EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Le jeu des masses et des gravités impose de passer par Deimos pour vivre sur Mars

La gravité est de 0,38g sur Mars, de 0,0005g sur Phobos et de 0,0003g sur Deimos. C’est en raison de cette gravité faible que Deimos est le seul endroit où l’on pourra assembler les éléments d’une station spatiale ancrée, Deimos-II, permettant de recréer par rotation une gravité minimum (a priori 0,7g) permettant à des êtres humains de tout âge et conditions physiques de vivre dans des conditions acceptables pour leur santé. C’est aussi sur Deimos que l’on pourra construire la station suivante, Eagle One, avec des éléments dont la quasi-totalité seront identiques à ceux utilisés pour Deimos-II, pour l’envoyer sur un site choisi de l’orbite « aréostationnaire » (orbite géostationnaire pour Mars, « Ares ») afin de l’y mettre en rotation. Cette projection à faible distance se fera en dépensant un minimum d’énergie en dépit de la masse concernée car le différentiel de gravité sera très faible. Le positionnement d’Eagle One sur cette orbite permettra ensuite de travailler sur Mars « comme si on y était » puisque la latence temporelle orbite-surface, sera très faible (0,114 secondes aller et retour).

Entrons dans les détails et voyons d’abord de quelle masse nous parlons.

Eagle-One doit avoir, comme Deimos-II, un rayon de 80 mètres et tourner à 2,80 tours par minute (tpm) pour pouvoir recréer dans son tore une gravité de 0,7g. C’est parce qu’on ne veut pas tourner trop vite (nombre de Coriolis < 2,5%) et qu’on veut limiter la taille de l’ensemble pour un gradient tête pied minimum (< 0,15) que l’on reste dans cette dimension et cette vitesse de rotation. Il n’en reste pas moins que la masse qui résulte de ces contraintes sera très importante : environ 6000 tonnes pour la station seule avec blindage, 52730 tonnes pour le blindage de la coque de protection antiradiations (blindage) du tore et 3520 tonnes pour la coque en fibres de carbone contenant ce blindage, soit au total 62250 tonnes. Pour référence le plus gros porte-avions américain, le Gerald Ford, a une masse de 100.000 tonnes). On obtient le chiffre de 6000 malgré une masse de structure pour la station seule, de 218 tonnes. L’examen du détail explique cette différence :

Que comporte la structure et sa protection en dehors de la protection du tore ?

Les modules du tore (diamètre 6,5 m, longueur 10 m, ~50 modules sur 502,7 m de circonférence) ; les quatre tubes radiaux (diamètre 4 m, ~8 modules de 10 m chacun, avec à l’extérieur une couverture HDPE de 40 cm, et à l’intérieur une enveloppe d’eau circulaire, « water wall », de 20 cm, et un anneau de 40 cm pour passage des câbles/fibres et pour les pompes) ; les éléments de l’axe central au-dessus et en-dessous de la sphère carrefour (storm shelter, cupola, cylindre zéro-g, data center, télécom, réservoir d’argon, stockage, logis des robots Optimus, sanitaires, sas EVA — tous en cylindres de 6 m de diamètre) ; deux sphères de 8 m (docking, propulsion) ; et une sphère moyeu ou carrefour de l’ensemble, vers les tubes radiaux et le tore dont le diamètre de 10 m a été fixé par la nécessité d’ancrer solidement les embases des quatre tubes radiaux). NB : le volume pressurisé global est de 23 643 m³ (ISS 932 m³).

Deux calculs distincts ont été menés :

D’abord, la masse de blindage anti-radiations pour tous les éléments spécifiés (HDPE + eau) en dehors du tore (davantage protégé en tant qu’espace de vie principal). Cela représente environ 2 920 tonnes, dont la part dominante est celle des tubes radiaux (~1 978 t).

