonucléaires. Ce processus ne produit que quelques kilogrammes d’hélium-3 par an dans le monde, et un seul kilogramme coûte actuellement environ 20 millions de dollars.

Mais les scientifiques estiment qu’environ un milliard de kilogrammes d’hélium-3 sont déposés sur la surface lunaire. Ainsi, l’extraction d’hélium-3 sur la Lune pourrait, semble-t-il, devenir un jour une industrie de plusieurs milliards de dollars.

Tout cela distingue l’hélium-3 d’une autre ressource lunaire très médiatisée : la glace d’eau, trouvée dans certains des cratères les plus profonds et les plus sombres de la lune. Ces réservoirs pourraient hydrater les récoltes et les astronautes sur n’importe quelle base lunaire avec équipage, et l’eau divisée en ses constituants hydrogène et oxygène peut fabriquer du carburant pour fusée. Mais l’eau lunaire a peu d’utilité sur Terre. Ainsi, « l’hélium-3 est là où se trouve l’argent », explique Clive Neal, géoscientifique lunaire à l’Université de Notre Dame.

Cela suppose qu’il y en ait réellement suffisamment sur la Lune pour être extraites de manière rentable. “Une fois que vous avez prouvé que vous pouvez le faire, vous devez alors le mettre à l’échelle, ce qui comporte ses propres défis”, explique Paul van Susante, chercheur principal du laboratoire de développement de la technologie des surfaces planétaires de l’université technologique du Michigan.

Construire une carte au trésor

L’hélium-3 est un isotope de l’hélium qui possède un neutron de moins que son homologue ordinaire, l’hélium-4, qui est le seul autre isotope stable de l’hélium. La Terre a les deux variétés. L’hélium 4 est produit naturellement dans le manteau par la désintégration de l’uranium et du thorium, il y en a donc beaucoup. La majeure partie de l’approvisionnement naturel en hélium-3 s’est formé dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, et les réserves de la Terre ont été constituées il y a des milliards d’années, lors de la formation de notre planète. Cet isotope rare est en grande partie enfermé au plus profond des entrailles de notre monde, mais des quantités infimes sont crachées lors des éruptions volcaniques et par les gazoducs.

Les chercheurs ont réalisé que la Lune était un trésor potentiel d’hélium-3 dans les années 1970, après l’avoir découvert dans des carottes de forage recueillies par des astronautes lors de certaines missions Apollo de la NASA. Le programme robotique chinois de retour d’échantillons, la série Chang’e, l’a également trouvé sur la face visible et cachée de la Lune. Seules de maigres traces d’hélium-3 lunaire sont présentes dans ces échantillons, mais ces quantités dépassent encore de loin l’abondance sur Terre.

“La lune possède une source supplémentaire d’hélium, qui est le soleil”, explique Sara Russell, planétologue au Natural History Museum de Londres. Le vent solaire, le flux de particules chargées émanant de l’atmosphère solaire, transporte diverses espèces chimiques, dont l’hélium-3, dans l’espace. “La Terre est protégée de ce vent solaire en raison de notre belle atmosphère et de notre champ magnétique. La lune sans air n’a pas ce bouclier, donc de l’hélium-3 est peint à la bombe sur toute la surface lunaire.”

L’hélium-3 n’est pas garanti de rester sur tout ce qu’il frappe, mais nous avons eu la chance d’avoir une lune relativement riche en ilménite, un minéral composé de fer, de titane et d’oxygène dont la structure physique agit comme un piège pour le gaz. “L’ilménite est comme une éponge. Elle retient mieux les espèces implantées par le vent solaire que tout autre minéral sur la lune”, explique Neal. Cela signifie que la prospection de l’hélium-3 lunaire commence simplement par la création de cartes minéralogiques de la surface de la Lune.

