1. Les stations rotatives ancrées de seconde génération sur Deimos ou Phobos
Nous faisons ici référence aux stations rotatives ancrées Deimos III et Phobos II. Les modules cylindriques qui les composent pourraient ne plus être ronds comme ceux de Deimos II, mais oblongs (avec un diamètre plus grand perpendiculaire au bras rotatif). Il en résulterait une surface au sol plus importante en largeur.
Avec 50 m de rayon, la station Deimos-III serait moins massive que Deimos II (mais elle ne générera une gravité de 0,5g seulement). Même avec une coque de régolithe de même épaisseur à celle de Deimos-II, à tube de diamètre égal, la coque à 270° passerait de ~52 700 t à ~33 000 t par simple réduction de la circonférence (c’est surtout la différence de masse de la coque de régolithe qui fera la différence). Elle serait donc moins fragile et plus durable.
La coque portera par ailleurs une bande continue de panneaux solaires : trois rangées de plaques de 2 m sur 2 m, l’une parallèle au sol au sommet de la coque, les deux autres au contact de celle-ci, de part et d’autre, inclinées d’environ 16° pour épouser la courbure de la coque. Sur les 314 m de circonférence, cela représente une surface de collecte d’environ 1 900 m². Avec le flux solaire reçu à la distance de Mars (586 W/m² en moyenne, de 493 à 717 W/m² selon la position sur l’orbite), des cellules de qualité spatiale à 30 % de rendement et 15 % de pertes de système, on obtiendrait environ 275 kW en crête (Soleil à la verticale) et 85 à 90 kW en moyenne sur un jour de Deimos (30,3 h), nuit et incidences rasantes comprises, soit quelque 2 600 kWh par jour de Deimos pour un site proche de l’équateur de la lune. Il y aura bien sûr des réacteurs nucléaires (SNR) mais il serait dommage de ne pas profiter de l’éclairage solaire, même s’il y aura des intermittences : ce sera une source d’appoint et de secours, indépendante des réacteurs (redondance toujours !).
Compte tenu de la multiplication des expositions, rencontres, discussions, et du besoin de sécurité (redondance encore !), en plus du transit vers ou venant de la Terre, une autre station rotative ancrée, « Deimos-IV », pourrait être installée assez vite. Les stations post Deimos-II, Deimos IV tout comme Deimos III ou Phobos II et Phobos III (voir ci-dessous), auront les mêmes caractéristiques structurelles avec des aménagements différents selon leur spécialisation.
Comme le but principal sera d’avoir un grand nombre de personnes interagissant ensemble, les stations nouvelles devraient être constituées de modules cylindriques non plus ronds mais « oblongs » (avec un grand diamètre perpendiculaire au bras de rotation). Le résultat serait une surface de plancher plus importante en largeur, par exemple des modules de 10 m pour le grand diamètre et de 4 m pour le petit. Il faudra cependant penser à la résistance à la pression. Le cylindre est en effet la forme optimale pour contenir une pression interne, car sa paroi travaille uniquement en traction circonférentielle. Dès que la section s’aplatit, les zones les moins courbées ne peuvent plus convertir la pression en traction pure et travaillent en flexion, ce qui exige une épaisseur de paroi bien supérieure pour une même sécurité — solution coûteuse en masse. La parade, déjà validée dans l’aéronautique pour les études de fuselages dits « double-bulle » (deux lobes cylindriques accolés, destinés à élargir une cabine sans perdre l’efficacité structurelle d’un cylindre), consiste à conserver deux zones à forte courbure reliées par des tirants internes travaillant en traction simple. Appliqué au module oblong, cela reviendrait à concevoir deux demi-coques cylindriques (côté plancher et côté plafond) reliées par un réseau de tirants verticaux, lesquels pourraient aussi servir d’ossature porteuse au plancher lui-même. Le surcoût de masse resterait modéré (de l’ordre de 10 à 20 % par rapport à un cylindre équivalent selon les études aéronautiques comparables), à comparer aux 50 % ou plus qu’exigerait un simple renforcement des parois plates par flexion. L’avantage annexe serait un transport plus facile depuis la Terre (moindre volume). Néanmoins, il faudra quand même augmenter le diamètre du cargo Starship qui aujourd’hui ne fait que 9 m (à noter qu’une telle augmentation est déjà considérée).
