Je renvoie cet article publié le Samedi 31 janvier à mes lecteurs car il semble que les accents et autres signes propres à la langue française, n’ont pas été reconnus par le logiciel d’édition. J’espère que cette fois-ci le texte sera lisible.
Radiations, « worst case » d’une station spatiale rotative située au point de Lagrange L1 du système Terre-Lune.
Nous allons considérer la station au cours de son évolution sur orbites, les rayonnements dont elle profite et qu’elle subit. Il faut à la fois recevoir le maximum de Soleil sur les panneaux solaires (énergie) et le minimum sur l’habitat (protons solaires, ‘SeP’ et radiations ‘GCR’ plus complexes) tout en évacuant la chaleur excessive. Voyons la collecte d’énergie puis la protection qu’il convient d’avoir contre la chaleur et ensuite contre les radiations. NB : (1) orbites est écrit avec un ‘s’ car il y a deux orbites à prendre en considération : une orbite ‘active’ au plus proche de la Lune (L1) et une orbite ‘passive’ en compagnie de la Lune dans son parcours autour de la Terre ; (2) les SeP sont les ‘Solar Energetic Particles’, les GCR sont les Galactic Cosmic Rays. Contrairement aux SeP, les GCR sont omnidirectionnelles et constants. Les premiers sont quasi exclusivement des protons. Parmi les GCR, 2% sont des HZE (High, Z – atomic number – Energy). Ce sont des noyaux d’atomes dont le numéro atomique est supérieur à celui de l’hélium, qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. Je vous présente aujourd’hui le ‘worst case’, la semaine prochaine, le ‘best case’.
1. La collecte d’énergie.
La collecte d’énergie par la station sera assurée par un disque plat, en anneau, d’une taille un peu supérieure au diamètre du tore (6m), soit 4107 m2 (circonférence du tore de 703m), couvert de panneaux solaires et fixé au tore. Ce disque aura pour objet (1) de capter le maximum d’énergie avec un minimum d’interruptions par éclipses et (2) de protéger le tore et ses habitants. NB : pour rappel, les 703m résultent d’une distance au centre de 112m nécessaires pour avoir un gradient de gravité tête-pieds de <2% dans le tore (pour une personne de 180 cm), en conséquence d’un nombre de tours par minutes de 2.
Je rappelle mon choix d’orbite active. Il s’agit d’une orbite en halo autour du point L1 du système Terre Lune. NB : Les orbites en halo sont considérées plus stables que les autres orbites de Lissajous et avoir une meilleure prédictibilité sur le long terme. Par ailleurs, puisque le point L1 va suivre la Lune autour de la Terre (orbite passive) il y aura aussi de ce fait une évolution constante de l’angle d’éclairage du Soleil !
Pour collecter le maximum d’énergie, il faut que l’axe de la station (orthogonale au plan du tore) pointe constamment vers le Soleil. Cela requière un pilotage très fin impliquant des ajustements constants de son orientation donc de son attitude. On pourra le faire avec des actionneurs gyroscopiques, des roues de réaction, et bien entendu une propulsion.
Pour mieux comprendre cette difficulté, je dois dire quelques mots sur l’orbite de halo. Il ne s’agit pas d’un simple cercle perpendiculaire, mais d’une trajectoire 3D complexe (en forme de haricot) avec des variations de distance non négligeables, à la Lune comme à la Terre. Sur la trajectoire choisie, centrée sur l’axe Terre-Lune avec un rayon de 25.000 km, la distance de la station atteindra 33.000 km à 83.000 de la Lune et 301.000 à 350.000 km à la Terre.
L’estimation du besoin d’ajustements de la trajectoire est de 5-10 m/s/an de Δv. Heureusement le besoin en propergol pour ces ajustements sera très faible. Le xénon sera choisi pour sa stabilité et sa facilité de conservation (on peut stocker 50 kg dans des cylindres de 50cm x 50cm). Pour une masse de la station de 7880 tonnes, il faudra 200kg de xénon. On aura besoin d’électricité (500-850 kW y compris pour le fonctionnement et la vie dans la station) mais on en aura en abondance grâce à la surface de panneaux solaires (les 4107 m2 pourront fournir environ 1,6 MW avec une hypothèse de rendement des panneaux de 30%).
