FR3165285A3 - Procédé d’extraction de constituants volatils contenus dans une masse de régolithe - Google Patents

Abstract

Procédé d’extraction de constituants volatils contenus dans une masse de régolithe, en particulier d’origine lunaire ou martienne, comportant les étapes : chauffage progressif du régolithe conduisant à un dégazage sélectif dans le temps, selon la température atteinte par ledit régolithe, des différents constituants volatils, ceux possédant les tensions de vapeur les plus élevées dégazant avant ceux possédant des tensions de vapeur plus faibles ;sélection d’au moins une première plage de température (T1, T2) au cours de laquelle on recueille, notamment par un dégazage du régolithe, un mélange gazeux enrichi en au moins un constituant valorisable et appauvri en au moins un constituant indésirable par rapport aux teneurs initiales de ces constituants dans le régolithe. Figure d’abrégé : Fig. 2

Description

procédé d’extraction de constituants volatils contenus dans une masse de régolithe

La présente invention concerne une amélioration de l’étape de dégazage du régolithe présent à la surface de la Lune ou de Mars préalable à la production de l’eau contenu dans ce dernier. Plus particulièrement, elle permet d’extraire directement du régolithe un flux enrichi en eau et appauvri en les autres constituants volatils. Le procédé proposé peut également s’intégrer comme première étape en amont de la production d’oxygène obtenu par désoxygénation du régolithe ainsi dégazé.

La possibilité d’utiliser au maximum des ressources locales pour produire l’oxygène, l’eau et d’autres composés nécessaires pour maintenir ou prolonger les prochaines missions spatiales est un des objectifs principaux des toutes les sociétés privées ou agences gouvernementales travaillant sur ces projets. Vu leur relative proximité avec la Terre, la Lune et Mars seront les premiers corps extraterrestres où des missions de longue durée seront menées dans un futur relativement proche et par conséquence le problème d’assurer sur place une production fiable et efficace de ces ressources vitales doit être résolu d’avance. Le principal matériau constituant le sol lunaire ou martien est le régolithe composé entre autres d'oxygène, de silicium, de fer, de calcium et d'aluminium sous forme d’oxydes mais qui contient également parmi ces oxydes, de faible quantité d’autres constituants piégés par adsorption ou solidification.

D’après les connaissances les plus récentes, la teneur en eau du régolithe tel qu’on peut le trouver au moins localement dans les emplacements les plus froids de la surface de la Lune, de Mars, voire à la surface des astéroïdes pourrait atteindre plusieurs pourcents poids, ce qui ferait de ce régolithe la matière première de base pour la production d’eau. Cette eau, une fois purifiée, pourrait alors satisfaire également les besoins en oxygène par simple électrolyse. Pour répondre au cas où la production potentielle d’eau serait néanmoins insuffisante pour fournir l’oxygène nécessaire à la mission, plusieurs procédés sont à l’étude pour extraire l’oxygène du régolithe par réduction des oxydes en générant directement de l’oxygène sous la forme initiale d’un mélange de gaz. Afin d’être utilisé comme ressource potentielle, l’oxygène devra être séparé, épuré et conditionné. Le régolithe sera alors avantageusement dégazé auparavant des composés volatils pouvant être indésirables au cours de la réaction de désoxygénation ou de la purification de l’oxygène. L’intégration d’un procédé d’extraction d’eau au cours de ce dégazage peut alors être une bonne solution associant la production d’eau et d’oxygène et bénéficiant de synergies intéressantes (intégration thermique, équipements en commun).

Que ce soit pour la production d’oxygène par électro-désoxydation des divers oxydes constituant le régolithe ou bien pour la production d’eau pure, la présence de nombreuses molécules diverses dans ledit régolithe complique énormément les opérations à effectuer pour obtenir des produits suffisamment purs pour être utilisés. Plusieurs documents de la littérature décrivent des méthodes pour éliminer ou, plus généralement, récupérer les constituants piégés dans le régolithe puis éventuellement les séparer.

Le document US8357884 B1 décrit un premier moyen de récupérer les constituants volatiles en dirigeant des rayonnements de type micro-ondes dans des trous creusés dans le régolithe et en récupérant le gaz libéré, en particulier l’eau dans des récipients transportables et interchangeables.

Le document US2019271228 A1 propose de déposer une enceinte à la surface du régolithe, cette enceinte étant équipée d’un dispositif pour chauffer la surface du sol au moyen d’énergie solaire. Le gaz libéré est capturé dans un piège froid dont la température peut être comprise par exemple entre 200 et 270 °K.

Les documents US 11168013 B2 et US 11608285 B2 proposent de dégazer le régolithe de ses composés volatils et de capturer également ceux-ci dans un piège froid dont la température est choisie afin de piéger l’eau tout en ne retenant pas les composés les plus volatils.

Ce piégeage à une température contrôlée permet de récupérer après vaporisation du contenu du piège froid, un mélange gazeux déballasté partiellement des composés les plus légers mais il ne résout que partiellement le problème de la purification finale de l’eau. En effet, les composés les plus légers sont très généralement les moins adsorbables et les plus volatils dont il est relativement aisé de se débarrasser par adsorption, condensation, distillation… A l’inverse les composés les plus lourds, piégés simultanément avec l’eau, sont en compétition avec cette dernière dans ces mêmes types de procédé et l’épuration de l’eau vis-à-vis de ces constituants va nécessiter des moyens de séparation plus complexes.

Il existe donc un besoin de simplifier les procédés proposés de purification de l’eau d’autant que ceux-ci sont soumis à des contraintes particulières liées à l’environnement (gravité et pression atmosphérique locales, absence de nombreux matériaux qui devront être importés).

La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un procédé d’extraction de constituants volatils contenus dans une masse de régolithe, en particulier d’origine lunaire ou martienne, comportant les étapes :

• chauffage progressif du régolithe conduisant à un dégazage sélectif dans le temps, selon la température atteinte par ledit régolithe, des différents constituants volatils, ceux possédant les tensions de vapeur les plus élevées dégazant avant ceux possédant des tensions de vapeur plus faibles ;
• sélection d’au moins une première plage de température T1, T2 au cours de laquelle on recueille, notamment par un dégazage du régolithe, un mélange gazeux enrichi en au moins un constituant valorisable et appauvri en au moins un constituant indésirable par rapport aux teneurs initiales de ces constituants dans le régolithe.

Selon une réalisation, le régolithe contient de l’eau et d’autres composés volatils, l’évolution progressive et contrôlée de la température du régolithe permettant de sélectionner au cours du chauffage, la première plage de température T1, T2 durant laquelle on récupère un mélange gazeux enrichi en eau et appauvri en les autres composés volatils, notamment de tension de vapeur plus élevée ou plus faible.

Selon une réalisation, la température initiale du régolithe avant son chauffage progressif est inférieure à -15 °C, préférentiellement inférieure à -30 °C, par exemple inférieure à -75 °C.

Selon une réalisation, la première plage de température T1, T2 est comprise entre une première température T1 et une deuxième température T2.

Selon une réalisation, la fraction des constituants dégazée avant une première température T1 ainsi que la fraction dégazée après une deuxième température T2 sont des impuretés non valorisées et sont rejetées dans l’atmosphère locale, par exemple en profitant directement de la faible pression atmosphérique, en particulier de la Lune, ou éventuellement par l’intermédiaire d’un dispositif de pompage.

Selon une réalisation, au moins une partie de la fraction des constituants dégazée avant la première température T1 et/ou de la fraction dégazée après la deuxième température T2 est également valorisée et récupérée par aspiration, et/ou par entraînement au moyen d’un gaz de balayage.