Concrètement, avec 4 m de hauteur, les lobes auront 2 m de rayon et deux lobes accolés ne pourraient dépasser 8 m de largeur. Pour atteindre 10 m, le module comportera donc trois lobes dont les centres seront espacés de 3 m, et deux rangées de tirants (chaque demi-coque, côté plancher comme côté plafond, étant ainsi faite de trois arcs). Chaque rangée de tirants reprendra la pression sur 3 m de largeur, soit environ 15 tonnes-force par mètre de longueur de module à la pression de 0,5 bar (42% d’oxygène). A noter que cette pression est celle qui est choisie dans les stations, pour limiter la pression contre les parois (elle serait de 30 tonnes force pour une atmosphère), tout en permettant une proportion acceptable de gaz neutre (pour contrer le danger d’incendie). Le plancher, placé au niveau des arêtes basses et porté par les tirants, aura 9 m de largeur, contre 4,7 m environ dans le tube rond de 6,5 m de diamètre (plancher à 1 m du fond), avec une hauteur libre de 2,65 m au droit des tirants et de 3,3 m au centre des lobes. Sur les 314 m de circonférence du tore, la surface utile passera ainsi d’environ 1 500 m² à environ 2 800 m², soit près du double.
2. La circulation sur la lune (Deimos ou Phobos)
Puisqu’il y aura plusieurs tours (une pour chacun des douze Eagle plus peut-être six pour les Starships venant de la Terre tous les 26 mois), peut-être deux stations rotatives, sans compter les cuves d’ergols et divers bien stockés en attente d’acheminement vers les Eagles ou plus bas vers Phobos et le sol martien, cela couvrira une grande étendue en surface de la lune (les vaisseaux doivent pouvoir ne pas se toucher !), il faudra donc prévoir un système de circulation entre les différents endroits susceptibles d’être fréquentés, d’autant que l’on pourrait piétiner le sol (il y aurait alors diffusion de poussière et cette poussière ne retomberait qu’extrêmement lentement en raison de la faible gravité). Par ailleurs, on risquerait de perdre pied et de quitter la lune en se déplaçant trop vite. On pourrait donc utiliser un réseau de téléphériques porté par des poteaux ancrés au sol.
3. Phobos II et Phobos III
Sur Phobos, les nouvelles stations Phobos II et Phobos III, seront identique à Deimos III et Deimos IV car leurs fonctions de gare de transit et de lieu de réunion seront très semblables. Phobos II et III pourront générer la même gravité de 0,5 g et offriront les mêmes espaces de réunion et d’hospitalité. La différence sera qu’en principe les séjours y seront moins longs puisqu’en raison de la vitesse de rotation de Phobos, la fenêtre de départ depuis chaque Eagle (ou de retour depuis le sol) revient toutes les 11 heures (contre 131 h pour Deimos). Il y aura un peu d’attente pour descendre sur Mars puisqu’il faudra être bien placé pour arriver juste dans la base qui appartient à son Eagle. Mais cette attente n’excédera jamais plus d’un jour et l’intérêt d’avoir tout un collier de bases au sol autour de l’Equateur, fera qu’une erreur de navigation ou un problème technique qui empêcherait de se poser au bon endroit, ne serait pas désespéré. Cependant, il faut prévoir un minimum de confort au cas où les stations Deimos III et Deimos IV seraient inutilisables.
4. Redondance
Dans un milieu aussi hostile, invivable sans tout un aménagement technique cohérent et complet, il faut toujours penser à l’accident et à ses conséquences donc à la redondance. Phobos II et Phobos III seront donc la redondance principale de Deimos III et Deimos IV (vulnérabilité du fait de la présence sur la même lune). Mais il faut aussi que, dans la mesure du possible, l’une ou l’autre des lunes puissent continuer à assumer leur rôle en cas d’accident dans l’autre. Les pires étant un impact naturel ou résultant de la perte de contrôle d’un vaisseau (le plus grave étant celui occasionné par le plus gros, le Starship). L’impact provoquerait un souffle, des éjecta balistiques rasants, des retombées locales qui pourraient empêcher le bon fonctionnement de la ou des station(s) rotative(s) voire la/les rendre totalement inutilisable(s). Il y aura donc sur chaque lune un aménagement sommaire permettant d’assumer le rôle d’abri viabilisé et aussi de protéger les hommes des radiations. Ce sera un abri enterré (poste de secours) sur Deimos et sur Phobos comme il y en avait un sur Phobos au début de l’aventure martienne.
