My favorite rotating Space station.
I keep unwinding my study on a rotating space station located at the L1 Lagrange point of the Earth-Moon system. After the worst-case scenario presented last week, today I present the solution that seems to me the most realistic and livable even though not the best in every respect.
The objectives I’ve chosen are as follows: (1) To achieve a gravity of 0.5g at the floor of the torus, in order not to stray too far from Earth’s gravity and thus keep our physiological functions. (2) For the gravity gradient between the head and feet, to keep it as low as possible, below 3%. (3) For the Coriolis force, to keep it as low as possible, below 20% to minimize verticality disturbances resulting from the rotation speed. (4) To limit the total mass of the station, and therefore its dimensions, whilst ensuring the best possible living comfort and radiation protection, since all the necessary components for assembly will need to be brought to the station, and also to keep the cost as small as possible (since the more mass, the higher the cost).
The proposal (which I make with the help of the AI claude.ai for computation) is as follows: (1) torus’s rotation speed 2.73 rpm, and (2) distance between the torus and the axis of rotation 60 meters. These two choices have consequences that result in an acceptable station. Here they are:
Torus’s ground gravity is 0.5g (basic assumption).
Head-to-foot gravity gradient, 3%, well below the unacceptable limits (10%).
Coriolis force, at 17.5%, below the maximum of 20% and manageable with an adaptation period of a few days.
Passage through the central sphere, between the moving part (torus and radial tubes) and the fixed part (central axis) via an airlock opening into the 150 cm diameter central tube, not hindered by the rotation speed.
Torus’s circumference (377 m) not unnecessarily large (703 m for the station with a radius of 112 m),
Radial tubes not unnecessarily long (60 m instead of 112 m).
NB: The Bigelow modules attached to the torus can accommodate about thirty people, which is much more manageable than 70 (currently the ISS hosts a maximum of 13 people).
The total mass, including thermal and radiation shielding, is much more reasonable: 5,940 tons for « my » station instead of 10,808 tons for the worst-case scenario described last week.
Of course, the size of my station could have been reduced even further while maintaining a gravity of 0.5g within the torus. But this would have quickly reached limits that would have made the station difficult to live in. Thus, with a torus-axis distance of 49 m and a rotation of 3 rpm, we would indeed have had a gravity of 0.5g and a total station mass of « only » 4911 tons, but the head-to-toe gravity gradient would have been 3.67% and the Coriolis force 19.5%, very close (too close) to the 20% threshold where it is no longer acceptable.
My station, with a torus distance of 60 m and a rotation of 2.73 rpm, seems therefore to be a good compromise. Let’s look at the details to better appreciate it:
The structure’s mass would be 1607 tonnes with 2262 m² of solar panel surface area, which implies an energy capacity of 923 W/m² (with a 30% conversion rate). NB: during eclipses, we might need 600 kW. We could have about thirty Bigelow modules. This explains the maximum number of possible residents.
The mass of the radiation shielding would be 4,018 tons, comprising 2,052 tons of HDPE polyethylene and 1,966 tons of water.
An additional 154 tons would be required for the « systems » (thermal shielding, radiators, rotation system, propulsion and docking, electronics and power, life support and safety, including 15 humanoids); 150 tons for the storm shelter; and 6.5 tons for the MLI and the Z93 reflective coating. It should be noted that the mass of xenon used as propellant by the trajectory correction and attitude control engines would be 110 kg per year, almost half that required for the large station with a radius of 112 meters. Xenon, a stable gas, can be easily and safely stored in 50 kg containers 50 cm in diameter and 50 cm high.
The total mass of 5,940 tons for my station implies 60 Starship flights (assuming payloads of 100 tons), which is a lot, but significantly less than the 109 flights required for the large station.
Cost and revenue:
And all this, for the « modest » sum of some 25 billion dollars (claude.ai suggests 15 billion, but I prefer to be cautious), whereas the ISS cost 40 billion dollars. Why less?
(1) The Starship’s launch capacity (in mass and volume) is far greater than that of the Shuttle used for the ISS (100 tons instead of 16 tons per trip); the Starship launchers and spacecraft are reusable (the more launches, the less it costs). This will result in radically different launch costs (100 million for a Starship flight, versus 1.50 billion – present value – for a Shuttle flight).
