De l’hélium 3 sur la Lune : pour quoi faire ?

21/12/2016
Publication REE REE 2016-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-5:17758

Résumé

De l’hélium 3 sur la Lune : pour quoi faire ?

Métriques

79
16
175.23 Ko
 application/pdf
bitcache://569173884fb4bf69002bc6ee073d02e051e3b40e

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2016-5/17758</identifier><creators><creator><creatorName>André Deschamps</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>De l’hélium 3 sur la Lune : pour quoi faire ?</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2016</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Wed 21 Dec 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 13 Nov 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">569173884fb4bf69002bc6ee073d02e051e3b40e</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>30384</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

REE N°5/2016 Z 19 Les symétries de Haldane Duncan Haldane étudiait dans les années 80 les proprié- tés de symétrie des chaînes d’atomes magnétiques. Il a dé- montré que les chaînes magnétiques avaient des propriétés fondamentalement différentes selon que l’atome magnétique était de spin entier ou demi entier. Il a montré que les chaînes de spin entier présentaient des transitions topologiques, tan- dis que des chaînes de spin impair ne sont pas topologiques. En 1988 Haldane a émis l’hypothèse que ces phénomènes étaient dus à l’écart de spin dans le spectre d’excitation pour les atomes de spin entiers, écart qui n’existe pas pour les atomes de spin demi-entier. À l’époque, le raisonnement de Haldane n’avait pas fait l’unanimité des physiciens, mais il a depuis été vérifié expérimentalement. Haldane a également contribué à créer des liens entre la mécanique statistique, la physique quantique à plusieurs corps et la physique des hautes énergies. Ces travaux sont aujourd’hui à la pointe de la recherche sur la matière condensée et ces matériaux sont en première ligne pour les utilisations potentielles de la pro- chaine génération de dispositifs électroniques. Les applications de ces découvertes des années 70 et 80 font l’objet de beaucoup de recherches actuelles comme par exemple les skyrmions1 , le graphène ou encore les fermions de Majorana2 et constituent autant de potentialités pour la recherche dans le domaine du calcul quantique. 1 Voir REE n°3/2014 p.7. 2 Voir REE n°4/2015 p.13 Des chercheurs américains venus du Royaume-Uni David Thouless est né en 1934 à Bearsden, Ecosse. Il a obtenu son doctorat en 1958 à l’université Cornell aux États- Unis. Il était professeur de physique mathématique à l’univer- sité de Birmingham au Royaume-Uni avant de rejoindre l’uni- versité de Washington en 1980 où il est professeur émérite. Il est récipiendaire de la moitié du prix Nobel Duncan Haldane est né à Londres en 1951 et a obtenu un doctorat à l’université de Cambridge en 1978. Il est professeur de physique titulaire de la chaire Eugene Higgins à l’université de Princeton. Il est récipiendaire du quart du prix Nobel Michael Kosterlitz est né en 1942 à Aberdeen, en Écosse et a étudié la physique à l’université de Cambridge avant d’ob- tenir un doctorat à l’université d’Oxford en 1969. Il est “Harri- son E. Farnsworth Professor of physics” à l’université Brown de Rhode Island. Kosterlitz a en outre collaboré avec l’université de Birmingham, l’Instituto di Fisica Teorica à Turin en Italie et l’université Cornell. Il est récipiendaire du quart du prix Nobel. Q Marc Leconte Figure 3 : De gauche à droite : David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz. ACTUALITÉS De l’hélium 3 sur la Lune : pour quoi faire ? L’hélium-3 est un isotope stable de l’hélium. Son noyau com- porte deux protons et un seul neutron. Tout comme l’hydrogène, l’hélium-3 provient essentiellement de la nucléosynthèse primor- diale, aux premiers instants de l’Univers, et n’est pas issu de la nucléosynthèse stellaire. Il est présent dans les couches externes du Soleil et le vent solaire en envoie vers le système solaire. Il est repoussé par le champ magnétique terrestre, par contre son accumulation à la surface de la Lune est facilitée par l’absence d’atmosphère et de champ magnétique sur notre satellite. Si des échantillons de régolite lunaire furent ramenés par les missions Apollo dans les années 1970, ce n’est que dans les années 1980 que l’équipe de Gerald Kulcinski, de l’uni- versité du Wisconsin, étudiant les différents types de réaction impliquant les isotopes de l’hydrogène et de l’hélium, s’est rendu compte que celles utilisant l’hélium-3 ne produisaient aucun neutron mais, chose révolutionnaire, des protons, c’est-à-dire des particules chargées et stables. L’hélium-3 a la propriété d’être un fort absorbant de neu- trons. Cette particularité fait qu’il est utilisé sur certains ré- acteurs de recherche pour engendrer des transitoires rapides de puissance. Des tubes placés à l’intérieur du réacteur sont remplis d’hélium 3. Ils sont en communication avec un réser- voir mis sous vide par l’intermédiaire de vannes. Leur ouver- ture déclenche une dépressurisation rapide d’hélium 3 dans le réacteur provoquant une disparition d’absorbant donc une augmentation de la puissance. En dehors de cette utilisation de contrôle, la fusion nu- cléaire de l’hélium-3 avec le deutérium se produit selon la réaction : deutérium + hélium 3 A (hélium 4 + 3,67 MeV) + (proton + 14,7 MeV) [1]. Une telle réaction ne produit en elle-même aucun dé- chet ou sous-produit