Des matelas d’hydrogène pour protéger les jardins et culture de l’habitat martien
Il y a longtemps (en 2006), j’ai fait réaliser par l’illustrateur Philippe Bouchet (‘Manchu’), l’image d’un habitat que j’avais imaginé et appelé ‘le terrier de lapins’ (‘The Rabbit Hole’) en référence à un livre de science-fiction fameux (pour ceux qui aiment le genre), ‘L’envol de Mars’ (‘Moving Mars’), de Gregg Bear (1993). Le volume de cet habitat (un disque) était défini par une tranchée circulaire de 25 mètres de diamètre qui serait creusée dans le sol de Mars avec un tunnelier* (importé de la Terre! Voir ci-dessous). A partir de cette tranchée, on creuserait horizontalement avec le même tunnelier, plusieurs galeries, à distance de 5 ou 6 mètres l’une de l’autre. Elles traverseraient diamétralement le disque, d’un bord à l’autre. Le régolithe et la roche creusés seraient rejetés au-dessus du disque et compactés (éventuellement avec un peu d’eau pour les solidariser et les durcir en ‘duricrete’) de telle sorte que la protection (le plafond) soit d’une épaisseur de quelques 2 mètres (1 mètre au-dessus du niveau du sol environnant compte tenu de l’apport de régolithe et roches sur le disque) qui est considérée comme nécessaire pour que l’intensité des radiations spatiales soit ramenée au niveau de ce que l’on reçoit à l’altitude du niveau de la mer sur Terre. L’habitat serait formé par les galeries, et leur intersection permettrait de créer une grande salle centrale (avec des étais pour tenir le plafond !). A mi-chemin entre la salle centrale et la périphérie, on creuserait un tunnel circulaire permettant de segmenter les galeries, de créer des rotondes aux intersections et de desservir les espaces viabilisés de part et d’autre. Les ouvertures des galleries sur la tranchée seraient vitrées (verre laminé, d’une épaisseur suffisante pour ‘tenir’ la pression, soit environ 3 cm pour une pression atmosphérique de 0,5 bar dont 42% d’oxygène). La tranchée elle-même, qui devrait faire 6 mètres de large et 4 mètres de profondeur par rapport au sol de Mars, serait également fermée par un toit transparent en verre (bombé en semi-cylindre pour, là encore, tenir la pression). Ce toit serait constitué de multiples triangles de verre laminé tenus par des poutres en fer (comme l’enveloppe d’une sphère géodésique). L’ensemble de l’habitat et du jardin serait viabilisé (étanchéification, isolation des sols et parois, recyclage et conditionnement de l’air par chauffage et humidification, circulation des fluides, électrification, connexion avec le réseau de communication). Et bien sûr le jardin serait segmenté en différents volumes (précaution phytosanitaire et sécurité ‘mécanique’ en cas d’impact).
*C’est probablement pour disposer de tunneliers pour pouvoir forer des habitats dans les falaises de Mars, qu’Elon Musk a créé sa société californienne, ‘The Boring Company’ (voir lien ci-dessous).
L’avantage des deux mètres de plafond, serait de préserver l’habitat des radiations. Le ‘toit’ pourrait être équipé de panneaux solaires orientables (il y aurait, plus loin, deux réacteurs nucléaires*) et d’un complément à l’installation interne de renouvellement de l’air (évacuation du CO2, réalimentation en oxygène provenant d’une unité de Sabatier externe, et réalimentation en azote par sélection et concentration de ce gaz contenu dans l’atmosphère martienne). Il y aurait aussi un mât pour prises de vues circulaires de l’environnement extérieur (les antennes de télécommunications seraient à l’extérieur du disque). La tranchée, dont le sol serait en légère pente à partir du niveau du sol martien, pourrait servir de surface horticole, après qu’on se soit débarrassé des sels de perchlorates, qu’on ait isolé une couche de régolithe d’une trentaine de cm d’épaisseur (protection planétaire !) et qu’on ait enrichi ce régolithe des éléments chimiques et nutriments nécessaires ; à moins qu’on se limite strictement à l’hydroponie en raison de la rareté de l’eau et des nutriments. De toute façon cet espace serait visuellement un ‘jardin’.
* deux réacteurs plutôt qu’un seul car ce sera la principale source d’énergie et sur Mars la redondance est capitale pour la sécurité.
