Séjourner sur Mars
Nous sommes descendus de l’orbite aréostationnaire et nous sommes maintenant sur Mars, à l’équateur, dans le secteur de 30° de longitude qui, de pôle à pôle, est réservé à notre Eagle (station spatiale rotative). Le séjour sur place est la suite logique après la descente décrite dans « Descendre sur Mars ». Il faut voir où nous sommes, pour quoi faire, avec quoi et en relation avec qui.
Le Site :
Le site de l’implantation martienne choisie est d’abord proche d’un dépôt de glace d’eau. L’eau est en effet indispensable à la vie et à l’industrie humaine (H et O !). Il n’y en a probablement pas ou très peu sur les lunes martiennes et l’exploitation y serait très difficile (faible cohésion du sol). Nous sommes au plus près de l’équateur car c’est là où la remontée vers les lunes coûtera le moins en énergie. Nous sommes au plus bas possible en altitude pour bénéficier de la protection maximum de la faible atmosphère martienne. Nous sommes le plus près possible d’autres ressources minérales exploitables (fer, silicium, soufre, etc.). Nous sommes sur un sol qui se prête aux atterrissages et décollages. Nous sommes enfin le plus possible vers le centre de notre secteur pour ne pas être trop éloignés de nos voisins en orbite, dont le territoire au sol jouxte le nôtre. La géographie fixe d’ailleurs précisément cette distance : la circonférence équatoriale de Mars (21 344 km) divisée par nos douze secteurs place les implantations voisines à 1 779 km l’une de l’autre. On pourra s’en éloigner un peu mais pas trop, en fonction de la disponibilité de l’eau.
NB : après « quelques temps », l’eau devra être extraite des calottes polaires de la planète parce qu’elle y est évidemment plus abondante et qu’il ne faut pas assécher complètement les ressources équatoriales. Mais ceci est une autre histoire.
L’habitat :
L’habitat est enterré car il n’est pas question d’encaisser une dose de radiations trop importante pendant le séjour. Il n’est pas très important en volume car il ne devrait pas y avoir plus de neuf personnes à tout moment présentes dans la base (tout à fait exceptionnellement elles pourraient être plus nombreuses si un événement ou une découverte spectaculaire justifiait que des personnes venues d’autres Eagles soient également présentes). Les hommes seront assistés par des robots (notamment humanoïdes Optimus) pour toutes les actions répétitives, pénibles, dangereuses, exposées aux radiations (donc à l’extérieur), mais aussi pour l’entretien de l’intérieur et le service aux visiteurs. Les missions seront courtes (un mois maximum) pour ne pas exposer trop longtemps les personnes aux dangers de la gravité trop faible de Mars (0,38g contre 0,7g dans les Eagles).
Quand cela sera possible, on construira deux habitats identiques à proximité l’un de l’autre (redondance sécuritaire !).
Coupe de l’habitat enterré : sur-toit HDPE débordant à sous-face réfléchissante, héliostats, talus anti-poussière, toit vitré en quart de voûte, colonne d’eau sous le puits de lumière, fenêtres à eau des chambres.
Plan de la galette : neuf chambres à deux fenêtres, murs porteurs radiaux alignés, salles techniques ouvertes sur la salle centrale, quartier des optimus, double porte de sécurité, rampe tangentielle et entrée en demi-dôme.
Description
Une tranchée circulaire de 5 m de large et 3 m (dont 0,5 m de sous-sol) de profondeur délimite une « galette » de trente mètres de diamètre, dont la surface, rehaussée par le régolithe excavé, compacté, aplanie, s’étend à environ 2,5 m au-dessus du terrain naturel. On y accède par une rampe droite en pente douce de la largeur de la tranchée, dans son prolongement exact. Cette rampe a été creusée par l’excavatrice de la tranchée au début de son travail de creusement de la tranchée. Son entrée extérieure est coiffée d’un demi-dôme hémisphérique pour permettre une meilleure résistance à la pression. Elle sert maintenant de sas, de vestiaire avec sanitaires, et, vers le bas, de rangement pour les outils utilisés dans la tranchée.