Tout d’abord, trouvez toutes vos régions riches en ilménite (qui se trouvent généralement dans la mer lunaire, les taches sombres sur la lune qui signifient des mers gelées de lave ancienne). Assurez-vous ensuite qu’ils soient bien exposés au vent solaire. Généralement, ces zones seront « des régions plus équatoriales et souvent – ​​mais pas exclusivement –[will be located] sur la face cachée de la Lune”, explique David Lawrence, planétologue au laboratoire de physique appliquée de Johns Hopkins. Enfin, vérifiez si les surfaces sont relativement exemptes d’impacts de météorites récents, permettant théoriquement plus de possibilités à l’hélium-3 de s’accumuler.

Un tel bombardement, cependant, peut à la fois donner et prendre en compte l’hélium-3 lunaire. « Il y a un « jardinage » continu de la surface par les impacts de micrométéorites, qui bouleversent la surface », explique Christopher Dreyer, directeur de l’ingénierie au Centre des ressources spatiales de l’École des mines du Colorado. D’une part, les effets mécaniques et thermiques des impacts peuvent ébranler et cuire les réserves d’hélium-3 du sol lunaire chargé d’ilménite (techniquement appelé « régolithe »). D’un autre côté, les minéraux fraîchement exposés par le jardinage à impact peuvent absorber davantage d’hélium-3 provenant du vent solaire, et le retournement brutal pourrait enfouir et préserver les matériaux enrichis pour construire un dépôt à plusieurs mètres de profondeur.

La prochaine étape consiste à passer de l’imagerie orbitale à la « vérification au sol ». L’isotope ne peut être directement détecté qu’avec un équipement tel qu’un spectromètre de masse, qui utilise le rayonnement absorbé ou émis pour déterminer la composition chimique d’un échantillon cible. Les robots lunaires équipés de spectromètres et de foreuses seront essentiels à de telles études, en étudiant les réserves d’hélium-3 à la fois sur et juste sous la surface lunaire. Prévu pour être lancé l’année prochaine, le rover robotique VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) de la NASA utilisera des spectromètres et une foreuse embarquée pour repérer le pôle sud lunaire à la recherche de signes de glace d’eau et d’hélium. Lunar Polar Exploration (LUPEX), un effort conjoint des agences spatiales japonaise et indienne dont le lancement est prévu en 2028, fera à peu près la même chose.

Les dépôts épais de l’isotope seront de la musique pour les oreilles des aspirants à l’hélium-3. Mais ils souhaitent également savoir à quelle vitesse l’hélium-3 de surface se régénère grâce au vent solaire. Si cela prend plusieurs siècles, voire plus, cela suggère que les richesses de la Lune ne suffiront pas longtemps à répondre aux besoins croissants et plus immédiats des ordinateurs quantiques et d’autres technologies. Mais un taux de rafraîchissement beaucoup plus rapide changerait la donne, augmentant la possibilité de faire de l’hélium-3 lunaire une sorte de ressource renouvelable.

« Il y a un point d’interrogation ici, mais c’est alléchant », dit Neal. “Si l’hélium-3 est une ressource renouvelable, alors vous bénéficiez d’une prospérité à long terme.”

De longues études in situ sur de vastes étendues de la surface de la Lune devraient éventuellement répondre à cette question.

Récolter la « peinture en aérosol » de l’énergie solaire

Aussi simple que puisse être la découverte de l’hélium-3, son extraction pourrait s’avérer beaucoup plus difficile. «C’est comme essayer d’extraire de la peinture en aérosol sur un mur», explique Russell.

De la même manière que les impacts cosmiques peuvent agiter et chauffer le régolithe lunaire pour libérer les particules piégées du vent solaire, les machines peuvent faire à peu près la même chose. “Il faut ensuite séparer l’hélium-3 des autres éléments, ce qui n’est pas trivial”, explique van Susante. Et puis vous devez le renvoyer en toute sécurité sur Terre.

Cependant, pour l’instant, personne n’a démontré (ni même tenté) l’extraction d’hélium-3 sur la Lune. C’est la priorité absolue de plusieurs sociétés de ressources spatiales, dont Interlune, basée à Seattle, fondée en 2020.