Un seul problème m’ennuyait après avoir conçu cet habitat, c’était l’absence de protection du toit transparent du jardin contre les impacts des micrométéorites et les radiations (au moins solaires). Je pense aujourd’hui avoir trouvé la solution, et elle provient de ce que j’ai appris en supervisant pendant 4 ans les travaux d’étudiants travaillant à l’EPFL pour leur Master en ingénierie, sur la faisabilité d’un vol de dirigeable dans l’atmosphère martienne. La voici :
Il faudrait installer au-dessus (2,5 mètres ?) du sommet de la courbure du toit du jardin, un dais circulaire translucide, constitué d’un ‘matelas’ protecteur (40 cm d’épaisseur ?), au profil aérodynamique (des deux côtés, extérieur et intérieur), parallèle au sol, tenu par des paires de pylônes (reposant l’un sur le disque-toiture de l’habitat et l’autre sur le bord extérieur de la tranchée du jardin, à intervalles réguliers – tous les 5 mètres ?).
La difficulté est de trouver l’isolant approprié entre le gaz gonflant le matelas et l’atmosphère et qu’il ne soit pas d’une masse prohibitive. Le gaz gonflant doit être l’hydrogène puisque c’est l’élément chimique le plus léger de l’Univers (et donc le seul qui puisse permettre à une enveloppe de flotter dans l’atmosphère ténue de CO2 par application de la force d’Archimède). On pourrait l’obtenir à partir des gisements de glace d’eau, nombreux en surface. Un seul problème, c’est que la molécule d’hydrogène étant la plus petite qui existe, il est difficile de la contenir dans quelque matériau que ce soit. Il y aura donc des fuites et des pertes. Dans l’étude de faisabilité du dirigeable, les étudiants qui s’y sont appliqués, ont identifié les matériaux pouvant contenir le mieux l’hydrogène. Il s’agit du Mylar pour l’étanchéité et du ‘Dyneema Composite Fabric’ (Dyneema) pour la résistance aux déchirures. Le Mylar, film de polyester résistant et durable, est un type de PET (polyéthylène téréphtalate étiré). Le Dyneema est un film obtenu à partir d’une fine feuille de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (UHMWPE) laminée entre deux feuilles de polyester. Il est moins durable (10 à 20 ans) que le Mylar. Les deux matériaux sont ultra légers.
Utiliser l’hydrogène pour le matelas, comme dans le ballon du dirigeable, aurait deux objets. D’abord, une fois le matelas gonflé, l’hydrogène le maintiendrait au-dessus du jardin sans effort, du fait de son poids très léger (d’autant que la gravité martienne n’est que de 0,38g). Selon l’heure de la journée et la saison, la masse d’hydrogène chauffée et dilatée pourrait même être portante pour l’ensemble du matelas compte tenu du faible poids moléculaire de l’hydrogène par rapport à celui du CO2. Ensuite, l’hydrogène agirait aussi comme bouclier contre les radiations solaires (protons d’hydrogène contre protons solaires). Petit problème : il faudra regonfler le matelas de temps en temps pour compenser les pertes d’hydrogène.
L’intérêt de ne pas coller le matelas au toit du jardin serait de permettre une meilleure luminosité à l’intérieur (le Dyneema n’est pas transparent sans être totalement opaque) tout en donnant une meilleure protection contre les radiations lorsque le soleil est au zénith (moment ou ces radiations sont le moins filtrées par l’atmosphère)*, de diffuser un peu les différents impacts qui pourraient affecter le matelas avant qu’il ne touchent le toit, de permettre le passage de la surface extérieure de Mars à la surface supérieure du disque de l’habitat (panneaux solaires, etc), de faciliter l’entretien du matelas et du toit (sur Mars, tout volume et toute surface devra être accessible au maximum, pour l’entretien), et d’offrir moins de résistance au vent (avantage accentué par le profilage aérodynamique).
*On peut envisager de pouvoir incliner le matelas (comme un store) pour les heures où le Soleil est le plus haut en suivant l’évolution dans l’année.
Donc, l’enveloppe contenant le gaz serait en Mylar (matériau le plus léger et le plus étanche existant) et le dessus du matelas serait revêtu d’un film de Dyneema (matériaux le plus léger et le plus résistant existant). La combinaison des deux est incontournable car le Mylar est fragile et le Dyneema n’est pas assez étanche. Le Dyneema est particulièrement résistant, non seulement aux déchirures comme dit ci-dessus mais aussi aux impacts et il protège également des UV. C’est exactement ce qu’il faut pour stopper les micrométéorites, les radiations solaires et les UVC (les plus durs). La masse serait portée et surtout maintenue stable, au-dessus du jardin par des poutres en ‘tensairity’ (Sté Airlight) gonflées à l’atmosphère martienne comprimée pour atteindre la pression donc la résistance suffisantes. Ces poutres seraient dressées verticalement (les pylônes porteurs mentionnés ci-dessus) et transversalement d’un pylône à l’autre pour retenir ou soutenir le matelas d’hydrogène et ses enveloppes. Elles seraient fixées à la couverture de Dyneema du matelas par des crochets. La nuit et, dans une moindre mesure, lors de l’hiver austral (période pendant laquelle la pression atmosphérique martienne baisse fortement) le volume d’hydrogène se contracterait, sa masse se densifierait, l’épaisseur du matelas diminuerait mais son poids, s’il pourrait ne plus être négatif, ne serait jamais trop lourd pour les poutres porteuses.
