Économie du carburant de fusée lunaire : modèle d'analyse

Modèle économique pour la production de carburant de fusée à partir des ressources lunaires

Ce modèle évalue le coût à long terme de la production de carburant de fusée à partir de la glace d'eau lunaire pour le comparer au carburant terrestre. Les facteurs clés sont le ratio de transfert de coût pour le transport d'équipements en capital (G) et le coefficient de masse de production (𝜙 = masse du produit / masse de l'équipement). Ces paramètres déterminent quand le carburant lunaire devient moins cher que son acheminement depuis la Terre vers des orbites comme LEO, GEO ou les points de Lagrange.

La technologie de sublimation sous tente atteint 𝜙 > 100, dépassant le seuil de rentabilité même pour LEO. L'exploitation à ciel ouvert est plus proche du seuil, mais les améliorations et l'expérience opérationnelle la rendront compétitive.

Notation clé du modèle

| Symbole | Définition |

|--------|-------------|

| C_fin | Coût de financement |

| C_K | Coûts de développement et de fabrication du capital |

| C_ops | Dépenses opérationnelles sur la durée de vie |

| c_R | Coefficient de coût de fiabilité |

| C_tr | Coût du transport du capital vers la Lune |

| c_X | Coût de 1 kg de carburant lunaire au point X |

| G | Ratio de transfert de coût pour le capital lunaire |

| 𝜙 | Coefficient de masse de production |

| ψ_X | Ratio du coût du carburant lunaire à celui de la Terre en X |

Additionnel : Δv_{Y-X} — vitesse caractéristique de Y à X ; IMF — fraction de masse inerte ; I_sp — impulsion spécifique.

Orbites : LEO (160–2000 km), GEO (35 786 km), GTO (orbite de transfert géostationnaire), LS (surface lunaire), EML1 (point de Lagrange 1 Terre-Lune), DRO (orbite rétrograde distante autour de la Lune).

Analyse des études technico-économiques antérieures

Les analyses technico-économiques précédentes ont varié : certaines prédisaient la rentabilité, d'autres un résultat négatif. Les erreurs critiques incluent :

• Le choix d'architectures avec un G élevé (livraison d'équipements coûteuse).
• L'ignorance du capital avec un 𝜙 élevé.

Par exemple, Charania et DePascuale ont noté le coût élevé de la livraison de LS à GEO mais ont négligé les effets à long terme de l'échelle de production. Jones et al. ont estimé l'ISRU comme 97 % plus cher que le carburant terrestre, sous-estimant le potentiel de 𝜙.

Ce modèle introduit :

• x = coût normalisé de l'équipement par lancement.
• τ = coût spécifique du transport du capital par kg de produit.
• χ = coût normalisé du capital.

Condition de compétitivité : ψ_X < 1, où ψ_X = f(𝜙, G, autres paramètres).

Facteurs de fiabilité et opérationnels

La fiabilité R influence via c_R = E_R * (1 - R) / R, où E_R est l'échelle d'effort pour augmenter R de R_0 à R_max.

Pour les conditions lunaires :

• Faible gravité (1/6 g).
• Pas d'atmosphère.
• Extrêmes de température.

Les technologies doivent tenir compte de ces facteurs. La sublimation sous tente minimise l'usure de l'équipement, assurant un 𝜙 élevé.

Calcul pour LEO : avec L_p = coût de lancement du carburant depuis la Terre, le carburant lunaire gagne si c_{LEO} < L_p * Γ_{LEO}.

Application dans l'économie spatiale

Production sur LS pour les clients en GEO : les remorqueurs de satellites utilisent le carburant pour la circularisation d'orbite. L'échelle des marchés consommateurs (par exemple, les constellations de type Starlink) stimule la demande.

• Avantages de l'ISRU : Réduction de Δv pour les missions ; évolutivité similaire à celle de la Terre.
• Risques : Investissements en capital initiaux ; atteindre R > 0,9.

Le modèle prédit des réductions de coût pour toutes les tâches spatiales grâce au carburant moins cher.

Points clés à retenir

• Le ratio de transfert de coût G et le coefficient 𝜙 déterminent la rentabilité : cible G < 10, 𝜙 > 50 pour LEO.
• La technologie de sublimation sous tente est déjà compétitive ; l'exploitation à ciel ouvert le sera après optimisation.
• La fiabilité R affecte de manière critique c_R ; nécessite E_R ~ 10–100 pour les conditions lunaires.
• L'ISRU réduit les coûts pour les tâches GEO, EML1, DRO.
• Effet à long terme : accélération de l'exploration spatiale grâce à l'échelle.

— Editorial Team