MOXIE produit de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne - MATLAB & Simulink

Produire de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne

Une expérience sur un rover martien prépare le terrain pour des visiteurs humains


Pour le rover Perseverance de la NASA, la pose sur Mars après une descente spectaculaire impliquait un bouclier thermique, un parachute et une « grue aérienne » propulsée par fusée qui abaissait le rover sur des câbles jusqu'à la surface. L’une des principales missions du rover est de rechercher des signes de vie antérieure sur la planète rouge. Il a également une mission moins connue : tester des machines qui pourraient apporter du support à la vie humaine.

Un voyage vers Mars nécessiterait beaucoup d’oxygène : une partie pour permettre aux astronautes de respirer, mais la majeure partie sous forme liquide pour brûler le carburant nécessaire au voyage de retour. Pour un équipage de quatre personnes, 25 tonnes (55 000 livres) seraient nécessaires. Envoyer cette masse depuis la Terre coûterait des milliards de dollars et impliquerait une logistique compliquée, c'est pourquoi la NASA prévoit l’utilisation des ressources in situ : utiliser ce qu’ils trouvent sur place. L’extraction de la glace des pôles pour récupérer de l’oxygène serait un processus ardu. Au lieu de cela, ils espèrent l’extraire de l’atmosphère en séparant les atomes d’oxygène du dioxyde de carbone, qui constitue 95 % de l’atmosphère.

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      « Si nous cassons quelque chose sur Mars, nous ne pouvons envoyer personne pour le réparer, et c'est fini. Nous avons donc un certain nombre d’étapes qui nous rendent assez confiants, et le modèle informatique, le jumeau numérique, est l’une de ces étapes clés. »

      Dans le ventre de Perseverance se trouve une boîte recouverte d'or de la taille d'une batterie de voiture : the Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (l'expérience d'utilisation des ressources in situ de l'oxygène de Mars), ou MOXIE. Outre l'acronyme, cet appareil, conçu au MIT, tire son nom de moxie, qui signifie un esprit courageux, un mot dérivé de la boisson gazeuse Moxie, inventée dans le Massachusetts. Version miniature de ce qui attend une mission humaine, elle sera exécutée au moins 10 fois, testant ainsi les limites de ses capacités. « Nous cherchons à accélérer la voie qui enverra des humains sur Mars », déclare le Dr Michael Hecht, qui dirige le projet au MIT. « Nous souhaitons que cela se produise plus tôt, avec moins de risques et à moindre coût. »

      L'appareil contient deux parties principales : un compresseur de gaz et l'électrolyseur à oxyde solide (SOXE), qui sépare le CO2 en utilisant la chaleur et l'électricité. Autour de ces composants se trouvent des tuyaux, des vannes, des filtres, des capteurs, une alimentation électrique et un petit ordinateur. Un modèle d'ingénierie « jumeau » de MOXIE au Jet Propulsion Laboratory (JPL) en Californie est utilisé pour les tests avant que le contrôle de mission n'envoie des commandes au MOXIE distant. Un autre jumeau existe uniquement pour le logiciel, que l'équipe du MIT de Hecht exécute avant d'essayer les commandes sur le modèle d'ingénierie.

      Jumeau d'ingénierie de couleur or de MOXIE.

      Un jumeau technique presque identique à MOXIE est utilisé pour les tests en laboratoire au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA/JPL-Caltech)

      Vue intérieure de MOXIE montrant le moteur et le compresseur de la pompe scroll à gauche et l'ensemble SOXE à droite.

      Intérieur de MOXIE avec l’ensemble SOXE. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA/JPL-Caltech)

      « Si nous cassons quelque chose sur Mars, nous ne pouvons envoyer personne pour le réparer, et c'est fini », explique Eric Hinterman, doctorant au département AeroAstro, le laboratoire de Jeffrey Hoffman, directeur adjoint du projet et ancien astronaute. Hinterman a conçu le logiciel de simulation. « Nous avons donc un certain nombre d’étapes qui nous rendent assez confiants, et le modèle informatique, le jumeau numérique, est l’une de ces étapes clés. »

      Double vérification

      « MATLAB a changé ma vie professionnelle dès sa sortie », déclare Hecht. « C'était comme une calculatrice de poche, qui vous permettait de vous soucier d'autres choses au lieu de calculer des choses et de les représenter graphiquement à la main. » Dans les années 1980, s’il rencontrait un problème, il s’arrêtait au bureau de MathWorks à Natick, dans le Massachusetts. Vers 1990, il a commencé à écrire des composants MATLAB® lui-même. MATLAB était un choix naturel pour le projet MOXIE.

      « J'ai une certaine expérience dans la construction de choses, et elles se déroulent rarement exactement comme prévu. J’ai été surpris de voir à quel point le modèle était proche pour prédire ce qui se passe. »

      Piyush Khopkar, ingénieur logiciel chez MathWorks qui fait partie du personnel technique et de l'équipe d'exploitation de MOXIE, a déclaré que la décision d'utiliser Simulink®, l'environnement graphique pour la modélisation et la simulation, était facile. Simulink se connecte à MATLAB, qui comprend une bibliothèque de fonctions mathématiques et spécifiques aux applications, de sorte que « vous n'avez pas besoin de réinventer la roue ».

