La Chine démontre la photosynthèse artificielle en orbite et produit de l’oxygène et du carburant pour fusées

Un test simple en orbite ouvre la voie à des vols spatiaux autonomes

La Chine affirme avoir réalisé une première dans la production de ressources spatiales. À bord de la station spatiale Tiangong, l’équipage de Shenzhou-19 a utilisé une unité compacte de photosynthèse artificielle pour transformer du dioxyde de carbone et de l’eau en deux produits essentiels : de l’oxygène respirable et de l’éthylène, un hydrocarbure qui peut servir à produire des ergols pour fusées. Cette démonstration, menée au cours de 12 essais contrôlés dans un dispositif en forme de tiroir, montre qu’il est possible d’adapter aux conditions orbitales les réactions chimiques fondamentales mises en œuvre par les plantes sur Terre.

Ce qui distingue ce résultat, ce n’est pas seulement ce qui a été produit, mais aussi les conditions dans lesquelles l’expérience a eu lieu. Le système a fonctionné à température ambiante et à pression normale, contrairement à de nombreuses installations chimiques qui nécessitent des conditions extrêmes. En microgravité, les astronautes ont également réussi à contrôler précisément le déplacement des gaz et des liquides, un défi bien connu lorsque les bulles ne remontent pas et que les liquides ne se déposent pas. L’équipe a mesuré les produits en temps réel, confirmant la production d’oxygène et la formation d’hydrocarbures.

La technologie est en développement en Chine depuis 2015. La voir fonctionner dans l’espace constitue une étape importante pour tout projet visant à soutenir des équipages sans ravitaillement constant. Si les vaisseaux spatiaux peuvent produire de l’air et du carburant là où ils se déplacent, les missions deviennent plus légères, plus sûres et plus flexibles. Le même équipement pourrait être utilisé dans des avant-postes sur la Lune ou sur Mars, où l’eau et le dioxyde de carbone sont présents sous forme gelée ou dans l’atmosphère.

Les autorités ont indiqué que le système pouvait être réglé en remplaçant les catalyseurs afin de produire différentes substances, dont du méthane et de l’acide formique. Le méthane est déjà un carburant privilégié pour les fusées, tandis que l’acide formique peut servir de matière première à des réactions chimiques plus complexes, notamment à des étapes menant à la synthèse de sucres dans le cadre de recherches sur la production alimentaire. Cette polyvalence laisse entrevoir un avenir où un seul appareil remplira plusieurs fonctions, de la survie des équipages à l’approvisionnement en ergols.

Fonctionnement du système

La photosynthèse artificielle reprend le principe des plantes, mais s’appuie sur des matériaux conçus à cet effet plutôt que sur des feuilles. Pour simplifier, le processus comporte deux volets. Le premier décompose l’eau en oxygène, qui est envoyé dans la cabine. Le second utilise le dioxyde de carbone et lui apporte des électrons et de l’hydrogène pour former des molécules comme l’éthylène, le méthane ou le formiate. L’énergie provient de la lumière du soleil convertie par un panneau solaire, ou d’une lumière qui active directement un catalyseur semi-conducteur à l’intérieur du dispositif.

La chimie en clair

Dans l’unité de Tiangong, un catalyseur semi-conducteur fournit une surface où le dioxyde de carbone et l’eau interagissent. Lorsque l’énergie arrive, le catalyseur aide à réorganiser les atomes. L’eau libère de l’oxygène et de l’hydrogène. Le dioxyde de carbone apporte le carbone. Selon le catalyseur, les atomes de carbone s’assemblent de différentes façons. Les catalyseurs à base de cuivre tendent à relier les atomes de carbone pour former de l’éthylène. D’autres matériaux favorisent la production de méthane ou de monoxyde de carbone. Les ingénieurs choisissent le catalyseur en fonction du mélange recherché.

