Dans un avenir proche, la NASA, l'Agence spatiale européenne (ESA), la Chine et Roscosmos monteront toutes des missions avec équipage sur la Lune. Ce sera la première fois que des astronautes marcheront sur la surface lunaire depuis l'ère Apollo. Mais contrairement à la "course à la lune", l'objectif de ces programmes n'est pas d'y arriver le premier et de ne laisser derrière eux que quelques expériences et atterrisseurs (c'est-à-dire des missions "empreintes et drapeaux"), mais d'établir une présence humaine durable sur le surface lunaire. Cela signifie créer des habitats en surface et en orbite qui peuvent être utilisés par des équipages en rotation.

Alors que la NASA et d'autres agences spatiales ont l'intention d'exploiter autant que possible les ressources locales - un processus connu sous le nom d'utilisation des ressources in situ (ISRU) - la création de bases lunaires nécessitera toujours l'expédition de nombreux matériaux et machines depuis la Terre. Dans une étude récente, Philip Metzger et Greg Autry ont examiné le coût et la consommation d'énergie de la construction de plates-formes d'atterrissage sur la surface lunaire. Après avoir examiné diverses méthodes de construction, ils ont déterminé qu'une combinaison de fabrication additive et d'infusion de polymères était le moyen le plus efficace et le plus rentable.

Philip Metzger est scientifique associé au Florida Space Institute (FSI) de l'Université de Floride centrale (UCF), ancien physicien de recherche principal au Kennedy Space Center (KSC) de la NASA et cofondateur du KSC Swamp Works. Greg Autry est professeur clinique de leadership spatial, de politique et d'affaires à la Thunderbird School of Global Management de l'Arizona State University (ASU) et président du groupe de travail sur la sécurité du Comité consultatif sur le transport spatial commercial (COMSTAC) à la Federal Aviation Administration ( FAA).

Pour leur étude, Metzger et Autry ont examiné différentes méthodes de construction de plateformes d'atterrissage sur la surface lunaire. Chaque méthode a été évaluée en fonction de trois facteurs principaux :la nécessité d'expédier de grandes quantités de masse depuis la Terre, le niveau de consommation d'énergie sur la surface lunaire et le temps qu'il faudrait pour terminer la construction. Chacun de ces facteurs contribue (directement ou indirectement) au coût global des activités lunaires.

Parmi leurs découvertes, Metzger et Autry ont déterminé que deux variables sont les plus importantes lors de l'évaluation des méthodes de construction dans l'espace :les coûts de transport et les délais imposés par le processus de construction. Comme Metzger l'a expliqué à Universe Today par e-mail :

"J'ai été surpris que la complexité et la fiabilité du processus de construction ne jouent pas un rôle plus important. Un système complexe nécessitera environ 50 % d'investissement initial supplémentaire pour le rendre aussi fiable que les méthodes plus simples, et une augmentation des coûts de 50 % semble comme beaucoup, mais par rapport au coût du transport lunaire et à la perte de valeur si vous tardez à faire des choses sur la lune, il s'avère que 50 % de coûts de développement supplémentaires sont totalement sans conséquence.

"Donc, si vous inventez une méthode plus complexe pour faire les choses, et que cette méthode est plus rapide et moins massive que les méthodes précédentes, alors cela en vaut la peine. Cela va à l'encontre de notre tendance naturelle en tant que technologues de l'espace. Nous pensons que garder les choses plus simples est mieux, et nous pensons que lorsque nous opérons loin sur la lune, il est encore plus important de garder les choses simples. Mais lorsque nous l'examinons d'un point de vue économique, ce sentiment ne s'avère pas vrai. Dans l'environnement économique de la lune opérations, une technologie plus avancée vaut un investissement initial plus important."

Ils ont en outre constaté que l'épaisseur des coussins, l'environnement thermique (qui varie entre le coussin intérieur et extérieur) et la cadence de lancement du programme lunaire étaient également des facteurs importants pour établir des limites pratiques sur le temps de construction. En bref, la rentabilité de chaque méthode se résume au coût par kilo des charges utiles de lancement et à la vitesse de construction. Ils en ont considéré plusieurs en fonction des besoins énergétiques et de la façon dont cela varierait en fonction de l'environnement thermique.

Ils se sont notamment penchés sur les récentes innovations en matière de fabrication additive (impression 3D) et d'ISRU, qui font l'objet de recherches de la NASA et de l'ESA depuis de nombreuses années. Lorsqu'elles sont adaptées à la surface lunaire, les méthodes incluent le chauffage du régolithe avec des micro-ondes pour créer une céramique fondue (alias "frittage") qui est ensuite imprimée et se solidifie au contact de l'environnement lunaire sans air, ou l'ajout d'un agent de liaison au régolithe (comme le ciment ou un polymère) pour façonner le "lunarcrete".

"Certaines méthodes nécessitent d'énormes quantités d'énergie, ce qui nécessite des systèmes énergétiques lourds sur la lune. D'autres méthodes nécessitent de nombreuses tonnes de liant amenées de la Terre à grands frais. Pourtant, d'autres sont des processus très, très lents. Nous voulions voir comment ces différents facteurs comparer les uns aux autres lorsque nous les examinons d'un point de vue économique.