A partir de la tranchée, un tunnelier a percé cinq tunnels traversants de 3 m de hauteur sous 2,5 m de couverture (pour protéger l’intérieur l’habitat des radiations). Leur croisement forme la salle centrale, dont le toit est soutenu par des piliers et des poutres. Un puits circulaire de 60 cm de diamètre, clos par deux dalles de verre laminé de 3 cm d’épaisseur (l’une en surface du toit, l’autre au niveau du plafond), apporte la lumière au centre de cette salle. La dalle du bas est surmontée de 40 cm d’eau, qui filtrent l’essentiel des radiations. Le puits est prolongé sous le plafond par une colonne d’eau enfermée dans un cylindre de verre dépoli descendant jusqu’au sol. Cette colonne joue deux rôles : guide de lumière, par réflexion totale sur ses parois, qui diffuse latéralement la clarté du puits dans toute la salle ; et bouclier, puisqu’elle rétablit à la verticale du puits, seul point faible des 2,5 m de régolithe, une masse d’eau de ~250 g/cm². Les murs porteurs radiaux, qui portent le toit et son remblai, ont une épaisseur fonction de leur charge. Vestiges du bord des tunnels forés, ils sont en ligne jusqu’à la salle centrale.
Un couloir circulaire de 1,20 m de large, percé à 1/3 de la distance de la périphérie au centre, dessert neuf chambres, aménagées dans les tunnels élargis, dédoublables pour accueillir jusqu’à 18 personnes. Chaque chambre donne sur la tranchée-jardin par deux grandes fenêtres (l’accès à la tranchée n’est possible que par l’entrée située au bas de la rampe d’accès à l’habitat). Chacune est constituée de deux vitrages en verre feuilleté de 3 cm, posés l’un sur la face externe du mur extérieur, l’autre sur sa face interne, le mètre d’épaisseur du mur entre les deux étant rempli d’eau. Cette eau restitue, en masse bloquante, à peu près ce que le mur aurait apporté (un mètre d’eau vaut ~100 g/cm², et l’hydrogène est le meilleur des freins pour les particules), tout en laissant passer plus de 90 % de la lumière visible. Les dix-huit fenêtres immobilisent ainsi une trentaine de tonnes d’eau, qui font partie de la réserve de l’habitat : c’est l’application au sol du principe de l’eau-bouclier des Eagles. Les chambres, les sanitaires qui leur font face et le couloir circulaire forment un ensemble privé ; les salles techniques, contiguës à la salle centrale et adossées aux sanitaires (facilité d’alimentation en eau), sont desservies par elle.
La tranchée, large de 5 m et profonde de 3 m (dont les 0,5 m de sous-sol), est pressurisée et plantée — un jardin annulaire, consommateur de gaz carbonique et producteur d’oxygène, entretenu par les humanoïdes de la base. Elle est couverte d’un toit de verre feuilleté en quart de voûte : bas à la lèvre extérieure, il s’élève pour venir s’appuyer contre le mur de la galette. Sous pression, cette voûte travaille en membrane tendue et prend appui sur le mur, que ses 2,5 m de remblai adossé rendent capable de la retenir. Le verre arrête en outre l’ultraviolet, qui parvient au sol martien sans le filtre d’une couche d’ozone. Au-dessus, un sur-toit en polyéthylène haute densité (HDPE) de 40 cm repose sur des poutres transversales portées par deux rangées de pylônes, l’une sur la bande périphérique, l’autre sur la galette. Le vent martien n’exerçant pratiquement aucun effort, aucun haubanage n’est nécessaire. Le sur-toit est incliné vers l’extérieur pour que la poussière puisse y glisser, et déborde de 2 m au-delà de la tranchée.
Ce débord n’est pas décoratif. Vu du fond de la tranchée, le ciel n’est visible qu’entre la lèvre de la tranchée et le bord du sur-toit ; en abaissant ce bord à 2,5 m du sol et en l’avançant de 2 m, on réduit cette fenêtre à quelques degrés. Du côté de la galette, le bord intérieur est ramené à 2,5 m au-dessus du remblai pour fermer de même la fenêtre symétrique. Tout le reste du ciel n’atteint la tranchée qu’à travers le HDPE, qui arrête les radiations solaires (SeP) et atténue d’environ 40 % les radiations cosmique galactique (GCR) ; choisi pour sa richesse en hydrogène, il produit peu de neutrons secondaires. Le fond de la tranchée est un espace de séjour de quelques heures par jour, non un lieu de vie permanent. Épaissir le HDPE y changerait peu (60 cm ne gagnent que trois points pour moitié plus de masse) ; c’est la géométrie qui protège.