(2) The duration and timeline for realizing the project should be much shorter. For the ISS, development took place from 1984 to 1998, and construction from 1998 to 2011, whereas my station, which uses existing technologies (largely developed for the ISS), could be developed in 3 to 5 years and completed in 5 to 6 years.
(3) It is expected that, given the international balance of power, the leadership for this new station will be more American than multinational (with non-Americans intervening as suppliers when needed), which would simplify management.
(4) Revenue will come from users. These will be either travelers (to or from deep space) or experimenters (experiments in reduced gravity or studies on radiation shielding). There will also be tourists. Tourism shouldn’t be overlooked, as it could generate significant income, thus reducing operating costs. Imagine admiring the Moon and Earth together in the sky at unusual sizes. Indeed, the Moon’s size will vary from 23 to 113 lunar disks (as seen from Earth), and Earth will appear much smaller than from the ISS (19 lunar disks) but still large enough to reveal more detail than from the Moon. As we saw last week, the issue of radiation cannot be neglected. However, station users will remain below the ALARA limits and will not stay there more than one or two months. Furthermore, their situation can be improved by wearing an AstroRad protective vest all day, designed and produced by the StemRad company. It’s also conceivable that this vest could be complemented by a helmet, made of the same material. Weight won’t be an issue since the personnel will be operating in the reduced gravity of 0.5g.
Let’s go!
Image: My favorite station, as worked out with claude.ai. Since the axis is pointing towards the Sun, the first modules under the axis cap receive little light but they are there!
Copyright Pierre Brisson
5 réponses
The Russians say they have a motor (plasma) that can reach Mars in one month!
https://sciencepost.fr/la-russie-affirme-avoir-cree-un-moteur-22-fois-plus-rapide-que-les-fusees-actuelles-pour-atteindre-mars-en-1-mois/
If it is true, if our body can deal with that, everything is changed?
Attendons de voir. Un des problèmes de VASIMR était la masse des générateurs électriques et la masse des radiateurs nécessaires.
Oui, il faut attendre et voir. Mais cela montre que la recherche est active sur ce type de moteur et encourage les autres pays à s’y atteler . (On ne sait pas ce que fait l’Europe à ce sujet). En outre, tout est question de faire le bon choix : où faire porter le maximum d’efforts, les moteurs classiques « chimiques » ou ceux à plasma.
C’est courageux de se lancer dans une estimation de cette station en rotation, ce que permet dorénavant l’usage d’IA ( même si elles sont encore en amélioration): bravo pour cet essai !👍
Juste des remarques à propos de ces stations:
– on pourrait peut-être se servir de leur rotation pour en « décoller » par le bord extérieur, l’effet de fronde donnant une vitesse à un vaisseau ou à des sondes.
– je pense sincèrement que leur utilisation, leur usage, devrait être plus réfléchit, plus élaboré, c’est dépenser beaucoup pour un usage qui semble surtout touristique.
Si c’est pour faire un prototype, une preuve de concept pour des tests, alors l’avoir à une altitude comme celle de l’iss, ce serait un bon début.
La créer loin de la Terre, si c’est un prototype serait-ce raisonnable ?
Je suppose que ce serait des starships avec des passagers qui viendraient accoster cette station, leur masse ne serait pas négligeable par rapport à celle de la station, et pourrait avoir des effets sur sa trajectoire, comme c’est craint pour la future L-Gateway ( station non rotative) -si elle est réalisée- et même la masse de l’alunisseur Blue Moon -45 t- pourrait créer quelques soucis s’il s’y fixe.
La station en rotation est une sorte de « toupie » et les conséquences de l’arrivée d’un gros vaisseau seraient à évaluer, ainsi que son départ.
Un « tour de Lune » en starship ne serait-il pas autant touristique qu’aller dans cette station ?
Et avec moins de risques car pas de transfert des passagers et pas de manoeuvres ?
Je ne critique pas de vouloir créer ces stations, c’est juste que leur utilité/usage un peu plus argumenté serait utile pour les justifier ?
Je trouve que pour la L-Gateway c’est le même problème du rapport (utilité et usage)/coût.
Un peu plus d’optimisation ne nuirait pas.
Je pense que de les mettre au point en orbite basse terrestre, et ensuite aux alentours de la Lune (avec plus d’usages envisagés) ce serait bien pour en avoir ensuite une autour de Mars, plus tard, et pour préparer de futurs vaisseaux habités en rotation.