2. La protection contre la chaleur du Soleil
A la distance du Soleil à laquelle évolue le système Terre-Lune, l’irradiance moyenne est de 1360 W/m2. Cette irradiance en continue sera évidemment très positive pour l’apport en énergie (comme déjà dit, puissance estimée de 1,6 MW). Mais sans atmosphère pour dissiper la chaleur, elle serait catastrophique si ses effets thermiques n’étaient pas gérés. Il faut donc protéger le tore, les tubes radiaux et la tête de l’axe central par une surface réfléchissante par des couches de matériaux isolants, et évacuer la chaleur résiduelle
Heureusement le disque annulaire proposé pour collecter l’énergie solaire pourra aussi servir pour la protection thermique du tore. Mais il faudra le compléter et le faire sur trois niveaux. Le premier niveau sera, sous le disque et jusqu’au tore, un isolant d’une trentaine de cm, constitué par deux composants : sur 2 à 4 cm, 15 à 30 couches de films aluminisés (Mylar/Kapton) séparés par des espaceurs (‘MLI’ pour ‘Multi-Layer Insulation’) ; sur 25 cm une couche de polyéthylène haute densité enrichi en hydrogène (ci-après nommé ‘polypropylène’). En dessous de l’isolant, un gap de 5 à 10 cm pour placer une tuyauterie permettant d’évacuer la chaleur résiduelle jusqu’à des radiateurs placés sous les tubes radiaux. Ces radiateurs seront des panneaux à tubes d’ammoniac ou de propylène glycol.
Pour les tubes, on placera au-dessus de chacun d’eux une plaque réflectrice, en aluminium ou composite, de 112 mètres de long par 6 mètres de larges, avec en dessous le même dispositif isolant que pour le tore (MLI, polyéthylène, gap permettant le passage d’une tuyauterie de liquide caloporteur évacuant la chaleur résiduelle vers des radiateurs. Comme il n’y aura pas de panneau solaire au-dessus des tubes ou de l’axe (inutile), la surface des plaques sera enduite d’un coating de ‘Z93’. Ce produit en couche très mince, utilisé sur l’ISS, a une réflectivité ~82-86%. Il est aussi très émissif (~92%), c’est-à-dire qu’il rayonne très efficacement la chaleur interne (infrarouge) vers l’espace. Les radiateurs, placés sous les tubes radiaux (à l’abri du rayonnement solaire), auront une surface de 350 à 400 m2.
Pour le ‘chapeau’ de l’axe central, un bouclier thermique actif sera préférable. Il comprendra un disque réflecteur, en aluminium ou composite, d’une surface de 10 m de diamètre (pour protéger les divers modules situés en dessous), soit 314 m2. Il y aura un MLI de 20-40 couches derrière le réflecteur, et bien sûr une couche de 25 cm de polypropylène. En dessous, on ménagera comme pour les tubes radiaux, un autre ‘gap’ ventilé de 5-10 cm où circulera un fluide caloporteur en circuit fermé, afin d’évacuer la chaleur résiduelle vers d’autres radiateurs latéraux (100 à 150 m2).
A noter que la pression radiative solaire sur la surface considérée (les 4107 m2 du disque protégeant le tore et les 314 m2 du chapeau protégeant l’axe central) sera assez faible (corrigeable facilement par le dispositif de propulsion).
3. La protection contre les radiations (SeP et GCR) :
Au-delà de la protection thermique, la station doit aussi protéger ses occupants contre les radiations spatiales, principalement SeP, et limiter le temps d’exposition aux HZE des GCR.
Les couches de polyéthylène déjà prévues dans la protection thermique du tore et des tubes radiaux jouent un rôle crucial dans cette protection. L’épaisseur déjà mentionnée de 25 cm et l’orientation constante de l’axe de la station vers le Soleil permettront de réduire la dose de radiations des SeP de 85%. L’eau (concept de ‘water wall’) peut aussi être utilisée et sera même légèrement plus efficace (densité en hydrogène supérieure). Il faudra les deux (l’eau est plus massive) car la même épaisseur de polypropylène et d’eau étendue tout autour du tore sera également active contre les GCR omnidirectionnels. Malheureusement l’effet contre ceux-ci sera beaucoup plus faible (réduction de 12 à 18%). Il faut bien reconnaître que contre les GCR surtout les HZE, les effets du blindage passif reste très limités. Mais ce sera ‘mieux que rien’. Si nous insistions pour une atténuation significative, plusieurs mètres de matériau seraient nécessaires ce qui serait totalement prohibitif en termes de masse. A noter que la couche de polypropylène peut être placée à l’extérieur des modules, ce qui permettra de dégager du volume à l’intérieur (bien entendu l’eau doit être à l’intérieur).