Selon une réalisation, la fraction récupérée des constituants dégazée avant la première température T1 est sélectionnée dans une deuxième plage de température T3, T4 avec T3 ≤ T4 ≤ T1.

Selon une réalisation, la deuxième plage de température est comprise entre une troisième température T3 et une quatrième température T4.

Selon une réalisation, la fraction récupérée des constituants dégazée après la deuxième température T2 est sélectionnée dans une troisième plage de température T5, T6 avec T2 ≤ T5 ≤ T6.

Selon une réalisation, la troisième plage de température est comprise entre une cinquième température T5 et une sixième température T6.

Selon une réalisation, le gaz de balayage utilisé pour entraîner la vapeur d’eau et éventuellement d’autres fractions de constituants valorisables comprend au moins un des constituants du groupe comportant CO2, O2, H2, Ar, Ne, N2, Kr.

Selon une réalisation, le gaz de balayage circule en circuit semi fermé, le ou les constituants valorisables étant au moins partiellement retirés de la boucle de circulation avant réutilisation du gaz de balayage, notamment lors du dégazage.

Selon une réalisation, la variation de la température de réchauffement du régolithe en fonction du temps suit une fonction T(t) pouvant comporter des paliers pendant lesquels la puissance de chauffage permet de vaporiser, sublimer ou désorber le constituant ciblé à cette température qu’il s’agisse de l’eau ou d’un autre constituant.

Selon une réalisation, l’évolution de la température du régolithe en fonction du temps est contrôlée à partir de l’analyse des teneurs des constituants présents dans le dégazage et/ou du débit de ce dégazage.

Selon une réalisation, le procédé de dégazage est discontinu, le régolithe étant introduit par lot dans un four de chauffage.

Une telle introduction par lot est aussi appelée introduction par batch.

Selon une réalisation, la technologie utilisée comme moyen de chauffage du régolithe permet l’homogénéisation de la température du régolithe à moins de + ou – 10 °C, préférentiellement à moins de + ou – 5°C, au moins dès lors que la température moyenne du régolithe en cours de chauffage se trouve dans des plages de température préalablement sélectionnées.

Selon une réalisation, la température du régolithe est au moins rendue homogène avant la première température T1 et avant la deuxième température T2, la première plage de température T1, T2 étant celle au cours de laquelle on recueille le mélange gazeux enrichi en au moins un constituant cible valorisable et appauvri en au moins un constituant indésirable par rapport aux teneurs initiales du régolithe.

Selon une réalisation, la température du régolithe est maintenue à la première température T1 + ou – 10 °C, préférentiellement à la première température T1 + ou – 5 °C jusqu’à ce que les constituants indésirables plus légers que le constituant valorisable recueilli dans la première plage de température T1, T2 aient une teneur et/ou un débit inférieurs à un seuil préalablement déterminé, ce seuil pouvant être fonction de la teneur et /ou du débit du constituant valorisable dégazé simultanément.

Selon une réalisation, la température du régolithe est maintenue à la deuxième température T2 + ou – 10°C, préférentiellement à la deuxième température T2 + ou – 5 °C jusqu’à ce que le constituant valorisable recueilli dans la première plage de température T1, T2 aient une teneur et/ou un débit inférieurs à un seuil préalablement déterminé, ce seuil pouvant être fonction de la teneur et /ou du débit des constituant indésirables plus lourds dégazés simultanément.

Selon une réalisation, le procédé de dégazage est continu ou semi-continu, le régolithe étant introduit en entrée d’un four et circulant jusqu’en sortie de ce dernier d’où il est évacué.

Selon une réalisation, le régolithe est en circulation dans un four, ladite circulation continue ou semi continue s’effectuant au moyen d’un système d’entraînement adéquat, la puissance de chauffage étant contrôlée tout au long du trajet du régolithe afin que ce dernier suive une montée en température T(t) programmée et le four étant conçu de telle sorte que la zone correspondant à la première plage de température T1, T2 retenue pour la récupération de la fraction du dégazage enrichi en le constituant valorisable soit suffisamment étanche par rapport aux zones amont et aval pour éviter une introduction indésirable dans celui-ci des flux gazeux générés dans les zones amont et aval.

Selon une réalisation, les première température T1 et deuxième température T2, éventuellement les troisième température T3 et quatrième température T4 et/ou les cinquième température T5 et sixième température T6 sont adaptées à la variation de composition du régolithe en composés volatils au cours du temps.

Selon une réalisation, la fraction de l’eau récupérée entre la première température T1 et la deuxième température T2 contient plus de 50%, préférentiellement plus de 70%, encore plus préférentiellement au moins 85% de la quantité d’eau totale extraite au cours du dégazage du régolithe.

Selon une réalisation, le constituant valorisable étant l’eau, la fraction gazeuse récupérée entre la première température T1 et la deuxième température T2 contient moins de 50%, préférentiellement moins de 20%, encore préférentiellement sensiblement moins de 10% de la quantité totale extraite au cours du préchauffage d’au moins un constituant plus volatil que l’eau.

Selon une réalisation, le constituant valorisable étant est l’eau, la fraction récupérée entre T1 et T2 contient moins de 50%, préférentiellement moins de 20% encore préférentiellement sensiblement moins de 10% de la quantité totale extraite au cours du préchauffage d’un constituant moins volatil que l’eau.

Selon une réalisation, un des constituants plus volatils que l’eau au moins partiellement éliminé de la fraction enrichie en eau produite entre la première température T1 et la deuxième température T2 est l‘ammoniac (NH3), le méthylchloride (CH3Cl), le sulfure d’hydrogène (H2S), le dioxyde de soufre (SO2), l’éthylène (C2H4), le dioxyde de carbone (CO2).

Selon une réalisation, un des constituants moins volatils que l’eau partiellement éliminé de la fraction enrichie en eau produite entre la première température T1 et la deuxième température T2 fait partie du groupe des composés carbonés à plus de six atomes de carbone, comme les alcanes linéaires et ramifiés, des alcools lourds, ou des dérivés du benzène obtenus en substituant un ou plusieurs atomes d'hydrogène par d'autres atomes ou groupements fonctionnels comme les phénols, du mercure.

Selon une réalisation, le mélange gazeux, notamment recueilli sur la première plage de température, est extrait du volume de régolithe par connexion de ce volume à un dispositif permettant son aspiration, et/ou par entraînement au moyen d’un gaz de balayage.

Selon une réalisation, l’évolution de la température du régolithe est contrôlée à partir de l’analyse de la composition et/ou du débit du mélange gazeux et par action sur la puissance de chauffage.

Selon une réalisation, le mélange gazeux enrichi en eau récupéré lors du dégazage, alimente une unité de production d’eau, notamment pure, l’eau étant préférentiellement produite sous forme liquide.

Selon une réalisation, le procédé comporte une étape de désoxydation du régolithe par introduction du régolithe dans une unité d’électro-désoxydation des oxydes métalliques qu’il contient, afin d’en extraire l’oxygène, l'étape de désoxydation étant mise en œuvre après l’étape de sélection d’au moins une première plage de température (T1, T2) au cours de laquelle on recueille, notamment par un dégazage du régolithe, un mélange gazeux enrichi en au moins un constituant valorisable et appauvri en au moins un constituant indésirable par rapport aux teneurs initiales de ces constituants dans le régolithe.

Selon une réalisation, l’unité d’électro-désoxydation est configurée pour permettre une réduction électrochimique d'oxydes métalliques.