L’unité embarquée sur Tiangong semble utiliser des réactions à température ambiante qui ne nécessitent ni réservoirs haute pression ni températures élevées. Cela réduit les besoins en énergie, un point essentiel à bord d’un vaisseau spatial où chaque watt compte. Le dispositif est aussi plus facile à intégrer aux systèmes de gestion de l’air : l’oxygène peut circuler à la pression de la cabine, tandis que les hydrocarbures peuvent être stockés ou acheminés vers d’autres équipements sans compresseurs lourds.

Ce qu’a fait l’équipage de Tiangong

L’équipage de Shenzhou-19, dont la mission a débuté fin octobre 2024, a mené 12 expériences dans un module en forme de tiroir. Le dispositif contenait les catalyseurs, les canaux de fluides et les capteurs nécessaires à la gestion d’une réaction triphasique impliquant des composants gazeux, liquides et solides. L’équipe a vérifié la production d’oxygène et mesuré l’apparition d’éthylène, un produit cible important pour la recherche sur la propulsion.

Le contrôle des fluides en microgravité constituait un défi majeur. Sur Terre, les gaz et les liquides se séparent naturellement. En orbite, la tension superficielle domine. L’équipement de Tiangong comportait des canaux, des membranes et des régulateurs de débit qui maintenaient les réactifs au contact du catalyseur tout en évacuant les produits afin que la réaction puisse se poursuivre. L’expérience a enregistré les déplacements des gaz et leur comportement lors de la séparation afin d’orienter les conceptions futures.

L’importance du contrôle en microgravité

Si des bulles adhèrent au catalyseur, la production diminue. Si les liquides n’atteignent pas uniformément la surface de réaction, des zones trop chaudes ou des zones sèches apparaissent. La précision du contrôle des flux fait la différence entre une preuve de concept en laboratoire et un flux de produits pouvant alimenter un réservoir. Les données recueillies sur Tiangong fournissent aux ingénieurs les repères nécessaires pour passer à l’échelle supérieure.

Cette expérience vient s’ajouter à une liste croissante de tests menés en station spatiale pour étudier le comportement des processus courants en l’absence de gravité. Des travaux antérieurs sur Tiangong ont notamment porté sur la culture de laitues et de tomates, ainsi que sur l’allumage d’une allumette pour étudier le comportement des flammes. Ces études contribuent aux connaissances pratiques nécessaires pour faire fonctionner des usines et des exploitations agricoles au-delà de la Terre.

Les enjeux pour la survie des équipages et la propulsion

Chaque kilogramme qui n’a pas à être envoyé depuis la Terre par fusée réduit les coûts et les risques. L’oxygène en est un exemple majeur. La Station spatiale internationale produit de l’oxygène en décomposant l’eau dans un électrolyseur alimenté par des panneaux solaires. Selon les estimations, la production d’oxygène représente environ un tiers de l’énergie consacrée au système de survie de la station. Cette méthode fonctionne, mais son coût énergétique est élevé et le système dépend toujours de ravitaillements périodiques en eau et en consommables.

La photosynthèse artificielle ouvre une deuxième voie. Elle peut reconvertir en oxygène le dioxyde de carbone expiré par les astronautes et, dans le même appareil, produire des molécules d’hydrocarbures destinées au carburant. Les réactions peuvent se dérouler à température ambiante et à la pression de la cabine, ce qui réduit la demande en électricité. Une station ou une base qui produit son propre oxygène et ses propres ergols peut espacer les ravitaillements et réserver davantage d’énergie à la science et aux opérations.

La variété des produits possibles présente également un intérêt. Le méthane est associé à l’oxygène liquide dans de nombreux moteurs modernes, notamment dans des modèles conçus pour être réutilisés. L’acide formique peut stocker chimiquement de l’hydrogène en vue d’une utilisation ultérieure. L’éthylène peut être brûlé directement ou transformé en d’autres carburants et matériaux. Un système qui convertit le carbone issu des déchets en molécules utiles accroît la valeur de chaque litre d’eau et de chaque watt d’énergie solaire disponibles à bord d’une station.

