Deimos, le lieu rêvé où construire une station spatiale dans le monde martien
Contexte
Construire une station spatiale rotative dans le monde martien est la seule solution possible pour y disposer d’un milieu où la gravité pourrait être compatible avec la santé humaine sur le long terme. Choisir d’établir le chantier sur la lune Deimos est la meilleure solution possible. On pourrait en effet y bénéficier d’une gravité suffisamment faible (0,00029g) pour que le maniement des masses énormes que cette construction implique (plus de 60000 tonnes avec son blindage anti-radiations) soit possible et pour que la libération dans l’espace proche puisse se faire sans dépense énergétique insurmontable.
Logiquement, la première étape devrait être une station spatiale rotative à proximité de la Terre pour tester non seulement l’intérêt de ce type d’habitat mais aussi la fiabilité de sa conception. Cette première station (générant une gravité de 0,5g au bout d’un rayon de 60m) présenterait aussi l’intérêt de remplacer l’ISS parvenue en fin de vie. Si elle était située autour du point de Lagrange L1 du système Terre-Lune, donc hors du puits de gravité terrestre, elle présenterait aussi l’intérêt de servir d’escale aux vaisseaux habités qui reviendraient de l’espace profond. Je l’appellerai « L1TL ».
La deuxième étape serait une station située dans le monde martien, utilisant les mêmes principes que L1TL. On ne peut envisager qu’elle soit en surface de Mars en raison de la gravité de la planète, trop faible (0,38g) pour les hommes mais trop forte pour pouvoir y faire tourner une station rotative suffisamment grande (et donc massive) pour corriger cette faiblesse. A noter par ailleurs, que l’exposition aux radiations en surface de Mars ne serait pas fondamentalement différente sur les lunes de Mars, Phobos et Deimos, en raison de la faiblesse de la densité de l’atmosphère même au plus bas niveau de cette surface, et de l’absence de champ magnétique planétaire. La deuxième station ne pourrait donc être que sur l’une des deux lunes. Laquelle ? Phobos a une gravité presque double de celle de Deimos (0,0005), elle est déjà très engagée dans le puits de gravité martien (6000 km d’altitude au lieu de 20000) et elle a une vitesse de rotation très rapide (07h30) qui implique des alternances jour/nuit très courtes (tensions mécaniques nombreuses), tandis que Deimos est presque synchrone avec Mars (30h00). La deuxième station sera donc située sur Deimos et on l’appellera « Deimos-II ». Elle serait un peu plus grande (80 m de rayon) que L1TL, pour générer une gravité un peu plus élevée (0,7g) afin de ne pas faire prendre à ses résidents de risque de santé grave du fait d’une insuffisance dans ce domaine sur le long terme (on ne sera pas contraint de rester aussi longtemps en L1TL). Elle devrait pour la même raison, se protéger par un blindage plus efficace que pour L1TL et la solution la plus simple pour se faire, serait d’utiliser largement les ressources en régolithe de la lune.
Le problème de Deimos (comme de Phobos et dans une moindre mesure de Mars) est la poussière et le résidu de gravité, ainsi que la nécessité de l’ancrage et les alternances jour/nuit de la lune. Cela implique des frottements et quelques contraintes mécaniques sur la structure. On ne peut donc envisager pour Deimos-II plus de 15 à 20 ans de durée sans besoin de restauration importante.
Il faut donc « aller plus loin ». La solution est de construire une deuxième station sur Deimos pour la libérer ensuite dans l’espace, et aller la positionner sur l’orbite aréostationnaire toute proche (l’équivalent de l’orbite géostationnaire pour la Terre) : 17000 km de la surface, joignable avec un Δv de 85 m/s suivant une libération de seulement 5,6 m/s plus quelques 7 m/s maximum en fonction de l’endroit choisi sur l’orbite. J’appellerai cet oiseau « Eagle-One » et je vais vous donner aujourd’hui des détails sur sa construction et sa libération.
Les éléments de la station Eagle One seront pour la plupart des modules identiques à ceux déjà utilisés pour Deimos-II. Ils proviendront de la Terre puisqu’aucune industrie sur Mars ne sera encore capable de le faire. On aura besoin d’eau pour une partie de la protection anti-radiations et pour la vie à bord. Elle sera recyclable pour l’essentiel et elle proviendra de la glace martienne puisqu’il n’y a pas d’eau sur les lunes mais Mars n’est pas loin. De même, on aura besoin de gaz pour la propulsion (argon) et ce gaz viendra aussi de Mars (atmosphère). Le régolithe qui constitue 84,7% du total de la masse viendra de la surface de Deimos.