Pour éviter les conséquences graves que pourrait avoir la perforation pour l’ensemble du matelas s’il était constitué d’un petit nombre de volumes, il faudrait au contraire que ces volumes soient nombreux et non connectés l’un à l’autre, pour qu’ils puissent être aisément remplacés. Par ailleurs, il devra y avoir un entretien et une surveillance. Ceci pourra se faire par caméras et moyens robotiques mais il faudra aussi pouvoir accéder aux différentes surfaces et volumes et on devra donc disposer des échelles contre les différents pylônes du côté extérieur au jardin (accès plus facile, même si un petit pont permettra de passer au-dessus du toit du jardin).
Enfin la couche de Dyneema supérieure sera revêtue d’un répulsif de poussière car il ne faudra pas alourdir le dispositif et il faudra penser à maintenir le maximum de translucidité de l’ensemble.
Ainsi, des cultures horticoles pourront être pratiquées en périphérie de l’habitat. Bien sûr les 216 m2 de surface (anneau de 6 mètres de large) ne permettraient pas de nourrir plus de 4 personnes (hypothèse 54 m2 par personne formulée par les ingénieurs d’Interstellar Lab pour leur serres ‘Biopod’) et ne remplaceront pas plusieurs biopods (six ?) qui pourront être disposés tout autour du cercle de l’habitat. Mais ce jardin serait l’endroit où faire pousser les plantes les plus précieuses (semences de chacune des espèces cultivées* et plantes médicinales ?) pour la vie des habitants. Ce serait aussi un complément coloré au paysage et il serait de ce fait, très utile. Une cour anglaise avec des plantes est plus agréable à regarder que si elle est totalement minérale, et sur Mars les humains auront psychologiquement besoin de couleurs. Comme partout, il faudra penser à segmenter les volumes, en isolant un cultivar de l’autre afin d’éviter la diffusion des maladies phytosanitaires (phyto-bactéries, phytovirus, champignons…). J’oubliais de vous dire que pour capter un maximum de lumière dans cette tranchée-jardin, les parois verticales seront revêtues de films réfléchissant la lumière et qu’à l’intérieur de l’habitat, des écrans de télévision (connectés pour la prise d’images fixe avec le mât situé sur le toit) transmettront un peu partout le paysage extérieur comme le ferait des fenêtres au-dessus du sol. NB: Pour éclairer le jardin on pourrait aussi capter la lumière naturelle extérieure avec des lentilles de Fresnel et la transmettre par fibres optiques dans le jardin (Société Echy – voir lien ci-dessous).
Prêt à partir ?
*S’il s’avère que les plantes ne peuvent supporter les HZE (éléments à numéro atomique élevé) des GCR (radiations cosmiques non solaires) reçus en surface de Mars, il faudrait cultiver ses semences dans un habitat souterrain avec éclairage artificiel (ou cheminement de la lumière par un jeu de miroirs filtrants.
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Illustration de titre : Le ‘Terrier de Lapins’, image réalisée par Philippe Bouchet sur mes instructions. A l’époque (2006) je n’avais pas pensé au matelas de protection antiradiations et antichocs…ni à l’entourage de la couronne de Biopods, ni à l’évacuation d’air vicié ou à la pose du mât pour capter et transmettre à l’intérieur les vues de l’extérieur ! L’habitat de 25 m de diamètre hors jardin (490m2 au sol) pourrait loger une quinzaine de personnes.