Les mêmes ouvertures laissent passer la lumière, et c’est là que la différence de nature entre lumière et radiations vient au secours du projet : un flux isotrope se mesure en angle solide, et l’espace libre sous le bord du sur-toit n’en représente presque rien ; un faisceau dirigé se mesure en section, et cet espace lui offre 2,5 m de passage. Deux rangées de miroirs héliostats orientables et filtrants, l’une sur la bande périphérique au-delà du bord du sur-toit, en plein soleil, l’autre sur la galette, envoient donc leur faisceau sous le sur-toit, dont la sous-face est réfléchissante et filtrante et le renvoie vers le fond ; un film réfléchissant et filtrant sur les parois de la tranchée assure un second rebond. Un talus bas, reculé à quelques mètres, protège les héliostats extérieurs de la poussière ; il n’a pas de rôle anti- radiations. Ainsi captée, la lumière apporte au fond de la tranchée de l’ordre de 15 mol de photons utiles par m² et par sol, soit la moitié de ce que reçoit une serre terrestre ; assez pour les légumes-feuilles. Des panneaux solaires orientables sur la galette, complétés par la centrale nucléaire, alimentent l’éclairage LED qui fournit l’autre moitié (une vingtaine de kW en moyenne pour l’ensemble de la tranchée). On peut donc espérer obtenir aussi des fruits.
Il faut être clair sur ce que la tranchée peut et ne peut pas : ses ~500 m² de culture produisent, à ce niveau de lumière, l’oxygène d’une dizaine de personnes, pas plus (mais comme déjà dit plus de 10 sera exceptionnel). Elle est un complément sérieux au recyclage de l’atmosphère (électrolyse, régénération du CO₂), non son substitut, et surtout un lieu de verdure, de nourriture fraîche et de lumière naturelle.
Trois portes de sécurité vitrées, disposées à 120°, divisent la tranchée en tronçons ; elles se ferment automatiquement en cas de dépressurisation (perforation du toit) et peuvent être fermées à la main, par coulissement latéral, pour isoler un tronçon atteint par une maladie des plantes. Une double porte de sécurité sépare de même la tranchée de la rampe.
Les robots humanoïdes et autres, nécessaires à l’entretien intérieur de l’habitat auront un local dédié dans l’habitat (à côté de l’entrée) pour leur recharge et leur propre entretien. Les robots nécessaires à l’extérieur auront leur local de rangement et d’entretien à l’extérieur de l’habitat, à côté du garage où seront parqués et entretenus les véhicules (rovers) nécessaires aux déplacements en surface. Ils disposeront d’un éclairage électrique. Une partie de ce local et du garage, pourrait être pressurisée, chauffée, isolée par un matelas de HDPE, au cas où des hommes devrait y travailler.
L’énergie :
La source d’énergie est essentiellement nucléaire. Les réacteurs, de tailles transportables depuis la Terre, ne manquent pas. Ils sont plus adaptés que les panneaux solaires en raison de la continuité de leur production (nécessaire en raison de la durée des nuits, de la longue saison d’hiver, de la poussière martienne). « En vitesse de croisière », il nous faudrait six réacteurs de type Megapower, et quelques Kilopowers pour des besoins spécifiques en dehors de la base. Pourquoi six ? La puissance est proportionnée aux besoins. Il s’agit non seulement de permettre la vie humaine, mais il faut encore permettre l’exploitation des ressources, le transport vers les lunes et vers d’autres sites en surface. Un Megapower délivre de l’ordre de 2 MWe pour une quarantaine de tonnes-masse : six unités fournissent environ 12 MWe, dont l’essentiel ira à la production et au stockage des ergols, à l’entretien des vaisseaux (Starship) et des équipements de l’astroport. A part ces différents objets, la base utilisera son électricité pour diverses extractions du sol (glace d’eau, roches riches en tel ou tel élément), pour diverses productions industrielles nécessaires au fonctionnement de la base mais aussi de sa station Eagle, pour le fonctionnement des imprimantes 3D, pour le chauffage, la pressurisation, l’éclairage, le fonctionnement interne de la base sans oublier l’électrolyse de l’eau afin d’obtenir une partie de son oxygène respirable en complément de celui fourni par les plantes de la tranchée comme vu plus haut.
NB : on commencera par deux Megapowers seulement compte tenu des difficultés de transport depuis la Terre (capacité de charge utile d’un Starship, 150 tonnes). Cela implique pour les hommes un premier séjour long sur Mars (pour éviter le coût de la remontée en orbite), peut-être 12 mois, et la limitation de la production à l’essentiel : eau potable, gaz respirable, pression, chauffage, alimentation, ergols de retour pour la Terre, et bien sûr préparation de la base au sol. Le dimensionnement complet du parc fait l’objet de chapitres dédiés : « Les ergols, besoins ; les ergols production au sol et stockage ».
Les différentes installations seront alimentées par des lignes électriques partant des générateurs. L’eau parviendra du site d’extraction de la glace aux sites de purification et d’utilisation, par des canalisations chauffées. Le recyclage sera maximum (mais ne pourra malheureusement pas concerner les ergols !).
Les autres éléments de la Base :
La première installation au sol aura été celle d’une plateforme d’atterrissage et de décollage. L’on a déjà dit qu’en raison de l’absence d’une telle plateforme les tout premiers voyages seront très hasardeux. La plateforme, du type enclume avec carneau, est indispensable pour une sécurité acceptable sur le long terme (stabilité du support et évacuation des flammes).