      Capture d'écran du modèle Simulink.

      Modèle Simulink pour MOXIE.

      Le modèle MOXIE Simulink a été transmis à Hinterman par d'anciens étudiants, mais il l'a dépouillé et réécrit. Il modélise les circuits électriques, la chimie, la dynamique des fluides, les commandes et les capteurs. « J'ai été obligé d'apprendre beaucoup de choses sur l’électrochimie », dit-il, « et cela a été plutôt amusant. »

      Il modélise trois boucles de contrôle. La première maintient une température définie dans SOXE, en tenant compte de la quantité de chaleur générée par l'appareil (l'électrolyse se produit à environ 800 degrés Celsius (1 470 degrés Fahrenheit)) et de la quantité qui s'échappe. La seconde contrôle la tension électrique pour maintenir le courant constant. La troisième détermine la pression interne en ajustant la vitesse de rotation des pales du compresseur. Les boucles doivent également modéliser la détection des pannes et arrêter une exécution lorsque les choses tournent mal.

      Le modèle est « assez complexe », explique Hinterman. Détecter les erreurs n’est pas facile, même si le logiciel aide. « Parfois, il s'agit d'un problème imbriqué qui prend beaucoup de temps à résoudre. » De plus, le JPL échangeait parfois des composants et devait ajuster son modèle. « Le simple fait de suivre les progrès du MOXIE physique a probablement été l’un des plus grands défis. »

      Lorsque la simulation ne correspond pas au modèle d'ingénierie, « c'est quelque chose de différent à chaque fois », explique Hinterman. « Comme si la température ne s'alignait pas parfaitement. Et puis je découvrais peut-être qu’il y avait une fissure dans l’isolation. »

      Au cours du développement, lorsque le modèle ne correspondait pas à la réalité, Hinterman parlait au JPL ou étudiait les données et modifiait les formules ou les constantes. Maintenant que le modèle a fait ses preuves sur Terre, il doit s'inquiéter de la façon dont le voyage vers Mars a pu impacter le vrai MOXIE. Le lancement et la rentrée ont peut-être bouleversé les choses, ou la différence de gravité, la poussière et le froid ont pu provoquer des changements inattendus. Il dit qu'il est prêt à ajouter des « facteurs martiens » au modèle pour imiter la réalité sur la planète rouge.

      Illustration montrant les composants intérieurs et extérieurs de MOXIE, y compris le compresseur, le panneau d'admission, le panneau de capteurs et SOXE.

      Vue éclatée de MOXIE. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA/JPL-Caltech)

      « J'ai une certaine expérience dans la construction de choses, et elles se déroulent rarement exactement comme prévu », explique Hinterman. En comparant la simulation avec le modèle d’ingénierie, « j’ai été surpris de voir à quel point le modèle était proche pour prédire ce qui se passe ».

      MATLAB fournit à Simulink des données, notamment la taille des éléments matériels, les conditions atmosphériques, les constantes chimiques, les points de consigne du système de contrôle comme la température SOXE souhaitée et les limites de sécurité. Simulink renvoie ensuite les sorties de simulation (les lectures des capteurs) à MATLAB pour analyse. MATLAB reçoit également des données du vrai MOXIE sur Mars. Mais les données MOXIE réelles et virtuelles ne vous disent pas quelque chose d'aussi simple que la quantité d'oxygène produite ou le rapport entre le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone. Au lieu de cela, MATLAB calcule ces valeurs à partir des données des capteurs de température, de pression et de tension. Il estime également des valeurs plus théoriques comme les limites et les points de danger de MOXIE, explique Hecht. « Il y a mille petites choses différentes qui doivent être calculées. »

      Capture d'écran de l'application. Le panneau de gauche contrôle les paramètres de Mars, MOXIE et SOXE ainsi que le temps de simulation. Le panneau de droite affiche la sortie du modèle, traçant la température de la cellule et le taux de production d'oxygène.

      L'application MOXIE Simulink Model, qui automatise l'exécution des simulations de modèles.

      Pour aider les opérateurs MOXIE à exécuter la simulation et à interpréter les données, Khopkar a conçu des interfaces utilisateur (IU). On dispose de curseurs virtuels qui contrôlent les paramètres martiens, tels que les conditions atmosphériques, et les paramètres MOXIE, comme le courant et la température. Une autre interface utilisateur affiche les données de la simulation ou de l’expérience réelle sur Mars. Khopkar les a construits avec un environnement MATLAB appelé App Designer. En tant que membre de l’équipe d’exploitation, il est également amené à utiliser ces interfaces utilisateur.