Elles seraient de très bons laboratoires pour y tester plusieurs gravités artificielles entre 0 g et donc dans ce cas 0,5 g, sur des élevages de rongeurs par exemple et des végétaux, pour des comportements de matériaux et des équipements, de la chimie ⚗️, des essais de productions etc…
On trouve une liste de possibilités et d’usages sur ce lien (réalisé lors de certains de mes échanges avec Gemini):
https://g.co/gemini/share/ac312259c7c6
Liste non exhaustive puisque tout évolue sans cesse 😉
Oui c’est intéressant de voir ce qu’on peut faire avec l’IA. C’est un outil merveilleux même si l’on se rend vite compte que ce n’est pas une personne. Elle a des connaissances étonnantes mais elle n’a ni motivation (autre que mettre ses connaissances à disposition) ni bon sens. Pour ce qui est de vos différentes remarques, voici mes réponses :
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Utiliser la station pour décoller : Je pense que ça serait peu utile car la vitesse de rotation est trop faible pour apporter un avantage quelconque. Pour la station de 60 m (circonférence 377 m et rotation 2,73 tpm), cette vitesse est seulement de 61,7 km/h (soit 17,15 m/s). Par ailleurs, il y a, comme vous le mentionnez par ailleurs, un problème d’équilibre qui se pose à la périphérie. C’est pour cela que dans ‘ma’ station le module de docking se trouve à une extrémité de l’axe central (qui n’est pas en rotation).
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Tourisme : c’est un aspect non négligeable puisque ce serait une source de revenus. Mais ce ne serait pas le seul usage.
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Protection contre les radiations : l’étude pour l’amélioration de la protection anti-radiations pourrait être une des utilités et elle est absolument majeure puisque sans amélioration par rapport aux capacités actuelles, on ne pourra jamais vivre dans l’espace profond plus de quelques mois. De ce point de vue, l’ISS ou toute autre station placée sous les Ceintures de Van Allen ne sert à rien (ou ‘pas à grand-chose’).
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Déstabilisation : Les dockings sont des moments délicats. Mais ils se font à des vitesses quasi nulles, donc s’il y a de ce fait un déplacement très léger de la station, il pourra être corrigé.
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Vérification du vaisseau (type Starship) avant l’EDL sur Terre : je pense que le décollage de la Lune (ou de Mars) même s’il implique moins de stress que de la Terre, n’est pas nul et que donc un contrôle de la protection thermique avant le stress majeur que constitue l’EDL terrestre, ne serait pas inutile.
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Les partisans de la protection planétaire, seraient très heureux de pouvoir examiner les astronautes revenant de Mars pour s’assurer qu’ils peuvent revenir sur Terre.
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Passer une semaine (ou plus) en gravité 0,5g serait une étape très bienvenue pour les personnes venant de Mars ou ayant passé un long séjour sur la Lune, avant de retourner sur Terre.
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Tour de Lune : un tour de Lune en véhicule léger serait très facile à partir de L1 Terre-Lune. Ce pourrait être fait à partir de petits véhicules amarrés constamment à la station. Ces véhicules pourraient bénéficier d’une protection anti-radiations renforcée avec des matériaux lunaires et aurait besoin de très peu d’énergie (mais d’un bon navigateur !). Cela rejoint mon idée des 4 véhicules de secours amarrés autour du tore.
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Dans l’article que j’ai publié le 10 janvier 26, j’évoquais la possibilité de joindre deux tores au tore de gravité 0,5g : un tore restituant la gravité de la Lune 0,16g, et l’autre la gravité martienne, 0,38g. Pourquoi ne pas le faire dans cette station ? La vitesse de rotation de 2,73 tpm créerait un gradient de gravité tête pied un peu trop élevé et une force de Coriolis trop élevée. Par ailleurs, une rotation de 2 tpm impliquerait une taille de station trop grande, donc une masse trop importante. Mais on pourrait avoir dans la station de 60 m de rayon, un tore martien vers les 20 m, où l’on élèverait des petits animaux et où l’on ferait pousser des plantes basses (gradient de gravité faible). Les hommes continueraient à vivre dans le tore à 0,5g et interviendraient dans le tore martien via des Optimus réglés sur la gravité martienne.
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Merci, Patrick, pour ces commentaires qui m’ont permis de développer certains aspects de mon projet.