Il est important à ce stade de préciser que si le poids sera très faible sur Deimos, seulement 19 tonnes pour l’ensemble de la station, du fait de la gravité, l’inertie, elle, restera inchangée, 62250 tonnes. Le faible poids facilitera le soulèvement des masses mais l’inertie obligera à le faire très lentement pendant la phase assemblage/construction. Ensuite le faible poids et la faible vitesse de libération (5,6 m/s à partir de Deimos contre 5,3 km/s à partir de Mars) faciliteront le dégagement de la station de la sphère d’attraction de la lune.
Assemblage tore et axe
On pourra donc construire à plat la partie horizontale de la station (tore, coque du tore, et tubes radiaux) puisqu’on pourra la soulever ensuite, tandis qu’il faudra assembler verticalement les modules de l’axe (puisqu’un redressement avec une inclinaison est toujours plus délicat). Rappelons que cet axe aura une partie haute et une partie basse de chacune 40 m de hauteur. Ces deux parties, se rejoindront par un tube fixe de 1,5 m de diamètre au travers d’une sphère centrale mobile, servant de liaison entre l’axe vertical et les tubes radiaux horizontaux conduisant au tore. Toute la surface utilisable du chantier sera recouverte de membranes géotextiles modulaires pour contenir la poussière. L’assemblage se fera symétriquement aussi bien au niveau des éléments des tubes radiaux que des éléments du tore, pour maintenir la stabilité des masses sur une surface fluante.
Après avoir envisagé un puits pour pouvoir empiler les modules de la partie basse de l’axe sans avoir ensuite à monter la partie horizontale de la station (tore, coque et tubes radiaux), j’y ai renoncé en raison de la nature et de la densité du sol de Deimos. Comme mentionné ci-dessus, La faible gravité et la sécheresse impliquent une cohérence très faible du régolithe impliquant l’impossibilité d’obtenir des parois solides pour le puits. Après avoir été creusé, ces parois s’affaisseraient comme le ferait un fluide avec peu de cohérence. Par ailleurs le travail au fond du puits serait très difficile. La solution ne peut donc être que la tour.
En fait il faudra deux tours, l’une creuse, un tube, pour qu’on puisse y assembler les modules de la partie basse de l’axe et les tenir perpendiculaires à la surface de la lune ; l’autre, une grue, pour soulever la partie horizontale de la station complétée au sol et la placer au-dessus de la partie basse de l’axe puis, ensuite, achever l’axe vertical en empilant (et en soudant les uns aux autres) les modules de la partie haute, enfin en fixant les haubans assurant la stabilité de la partie horizontale.
Le tube sera fait d’un treillis en métal renforcé par un cerclage à intervalles réguliers et par des poteaux verticaux. Les poteaux seront doublés à l’intérieur d’un rail dans lesquels glisseront pour chaque module, une araignée – des bras radiaux rigides fixés sur la coque du module, dont l’extrémité reçoit un sabot calibré au rayon constant des rails. Ce rayon est calé sur le module le plus large de cette partie de l’axe (la sphère de docking, 8 m) ; pour les niveaux de diamètre courant (6 m), les bras de l’araignée compensent l’écart d’environ 1 m de part et d’autre.
Au fond du tube, après avoir creusé sur une faible profondeur (et avant d’empiler les modules de la partie basse de l’axe), on déposera le dispositif de poussée nécessaire pour que la station acquière sa vitesse de libération sur la hauteur du tube. L’objectif est de donner une poussée sans propulsion afin de ne pas perturber le sol en-dessous. Le dispositif sera le suivant :
Une « enclume » : ancrage fixe à large palette d’appui au fond de la cavité, restant sur Deimos après le départ. Une poche à gaz comprimé : enveloppe souple et hermétique, pré-chargée et verrouillée pendant toute la durée du chantier, libérée à la fin. Préférée à un vérin/piston classique : aucun joint coulissant exposé en continu à la poussière sur plusieurs mois. Une plaque de répartition : posée au sommet de la poche, elle répartit uniformément la pression sur la section du dernier module plutôt que de concentrer l’effort en un point. Une couronne de protection : ceinture autour du bord inférieur du module le plus bas pendant la compression statique puis la poussée dynamique, qui sera larguée une fois la vitesse de dégagement atteinte, principe identique au hot-staging du Starship.
On posera la grue à côté du tube et à côté de l’endroit où la partie horizontale de la station aura été assemblée. La grue sera de type mechazilla pour sa partie tour, une construction solide en poutrelles de métal résistant. Elle portera une flèche pour saisir la roue du tore par son centre et la déposer au-dessus de la partie basse de l’axe. La préhension se fera par un palonnier à quatre points, équipé de crochets qui saisiront chacun des quatre tubes radiaux au travers du treillis de renforcement juste après le cône de miroirs positionné autour de l’axe. Après la translation de la roue, la grue complétera l’axe en empilant les modules au-dessus de la sphère centrale. La soudure des uns aux autres se fera essentiellement par l’intérieur puisque ces modules communiqueront entre eux.