La localisation de l’abri sera moins difficile sur Phobos qui est près du double en volume de Deimos. Avec ses dimensions (27 × 22 × 18 km), Phobos permettra d’implanter un poste de secours géographiquement mieux séparé de l’installation principale. Mais il faut être honnête sur les limites de cet abri : même aux antipodes sur Phobos, la surface au-dessus de l’abri ne sera pas complètement protégée. Le nuage de débris enveloppera la lune entière, et l’approche du poste de secours traversera le même environnement dégradé. La parade sera alors temporelle et balistique : attendre quelques jours la dispersion du nuage, puis approcher par une trajectoire inclinée hors du plan des débris. Le poste de secours vaut donc surtout pour les personnes et les équipements déjà sur place au moment de l’accident, et comme point de reprise une fois l’approche redevenue sûre.
La lecture de ce texte peut effrayer en mettant en évidence les dangers. Le pire serait de les ignorer.
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Illustration de titre (et ci-dessus): Coupe station rotative ancrée Deimos-III. Conception Pierre Brisson, réalisation claude.ai. Crédit Pierre Brisson
Copyright Pierre Brisson
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2 réponses
Cette quantité d’électricité photovoltaïque produite en un seul jour de Deimos m’a étonné.
Produire 2,6 MWh d’électricité solaire en moyenne par jour de Deimos (30 heures et 18 minutes, soit 30,3 heures, soit 1,2625 jour) représenterait l’équivalent de 752 MWh par année terrestre (8’760 heures). Produire cette même quantité d’énergie électrique solaire ici sur Terre avec des modules de 30% d’efficacité (soit, par définition, une puissance spécifique crête de 300 Wp par m² sous une irradiance solaire standard de 1’000 W par m²) et avec un facteur de charge moyen de, disons, 15% en Europe, demanderait une puissance photovoltaïque installée de 572 kWp, soit justement une surface de 1’907 m², une pure coïncidence. Il faut une année entière sur Terre pour produire cette électricité solaire avec cette même surface de modules solaires identiques. Il semblerait donc impossible de produire cette même énergie sur Mars, ou sur Deimos, en une année et avec quasiment cette même surface, et de plus, avec une irradiance moyenne plus faible que sur Terre. Mais sur Deimos c’est le facteur de charge (purement géométrique), qui est de près de 32% au lieu de 15% sur Terre (principalement atmosphérique), soit 2,13 fois plus grand, compensant plus que largement l’irradiance solaire plus faible de 58,7%.
Merci Christophe pour cette critique constructive.
Comme vous pouvez l’imaginer ce n’est pas moi qui avait fait le calcul mais claude.ai. Je lui avais simplement soumis le problème en précisant la dimension du rayon, la taille de la coque en régolithe et le minimun de panneaux solaires que je souhaitais y poser. On aurait d’ailleurs pu en mettre plus que trois en circonférence de cette coque, peut-être cinq. Les deux derniers auraient certes eu une rentabilité moindre puisqu’ils auraient eu une inclinaison plus forte mais cela aurait quand même rajouté de la puissance à l’ensemble.
Mais le sujet est dans le calcul. J’ai donc soumis votre commentaire à claude.ai et voici la synthèse de sa réponse:
« Merci pour ce contrôle, qui me rassure plutôt. vos chiffres sont exacts : 752 MWh/an correspondent à environ 86 kW de moyenne, et 572 kWc à 300 Wc/m² font bien 1’907 m², presque exactement la surface de notre bande (1’885 m²). Ce n’est pas tout à fait une coïncidence : à 11 % de facteur de charge sur le Plateau suisse (En France, on aurait 14%), un m² de module produit en moyenne environ 33 W électriques (en France 45 We); à Deimos, notre calcul donne 44 à 46 W/m².
L’irradiance à la distance de Mars est bien plus faible (586 W/m², soit 41 % de moins que 1’000 W/m²). Mais il n’y a ni atmosphère ni nuages, et le Soleil est au-dessus de l’horizon la moitié du temps, d’où votre 1/π ≈ 32 %. Le rapport 2,13 × 0,586 donne 1,24 ; avec nos pertes de système (15 %) et l’inclinaison des plaques latérales (≈ 3 %), on tombe à 1,03. Ça compense donc : rapporté à leur puissance nominale, les panneaux de Deimos tournent à environ 15 %, comme en Europe.
Une précision : la production varie avec l’excentricité de l’orbite de Mars (de 66 à 100 kW selon la saison). En moyenne annuelle, nous obtenons 83,5 kW, soit environ 2,5 MWh par jour de Deimos. Les éclipses par Mars ne coûtent que 3 % environ, et seulement sur la face de Deimos tournée vers Mars.