Selon une réalisation, l’unité d’électro-désoxydation comporte un réacteur, tel qu'un réacteur à haute température, par exemple du type MRE pour « Molten Regolith Electrolysis » ou du type FFC, pour « FRAY, FARTHING, CHEN ».

L'invention concerne en outre une unité de dégazage d’un régolithe, comprenant une unité de commande pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit ci-dessus.

L'invention peut encore concerner tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

FIG. 1LaFIG. 1est un graphique représentant l’évolution de la tension de vapeur de plusieurs constituants en fonction de la température ;

FIG. 2laFIG. 2est un graphique représentant un chauffage typique du régolithe au cours du temps ;

FIG. 3laFIG. 3est une représentation schématique d’une unité de dégazage d’un régolithe ;

FIG. 4laFIG. 4est représentation schématique d’un détail laFIG. 3.

Le principal matériau constituant le sol lunaire, de Mars et de certains corps célestes est le régolithe. Il s’agit de la couche superficielle dont l’épaisseur peut aller de plusieurs centimètres à quelques mètres. Le régolithe peut comprendre en particulier des blocs, des particules millimétriques et de la poussière de quelques dizaines de microns de dimension. Le matériau de base est chimiquement composé entre autres d'oxygène, de sodium, de magnésium, de silicium, de fer, de calcium, d'aluminium, de titane, de potassium… sous forme d’oxydes métalliques. Il a pour origine la désintégration des roches telles que le basalte, le feldspath, l’olivine, la magnétite…causée par le bombardement continu de météorites et de particules venant de l’espace. Il contient également en petite quantité, généralement sous forme de traces, différents constituants volatils piégés par adsorption, solidification, effet électrostatique… dans le régolithe, en particulier quand ce dernier se trouve continuellement en basse température, protégé du rayonnement solaire. Dans de telle région, on pense pouvoir recueillir un matériau renfermant entre 1 et 7% poids en H20. La liste des autres constituants volatils potentiellement présent s’allonge au fil des analyses effectuées et comprend à ce jour au moins H2S, NH3, SO2, C2H4, CO2, CH3OH, CH4, H2, CO, HG, He. La totalité de ces constituants secondaires pourraient représenter environ 10% de la teneur en eau. Le régolithe est donc considéré comme le matériau de base pour fournir les éléments nécessaires à une exploration ou à une installation de longue durée sur la Lune ou sur Mars, en particulier l’eau, l’oxygène mais éventuellement aussi d’autres composés issus des constituants volatils (engrais à partir de NH3…).

Par régolithe, on entend dans ce document aussi bien la couche superficielle telle que disposée sur la surface de la Lune ou de Mars que ce même matériau après prélèvement et traitements mécaniques éventuels tels que broyage, tamisage.

L’eau et les constituants volatils sont extraits par un chauffage du régolithe qui provoque leur dégazage par sublimation, désorption. Le mélange gazeux obtenu est alors traité pour en extraire l’eau et éventuellement d’autres constituants d’intérêt. Outre la fourniture nécessaire des divers besoins humains en eau, ce constituant peut également permettre de produire l’oxygène via une unité d’électrolyse.

On appelle désormais « dégazage » à la fois le procédé qui par chauffage et éventuellement pompage ou élution par un gaz de balayage permet d’extraire les constituants volatils du régolithe que le flux gazeux qui en résulte. Pour ce dernier, on utilise parfois le terme de « mélange gazeux » issu du régolithe.

D’autres procédés sont à l’étude pour extraire directement l’oxygène du régolithe par la réduction des oxydes, en générant directement cet oxygène sous forme d’un mélange de gaz. Ces procédés fonctionnent tous dans des plages de températures élevés. Afin d’être utilisé comme ressource potentielle, cet oxygène devra ensuite être séparé des autres constituants libérés dans le processus, épuré et conditionné. Il alors intéressant d’éliminer les constituants volatils afin qu’ils n’interfèrent pas avec le procédé de désoxydation ou qu’ils ne polluent pas l’oxygène produit. Ce dégazage peut être effectué à l’amont du réacteur ou au cours du processus de désoxydation. Si cela présente un intérêt, de l’eau peut être extraite du mélange gazeux ainsi dégagé.

Le chauffage du régolithe peut être effectué de différentes manières. Certains documents préconisent de procéder in situ, c’est-à-dire de ne pas extraire le régolithe pour le traiter ensuite, mais par exemple de recouvrir une surface limitée du sol de façon étanche puis d’en chauffer la couche supérieure et de recueillir le dégagement gazeux en résultant, ou bien de forer des trous dans le régolithe et d’introduire dans ceux-ci de l’énergie sous différentes formes afin de sublimer ou désorber les constituants les plus proches de la paroi. L’intérêt est de ne pas avoir à manipuler de grosses quantités de matériaux pour en extraire seulement quelques pourcents.

A l’opposé, on peut extraire le régolithe pour le traiter ensuite. Il peut s’agir d’extraction fixe de type mines avec des galeries ou mines à ciel ouvert ou bien d’extraction mobile à partir de « rovers » qui prélèvent plutôt le matériau de surface.

Quelle que soit la solution retenue, le régolithe peut être broyé, tamisé, éventuellement séparé en plusieurs fractions par divers moyens tels des procédés électrostatiques, de centrifugation…suivant la composition du régolithe et la manière dont les constituants volatils sont séquestrés dans celui-ci. Par exemple, ceux-ci peuvent être fortement agglomérés aux oxydes métalliques ou au contraire former des micro nodules indépendants. On parle alors dans tous ces cas de prétraitement avant dégazage et on continue, comme précisé auparavant, d’appeler régolithe le matériau ainsi obtenu qui va être constitué en général de grains centimétriques, de particules millimétriques et de poussières dont la teneur en eau pourra aller par exemple de 0.5 à 10% pds selon la teneur initiale du régolithe et l’enrichissement potentiel obtenu lors du prétraitement.

Les températures du régolithe, que ce soit sur la Lune ou sur Mars, sont excessivement variable en fonction de l’emplacement (équateur, pôles, exposition ou non au soleil…) et du moment (jour ou nuit, saison…). Les données varient d’un document à un autre mais pour la Lune, on peut retenir des variations de +130°C à -130°C, avec des emplacements où la température reste inférieure à -200°C. Pour Mars, on cite une plage de +30 à -150°C. On retiendra également que la pression atmosphérique de la Lune peut être considérée comme nulle et sa gravité de l’ordre de l’ordre de 0.16 g. Quant à Mars, sa pression atmosphérique est variable mais il est retenu généralement une valeur moyenne de 610 Pa, c’est-à-dire d’environ 6mbar constituée à 96% de CO2, avec une gravité de 0.38 g.

Le régolithe des régions les moins exposées au soleil a joué au cours du temps le rôle d’un piège froid vis-à-vis des diverses molécules libres. Celles-ci sont pour la plupart sous forme de traces, représentant un faible volume et l’on peut à priori se représenter ces constituants volatils comme des grains de matière solidifiée ou adsorbée indépendamment les unes des autres sans avoir à prendre en compte des effets de mélange, de co-adsorption voire de réaction entre ces constituants. On peut ainsi estimer à une température T donnée la tension de vapeur de chaque constituant. En mettant en œuvre un réchauffement suffisamment lent et homogène de la masse de régolithe, les cinétiques de transfert de chaleur et matière deviennent secondaires. En ayant une idée de la nature des constituants volatils du régolithe et de leur teneur respective, on peut évaluer en fonction de l’évolution de la température dans le temps les quantités qui seront libérées et le moment où un constituant sera épuisé. On peut assimiler ce modèle à celui qui consisterait à évaluer les temps d’évaporation respectif par exemple de gouttes séparées et de dimension différente de NH3, d’eau et d’un alcool lourd ou de sublimation, à plus basse température, de ces mêmes constituants.