"Nous avons tout converti en un coût réel :le coût du transport de la masse depuis la Terre ; le coût de l'énergie livrée sur la lune ; la perte de valeur économique si nous prenons beaucoup de temps à construire. En mettant tout cela ensemble, nous avons pu voir quelle construction fournissent la meilleure valeur aux opérations lunaires."

Ils ont découvert que le frittage par micro-ondes offrait la meilleure combinaison de faible masse et de vitesse élevée par rapport aux autres méthodes. Cela était particulièrement vrai pour la construction de la zone intérieure à haute température de l'aire d'atterrissage lunaire (où se produisent les brûlures de la fusée au décollage et à l'atterrissage). Cette méthode est également la plus favorable pour construire la zone extérieure à basse température si et lorsque les coûts de transport sont élevés.

Cependant, dans le cas où les coûts de transport vers la face lunaire peuvent être maintenus à 110 dollars par kg (environ 50 dollars par livre), la méthode la plus rentable est passée à l'infusion de polymère. Ils ont également produit des estimations sur le coût global de la construction du camp de base Artemis (229 millions de dollars) - l'habitat de surface que la NASA a l'intention de construire autour du bassin Pôle Sud-Aitken. Ceux-ci étaient basés sur la mise en garde que les coûts de transport passeraient de leur taux actuel de 1 million de dollars par kg (454 545 $ par livre) à 300 000 $ par kg (~ 136 360 $ par livre).

Metzger a déclaré:"Nous avons constaté que le coût de la construction d'une aire d'atterrissage pendant le programme Artemis de la NASA est assez abordable - à peu près le même coût qu'un vaisseau spatial de classe Discovery de la NASA (300 millions de dollars). C'est un coût minime par rapport à de nombreux autres éléments d'un programme de vols spatiaux habités. Pour ce coût, le programme créera la première installation permanente construite sur un autre monde, et il livrera également les robots de construction sur la lune, afin qu'ils puissent commencer à faire d'autres tâches comme la construction d'habitats humains."

Ces estimations chutent à 130 millions de dollars si les coûts de transport pouvaient être encore réduits à 100 000 dollars par kg (45 455 dollars par livre) ou à 47 millions de dollars s'ils tombent en dessous de 10 000 dollars par kg (4 545 dollars par livre). En fin de compte, Metzger et Autry ont démontré qu'une base lunaire pouvait être construite à un prix abordable, et le prix dépendra de la mesure dans laquelle les coûts de lancement continueront de baisser dans les années à venir. Ces découvertes revêtent une importance particulière étant donné le nombre d'agences spatiales qui cherchent à construire des avant-postes dans le bassin Pôle Sud-Aitken au cours de cette décennie et de la suivante.

En plus du camp de base Artemis, l'ESA prévoit de créer une base permanente connue sous le nom de Village lunaire international. En tant que successeur spirituel de la Station spatiale internationale (ISS), cette base accueillerait des équipages tournants d'astronautes, des séjours de longue durée et des opérations scientifiques sur la Lune. Il n'y a pas si longtemps, des représentants des programmes spatiaux chinois et russe se sont réunis pour annoncer une vision commune d'une base lunaire :la Station internationale de recherche lunaire (ILRS).

En prévision de l'ère prochaine de l'exploration lunaire, la NASA et d'autres agences spatiales continuent de rechercher des technologies qui permettront une construction rentable sur la lune. Cela inclut un processus de fabrication ISRU connu sous le nom de Regolith Adaptive Modification System (RAMs) mis au point par des chercheurs de la Texas A&M University. Ce processus est axé sur la fourniture d'une infrastructure de démarrage qui faciliterait le transport de l'équipement de frittage ou de polymérisation.

Il existe également un concept d'atterrisseur lunaire en cours de développement par Masten Space Systems avec le soutien de l'Institute for Advanced Concepts (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M et l'Université de Floride centrale (UCF). Ce concept intègre un processus connu sous le nom de technique de pulvérisation d'alumine en vol (FAST), où un atterrisseur injecte des particules d'aluminium dans ses buses de propulseur d'atterrissage pour façonner sa propre piste d'atterrissage, ce qui atténue également le problème de la poussière lunaire soulevée.

Au cours de cette décennie et de la suivante, l'humanité retournera sur la lune, cette fois pour y rester. Non seulement plusieurs agences spatiales enverront des astronautes, mais des partenaires commerciaux seront recrutés pour fournir des services de transport de charge utile et d'équipage. Des touristes lunaires et même des colons pourraient éventuellement suivre, conduisant à une présence humaine permanente et à la première génération de "Lunites" (ou "Loonies").

Cet effort multinational encourage l'innovation dans de multiples secteurs et conduit à des applications pour la vie ici sur Terre. Après tout, si nous voulons faire en sorte que les humains puissent surmonter le problème écologique auquel nous sommes confrontés sur Terre et vivre dans l'espace, nous devons être inventifs.