      Atterrissage parfait

      Peu de temps après l'atterrissage de Perseverance sur Mars, MOXIE a effectué un contrôle de son état de fonctionnement. Il fonctionnera au moins 10 fois pour une durée d'environ une heure à chaque fois, tous les deux mois. Ces exécutions deviendront progressivement plus difficiles, fonctionnant dans des conditions atmosphériques et des saisons différentes et à différents moments de la journée, puis en essayant différents modes et conditions de fonctionnement.

      « [Les résultats] nous ont surpris uniquement dans le sens où ils sont parfaits… Un instrument a été produit sur Terre avec un comportement qui répondait à toutes les exigences qui lui étaient imposées, et il est arrivé jusqu’à Mars, et il a produit de l’oxygène. »

      Le 20 avril 2021, MOXIE a effectué son premier vol. MOXIE a réussi à générer 6 grammes d’oxygène par heure, en bonne voie vers l’objectif de 10 grammes par heure. « Cela a été une aventure assez mouvementée. Nous sommes tous tout excités. Ensuite, il est temps de se mettre au travail difficile consistant à répondre aux e-mails et à parler aux médias, mais je veux examiner les données », a déclaré Hecht à l'époque. MOXIE utilise quelques éléments de technologie bien connus, mais une grande partie de ces éléments constitue un territoire nouveau. « Cela n’a pas commencé avec l’héritage de la plupart des équipements qui vont sur Mars. »

      « Les résultats nous ont surpris uniquement par leur perfection », déclare Hecht. « Les choses ne sont pas censées fonctionner aussi parfaitement. Un instrument a été fabriqué sur Terre avec un comportement qui répondait à toutes les exigences qui lui étaient imposées, et il est arrivé jusqu'à Mars, et il a produit de l'oxygène. Et c'est là que vous retenez votre souffle. »

      Illustration du rover Perseverance avec une étiquette indiquant l'emplacement de MOXIE.

      L'emplacement de MOXIE sur le rover Perseverance. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA/JPL-Caltech)

      Il a poursuivi : « Lorsque nous l'avons fait fonctionné mardi, cela faisait deux ans que nous ne l'avions pas fait fonctionné et que nous n'avions pas produit d'oxygène. Lorsque vous sortez votre vélo du placard après deux ans, vous vous attendez à devoir huiler la chaîne, dégripper quelques roulements et remplacer les pneus, car ils sont probablement vieux et fissurés. Nous avons emballé MOXIE dans le rover, l'avons retourné, l'avons soumis à des cycles thermiques et l'avons lancé. Il est resté dans le vide et a navigué pendant des mois. Nous l'avons lancé sur Mars, avec de violentes explosions lors du déploiement. Ensuite nous avons attendu. « Lorsque nous l’avons fait fonctionné dans des circonstances aussi difficiles, c’était comme si rien de tout cela ne s’était produit. »

      Plus grand et meilleur

      Le travail est loin d’être terminé. « En général, le manque d’intelligence du système de contrôle constitue le plus grand défi », explique Hecht. Il aimerait le rendre plus autonome, peut-être en téléchargeant un nouveau logiciel depuis la Terre. Cela nécessitera d’abord des tests en simulation.

      Hinterman travaille sur le successeur de MOXIE, que la NASA déploierait avant d'envoyer des humains sur Mars. Il faudra 14 mois pour produire des tonnes d’oxygène. À certains égards, cette machine devra faire face à des défis plus importants, et parfois, à des défis plus modestes. Il doit fonctionner plus longtemps et produire plus d’oxygène, mais il fonctionnera à une altitude plus basse avec un ordinateur plus intelligent, un meilleur filtrage, de meilleurs capteurs et des capacités d’autonettoyage.

      « La véritable valeur ajoutée est que [MATLAB] peut voir comment toutes ces différentes variables interagissent les unes avec les autres. ... Il peut voir toutes ces interactions, alors que les humains ont du mal à le faire. »

      Ce sont de nouveaux éléments que Hinterman devra simuler. Une grande différence : la future machine liquéfiera, stockera et transférera l’oxygène qu’elle produira, plutôt que de le rejeter dans l’atmosphère martienne. « J’ai passé les deux derniers mois à modéliser spécifiquement le système de liquéfaction », dit-il.

      Hinterman utilise des algorithmes d’optimisation MATLAB pour aider à concevoir la disposition du matériel. Il peut dire au logiciel de minimiser la masse, et il essaiera différentes pompes ou compresseurs, ou une série de conditions de fonctionnement. « La véritable valeur ajoutée réside dans le fait qu’il permet de voir comment toutes ces différentes variables interagissent entre elles », explique-t-il. « Donc, si vous choisissez une pompe cryogénique plutôt qu’une pompe mécanique, peut-être qu’une température plus basse est meilleure. Peut-être qu’une température plus élevée est meilleure pour une raison quelconque, et il peut voir toutes ces interactions, alors que les humains ont du mal à le faire. »

      Pour le moment, Hecht ne réfléchit pas trop au prochain projet. « Je me concentre sur le fonctionnement de ce projet en ce moment. »


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