Il apparaît qu’une majorité des constituants volatils présents avec l’eau ont des tensions de vapeur largement supérieures à celles de l’eau, par exemple à des températures de l’ordre de -20 à -30°C d’un facteur de l’ordre de 10 pour le méthanol, et largement supérieur à deux ordres de grandeur pour SO2, NH3,H2S…Ainsi, au lieu de dégazer le régolithe en totalité, recueillir le mélange gazeux complexe obtenu puis séparer l’eau et éventuellement d’autres constituants de ce mélange, il est possible par un dégazage progressif de recueillir une fraction enrichie en eau et surtout appauvrie en les autres constituants considérés comme des impuretés au niveau de la production d’eau liquide pure.

On utilisera dans la description le terme « impuretés » pour désigner les constituants susceptibles de polluer la production d’eau, même si certaines de ces impuretés ont une utilité par ailleurs et sont également récupérées séparément de l’eau dans le procédé de dégazage.

A noter qu’en se fixant pour ledit dégazage une limite de température juste supérieure à celle utilisée pour la récupération de la fraction riche en eau, cela permet d’éliminer du régolithe les constituants les plus lourds éventuellement présents comme le mercure ou des chaines carbonées présentant 6 ou plus atomes de carbone.

Cet appauvrissement de la fraction riche en eau en les autres impuretés du régolithe peut se faire tout en récupérant la majorité de l’eau du fait des différences de tension de vapeur et des quantités respectives d’eau et d’impuretés. De plus, on ne recherche pas forcément un dégazage ne renfermant que de l’eau mais surtout à réduire très sensiblement le nombre et la quantité desdites impuretés. On conçoit que dans de telles conditions, l’extraction d’eau pure sera considérablement simplifiée, ce qui est d’un intérêt considérable dans des conditions extraterrestres. Les procédés potentiels d’extraction de l’eau, de purification, liquéfaction de cette dernière à partir du mélange ainsi enrichi en H20 et appauvri en les autres constituants ne sont pas décrits dans ce document mais toutes les méthodes connues et retenues pour cette application pourront bénéficier de ce dégazage préférentiel.

L’invention décrite dans ce document concerne donc essentiellement un procédé de dégazage sélectif grâce à un chauffage progressif de régolithe contenant de l’eau et d’autres composés volatils, ce chauffage progressif au cours duquel l’évolution de la température T du régolithe est contrôlée permet de sélectionner au cours dudit chauffage une première plage de température T1, T2 durant laquelle on récupère un mélange gazeux enrichi en eau et appauvri en les autres composés volatils.

La première plage de température T1, T2 est comprise entre une première température T1 et une deuxième température T2. Dans cette description, on appellera T1 la première température T1 et T2 la deuxième température T2.

Néanmoins, le principe de dégazage proposé ici peut s’appliquer à la récupération d’autres constituants que l’eau. Ainsi de façon plus générale, il concerne un procédé d’extraction de constituants volatils contenus dans une masse de régolithe d’origine lunaire ou martienne mettant en œuvre un chauffage progressif du régolithe conduisant à un dégazage sélectif dans le temps, selon la température atteinte par ledit régolithe, des différents constituants volatils, ceux possédant les tensions de vapeur les plus élevées dégazant avant ceux possédant des tensions de vapeur plus faibles, le procédé étant alors caractérisé par la sélection d’au moins une première plage de température T1, T2 au cours de laquelle on recueille le flux de dégazage enrichi en au moins un constituant valorisable et appauvri en au moins un constituant indésirable par rapport aux teneurs initiales de ces constituants dans le régolithe .

On utilise aussi le terme de constituant cible pour désigner le constituant valorisable que l’on souhaite récupérer. Il n’est pas exclu que localement, le régolithe soit riche en un constituant volatil, autre que l’eau, qui présentera une utilité certaine pour une implantation humaine de plus longue durée. Il a été cité par exemple l’éthylène comme matière première, l’ammoniac pour former des nutriments à de futures cultures…

On rappelle que par régolithe, on entend ici aussi bien le régolithe en couche superficielle telle qu’il est disposé sur la surface de la Lune ou de Mars que ce même matériau après prélèvement et traitements mécaniques éventuels tels que broyage, transport, tamisage… Le ou les procédés de chauffage utilisés vont dépendre de ces caractéristiques (chauffage in situ ou après extraction et éventuels traitements mécaniques) mais aussi du volume de régolithe devant être traité ainsi que du type d’énergie mis en jeu mis en jeu. Ce dernier sujet sera abordé ultérieurement.

Le mélange gazeux généré entre les températures T1 et T2 est extrait du volume de régolithe se trouvant alors dans cette première plage de température par connexion de ce volume à un dispositif permettant son aspiration, et/ou par entraînement au moyen d’un gaz de balayage. A priori, dans ce dernier cas, il s’agira d’un faible débit permettant d’éluer le matériau et d’aider au dégazage de l’eau. Préférentiellement, le dégazage en question se fait en basse pression afin de favoriser la sublimation ou la désorption des constituants volatils.

En particulier, la fraction des constituants dégazée avant la température T1 ainsi que la fraction dégazée après la température T2, dans l’hypothèse où se sont des impuretés non valorisées, sont rejetées vers l’extérieur, par exemple en profitant de la faible pression atmosphérique lunaire ou éventuellement par l’intermédiaire d’un dispositif de pompage en basse pression. Sur Mars, il conviendra de comparer une extraction à une pression de 6 mbar en présence de CO2 atmosphérique à, par exemple, une extraction par pompage sous vide, voire à une extraction par pompage sous vide comportant une étape d’élution au CO2 suivie éventuellement d’une élimination du CO2 résiduel. L’homme du métier sera à mieux de définir la solution la plus adaptée à partir des données réelles concernant ledit dégazage.

Cependant, comme déjà indiquée, une partie au moins de la fraction des constituants dégazée avant la température T1 et/ou de la fraction dégazée après la température T2 peut être éventuellement valorisable et sera alors récupérée par aspiration, et/ou par entraînement au moyen d’un gaz de balayage. On procédera de la même façon que pour l’eau afin d’obtenir des flux gazeux enrichis en ces constituants. Par exemple, la fraction récupérée des constituants dégazée avant la température T1 est sélectionnée dans une deuxième plage de température T3, T4 avec T3 ≤ T4 ≤ T1 et/ou la fraction récupérée des constituants dégazée après la température T2 est sélectionnée dans une troisième plage de température T5, T6 avec T2 ≤ T5 ≤ T6.

La deuxième plage de température est comprise entre une troisième température T3 aussi appelée T3 et une quatrième température T4 aussi appelée T4.

Selon une réalisation, la troisième plage de température est comprise entre une cinquième température T5 aussi appelée T5 et une sixième température T6 aussi appelée T6.

Lorsque le dégazage sera favorisé par un balayage avec un flux gazeux extérieur au régolithe, les constituants de ce flux seront choisis de sorte à ne pas se solidifier, s’adsorber, à ne pas réagir chimiquement, à être facilement séparable de l’eau et à être disponible localement au moins en petite quantité pour compenser les pertes inévitables au cours du processus, ce flux pouvant être recyclé. Il pourra s’agir par exemple d’azote, oxygène, hydrogène, argon, krypton, néon et au-dessus d’une certaine température du régolithe de dioxyde de carbone.

