L’avenir de l’humanité se jouera-t-il sur notre capacité à extraire de l’hélium 3 de la lune et à le ramener sur terre ?

N’aurons-nous jamais fini avec le rêve lunaire ? Depuis quelques mois, les annonces en tous genres se multiplient. On sait désormais que les États-Unis prévoient de ramener des astronautes sur sa surface avant la fin de la décennie, pour la première fois depuis 1972. De leur côté, la Chine et la Russie ont conclu un partenariat pour la construction d’une station de recherche en orbite ou sur la Lune Le CNES vient de lancer le premier incubateur au monde dédié à la Lune. Largement pourvoyeuses d’imaginaires, ces annonces indiquent également le retour d’une problématique bien plus concrète : l’exploitation des potentielles ressources de notre satellite, et notamment de l’helium-3. Cette ressource, quasiment inexistante sur Terre mais présente sur la Lune, pourrait-elle constituer un gisement énergétique pour la Terre ?

Le rêve de la fusion nucléaire

La fusion nucléaire est souvent présentée comme un graal de l’énergie, une source d’énergie abondante, sûre, sans émissions de CO2. Après 70 ans de recherche, les perspectives d’utilisation commerciale restent pourtant éloignées, même si des progrès rapides ont déjà été effectués. N’oublions pas cependant qu’elle demeure un procédé nucléaire utilisant un combustible radioactif et générant des déchets — même si ceux-ci ont des durées de vie bien plus faibles et sont bien moins radioactifs que ceux créés par la fission. 

Et s’il était possible de supprimer ces inconvénients ? Les recherches en fusion se concentrent sur l’utilisation de deutérium et de tritium comme carburants, deux isotopes de l’hydrogène. La réaction forme un neutron très énergétique et un atome d’hélium. Ce neutron va bombarder les matériaux de structures, ce qui peut les fragiliser, et les rendre radioactifs.

Le deutérium existe naturellement dans l’eau de mer avec une abondance de 1 sur 6500 (pour 6500 atomes d’hydrogène il y a un atome de deutérium) par rapport à l’hydrogène. Il peut donc être extrait par distillation. La ressource est très abondante. Le tritium, quant à lui, est radioactif et a une demi-vie de 12,3 ans. Cela signifie qu’après cette période, le nombre d’atomes contenu dans un échantillon est divisé par deux : il n’existe donc qu’en infime quantité sur Terre. 300 grammes par an sont produits naturellement dans l’atmosphère, ce qui représente un inventaire total d’à peine 3,5 kg. Les stocks connus sont de l’ordre de 30 kg.

La fusion non-nucléaire : les avantages sans les inconvénients ?

Assez tôt dans l’histoire de la fusion est apparue l’idée d’utiliser des combustibles « alternatifs » ne produisant pas de neutrons. Par exemple, on peut faire fusionner l’hélium-3 (un isotope de l’hélium) avec du deutérium. La réaction a l’avantage de ne pas produire de neutrons ; elle produit de l’hydrogène et de l’hélium-4 (l’hélium des ballons d’anniversaire). Rien n’étant simple, utiliser de l’hélium-3 pour la fusion présente quelques difficultés.

L’hélium-3 n’existe quasiment pas sur Terre. Une quantité relativement faible se forme via l’interaction entre des rayons cosmiques et du lithium

D’une part, cela requiert une température très élevée : plus de 500 millions de degrés contre 150 millions pour la fusion deutérium-tritium. D’autre part, l’hélium-3 n’existe quasiment pas sur Terre. Une quantité relativement faible se forme via l’interaction entre des rayons cosmiques et du lithium. Environ 18 kg se forment chaque année par décroissance radioactive du tritium. Enfin, le cœur de notre planète pourrait contenir de grandes quantités d’hélium-3, mais celui-ci s’échappe du manteau terrestre au rythme de quelques kilos par an seulement, généralement récupérés lors de l’extraction du gaz naturel. L’exploitation du gaz étant appelée à fortement diminuer, cela réduit la possibilité d’accéder à des quantités suffisantes d’hélium-3. C’est là que la Lune entre en jeu ! 

Les surprises du sol lunaire

L’analyse des échantillons de roches lunaires ramenés par les missions Apollo et Luna a révélé la présence d’helium-3 au taux de 30 microgrammes par gramme de roche. Dit ainsi, cela peut paraître relativement peu.