L’éthylène peut-il alimenter de véritables vaisseaux spatiaux ?

L’éthylène est un hydrocarbure simple composé de deux atomes de carbone. Il brûle facilement avec de l’oxygène liquide et peut servir de carburant dans des moteurs ou des propulseurs. Il a été utilisé dans des moteurs expérimentaux et lors de vols d’essai. Ses performances dépendent de la conception du moteur, mais il appartient à la même famille que le méthane et le propane. En orbite, son avantage est qu’il peut être produit directement à partir du dioxyde de carbone par réduction lorsque le catalyseur utilisé est à base de cuivre.

Cette solution présente aussi des inconvénients. À température ambiante, l’éthylène est gazeux ; son stockage nécessite donc une compression ou un refroidissement. De nombreuses missions privilégient le méthane, plus facile à manipuler à des températures cryogéniques avec de l’oxygène liquide. L’éthylène peut également servir de matière première. Après traitement, il peut être converti en liquides ou en plastiques utiles à la fabrication. L’expérience de Tiangong a montré que l’équipe pouvait produire de l’éthylène comme résultat ciblé, mais les missions futures pourront réorienter le catalyseur vers le méthane ou le formiate en fonction de l’application.

Le choix de l’ergol n’est qu’une partie de l’équation. Dans presque toutes les fusées chimiques, l’oxygène représente la composante la plus lourde du mélange d’ergols. Tout dispositif qui produit de l’oxygène à moindre coût dans l’espace réduit la masse à lancer. Même si, dans un premier temps, les hydrocarbures sont acheminés depuis la Terre, une station capable de fournir localement de l’oxygène modifiera favorablement le calcul des missions.

De la station spatiale à la Lune

La Chine s’est publiquement fixé pour objectif un alunissage habité avant 2030 et la création d’une Station internationale de recherche lunaire au début ou au milieu des années 2030. Des informations publiées en 2024 ont décrit des projets visant à utiliser des robots pour assembler un petit réacteur nucléaire destiné à alimenter cette base. L’énergie n’est qu’un premier élément. Il faut ensuite disposer d’un flux d’air et de carburant qui ne dépende pas des vols cargo. L’essai de Tiangong est présenté comme une première étape vers cet objectif.

Une future chaîne d’approvisionnement en orbite

La capacité à déplacer et à partager des ergols en orbite constitue un autre élément. En janvier 2025, la Chine a lancé le satellite Shijian-25 pour tester des technologies de ravitaillement. Associés à une production à bord d’une station, ces essais ouvrent la perspective d’une chaîne d’approvisionnement où une plateforme produit des composants de carburant et une autre les distribue à des satellites ou à des véhicules de transfert. Un scénario opérationnel pourrait être le suivant : une plateforme habitée ou robotisée utilise la photosynthèse artificielle pour transformer le CO2 et l’eau en oxygène et en méthane. Des satellites ravitailleurs s’amarrent pour récupérer des ergols et les livrer aux vaisseaux qui ont besoin d’une poussée supplémentaire. À la surface de la Lune, une unité similaire fournit de l’oxygène aux habitats et stocke du méthane pour un retour en orbite. Chaque site utilise l’énergie solaire locale ou l’énergie nucléaire pour alimenter les réactions chimiques.

Les prochaines étapes

Le dispositif de Tiangong constitue une preuve de concept, pas encore une usine. Pour soutenir un équipage ou ravitailler des véhicules, il faut multiplier la production par plusieurs ordres de grandeur. Cela nécessite de plus grandes surfaces de réaction, une meilleure gestion thermique et des catalyseurs qui tiennent pendant des mois sans s’encrasser. Les rayonnements spatiaux et les variations de température peuvent dégrader les matériaux. Les ingénieurs devront tester leur durée de vie et remplacer les pièces sans envoyer de matériel volumineux.