On conçoit que la composition du régolithe en constituants volatils étant variable d’un emplacement à un autre, les températures T1 et T2, éventuellement T3 et T4 et/ou T5 et T6 devront être adaptées à cette variation de composition du régolithe au cours du temps. Il en est de même du débit de gaz de balayage qui doit être optimisé afin de ne pas trop diluer le dégazage tout en favorisant la sublimation et la désorption des constituants.

Les conditions opératoires sont telles que la fraction de l’eau récupérée entre T1 et T2 contient, en fonction de la composition du régolithe en gaz volatils et de la teneur en eau visée, plus de 50%, préférentiellement plus de 70%, encore plus préférentiellement au moins 85% de la quantité d’eau totale extraite au cours du dégazage du régolithe. Il s’agit là du rendement d’extraction de la quantité d’eau récupérée par rapport à la quantité initialement contenue dans le régolithe traité. De façon générale, plus on acceptera de perdre des molécules d’eau qui seront extraites simultanément avec les impuretés plus volatiles ou moins volatiles que l’eau, plus le dégazage de la fraction enrichie en eau sera riche en eau et pauvre en impuretés.

Le constituant valorisable étant toujours l’eau, la fraction gazeuse récupérée entre T1 et T2 et appauvrie en impuretés contient moins de 50%, préférentiellement moins de 20%, encore préférentiellement sensiblement moins de 10% de la quantité totale extraite au cours du préchauffage d’au moins un constituant plus volatil que l’eau.

Un des constituants plus volatils que l’eau partiellement éliminé de la fraction enrichie en eau produite entre T1 et T2 est l’éthylène (C2H4) l‘ammoniac (NH3), le méthylchloride (CH3Cl), le sulfure d’hydrogène (H2S) ou le dioxyde de soufre (SO2) ou de carbone (CO2)

De la même manière, la fraction récupérée entre T1 et T2 contient moins de 50%, préférentiellement moins de 20% encore préférentiellement sensiblement moins de 10% de la quantité totale extraite au cours du préchauffage d’un constituant moins volatil que l’eau.

Un des constituants moins volatils que l’eau partiellement éliminé de la fraction enrichie en eau produite entre T1 et T2 fait alors partie du groupe des composés carbonés à plus de 6 atomes de carbone, comme les alcanes linéaires et ramifiés, des alcools lourds, ou des dérivés du benzène obtenus en substituant un ou plusieurs atomes d'hydrogène par d'autres atomes ou groupements fonctionnels comme les phénols, du mercure.

La température initiale du régolithe avant son dégazage sélectif dépend de son emplacement géographique initial et des prétraitements qu’il aura éventuellement suivis. Elle pourra par exemple être comprise entre -200°C et -70°C. La première plage de température T1, T2 dans laquelle on récupérera la fraction enrichie en eau et appauvrie en impuretés va dépendre essentiellement de la nature des impuretés contenues dans le régolithe et de l’intérêt d’éviter leur présence dans cette fraction. Ce dernier point dépend de la facilité de les éliminer dans le procédé aval de production d’eau pure. On conçoit que des constituants très solubles dans l’eau ou corrosifs vis-à-vis des équipements sont plus gênants que des constituants facilement adsorbables sur des adsorbants très hydrophobes. La tension de vapeur de l’eau à l’état solide (glace) puis liquide varie énormément en quelques dizaines de degrés. Pour mémoire, on passe par exemple de 0.09 mbar à 230K, à 0.7 mbar à 250K, 6mbar à 273K, 32 mbar à 298K, 123 mbar à 323K…Par exemple, si à -30°c, on a déjà éliminé la quasi-totalité des traces d’impuretés gênantes plus volatiles que l’eau et que ce n’est qu’à plus de 50°C que l’on désorbe des constituants lourds, on pourra adopter effectivement la fourchette de température -30°C, +50°C pour le dégazage préférentiel de l’eau. Dans d’autres cas, on pourra être amené à utiliser des domaines de température plus réduit comme par exemple -20°C, +20°C. On notera qu’à l’intérieur de ces fourchettes de température, selon les possibilités du moyen de chauffage utilisé, on pourra avoir à partir de la température T1 une première étape de montée rapide en température suivie d’une deuxième étape correspondant à un palier de température proche de la fourchette haute T2. Cela permet de récupérer plus rapidement l’eau contenue dans le régolithe.

De façon plus générale, la variation de température du régolithe en fonction du temps suit une fonction T(t) pouvant comporter des paliers ou pseudo paliers pendant lesquels la puissance de chauffage permet alors de compenser de vaporiser, sublimer ou désorber le constituant ciblé à cette température qu’il s’agisse de l’eau ou d’un autre constituant. Ces paliers peuvent se situer après des montées plus ou moins rapides en température.

Par pseudo paliers, on veut signifier que la température du régolithe n’est pas forcément contrôlée au ½ degré Celsius près sur un laps de temps donné mais qu’elle peut varier, par exemple augmenter, mais à une vitesse bien moindre, par exemple dix fois moins vite, que pendant d’autres étapes dites de montée rapide en température.

Si à un instant donné, c’est le niveau de température utilisé qui détermine la tension de vapeur des divers constituants présents dans le régolithe, c’est une analyse au moins périodique de la composition du dégazage qui permet de fixer la fonction T(t) définit précédemment. En pratique, l’évolution de la température T du régolithe en fonction du temps sera contrôlée à partir de l’analyse au moins périodique des teneurs des constituants présents dans le dégazage. La périodicité dépendra de la variation potentielle de la composition du régolithe ainsi traité.

Le système de chauffage peut être en lui-même très varié tant en la technologie utilisée qu’en la source d’énergie utilisée. Il doit cependant permettre une certaine homogénéisation de la température du régolithe lors de son dégazage afin par exemple de ne pas avoir des zones trop chaudes qui perdraient l’eau contenue simultanément avec des zones trop froides qui retiendraient des impuretés que l’on cherche alors à éliminer avant de débuter le dégazage effectif de l’eau à la température T1. Dans le cas d’une alimentation continue du régolithe en circulation dans un four, four étant pris au sens le plus large, la température du régolithe n’est évidemment pas la même entre l’entrée et la sortie dudit four mais elle sera au moins homogène dans une zone donnée du four pour éviter le problème signalé au-dessus. Par homogène, on entend que dans une plage de dégazage d’intérêt T1, T2, la totalité du régolithe aura par exemple initialement une température comprise entre T1 ± 5°C et en fin de ce dégazage une température comprise entre T2 ±5°C. On conçoit qu’en fonction de la composition en constituants volatils du régolithe, en particulier de la présence de constituants ayant des tensions de vapeur plus ou moins proches de celle de l’eau et de leur quantité par rapport à la quantité de l’eau, les plages des températures initiales et finales puissent être plus ou moins larges et différentes, par exemple T1± 5°C et T2± 10°C. On remarquera qu’entre T1 et T2, il peut exister des écarts de température entre zones du régolithe plus importants sans modifier la globalité du dégazage. Ceci peut permettre de chauffer plus rapidement le régolithe entre 2 paliers de température bien contrôlée autour de T1 puis T2.

Le palier à T1 a pour objet d’éliminer du régolithe la quasi-totalité ou du moins une fraction importante d’un constituant, plus volatil que l’eau et susceptible de polluer et de complexifier la production ultérieure d’eau pure, tout en limitant la perte en molécules d’eau. Le palier à T2 à lui pour fonction d’extraire le plus d’eau possible du régolithe sans entraîner de constituants plus lourds que l’eau, en particulier s’ils sont susceptibles de compliquer son épuration finale.