L’année dernière, en partenariat avec le fabricant d’équipements industriels Vermeer Corporation, Interlune a dévoilé un prototype d’extracteur conçu pour traiter 100 tonnes de régolithe lunaire chaque heure. L’entreprise met également en place un laboratoire pour fabriquer un régolithe lunaire simulé, un matériau volcanique en poudre presque identique à la réalité. Après avoir infusé une partie de ce simulateur lunaire avec de l’hélium-3, Interlune utilisera ces échantillons pour tester ses méthodes d’extraction. Et au début du mois, la NASA a attribué à Interlune un contrat de 6,9 ​​millions de dollars pour développer davantage sa technologie de capture de l’hydrogène et de l’hélium.

Les efforts de l’entreprise devraient culminer avec sa mission robotique Prospect Moon, lancée dès 2028. “Nous aurons à bord un bras robotique et un spectromètre de masse, une caméra et trois appareils différents, où nous démontrerons différentes méthodes d’extraction des gaz du vent solaire, y compris l’hélium-3”, a déclaré Rob Meyerson, co-fondateur et PDG d’Interlune. “C’est ce dont nous avons besoin pour démontrer notre analyse de rentabilisation pour des opérations à grande échelle sur la Lune.” En plus de prouver les méthodes d’extraction de l’hélium-3, un autre obstacle pour Prospect Moon d’Interlune sera de supporter la poussière lunaire corrosive et adhésive de la lune.

L’entreprise a identifié « un petit nombre de [landing] sites” pour la mission, dit Meyerson, sans divulguer plus de détails. Il semble cependant prudent de dire qu’Interlune ciblerait les parties riches en ilménite de la face lunaire proche de l’équateur, où l’atterrissage, les opérations de surface et les communications avec la Terre sont les plus faciles.

Que ce soit via Interlune ou un autre aspirant, l’exploitation des réserves importantes d’hélium-3 de la Lune pourrait conduire à une « ruée vers l’or » lunaire sans précédent.

De nombreux critiques d’une telle acquisition cosmique gratuite rechignent à l’idée d’une exploitation minière lunaire à peine réglementée par le secteur privé. “La Lune appartient certainement à tout le monde”, déclare Russell, qui s’inquiète des impacts environnementaux cumulatifs des multiples sociétés d’hélium-3 travaillant sur le compagnon orbital de la Terre. L’idée d’une récolte mécanique intensive laissant des entailles généralisées sur la surface de la Lune – du tissu cicatriciel potentiellement visible depuis la Terre – ne convient pas.

“Ce que nous faisons s’inscrit dans le respect de la lune”, rétorque Meyerson. Contrairement à une exploitation minière à ciel ouvert sur Terre, dit-il, Interlune vise à creuser jusqu’à une profondeur d’environ trois mètres, à extraire l’hélium-3 et à ne laisser aucun déchet mécanique ni polluant. (Il s’agit d’une vision pour le moins optimiste de l’extraction de l’hélium-3 ; personne ne peut encore dire si une version réellement déployée sur la surface lunaire pourrait parvenir à être aussi soignée.) « Nous avons parlé de laisser le site ressembler à un champ agricole labouré. »

Le facteur le plus important jouant en faveur de l’hélium-3 est peut-être le retour des États-Unis sur la Lune, motivé par l’objectif d’y établir une présence durable ; Les entreprises souhaitant exploiter la Lune profitent de cette poussée pour tester leurs technologies permettant d’extraire non seulement l’hélium-3, mais également la précieuse glace d’eau. « L’extraction de l’hélium 3 ne se fait pas d’elle-même », explique Dreyer. Mais même l’administrateur de la NASA, Jared Isaacman, est un peu sceptique quant aux promesses économiques de la Lune. Bien qu’il espère qu’une économie lunaire puisse être encouragée, il a récemment estimé que l’exploitation d’astéroïdes pour diverses ressources pourrait offrir un meilleur rendement que l’exploitation de la Lune pour l’hélium-3.

Peut-être que l’industrie de l’hélium-3 sera un fiasco. Peut-être qu’il n’y a pas autant de choses sur la Lune que tout le monde l’espère. Mais peut-être que « nous allons atteindre le filon principal », dit Neal. “Si c’est prouvé, cela pourrait tout changer.”