L’exploitation de l’hélium 3 présent dans le sol lunaire pourrait aboutir à la production de l’équivalent de 1000 ans de ressources en énergie

Mais si l’on estime la quantité totale d’hélium-3 présent dans les trois premiers mètres du sol lunaire, on arrive à un total de plus d’un million de tonnes. Ce qui, en considérant l’énergie libérée par la fusion, est équivalent à 1000 fois la consommation d’énergie primaire dans le monde – 1000 ans de ressources !

Comment cet hélium-3 est arrivé là ? La Lune ne possède pas de magnétosphère, contrairement à la Terre, et elle est constamment bombardée par le vent solaire qui contient de l’hélium-3 créé par la fusion de l’hydrogène au centre du Soleil. L’hélium-3 s’accumule donc depuis des milliards d’années à la surface de la Lune.

Récupérer cette ressource si précieuse sur la Lune pour la ramener sur Terre attise donc des convoitises, et on voit régulièrement des articles parlant de la Chine et de ses ambitions dans ce domaine. Si on considère que le prix moyen du baril de pétrole était de 50 dollars sur les cinq dernières années et que l’on raisonne en équivalence énergétique, le prix équivalent de l’hélium-3 pourrait se situer autour de 5 milliards de dollars la tonne.

Récupérer l’hélium 3 impliquerait de traiter l’ensemble de la surface de la Lune

Même à ce prix, et même si les coûts d’accès à l’espace ont beaucoup baissé récemment[11], la viabilité économique de l’exploitation lunaire reste spéculative. Il faut de plus traiter d’énormes quantités de roche, qui doit ensuite être chauffée entre 300 et 900 degrés pour extraire l’hélium. Dit autrement, récupérer cet hélium impliquer de traiter l’ensemble de la surface de la Lune !

D’un point de vue technique, la fusion à l’hélium-3 requiert certes des températures extrêmement élevées mais aussi des propriétés du plasma, temps de confinement et pression, largement au-delà de ce qui a été démontré expérimentalement et de ce qui est atteignable pour l’instant — même dans une machine comme ITER. Les progrès technologiques et une meilleure compréhension des plasmas peuvent laisser espérer que ces conditions soient atteignables dans le futur mais, de façon ironique, ils favoriseront également l’émergence de la filière concurrente deutérium-tritium.

Le paradoxe de l’hélium-3 : intéressant en théorie, peu considéré en pratique

Au vu de tous ces éléments, on peut s’étonner que l’hélium-3 revienne régulièrement comme une justification pour retourner sur la Lune. Étant donné les développements actuels, la fusion deutérium-tritium n’émergera que dans la deuxième moitié du XXIème siècle.

Ironiquement, le succès de la fusion à l’hélium-3 repose le développement préalable de la fusion deutérium-tritium, puis sur une incitation à se tourner vers une nouvelle génération de réacteurs de fusion

La fusion à l’hélium-3, si elle est démontrée, ne pourrait être qu’une seconde ou troisième génération de réacteurs. Son succès repose donc sur le développement préalable de la fusion deutérium-tritium, puis sur une incitation à se tourner vers une nouvelle génération de réacteurs de fusion, possiblement en raison d’un besoin de réduire la quantité de déchets nucléaires produite ou à la suite de l’épuisement des ressources nécessaires pour la première génération. Il faudra également compter sur la compétitivité d’une ressource à importer de la Lune, ainsi que sur la maturité des technologies d’extraction.

Il est extrêmement peu probable que ces conditions soient réunies d’ici la fin du XXIème siècle. Il est bien entendu impossible de prédire comment les choses se développeront à un horizon de temps aussi lointain, mais la fusion D-T, une fois maîtrisée, serait une source d’énergie très attractive avec des ressources abondantes.

L’humanité bénéficierait-elle de l’utilisation d’un autre combustible ? Peut-être, mais l’argument est pour l’instant très faible devant les difficultés techniques et économiques à surmonter. Il est d’ailleurs paradoxal que l’hélium-3 soit si souvent mentionné dès qu’on parle de spatial alors que son utilisation pour la fusion fait l’objet d’un très faible intérêt dans le monde académique. Si des articles scientifiques sur le sujet sortent de façon sporadique, l’objectif principal reste le développement et le déploiement de réacteurs basés sur le deutérium et le tritium. Il est probable que cela reste le cas pour de très nombreuses décennies.

Sources

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