Les réservoirs d’eau couvriraient non seulement les parois du tore mais aussi celles des modules Bigelow. L’eau aura un triple usage : support-vie (recyclable), blindage anti-radiations, et masse pour la régulation de la chaleur. Elle serait bien sûr compartimentée (par module) afin d’en faciliter la gestion.
Storm shelter :
Malgré ces protections, les éruptions solaires majeures (événements relativement rares et dangereux mais prévisibles 12-48h à l’avance) peuvent générer des flux de protons ultra nocifs du fait de leur densité. Il est donc indispensable de prévoir un ‘storm shelter’ (module refuge) fortement blindé.
Ce refuge sera situé dans l’axe central de la station, à proximité de la sphère carrefour. Il s’agira d’un cylindre de 5m de diamètre sur 10m de long réparti en 3 volumes, avec sanitaires, (volume ‘net’ de ~150 m³, suffisant pour accueillir 30 personnes (chacun bénéficiant d’environ 5 m3) pendant quelques heures à quelques jours. Ses protections seront constituées de 65 cm d’eau à l’intérieur et de 35 cm de polypropylène (à l’extérieur). La masse totale serait de quelques 150 tonnes (dont 94,3 tonnes d’eau et 45,7 tonnes de polypropylène). Il offrira une protection quasi-totale contre les SeP (réduction de dose de 98-99%) et permettra de réduire l’effet des GCR de 35 à 45%. Il sera équipé de systèmes de support-vie autonomes (air, eau, nourriture d’urgence), de communications, et de dispositifs médicaux de base.
Monitoring des radiations :
La station sera équipée de détecteurs de radiations (dosimètres actifs et passifs) répartis dans tous les modules, ainsi que d’un système de connexion avec les réseaux d’alerte solaire terrestres (NOAA Space Weather, ESA Space Weather). En dehors des tempêtes solaires, il pourrait être utilisé pour abriter les personnes souffrant d’un excès d’irradiation.
Dose annuelle attendue :
Avec ces protections, la dose annuelle de radiations pour les occupants sera de l’ordre de 290 à 310 mSv/an, réduite à quelques dizaines de mSv lors des séjours dans le storm shelter pendant les éruptions solaires. Cette dose reste acceptable pour des séjours de quelques mois dans la station. NB : la dose ALARA recommandée par la NASA (risque de cancer accru de 3%) est de 250 mSv par mois, 500 mSv par an et (jusqu’en 2022) 1 à 4 Sv pour une carrière (selon l’âge et le sexe). Cette dernière limite a cependant été réduite en 2022 à 600 mSv quel que soit l’âge et le sexe (en vue des séjours dans l’espace profond où l’on considère que les radiations sont plus dures).
4. Personnel et exploitation par humanoïdes téléopérés :
La dose annuelle de radiations à bord de la station rend impossible l’emploi de personnel humain permanent. Les séjours courts ne gênent ni les touristes ni la plupart des scientifiques, mais posent problème pour la maintenance et l’exploitation continue.
La solution réside dans l’emploi d’humanoïdes robotiques téléopérés depuis la Terre (type Optimus de Tesla, Atlas de Boston Dynamics). Grâce à la faible distance Terre-L1 (326.000 km, soit environ 1 seconde-lumière), la latence de communication aller-retour n’est que de 2,2-2,4 secondes, ce qui permet un contrôle quasi-direct par des opérateurs terrestres. Ces derniers, installés dans un centre de contrôle sur Terre et travaillant en rotation 24/7, verront par les yeux des humanoïdes et piloteront leurs actions : maintenance de routine, inspections, réparations, manipulation de fret, assistance aux visiteurs humains, et même sorties extravéhiculaires (EVA).