Ensuite, la masse du métal porteur lui-même, en alliage aluminium-lithium, matériau utilisé pour l’ISS, retenu de préférence à la fibre de carbone (adaptée au confinement non pressurisé du blindage, mais pas aux éléments pressurisés habités) avec une épaisseur de 4-5 mm. Cette seconde masse ne compte que seulement 174 à 218 tonnes pour l’ensemble de la station. Un résultat révélateur : un contenant d’épaisseur mince est intrinsèquement léger ; l’essentiel de la masse de la structure habitée vient d’ailleurs — renforts, planchers, cloisons, et surtout des équipements fixes (support-vie, électricité, mobilier).

Détail de la masse de la coque des modules viabilisés, seule (alu-lithium, 4-5 mm) :

Élément	4 mm	5 mm
Tore (50 modules × 10 m)	110,2 t	137,7 t
Tubes radiaux (32 modules × 10 m)	43,4 t	54,2 t
8 cylindres axe standard (6×6 m)	9,8 t	12,2 t
Sanitaires axe (2 fois 6 m × 2,5 m)	1,0 t	1,2 t
Storm shelter (6 m × 10 m)	2,0 t	2,5 t
2 sphères de 8 m (docking + propulsion) + 1 sphère moyeu de 10 m	7,7 t	9,7 t
Total	174 t	218 t

Pour combler cet écart entre masse vide (2920 + 218) et masse équipée (6000) sans utiliser de facteur arbitraire, le ratio masse totale / volume pressurisé de plusieurs modules réels de l’ISS a été utilisé comme calibration (Destiny : 137 kg/m³ ; Harmony : 204 kg/m³ ; Nauka : 252 kg/m³ ; Zvezda : 271 kg/m³ ; Pirs : 275 kg/m³). Appliqué au volume pressurisé total d’Eagle One (~23 640 m³, sphère carrefour de 10 m comprise), ce ratio donne une fourchette de 3 200 à 6 440 tonnes selon le profil d’équipement retenu. Les 6 000 tonnes tombent dans la zone des modules les plus denses en systèmes (Zvezda, Nauka, Pirs) — cohérent avec un habitat permanent multigénérationnel à support-vie autonome comme le sera Eagle One, bien plus chargé en équipements qu’un simple laboratoire comme Destiny (même si les chambres des résidents seront relativement peu équipées).

Reste en suspens, comme contribution mineure non chiffrée, les anneaux porteurs des haubans et des entretoises, et le tube de service vertical, de 1,5 m de diamètre, entre les deux parties de l’axe central (qui passe au travers de la sphère carrefour)— probablement négligeables à cette échelle.

Comme on le constate, la protection (blindage) du tore, 52730 tonnes, est de loin le composant le plus important à la masse totale. Comment l’expliquer ?

La coque du blindage est faite de fibres de carbone. Elle enveloppe le tore sur 270° et elle a une épaisseur de 2 m. L’isolant anti-radiations est du régolithe de Deimos compacté à 1800 kg/m³ (par rapport à 1500 kg/m³ non compacté). Il en faut 1026 tonnes par modules de 10 m. Comme la coque du blindage est distante de 1,80 du tore, sa circonférence est plus grande (514 m contre 502). C’est en fonction de cette longueur et de cette masse, qu’on obtient ce chiffre très élevé de 52730. Il correspond à l’isolant en régolithe seul ; Il n’inclut pas la masse propre de la structure en fibre de carbone qui le contient, 3520 t — un terme distinct qui explique l’écart de 58730 t avec le total de 62 250 t.

Certains pourraient penser que les 2 mètres de protection sont excessifs. Ils se tromperaient. Sur Mars, les missions de recherche de traces de vie — comme le forage de 2 m prévu par le rover ExoMars — visent précisément cette profondeur, car c’est à peu près le seuil au-delà duquel le rayonnement cosmique cesse de détruire les biosignatures organiques. Dans l’espace, sans la protection partielle qu’offre la masse d’une planète, l’exposition est encore plus forte : il faudrait plus que ces 2 m de blindage pour atteindre une protection comparable à celle de la Terre. En fait malgré ces deux mètres on recevra quand même à l’intérieur du tore une dose considérée comme élevée sur Terre (220 mSv contre 20 mSv, la limite ALARA professionnelle annuelle, sur un an) mais elle est malgré tout acceptable car les critères ALARA sont très exigeants. C’est pour cela qu’on ne peut se passer de cette masse de blindage et c’est pour cela que l’idée de s’installer sur Deimos où le régolithe est si abondant et la gravité est si faible, est absolument incontournable.

