En moins de trois ans, les astronautes retourneront sur la lune pour la première fois depuis l'ère Apollo. Dans le cadre du programme Artemis, le but n'est pas seulement d'envoyer des missions en équipage à la surface lunaire pour explorer et collecter des échantillons. Cette fois-ci, il y a aussi l'objectif d'établir une infrastructure vitale (comme la passerelle lunaire et un camp de base) qui permettra une "exploration lunaire soutenue".
Une exigence clé pour ce plan ambitieux est la fourniture d'électricité, ce qui peut être difficile dans des régions comme le bassin Pôle Sud-Aitken, une région cratérisée qui est ombragée en permanence. Pour remédier à ce, un chercheur du NASA Langley Research Center nommé Charles Taylor a proposé un nouveau concept connu sous le nom de "Light Bender". En utilisant l'optique du télescope, ce système permettrait de capter et de distribuer la lumière du soleil sur la lune.
Le concept Light Bender était l'une des 16 propositions sélectionnées pour la phase I du programme 2021 NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), qui est supervisé par la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA. Comme pour les soumissions précédentes du NIAC, les propositions qui ont été sélectionnées représentent un large éventail d'idées innovantes qui pourraient aider à faire avancer les objectifs d'exploration spatiale de la NASA.
Dans ce cas, la proposition Light Bender répond aux besoins des astronautes qui feront partie des missions Artemis et de la "présence humaine à long terme à la surface lunaire" qui suivra. La conception du concept de Taylor a été inspirée par l'héliostat, un dispositif qui s'ajuste pour compenser le mouvement apparent du Soleil dans le ciel afin qu'il continue de refléter la lumière du soleil vers une cible.
Illustration conceptuelle de l'ombrage permanent, cratères glacés peu profonds près du pôle sud lunaire. Crédit :UCLA/NASA
Dans le cas du Light Bender, L'optique du télescope Cassegrain est utilisée pour capturer, concentrer, et focaliser la lumière du soleil tandis qu'une lentille de Fresnel est utilisée pour aligner les faisceaux lumineux pour une distribution à plusieurs sources situées à des distances de 1 km (0,62 mi) ou plus. Cette lumière est ensuite reçue par des panneaux photovoltaïques mesurant 2 à 4 m (~6,5 à 13 pi) de diamètre qui convertissent la lumière du soleil en électricité.
En plus des habitats, le Light Bender est capable de fournir de l'énergie aux unités de cryo-refroidissement et aux actifs mobiles tels que les rovers. Ce type de réseau pourrait également jouer un rôle important dans la création d'infrastructures vitales en fournissant de l'énergie aux éléments d'utilisation des ressources in situ (ISRU), tels que les véhicules récoltent le régolithe local pour une utilisation dans des modules d'imprimante 3D pour construire des structures de surface. Comme Taylor l'a décrit dans sa déclaration de proposition de phase I du NIAC :
"Ce concept est supérieur aux alternatives telles que le faisceau de puissance laser très inefficace, car il ne convertit la lumière en électricité qu'une seule fois, et aux architectures de distribution d'énergie traditionnelles qui reposent sur des câbles à forte intensité de masse. La proposition de valeur de Light Bender est une réduction de masse d'environ 5 fois par rapport aux solutions technologiques traditionnelles telles que le faisceau de puissance laser ou un réseau de distribution basé sur des câbles d'alimentation haute tension."
Mais peut-être que le plus grand attrait d'un tel système est la façon dont il peut distribuer des systèmes d'alimentation aux cratères ombragés en permanence de la surface de la lune, qui sont communs dans la région polaire sud de la lune. Dans les années à venir, plusieurs agences spatiales, dont la NASA, ESA, Roscomos, et l'Agence spatiale nationale chinoise (CNSA) – espèrent établir des habitats à long terme dans la région en raison de la présence de glace d'eau et d'autres ressources.
Illustration d'un système d'alimentation de surface à fission conceptuel sur la Lune. Crédit :NASA
Le niveau de puissance fourni par le système est également comparable au concept Kilopower, un projet de système d'énergie à fission nucléaire conçu pour permettre des séjours de longue durée sur la lune et d'autres corps. Ce système fournirait une capacité électrique de 10 kilowatts électriques (kWe) – l'équivalent de mille watts de capacité électrique.
« Dans la conception initiale, le miroir primaire capte l'équivalent de près de 48 kWe de lumière solaire, " écrit Taylor. " La puissance électrique de l'utilisateur final dépend de la distance du point de collecte principal, mais les analyses de l'arrière de l'enveloppe suggèrent qu'au moins 9 kWe de puissance continue seront disponibles dans un rayon de 1 km. »
En plus de tout ça, Taylor souligne que la quantité totale d'énergie que le système peut générer est évolutive. Essentiellement, il peut être augmenté en changeant simplement la taille de l'élément de collection primaire, la taille des éléments récepteurs, la distance entre les nœuds, ou simplement en augmentant le nombre total de capteurs solaires à la surface. Au fur et à mesure que le temps passe et que de plus en plus d'infrastructures s'ajoutent à une région, le système peut être mis à l'échelle pour s'adapter.
Comme pour toutes les propositions sélectionnées pour la phase I du programme NIAC 2021, Le concept de Taylor recevra une subvention de la NASA jusqu'à 125 $, 000. Tous les boursiers de la phase I sont maintenant dans une période initiale d'étude de faisabilité de neuf mois, où les concepteurs évalueront divers aspects de leurs conceptions et aborderont les problèmes prévisibles qui pourraient avoir un impact sur les opérations sur les concepts une fois qu'ils seront opérationnels dans le bassin du pôle Sud-Aitken.
Illustration des astronautes de la NASA sur le pôle Sud lunaire. Crédit :NASA
En particulier, Taylor se concentrera sur la façon dont la lentille optique pourrait être améliorée en fonction de différentes conceptions, matériaux, et des revêtements qui entraîneraient des niveaux acceptables de propagation de la lumière. Il évaluera également comment la lentille pourrait être conçue de manière à ce qu'elle puisse se déployer de manière autonome une fois qu'elle atteint la surface lunaire. Les modalités possibles de déploiement autonome feront l'objet d'études ultérieures.
Suite à l'étude de conception/faisabilité, une évaluation des alternatives architecturales pour Light Bender sera réalisée dans le contexte d'une base lunaire située près du pôle sud de la lune lors d'opérations soutenues à la surface lunaire. La principale figure de mérite sera la minimisation de la masse débarquée. Des comparaisons seront faites avec les technologies de distribution d'énergie connues telles que les câbles et les faisceaux de puissance laser.
Une fois ces études de faisabilité terminées, le Light Bender et les autres boursiers de la phase I pourront postuler pour les récompenses de la phase II. a dit Jenn Gustetic, le directeur des innovations et des partenariats à un stade précoce au sein de la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA :
« Les boursiers du NIAC sont connus pour rêver grand, proposer des technologies qui peuvent sembler à la frontière de la science-fiction et qui sont différentes de la recherche financée par d'autres programmes d'agences. Nous ne nous attendons pas à ce qu'ils se concrétisent tous, mais reconnaissons que fournir une petite quantité de financement de démarrage pour les premières recherches pourrait grandement profiter à la NASA à long terme. »