La séparation et le stockage sont tout aussi complexes. L’oxygène doit être fourni avec un degré de pureté élevé, pour la respiration comme pour les moteurs. Les hydrocarbures doivent être séparés des sous-produits, puis comprimés ou liquéfiés en toute sécurité. La manipulation de l’oxygène et des carburants à l’intérieur d’un vaisseau spatial accroît les risques d’incendie, que les concepteurs devront réduire grâce à des vannes, des capteurs et une isolation rigoureuse. Aucun de ces défis n’est insurmontable, mais ils exigent une ingénierie attentive et des essais répétés.

L’intégration aux circuits de survie déterminera les gains réels. À bord de l’ISS, l’électrolyse est associée à un réacteur qui combine le CO2 et l’hydrogène pour former de l’eau et du méthane, ce qui permet de fermer une partie du circuit. Une future station pourrait choisir entre plusieurs méthodes ou les combiner. La meilleure conception pourrait capter le CO2 présent dans l’air, produire de l’oxygène en continu et diriger les excédents de carburant vers des réservoirs lorsque l’énergie disponible est abondante. Le fonctionnement autonome sera essentiel pour une utilisation courante.

La place de cette technologie dans les efforts internationaux

La production de ressources au-delà de la Terre est une priorité commune aux agences spatiales. La NASA a embarqué l’expérience MOXIE sur le rover Perseverance pour extraire de l’oxygène de l’atmosphère martienne, démontrant qu’une petite unité pouvait en produire sur Mars. L’Agence spatiale européenne et de nombreux laboratoires étudient des photocatalyseurs capables de convertir le CO2 grâce à la lumière du soleil ou à l’électricité. Des entreprises privées conçoivent des moteurs au méthane associés à de l’oxygène produit sur place. Tous ces projets reposent sur la même idée : utiliser les ressources locales et réduire la masse à lancer.

Jusqu’à présent, la plupart des essais sur les systèmes de survie en orbite portaient surtout sur la croissance des plantes, la biologie et l’électrolyse. L’expérience de Tiangong est la première à faire état d’un système de réduction du dioxyde de carbone produisant un hydrocarbure et de l’oxygène en orbite, à température ambiante et à pression normale. Cette étape associe, dans un seul appareil, le soutien à la vie et l’approvisionnement en ergols. Elle relève le niveau d’ambition des futures plateformes, que ce soit en orbite basse, dans l’espace cislunaire ou à la surface de la Lune.

La concurrence peut accélérer les progrès. Avec ses projets de base lunaire et de missions dans l’espace lointain, la Chine cherchera à développer cette technologie. Les États-Unis, l’Europe, le Japon et d’autres pays mènent des programmes actifs d’utilisation des ressources in situ et pourraient bientôt réaliser leurs propres démonstrations. Pour les ingénieurs, l’objectif est de disposer d’équipements pratiques qui fonctionnent pendant des mois sans difficulté.

À retenir

• Les astronautes de Shenzhou-19 ont mené 12 expériences de photosynthèse artificielle sur Tiangong.
• Le dispositif a transformé du CO2 et de l’eau en oxygène et en éthylène, à température ambiante et à pression normale.
• La maîtrise des fluides en microgravité et la détection en temps réel ont été validées au cours des essais.
• En changeant de catalyseur, le système peut viser la production de méthane ou d’acide formique pour différentes applications.
• Par rapport à l’électrolyse de l’eau utilisée sur l’ISS, cette méthode vise à réduire les besoins en énergie.
• L’éthylène peut servir d’ergol ou de matière première pour produire d’autres carburants et matériaux.
• La Chine associe la production en orbite à des essais de ravitaillement et prépare un alunissage habité avant 2030.
• Les principaux défis à venir sont l’augmentation de la production, la stabilité à long terme et le stockage et la manipulation en toute sécurité.