Il faudra aussi équiper le pourtour de la plateforme d’un talus de protection, « un bouclier » en cas d’accident au départ ou simplement de projections sur les installations voisines. On pourra l’arroser d’eau pour le durcir en duricrete.
À côté de la plateforme, il faudra bien sûr une tour de service Mechazilla, pour saisir la fusée à l’atterrissage et permettre le contrôle et l’entretien avant qu’elle puisse repartir.
Dans la réalité il y aura, comme pour les réacteurs nucléaires et aussi vite que possible, 2 plateformes et 2 tours de service. Il n’est pas question pour les hommes en séjour sur Mars, de rester bloqué au sol et la redondance a pour objet de prévenir ce blocage.
La télécommunication sera indispensable, pour commander par téléopération les robots ou les hommes autour de l’habitat mais aussi pour communiquer avec l’Eagle en orbite aréostationnaire au-dessus de la base. Aussi bien à l’horizontale qu’à la verticale le contact sera permanent. Il y aura donc deux systèmes d’antennes pour les deux plans, vertical et horizontal (redondance, toujours).
Les hommes au sol devront se nourrir et le faire avec des produits frais. La tranchée aura une production très limitée et on pourra profiter de la surface de la planète pour faire des cultures qui seront consommées aussi dans la station Eagle. Pour faire face à ce besoin il y aura deux biopods (Interstellar Lab) autour de l’habitat. Il faut en effet un maximum de productivité dans un minimum de volume, une isolation pour permettre le chauffage et pour éviter la contamination phytosanitaire ou la pollution par les sels de perchlorates, et des réglages différents, de température, d’humidité, d’éclairage (intensité et couleurs) pour obtenir des produits différents.
Les hommes :
Pour les soins, il y aura dans chaque mission au sol un médecin généraliste pour servir de relais aux spécialistes qui seront restés « en l’air » dans leur Eagle. Ils disposeront d’une belle armoire de médicaments et d’instruments de premier secours ainsi que d’une imprimante 3D pour pouvoir se fabriquer des objets utiles à l’exercice de leur métier (comme d’ailleurs il y aura d’autres imprimantes 3D pour toutes sortes de besoins).
Les déplacements se feront différemment selon la distance : à pied pour les courts trajets sans masse importante ou encombrante à transporter, en rovers non pressurisés ou pressurisés pour les distances un peu longues (il faut toujours penser à s’exposer le moins possible aux radiations). Les hommes auront aussi des hoppers pour aller plus vite « quelque part » à distances moyennes et, sans doute pour deux personnes seulement avec équipement de support-vie (masse !), des avions allégés à décollage vertical et équipés de CoFlow Jet pour aller plus loin très vite (jusqu’à la station au sol voisine…à 1 779 km).
Dans le futur on peut concevoir que les bases au sol soient reliées les unes aux autres par des « voies ferrées ». Ce pourrait être des trains à sustentation magnétique. On peut prévoir des arrêts, tous les 200 km par exemple, avec un abri de secours, dans lequel on pourra libérer une atmosphère respirable, boire et se chauffer. Cet abri sera enterré, bien sûr (les radiations toujours). Aller d’une station à l’autre peut se justifier, en cas d’accident par exemple ou pour mener une action en commun et l’avion sera vite insuffisant en termes de capacité de transport. Les « trains » seront petits, en fait deux wagons : un wagon-cabine habitable et un wagon-fret. Le wagon-cabine sera logé dans un manchon de HDPE, percé de hublots pour voir l’extérieur. L’énergie nécessaire pour la propulsion devrait donc être relativement faible et pourrait être embarquée (électricité —panneaux solaires — ou nucléaire — kilopower).
Tout autour de l’habitat, on construira des abris pressurisés, du même type que ceux mentionnés ci-dessus, où les hommes pourront se réfugier en cas d’accident ou de tempêtes solaires. Ces abris ne devraient pas être distants de l’habitat et les uns des autres de plus de 500 m (en couronne) compte tenu de la dangerosité des accidents qui pourront se produire (fuite d’oxygène ou dépressurisation par exemple).
À la fin du séjour, il faudra rejoindre Phobos pour repartir vers son Eagle, ou aller vers Deimos, pour prendre la route de la Terre. Ce départ, ses chiffres et son récit font l’objet du troisième volet du triptyque : « Repartir de Mars ».
Illustration de titre: coupe de la base martienne. Crédit Pierre Brisson
Copyright Pierre Brisson
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Une réponse
Bonjour Pierre Brisson. Super!