Les figures 1 et 2 illustrent très schématiquement les principes décrits précédemment.

LaFIG. 1représente en ordonnée logarithmique les ordres de grandeur de la tension de vapeur en Pascal, (Pa, kPa = 1000Pa, MPa = 10^6 Pa) au-dessus de la phase solide et éventuellement liquide de l’eau 21, d’un constituant plus léger 22, par exemple H2S et d’un constituant plus lourd 23 par exemple Hg en fonction, en abscisse, de la température en Kelvin. Son seul but est de montrer que l’on peut avoir des différences de plus de 3 ordres de grandeur aussi bien à T1 qu’à T2 sur les tensions de vapeur entre l’eau 21 et les impuretés 22 et 23 permettant ainsi de créer un dégazage sélectif, c’est-à-dire de récupérer une majorité des molécules d’eau tout en entraînant que peu d’impuretés.

A noter que compte tenu de la quantité d’eau dans le régolithe, du mode d’accumulation au cours du temps de cette eau et des impuretés, il est très peu probable que la présence de glace bloque le dégazage des constituants plus légers (H2S, NH3…) dans la première partie du chauffage. S’il se trouvait que cette configuration existait localement, un prétraitement tel qu’un broyage permettrait d’effectuer un dégazage tel que décrit dans ce document.

LaFIG. 2représente un chauffage typique du régolithe au cours du temps t, c’est-à-dire la fonction T(t) avec T température du régolithe. La courbe représentative du chauffage présente cinq zones repérées de 30 à 34, avec successivement le chauffage du régolithe que l’on dégaze depuis sa température initiale jusqu’à la température T1 (repérage 30) que l’on maintient (repérage 31) jusqu’à avoir extrait la quasi-totalité du constituant 22 plus léger que l’eau.

L’analyse de la composition du dégazage permet de suivre la teneur du constituant 22 qui chute en fin de palier et de contrôler la perte en eau. On chauffe ensuite le régolithe jusqu’à la température T2 (repérage 32) que l’on maintient également jusqu’à épuisement de l’eau (repérage 33).

Suivant la destination finale du régolithe, ce dernier dont on a extrait les constituants valorisables, peut être rejeté à la surface du corps céleste d’où il a été prélevé, après une éventuelle intégration thermique pour récupérer au moins une fraction de l’énergie dépensée, ou servir de matière première dans une unité aval de production d’oxygène ou de matériau de construction par exemple. Suivant le cas, il pourra continuer d’être porté à température élevée et le dégazage progressif ne sera alors qu’une étape d’un procédé plus important. On conçoit que si l’on veut récupérer un autre constituant valorisable, on procédera de la même manière à des niveaux de température inférieurs ou supérieurs à T1, T2.

L’énergie nécessaire au chauffage et au dégazage du régolithe peut provenir de sources variées : rayonnement solaire, centrale nucléaire, intégration thermique avec d’autres procédés par exemple avec un réacteur de désoxygénation des oxydes métalliques constituant l’essentiel du régolithe. Pour chacune des sources, le mode de transfert de l’énergie sera choisi en fonction de la technologie retenu pour le four au sens le plus large de ce terme. Par exemple, pour l’énergie solaire, on pourra utiliser directement le rayonnement incident pour réchauffer du régolithe prélevé à -150°C jusqu’à –70°C, ledit régolithe ayant été disposé en couche de faible épaisseur sur une plateforme située de façon adéquate, puis jusqu’à -45°C avec une concentration du rayonnement au moyen de miroirs, avant d’être introduit dans un four chauffé à l’aide de l’électricité fournie par des panneaux solaires pour y subir la partie importante du dégazage avec extraction de l’eau. Cette dernière partie du dégazage pourra alors s’effectuer de façon continue, semi-continue ou au contraire par batch.

De façon plus générale, le procédé de dégazage peut être continu, semi-continu, par batch ou consister en un procédé hybride mettant en œuvre successivement deux -ou plus- modes de chauffage différents comme dans l’exemple ci-dessus.

Selon une variante destinée à priori à la production de quantité importante d’eau, par exemple un m3/jour en traitant une cinquantaine de tonnes de régolithe, ce dernier sera préférentiellement introduit en continu (ou semi continu) en entrée d’un four et progressera jusqu’en sortie de ce dernier d’où il sera évacué, ladite circulation s’effectuant au moyen d’un système d’entraînement adéquat, la puissance de chauffage étant contrôlée tout au long du trajet afin que le régolithe suive une montée en température T(t) programmée et le four étant conçu de telle sorte que la zone correspondant à la première plage de température T1, T2 retenue pour la récupération de la fraction du dégazage enrichi en eau soit suffisamment étanche par rapport aux zones amont et aval pour éviter une introduction indésirable dans celui-ci des flux gazeux générés dans les zones amont et aval. Pour ce dernier point, divers système d’étanchéité peuvent être considérés à partir du moment où ils sont compatibles avec l’entrainement du régolithe dans le four, systèmes de type balayette, double balayette avec évacuation intermédiaire.

Une légère surpression dans la zone centrale correspondant aux températures T1 à T2 liée à la régulation de pression d’un gaz de balayage peut aider à éviter toute pollution indésirable de la fraction gazeuse sélectionnée.

Le moyen d’entraînement peut être du type convoyeur industriel, bande transporteuse, tapis roulant, système gravitaire adapté aux conditions locales, à partir du moment où ce système est compatible avec les variations de température entre l’entrée et la sortie du four, par exemple de -100°C jusqu’à +100°C et permet l’homogénéisation de la température du régolithe au cours du chauffage.

Cette homogénéisation de la température peut être obtenue par l’intégration de moyens de brassage du régolithe le long de son cheminement (lames, vibrations, obstacles disposés de façon adéquate) ou plus simplement par un dimensionnement du système d’entrainement conduisant à obtenir une couche mince de régolithe, de quelques centimètres, chauffée par exemple par le dessus et le dessous.

Cette description n’est donnée qu’à titre d’exemple et n’a aucun caractère limitatif. N’importe quel moyen de mise en circulation et de chauffage du régolithe peut convenir à partir du moment où il permet le contrôle de sa température T(t) au cours du processus, l’homogénéisation de cette température en particulier au moins avant le début du dégazage préférentiel de l’eau à T1 et en fin de ce dégazage à T2, l’extraction préférentielle de la fraction enrichie en eau et appauvrie en impuretés et éventuellement l’introduction d’un gaz de balayage.

Selon une autre variante, le procédé de dégazage est discontinu, le régolithe étant introduit par batch dans le four de chauffage. La montée en température est contrôlée par la puissance thermique apportée et la fraction dégazée entre les températures T1 et T2 sélectionnées est extraite afin d’être traitée en vue de la production d’eau pure. Un tel procédé peut être utilisé par exemple pour produire quelques litres d’eau par batch à partir de la récupération de la fraction enrichie en eau.

Les figures 3 et 4 représentent schématiquement un dispositif 1 de type « batch » comprenant plusieurs cuves cylindriques 3.i pouvant fonctionner indépendamment les unes des autres ou en parallèle selon la quantité d’eau à produire ou de régolithe disponible. Il peut s’agir par exemple d’un système mobile, c’est à dire monté sur un « rover » et complété par une petite unité de filtration, de condensation et épuration finale destiné à fournir les besoins en eau liquide et éventuellement en oxygène, via un électrolyseur, à une équipe en exploration. Dans ce cas, on favorisera la pureté de l’eau dégazée plutôt que son rendement d’extraction afin de n’avoir éventuellement besoin que d’une filtration de sécurité et de condenser directement l’eau en utilisant la température extérieure comme source de froid.