Un parc de 10-20 humanoïdes permanents à bord serait adéquat. On pourrait avoir cinq dépôts d’humanoïdes, le principal dans l’axe central mais également quatre dans le tore (modules Bigelow) chacun à proximité d’un tube radial, car on peut avoir besoin de réglages en gravité des robots et d’une intervention d’urgence. Le coût d’exploitation sera considérablement réduit : pas de transport récurrent de personnel, pas de support-vie étendu, salaires terrestres pour les opérateurs. Cette configuration permettra aussi d’avoir en permanence l’expertise des meilleurs techniciens terrestres disponible à bord, sans les contraintes et risques des vols habités répétés.
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Un ‘bémol’ intéressant sur la quantité d’énergie, résulte de la réflexion de la lumière du Soleil par la Lune, i.e. son ‘albedo’ :
La station réfléchira la lumière de la Lune de façon variable en fonction de l’évolution de sa position autour de la Terre au cours du mois lunaire et en fonction de l’évolution de sa position sur son orbite en halo autour de L1. Cette réflexion n’est pas tout à fait négligeable compte tenu de la taille perçue du disque lunaire en L1 en raison de sa proximité. Ce disque sera beaucoup plus gros que vu de la Terre (23 à 113 fois plus). Il en résultera une irradiance de 34 à 80 W/m2. Ce n’est pas grand-chose par rapport au 1360 W/m2 de l’irradiance solaire directe dans la région mais on doit quand même la considérer pour deux raisons. La première : cela éclairera des parois de la station qui autrement seraient toujours dans le noir (puisque l’axe pointera toujours vers le Soleil). La seconde : l’énergie reçue de cet albédo sera beaucoup plus variable que celle reçue directement du Soleil, selon la distance à la Lune. Il faudra donc gérer les fluctuations thermiques : (1) la taille des radiateurs devra les prendre en compte (déjà fait dans les 550m2 mentionnés) ; (2) un ‘coating’ à ‘émissivité sélective’ était déjà utile pour la surface exposée au Soleil mais il devient essentiel pour l’ensemble de la station. Ce sera comme plus haut, du Z93.
Problème :
Le problème dominant le projet, c’est la masse donc le nombre de vols et le temps nécessaires à le réaliser, donc le coût. Je rappelle la situation : L’enveloppe de polypropylène représente pour la totalité 1300 tonnes (25 cm uniformes). Pour l’eau c’est encore pire : pour le tore, les 15 cm représentent 1320 tonnes d’eau ; pour les tubes radiaux, 530 tonnes ; pour les 70 modules Bigelow, 670 tonnes ; pour l’axe central 310 tonnes ; pour la réserve support-vie 60 tonnes. Les panneaux au-dessus des tubes, le chapeau et le MLI ont une masse de 50 tonnes. On atteint ainsi 4980 tonnes. Cela correspond à 50 livraisons de starship, Je rappelle que la structure de la station représente déjà quelques 3000 tonnes. On aura donc en tout quelques 8000 tonnes ! C’est vraiment beaucoup.
Vous avez vu le ‘worst case scenario’. Mais Il y a une solution à ce problème, le redimensionnement de la station. Cela présenterait quelques inconvénients mais surtout de très gros avantages. Je vous dirai ce que j’ai en tête la semaine prochaine.
Illustration de titre: schéma réalisé avec claude.ai
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4 réponses
Bonjour Pierre Brisson
je crois bien que pour l instant c est la sonde IMAP qui se trouve au point L1 : elle a pour mission de « cartographier » l heliopause ce dont nous avions parle dans la passe.
Ne pas confondre le point L1 du système Soleil-Terre et celui du sytème Terre-Lune dont il s’agit ici !
Bonjour Christophe de Reyff
Bien sur vous avez completement raison: j etais plus dans la maniere par laquelle IMAP mesure les choses que dans son emplacement exact bien que celui ci soit important pour les prises de mesures
J’ai choisi le point de Lagrange L1 du système Terre Lune parce que la situation de ce point est tout à fait exceptionnelle. Du fait de la proximité de la Terre à la Lune, c’est le plus proche de tous les points de Lagrange. Par ailleurs il permet un accès facile aussi bien à la Lune qu’à la Terre tout en étant en apesanteur totale.