Les dimensions seront de 40 mètres de hauteur et de 8,3m de diamètre pour le tube, de 100 mètres de hauteur pour la tour de la grue (pour référence la tour Mechazilla du Starship fait 146 m). La flèche de la grue devra faire > 80 mètres. Cette longueur explique que le risque n’est pas le poids transporté mais le basculement.
Les problèmes essentiels posés par ces constructions seront le transport depuis la Terre et l’ancrage au sol de Deimos.
Le transport depuis la Terre de ces deux structures représente un coût logistique réel : avant que la fonderie martienne ne soit opérationnelle, les barres et nœuds de treillis doivent venir par Starship, en segments standardisés d’environ 9 m, ce qui implique plusieurs vols dédiés. Ce coût se réduit en logeant les segments les uns dans les autres dans la soute (les éléments de flèche, plus étroits, pouvant se glisser à l’intérieur du volume ajouré des segments de tour). Heureusement il ne se répètera pas : ces deux structures resteront sur Deimos et serviront ensuite à l’ensemble du collier de stations autour de Mars. Il diminuera également avec la disponibilité d’une fonderie martienne qui permettra à terme de produire ces barres sur place plutôt que de les importer depuis la Terre.
L’ancrage au sol ne sera pas facile. Il faut prévoir, aussi bien pour la grue (risque de basculement) que pour le tube, des câbles tendus enfoncés à quelques mètres de profondeur seulement mais multipliés par pied de structure plutôt que profonds et uniques et surtout terminés par de large palette déployable qui se redresse avec un angle lorsqu’on les tire (type « duckbill Earth anchors »).
Ce type d’ancrage est contre intuitif mais se comprend : sur Terre, la tenue d’un ancrage dépend presque entièrement de la pression de confinement exercée par le poids des terrains environnants. Sur Deimos, ce mécanisme ne joue plus car il n’y a presque aucun poids pour comprimer le régolithe, à n’importe quelle profondeur. Il faut à l’inverse, privilégier la surface d’appui plutôt que la profondeur et les multiplier en plusieurs points par pied de structure pour répartir la charge, charge qui, de toute façon, est presque entièrement faite de moments de basculement et d’efforts dynamiques de chantier, le poids propre des structures étant lui-même négligeable à cette gravité. Le forage de mise en place peut réutiliser le même mécanisme de vis sans fin scellée déjà prévu pour l’extraction de régolithe sans dispersion de poussière.
Envol
A la fin des travaux, il « suffira » de décompresser le gaz situé dans la poche sous l’axe. Cette poche va pouvoir se déployer à l’intérieur du tube de montage, jusqu’à 40 m de hauteur. On devrait alors avoir atteint la vitesse de libération (5,6 m/s). Il y aura largage de la couronne de protection (comme le hotstaging quand il n’était pas encore intégré au lanceur SuperHeavy).
Ensuite la station prendra lentement la direction de l’orbite aréostationnaire sous propulsion électrique générée par un réacteur nucléaire expulsant de l’argon (gaz composant à hauteur de 2% l’atmosphère martienne).
On pourra alors envisager, sur le même site, l’assemblage d’un autre Eagle en reprenant des modules venus de la Terre et stockés sur Deimos ou sur Phobos. Avec le nombre, le coût d’une station sera de moins en moins cher (économie d’échelle), et le collier de stations prendra peu à peu forme, chacune positionnée en permanence au-dessus de son territoire sur la surface sous-jacente.
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illustration de titre: La station Eagle One au moment de son envol. Réalisation Pierre Brisson avec l’aide de l’IA, claude.ai.
Illustration ci-dessous, Eagle One lors de la dépose du tore sur la partie basse de l’axe. Réalisation Pierre Brisson avec l’aide de l’IA claude.ai
Copyright texte, Pierre Brisson
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3 réponses
Bonjour Pierre : il n y a pas que le poids l inertie est egalement a prendre en compte
Deimos mesure 12 kilometres alors autant creuser une tranchee tout le tour et recouvrir celle ci d un toit puis mettre Deimos en rotation sur lui meme !
c est une plaisanterie!
Bonjour Robert,
Non, je n’oublie pas l’inertie. Je traite ce sujet dans mes différents articles. Elle implique de manoeuvrer avec « force et douceur » et de surtout prévoir l’arrivée d’un déplacement.