LaFIG. 3montre le principe de fonctionnement. LaFIG. 4illustre un détail d’une réalisation possible.

Le régolithe 2 prélevé directement en basse température sous forme de petits débris ou bien broyé pour obtenir des particules de dimension millimétrique ou centimétrique est placé dans des cuves cylindriques 3.i d’une dizaine de centimètres de diamètre pouvant en contenir de l’ordre d’une trentaine de kilogrammes. Ces cylindres dont l’enveloppe externe est poreuse vis-à-vis du gaz mais permet de retenir les particules de régolithe, sont pourvus d’un moyen de chauffage 4, représenté ici symboliquement par un cordon chauffant enroulé autour desdits cylindres, afin de maintenir une température de paroi identique sur toute leur hauteur. Le matériau des cylindres est un bon conducteur thermique ainsi de les fragments et particules d’oxydes métallique qui constituent la quasi-totalité du régolithe. Le faible diamètre retenu permet de maintenir un faible gradient de température à travers la masse du régolithe. Si nécessaire, un système de mise en mouvement du régolithe (non représenté, par exemple de type vis sans fin) peut être prévu afin d’obtenir une température quasiment identique. La température de la paroi sera augmentée progressivement afin de respecter le gradient de température retenu. On a fait figurer un tube perforé 5 de petit diamètre au centre des tubes chauffants. Ce tube permet, selon le cas d’aider à recueillir le dégazage en partie centrale ou bien d’injecter un petit débit de balayage 12 de façon à faciliter la sublimation, désorption ou vaporisation de l’eau. Des vannes associées 5.1, 5.2 permettent de choisir le fonctionnement préférable. Il sera intéressant de prévoir un moyen de chauffer la paroi de ce tube 5 afin d’apporter un supplément d’énergie à la partie centrale de la cuve, ce qui peut aider à l’homogénéisation des températures. Sur laFIG. 3il a été prévu d’extraire le gaz dégazé par l’extérieur du tube chauffant 3.i et par le tube perforé central 5. La vanne 5.2 sera fermée et la vanne 5.1 ouverte. Ce système peut permettre aussi d’injecter un faible débit de gaz de balayage 12 pendant le dégazage, en particulier pour aider la vaporisation et l’évacuation de l’eau. Dans ce cas, il convient de fixer le couvercle 13 représenté en pointillés en partie supérieure de la cuve et de fermer la vanne 5.1 pour forcer une circulation radiale du gaz de balayage et des constituants dégazés.

Sur laFIG. 4, sept de ces cylindres chauffants 3.1 à 3.7 sont logés dans une même enceinte 6 isolée thermiquement. Ces 7 cylindres conduisent à un dispositif 1 pouvant traiter de l’ordre de 200 kg de régolithe. La quantité d’eau contenue peut aller suivant les cas d’environ 1 litre jusqu’à une dizaine ou quinzaine de litres pour des régolithes riches en eau se trouvant en zone particulièrement froide. Comme on l’a indiqué précédemment, il y a tout lieu de penser que les diverses impuretés piégées au cours du temps, l’on était de manière indépendante et se présentent sous forme de cristaux quasiment purs et non d’agglomérats intimement liés de ces constituants. Comme déjà expliqué, le procédé propose d’éliminer séparément de l’eau ces impuretés du régolithe simplement en profitant des différences de tension partielle, qui peuvent être très élevées à des températures données.

Ainsi, en faisant des montées avec des paliers de chauffage à des températures déterminées, par exemple inférieures à -25°C, il est possible de vaporiser des constituants tels que du NH3, H2S, SO2 tout en ne sublimant qu’une très faible quantité d’eau, les tensions de vapeur respectives pouvant être dans des rapports de 100 voire de 1000.

On va donc utiliser la puissance de chauffe disponible pour réchauffer assez rapidement le régolithe de sa température initiale à, par exemple, - 30°C tout en évacuant à l’atmosphère, c’est-à-dire à très basse pression, les produits pouvant se sublimer ou se désorber à cette température, puis on va réchauffer le régolithe plus lentement mettons jusqu’à -25°C afin d’homogénéiser aux mieux les température grâce à la conduction thermique des matériaux et maintenir cette température tant qu’on détectera, ainsi que représenté sur laFIG. 3, un débit dans la ligne d’évacuation du dégazage 8 vers l’atmosphère 9 puis on montera à nouveau la température de façon à passer au-dessus de 0°C, par exemple en restant entre 25 et 35°C pour vaporiser la totalité de l’eau du régolithe tout en ne dégazant que peu de constituants lourds comme des composés carbonés par exemple. Durant cette période, le gaz extrait du régolithe est pompé via la pompe à vide 10 et stocké sous pression dans le réservoir 11 ou bien envoyé directement à l’unité d’extraction d’eau liquide pure.

L’essentiel de l’eau ayant été récupérée, on va soit arrêter le chauffage du régolithe à la température T2, soit continuer le chauffage et l’extraction des impuretés résiduelles si par exemple ce régolithe est destiné à être désoxydé dans un réacteur de type FFC. Si le seul but du dégazage est la récupération d’eau, il convient de prévoir une intégration thermique avec par exemple un autre dispositif de dégazage prêt à commencer un cycle de chauffage afin de récupérer l’essentiel de l’énergie fournie au régolithe. On peut alors par exemple utiliser le principe des régénérateurs thermiques consistant à transférer l’énergie directement de l’un à l’autre de l’un à l’autre ou via un réservoir de stockage intermédiaire de capacité calorifique adéquate. Ceci n’apparait pas sur laFIG. 3, l’idée étant ici d’alimenter en série un réacteur produisant de l’oxygène. La manière d’extraire le régolithe chaud vers le réacteur est quant à elle sans lien direct avec la présente invention. On conçoit que selon la pression atmosphérique et la composition de l’atmosphère locale, le mode de fonctionnement du système de dégazage devra être adapté. La description faite ci-dessus est plutôt adaptée à du régolithe lunaire avec une pression atmosphérique locale quasiment nulle. Le gaz de balayage utilisé uniquement pendant l’extraction de l’eau, pourra par exemple être de l’argon, de l’oxygène, de l’hydrogène, constituants très faciles à séparer de la vapeur d’eau.

Sur Mars, on pourra probablement utiliser du CO2 en tirant les cuves sous vide (vide par rapport à la pression atmosphérique locale) pour extraire les volatils sans intérêt et les retourner dans l’atmosphère ou même pour éluer éventuellement la vapeur d’eau, assez facilement séparable de ce gaz, pour en favoriser le dégazage.

Ici encore, cet exemple n’est introduit dans la description que pour démontrer qu’il y a plusieurs façon de mettre en œuvre les caractéristiques particulières de cette invention, à savoir un chauffage progressif et contrôlé du régolithe permettant d’extraire à un moment donné une fraction du dégazage enrichie en eau et appauvrie en impuretés volatiles par rapport à la composition d’un dégazage complet du régolithe, le but étant d’obtenir un mélange gazeux duquel il sera nettement plus facile d’extraire de l’eau pure.