radioactif, seulement de l’hélium-4 et des protons. L’hélium-3 pourrait donc devenir, dans un futur 20 Z REE N°5/2016 Figure 1 : Projet d’implantation d’une base lunaire sur les bords du cratère Shackleton – Source : NASA. plus ou moins lointain, l’un des carburants appropriés aux centrales nucléaires à fusion contrôlée, en compétition avec ceux intervenant dans d’autres réactions thermonucléaires et en particulier dans la réaction retenue dans le réacteur de recherche ITER en cours de construction1 : deutérium + tritium A (hélium 4 + 3,52 MeV) + (neutron + 14,1 MeV) [2]. L’un des problèmes est que l‘hélium-3 est très rare sur Terre. Il constitue environ 200 à 300 ppm de l‘hélium du manteau cependant que dans l‘atmosphère terrestre, on compte 5,2 ppm d‘hélium, dont l‘hélium-3 représente seu- lement 1,38 ppm, soit une fraction d‘à peine 7,2×10-12 de l’atmosphère dans son ensemble ou encore une masse d’en- viron 500 kg seulement. Actuellement, le coût de l’hélium 3 extrait sur Terre serait de l’ordre de 16 millions de dollars le kilo2 , ce qui rend vaine toute recherche d’utilisation indus- trielle de l’hélium-3 disponible sur Terre. Mais l’hélium-3 existe en abondance sur la Lune. Selon les données enregistrées en 2009 par la sonde orbitale chinoise Chang’e 1, il y aurait environ 1,1 million de tonnes d’hélium-3 à la surface lunaire, jusqu’à une profondeur de quelques mètres. On a alors calculé qu’environ 40 t d’hé- lium-3 pourraient fournir suffisamment d’électricité aux Etats- Unis pendant un an au niveau actuel de consommation. Les « mines lunaires » pourraient donc satisfaire pour de très nombreuses années les besoins de la population de la Terre qui excèderont 20 000 GW de puissance électrique à partir de 2050 et que les sources d’énergie renouvelables auront sans doute des difficultés à satisfaire de façon continue. 1 Le lecteur se reportera sur ce point au dossier sur la fusion thermonu- cléaire et le programme ITER paru dans le numéro 2016-4 de la REE. 2 Henry Gass The Ecologist 4th July, 2011. Aussi, malgré son prix de revient qui restera nécessairement élevé, l’hélium-3 peut justifier la reprise de la course à la Lune par les Etats-Unis, la Russie et la Chine. Les Etats-Unis envisagent de reprendre l’exploration lu- naire avec l’installation de bases fixes en 2024, l’extraction d’hélium-3 et de certaines terres rares en étant le principal moteur. Shackleton Energy, entreprise établie au Texas, pré- voit d’ores et déjà des opérations d’exploitation minière sur la Lune (figure 1). Les techniques de transport imaginées coûteraient, d’après des estimations de la NASA, 5 Mds USD mais cet investissement serait vite amorti pour un retour énergétique estimé à 300 Mds USD. Avec une valeur éva- luée à 3 M USD au kilogramme au niveau de son exploitation lunaire, toujours selon la NASA, l’hélium-3 vaudrait beaucoup plus que l’or, les diamants ou l’uranium enrichi. La Russie compte bien maintenir son indépendance éner- gétique et annonce l’implantation prochaine d’une base sur la Lune. En 2006, Nikolai Sevastyanov, directeur du Russian Space Corporation Energia avait déjà projeté une installation de bases minières permanentes d’hélium-3 sur la lune avec un début d’exploitation en 2020. Même si cet engagement était quelque peu optimiste, le processus a été lancé. Dans ce cadre, la Russie projette l’installation d’une base perma- nente capable d’extraire l’hélium-3 de la surface lunaire et le développement d’un nouveau système de transport lourd. Le démarrage de l’installation était à l’origine programmé pour 2015. Et pour 2020, la Russie se disait capable de dé- marrer un service de transport régulier entre la Terre et la Lune. Pour le système de transport, la Russie pourrait s’ap- puyer sur Kliper, le successeur des capsules Soyouz en cours de développement, le remorqueur spatial Parom ainsi que ACTUALITÉS REE N°5/2016 Z 21 sur un vaisseau cargo de type Progress mais capable de transporter beaucoup plus de charge utile. S’il est évident que ce programme a pris pas mal de retard, il n’en est pas pour autant abandonné. Mais c’est surtout la Chine qui avance grâce à son pro- gramme Chang’e. Dès 2004, Ouyang Ziyan, le père du pro- gramme lunaire chinois, en a détaillé les étapes majeures. La Chine prévoit de retourner sur la Lune au début des années 2020. Une navette remplie d’hélium-3 pourrait rapporter sur Terre l’équivalent d’un milliard de barils de pétrole en énergie. Fin octobre, Pékin a annoncé le lancement du programme spatial Longue Marche 5 avec un lanceur lourd permettant d’emporter des satellites commerciaux, des modules de station spatiale et des sondes en espace lointain. Si Pékin gagne la seconde course vers la Lune et établit un poste habité conduisant des opérations d’exploitation minière de l’hélium-3, il s’agirait alors du même type de monopole que celui qui a créé la fortune de sociétés comme la Compagnie des Indes orientales ou comme Rockefeller lors du début de l’exploitation du pétrole au Texas. Bien entendu, il faudrait que les centrales thermonu- cléaires voient le jour et le projet ITER permet de prendre la mesure de la distance qui reste à parcourir. Mais si cette aventure n’est pas pour demain, les conséquences pour- raient en être capitales pour notre avenir énergétique et donc géopolitique à long terme. Q André Deschamps Figure 2 : Le robot lunaire Yutu, vu depuis la sonde chinoise Chang’e 3. Source : CNSA. Figure 3 : Vue d’artiste du projet européen de base lunaire – Source : ESA. ACTUALITÉS