Il faudra donc charger la coque de blindage de cette masse de régolithe avant de s’envoler. Soit dit en passant, le prélèvement de régolithe pour cette quantité ne constitue aucun danger pour la stabilité de Deimos car elle en représente un pourcentage extrêmement faible (masse de Deimos 1 476 milliards de tonnes). On disposera, pour extraire et pour charger, d’un équipage de robots Optimus (une dizaine au minimum) réglés sur la gravité de Deimos. Ces robots seront commandés par l’équipage humain qui les aura débarqués sur Deimos, depuis la station rotative ancrée Deimos-II. On aura une dizaine d’années après la mise en rotation de Deimos-II (et avant que la station commence à fatiguer) pour faire l’opération : apporter ces robots, réaliser la construction d’Eagle One et la libérer dans l’espace. Mais bien sûr, on commencera au plus tôt. Les robots téléopérés prélèveront le régolithe par ponction sous une bâche empêchant sa diffusion, au moyen d’une vis sans fin tournant dans un carter allant jusqu’à un sac ne laissant passer que l’arrivée du tuyau du carter. Les sacs auront chacun une capacité de 500 kg (il faut qu’ils soient portables par les robots et pour ce faire, que leur volume soit proportionnel et que l’inertie de leur masse ne soit pas trop puissante). On déplacera le site de ponction aussi souvent que nécessaire. Ça donnera des sacs d’environ 0,37 × 0,37 m de section et de 2 m de long, déformables (pour qu’ils puissent s’adapter au tassement résultant de la mise en rotation qui ne pourra intervenir qu’une fois que la station sera sur place, en orbite aréostationnaire) soit environ 105 400 sacs pour toute la coque de blindage (~2 050 par module de 10 m). Avec une hypothèse de productivité de 0,5 à 2 t/h par robot, on pourra positionner tous les sacs dans la coque durant les 18 mois qui iront jusqu’à la fin de la période synodique imposant le retour sur Terre, période qui aura commencé avec la livraison des robots et des sacs. NB : pour le chargement, la paroi extérieure de la coque s’ouvrira sur charnière située au plus bas vers le sol, comme un livre. Si on veut une marge de sécurité importante (et raisonnable) on peut prévoir 20 robots au lieu de 10 et on peut aussi demander à l’équipage de rester 26 mois de plus sur Deimos dans la station rotative ancrée (mais ils n’en seraient peut-être pas très heureux !).

Ensuite il faudra libérer la nouvelle station, Eagle-One, du sol de Deimos. Je vous en parlerai la semaine prochaine, avec les particularités de la construction compte tenu de l’environnement très particulier..

Deimos est donc la plateforme de montage idéale de ces stations rotatives. Si Deimos n’était pas là, on en aurait rêvé. En tout cas, après une première station on en construira une deuxième et ainsi de suite avec des modules standardisés et une routine rodée, toujours en utilisant le régolithe de Deimos. Les Terriens qui voudront venir travailler sur Mars, que ce soit pour extraire et raffiner des matières premières rares (par exemple les « terres rares » contrôlées par la Chine) ou pour la Science (on n’a pas fini d’étudier Mars), pourront venir sans problème, séjourner dans une station de l’orbite aréostationnaire. La plupart n’y resteront que 18 mois (en comptant quelques excursions au sol au moyen de navettes légères). D’autres, plus longtemps, parce qu’ils s’y trouveront bien et/ou parce qu’ils auront rencontré l’âme sœur, dans cette station, dans une autre ou sur le sol de Mars.

Illustration de titre: vue de Deimos passant dans le ciel de Mars. Photo prise par la caméra du rover Perseverance en 2025. La lune Deimos apparaît toute petite parce qu’elle l’est (15 km dans la plus grande dimension) et parce qu’elle est relativement loin sans être trop loin (20.000 km). Et c’est pour cela qu’elle est intéressante.

Copyright texte, Pierre Brisson 

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