On conçoit qu’un des points clés dans l’application du procédé est le contrôle de la température du régolithe tout au long du processus de chauffage. Dans l’hypothèse où l’on veut récupérer les composés volatils susceptibles d’être dégazé entre T1 et T2, par exemple -30°C, +30°C et qu’il s’agisse de l’eau, il convient que le régolithe entrant dans la zone d’intérêt et donc se trouvant à une température de -30°C n’ait pas connu précédemment au cours de son chauffage initial des points chauds, par exemple à +5°C qui aurait localement conduit à un dégazage prématuré de molécules d’eau, molécules perdues car éliminées avec des impuretés volatiles. De même, il convient que ce régolithe ne renferme pas de poches froides qui, elles, renfermeraient encore des impuretés indésirables non encore dégazées et qui viendraient polluer le flux enrichi en eau. Une méthode pour obtenir ce résultat est de chauffer le régolithe en couche mince via une -ou des parois- chauffante dont la température est maintenue juste supérieure à la température du régolithe, température qui est donc mesurée au cours du chauffage et qui intervient dans la régulation. Une même température homogène à +30°C est nécessaire pour éviter de perdre de l’eau qui n’aurait pas été dégazée dans des zones plus froides et pour éviter la pollution de la fraction récupérée à cause de zones trop chaudes ayant largué des composés lourds. Il est possible de concevoir plusieurs fours permettant un chauffage homogène de couches minces de régolithe et la récupération du mélange gazeux dégazé, par exemple des séries de tôles chauffante et tôles perméables alternées créant des logements pour contenir le régolithe et des espaces pour recueillir le dégazage. Néanmoins, de tels arrangements paraissent plutôt limités à la production de faibles quantités d’eau.

Comme déjà évoqué, un moyen probablement plus efficace est d’homogénéiser la température du régolithe au moyen d’un brassage mécanique adéquat adapté à la géométrie du four (vibrations, rotations, mélangeurs de tout type). Cela doit permettre de traiter de plus grosses quantités de régolithe et de chauffer plus rapidement.

La durée des étapes successives du chauffage peut être estimée à partir d’un logiciel ayant comme données d’entrée la composition du régolithe, sa distribution granulométrique, la masse ou le débit à traiter, sa température d’entrée, la pression opératoire et ayant en mémoire les propriétés physiques des constituants (capacités calorifiques, conductibilités thermiques, enthalpies de sublimation, désorption, vaporisation, tensions de vapeur) ainsi que les caractéristiques du four. Néanmoins, il semble utile, voire indispensable si l’on cherche un niveau élevé de performances en termes de rendement d’extraction et de pureté, de suivre l’analyse du flux dégazé au cours du temps, de façon continu ou périodique suivant la cinétique du chauffage. Une telle analyse permet de détecter le moment le régolithe est déballasté de l’essentiel d’une impureté indésirable (autour de la température T1) ou bien quand le régolithe est épuisé en eau (à la température T2).

La pression de fonctionnement dépendra de l’intégration du dégazage dans une chaîne de procédés plus importante allant par exemple jusqu’au traitement du régolithe au moins partiellement dégazé dans un réacteur de désoxydation pour la production d’oxygène ou jusqu’à la production d’eau pure, voire très pure pour l’alimentation d’un électrolyseur. A priori, il s’agira d’une pression basse de quelques millibars à quelques dizaines ou centaines de millibars pour favoriser le dégazage. La présence d’un flux de balayage, en particulier lors de l’extraction préférentielle de l’eau donne un degré de liberté supplémentaire. Dans une majorité des cas, ce flux de balayage sera alors recyclé afin d’éviter la perte de molécules des gaz valorisés. En particulier, le flux de balayage pourra comprendre un ou plusieurs constituants du groupe comportant CO2, O2, H2, Ar, Ne, N2, Kr.

Eventuellement, le gaz de balayage circule en circuit semi fermé, le ou les constituants valorisables étant retirés de ladite boucle de circulation ainsi que les impuretés résiduelles par des procédés adéquats avant réutilisation dudit gaz de balayage dans le procédé de dégazage.

On notera que par une simple compression du mélange gazeux enrichi en eau suivie d’une condensation sur une paroi froide, par exemple à +1°C, il ne sera généralement pas possible d’obtenir de l’eau liquide directement utilisable ni pour une consommation humaine, ni pour alimenter un électrolyseur. Une utilisation probablement possible pourrait être l’irrigation de culture sous serre. Le mélange gazeux enrichi en eau récupéré lors du dégazage sélectif alimentera plus probablement une unité de production d’eau pure, l’eau étant préférentiellement produite sous forme liquide. La description d’une telle unité d’épuration finale de l’eau n’est pas l’objet de ce document qui se limite à l’extraction du régolithe d’un flux enrichi en eau. On notera à nouveau qu’en jouant sur les niveaux de température T1 et T2, on pourra modifier la pureté de l’eau du dégazage et son rendement d’extraction, ces deux paramètres allant en sens inverse : eau très pure avec un faible rendement ou beaucoup d’eau de moindre pureté. On peut ainsi prévoir deux utilisations potentielles du dégazage d’un même régolithe.

Un tel dégazage sélectif pourra s’intégrer avantageusement à une étape de préchauffage du régolithe avant son introduction dans une unité d’électro-désoxydation des oxydes métalliques qu’il contient afin d’en extraire l’oxygène. Le dégazage pourra alors si nécessaire être poussé jusqu’à des températures largement plus élevées que celles nécessaires à la récupération des molécules d’eau afin d’éliminer des constituants très lourds indésirables pour la suite des opérations.

L’invention concerne aussi une unité de dégazage du régolithe mettant en œuvre le procédé décrit ci-dessus.

Claims (7)

1. Procédé d’extraction de constituants volatils contenus dans une masse de régolithe, en particulier d’origine lunaire ou martienne, comportant les étapes :

   • chauffage progressif du régolithe conduisant à un dégazage sélectif dans le temps, selon la température atteinte par ledit régolithe, des différents constituants volatils, ceux possédant les tensions de vapeur les plus élevées dégazant avant ceux possédant des tensions de vapeur plus faibles ;
   • sélection d’au moins une première plage de température (T1, T2) au cours de laquelle on recueille, notamment par un dégazage du régolithe, un mélange gazeux enrichi en au moins un constituant valorisable et appauvri en au moins un constituant indésirable par rapport aux teneurs initiales de ces constituants dans le régolithe.
2. Procédé selon la revendication précédente, le régolithe contenant de l’eau et d’autres composés volatils, l’évolution progressive et contrôlée de la température du régolithe permettant de sélectionner au cours du chauffage, la première plage de température (T1, T2) durant laquelle on récupère un mélange gazeux enrichi en eau et appauvri en les autres composés volatils de tension de vapeur plus élevée ou plus faible.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux, notamment recueilli sur la première plage de température (T1, T2) est extrait du volume de régolithe par connexion de ce volume à un dispositif permettant son aspiration, et/ou par entraînement au moyen d’un gaz de balayage.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’évolution de la température du régolithe est contrôlée à partir de l’analyse de la composition et/ou du débit du mélange gazeux et par action sur la puissance de chauffage.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comportant une étape de désoxydation du régolithe par introduction du régolithe dans une unité d’électro-désoxydation des oxydes métalliques qu’il contient, afin d’en extraire l’oxygène, l'étape de désoxydation étant mise en œuvre après l’étape de sélection d’au moins une première plage de température (T1, T2) au cours de laquelle on recueille, notamment par un dégazage du régolithe, un mélange gazeux enrichi en au moins un constituant valorisable et appauvri en au moins un constituant indésirable par rapport aux teneurs initiales de ces constituants dans le régolithe.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le mélange gazeux enrichi en eau récupéré lors du dégazage, alimente une unité de production d’eau, notamment pure, l’eau étant préférentiellement produite sous forme liquide.
7. Unité de dégazage d’un régolithe, comprenant une unité de commande pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.