Ci-dessous, image d’un biopod (10 mètres de long) : Il peut bien sûr y en avoir de différentes tailles mais, compte tenu du différentiel de pression entre intérieur et extérieur, il est probable que cette coquille n’aura jamais plus de 12 mètres de long et 8 mètres de large. Cela donne 80 m2 utiles au sol mais il ne faut pas oublier que le biopod peut avoir plusieurs niveaux de cultures superposés (avec trois niveaux on aurait 212 m2). Cela permettrait, en installant 6 biopods en plus du jardin, de nourrir une vingtaine de personnes en mode végane (voir mon article de blog du 26 juin 2021). On peut concevoir de surmonter ces biopods d’un matelas d’hydrogène, comme pour le jardin. Vous noterez que les 6 biopods et le jardin pourraient nourrir plus de personnes que le nombre de résidents dans l’habitat. La raison est qu’il faut toujours une marge de sécurité. Par ailleurs, la cuisine végane pourrait être agrémentée de protéines animales (poissons, crevettes) ou d’algues (spirulines), les ‘sources’ étant élevées dans des aquariums ou dans des bacs dans les biopods. J’oubliais de dire que l’accès à chacun des biopods pourrait se faire par des tunnels/escaliers partant du sol du jardin. Comme vous voyez, tout est prévu !
Liens :
Tensairity : https://fr.wikipedia.org/wiki/Tensairity
Dyneema : https://www.dyneema.com/
Mylar: https://www.universalis.fr/encyclopedie/mylar/
The Boring Cy : https://www.boringcompany.com/
Société Echy: https://www.quelleenergie.fr/magazine/echy-entreprise-innovante-solutions-eclairage
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6 réponses
Bonjour Pierre Brisson
Super interressant. Faut faire attention au polyethylene qui est decompose par les uv si je me souviens bien: je ne me rappelle plus tres bien je crois qu il faut utiliser du polyethylene reticule…a verifier.
Dans l ensemble ce sont de telles choses que nous allons installer sur MARS:c est juste une question de temps!
Pout l instant je surveille STARSHIP …C EST LE PREMIER MAILLON!
et j essaie d imaginer le futur Vaisseau spatial « navette Terre/Mars » en mesure de regler les problemes dont nous avons beaucoup cause lors de mois passes.
Pour la ‘navette’ Terre/Mars/Terre, lire mon article du 2 Novembre 2024. Le concept de ‘cycler’ de Buzz Aldrin est le meilleur!
Comme dis sur LinkedIn, passer par des phases de prototypes pour valider les différentes technologies ensembles (matériaux
X, gaz, comportement aux UV, rayons solaires, micrometeorites,…) sur lSS pourraient être une 1ere étapes, si pas ISS essayer avec les chinois !
Bien sûr, l’ISS pourrait servir de laboratoire pour tester l’efficacité (surtout la densité la plus adéquate) de l’hydrogène pour faire bouclier aux protons des SeP – Solar energetic Particles).
Cependant tout le dispositif du ‘matelas’ devra être calculé sur Terre pour la flotabilité et expérimenté sur Mars pour la résistance aux impacts et aux radiations.
En effet ce n’est que sur Mars qu’on aura en plus des protons de SeP, les données relatives à la fréquence des micrométéorites et à la densité des UVC. La surface de Mars doit recevoir beaucoup plus de micrométéorites que la surface de la Terre en raison de la proximité de la Ceinture d’astéroïdes (mais moins que la Terre, toute chose égales par ailleurs, en raison d’une force d’attraction gravitaire plus faible). Par ailleurs, l’intensité du rayonnement du Soleil plus faible devrait apporter moins d’UVC.
Je crains que la densité du dihydrogène gazeux, H2, dans ces matelas de Mylar et de Dyneema de 40 cm d’épaisseur, même sous une pression de 1 atm, soit beaucoup trop faible (tout juste 0,090 kg/m3) pour constituer une couche protectrice suffisante. Une couche d’eau (1000 kg/m3) de bien moindre épaisseur serait déjà infiniment plus efficace. Même dans les cylindres commerciaux sous 200 atm, la densité de H2 n’est que de 15 kg/m3, de 23 kg/m3 sous 350 atm, de 38 kg/m3 sous 700 atm et à peine de 71 kg/m3 pour le H2 liquide.
Quel dommage! Cependant l’avantage du matelas d’hydrogène pourrait au moins être de porter la couverture de Dyneema qui permettrait d’éviter les micrométéorites d’endommager le toit de verre et de filtrer les UVC. Quant à l’hydrogène il permettrait quand même d’améliorer un peu la protection atmosphérique naturelle. L’efficacité dépend aussi de l’intensité du rayonnement solaire (irradiance) qui est beaucoup moins puissante à la distance de Mars qu’à la distance de la Terre.
Alternativement, on pourrait avoir une couche de glace d’eau, mince (15 cm) pour qu’elle ne soit pas trop lourde, dans la partie basse du matelas (le sommier en quelque sorte!) qui serait portée ou allégée par une couche supérieure d’hydrogène aussi dense que possible, à l’intérieur de l’enveloppe de Mylar (toujours couverte de Dyneema). Le poids de la glace aurait aussi l’intérêt de stabiliser le matelas.