La « Station Mars II », étape charnière de notre progression vers Mars.
Où l’on voit que les lunes Phobos et Deimos peuvent être essentielles pour la construire
Nos progrès technologiques font que nous sommes engagés dans la conquête spatiale, même si certains de nos contemporains ne le veulent pas. Mars est dans l’objectif même si parfois la planète est sous éclipse. La première phase a été son exploration robotique. Elle n’est pas terminée. Mais la deuxième phase se profile, c’est son exploration par vols habités. Une troisième phase viendra, l’établissement permanent. On ne sait pas encore sous quelle forme puisque, comme on l’a vu dans ce blog, les conditions médicales pour une installation pérenne au sol ne sont peut-être pas réunies (et ne le seront peut-être jamais)*. Le choix se fera à l’issue (2035) de la première mission habitée qui pourrait partir en 2033 si le Starship est prêt à temps. Si l’impossibilité de vivre sur Mars au long terme se confirme, la seule possibilité qui nous restera sera de vivre à proximité (pour profiter de ses ressources), dans une station orbitale rotative. Elle devra être de mieux en mieux adaptée à la vie et de plus en plus agréable à vivre pour être attractive aux humains restés sur Terre.
*syndrome SANS (Spaceflight-Associated Neuro-Ocular Syndrome).
Point de départ
La première mission habitée sur Mars et l’expérience de vie dans la station rotative au point de Lagrange L1 du système Terre-Lune générant une gravité de 0,5g que j’ai proposée (« L1TL ») pour remplacer l’ISS, nous diront quelle gravité est indispensable pour vivre sur le long terme en dehors de la Terre. Si une gravité de 0,5g ou même de 0,7g est estimée suffisante (plutôt que 1g), ce serait une excellente nouvelle car cela permettrait de concevoir une station rotative proche de Mars, moins massive que pour 1g, dans laquelle le corps humain ne serait pas soumis à des conditions inacceptables (gravité ni trop forte pour ne pas souffrir d’un poids excessif, ni trop faible pour éviter le syndrome SANS). La localisation idéale serait l’orbite géostationnaire car elle permettrait l’action en surface sans time lag via des robots téléopérés, avec interventions humaines ponctuelles au sol.
NB : Le projet « Mars Base Camp » de Lockheed Martin est un peu dans le même esprit d’une base en orbite martienne. Cependant 1) son volume habitable est très limité, (2) il ne prévoit aucune rotation donc pas de gravité restituée et (3) sa protection anti-radiations est très faible. Pour ces raisons une base en surface de Mars lui serait encore préférable. Reste son transporteur « Mars Lander » qui pourrait être utilisé comme navette. A moins que l’on utilise simplement le Starship vaisseau.
Conception
La station que j’appellerais « Mars II » utiliserait exactement les mêmes éléments que la station L1TL, notamment, pour le tore, des segments de 10 mètres de longs et de 6,5 mètres de diamètre, pour les tubes radiaux, des segments de 10 mètres de long et de 4 mètres de diamètre. Comme la gravité retenue (prenons le « worst case » 0,7g) serait un peu supérieure à la gravité à l’intérieur de L1TL et qu’on ne voudra pas aggraver le gradient tête pieds ni les effets de la force de Coriolis, on augmentera plutôt le rayon du tore, en le faisant passer à 80 mètres. Cela impliquera deux conséquences importantes : (1) une masse globale supérieure, quelques 10.000 tonnes pour Mars II au lieu de 6000 tonnes pour L1TL ; (2) une courbure légèrement plus faible pour les segments du tore de Mars II que pour L1TL. La propulsion nécessaire pour les ajustements de vitesse de rotation, se fera à partir de chacun des quatre tubes radiaux à un point aussi proche que possible du tore (mais compte tenu bien entendu de la masse de l’ensemble).
Le principe de l’axe de rotation sera le même, fixe avec des éléments rotatifs, à la jonction des tubes radiaux et de part et d’autre de cette jonction, après les deux « storm shelters », pour tenir les haubans assurant la cohérence de la partie rotative de la station avec son axe. C’est aussi dans l’axe que se trouveront les modules, non rotatifs, pour les EVA, le docking et les télécommunications.
La coque du tore sera très massive. Pour la station L1TL, on aura enveloppé le tore de polyéthylène HDPE. La richesse en hydrogène en fait un bouclier très efficace mais quand même insuffisant pour de très longs séjours, deux cycles synodiques (18+26 mois) par exemple. Sur Mars, une bonne protection anti-radiations (de type régolithe) est obtenue à partir de 2 mètres. Par ailleurs il convient de se protéger des micrométéorites. Compte tenu de sa masse, elle sera fixe, comme la structure de l’axe central. Structure indépendante, elle sera maintenue en position par rapport au tore rotatif non par contact mécanique continu, mais par quelques points d’ancrage magnétique ou à gaz — des coussinets de gaz (air bearings) ou des paliers magnétiques localisés, espacés tous les 10 m par exemple, qui centreraient la coque sans la toucher vraiment. Les matières de protection seraient contenues dans des sacs et les sacs retenus par des filets en fibre de carbone. Elle disposerait aussi de quelques réacteurs à l’extérieur pour ajuster légèrement en cas de besoin son « immobilité » à celle de l’axe. Elle servira de support à toutes sortes d’équipements (des antennes, des panneaux solaires, des radiateurs thermiques, des capteurs, tout ce qui fonctionne mieux sans rotation). Un passage entre le blindage et le tore en rotation (1,80m) permettrait la surveillance et l’entretien par interventions robotiques ou humaines.
Elle ne serait pas totalement fermée mais laisserait une bande transparente ouverte vers l’axe de la station (plafond). Cette bande serait suffisamment large (90° ?) pour laisser passer l’ancrage des tubes radiaux et le haubanage de maintien de la solidarité de la station. Elle serait occupée par un tube circulaire rempli de la réserve d’eau consommable (ce qui aurait un double effet : laisser passer la lumière et faire écran aux radiations). NB : l’eau sale circulerait dans le plancher du tore et serait recyclée dans plusieurs compartiments dédiés du tore.
Apport des éléments constitutifs
Pour les éléments divers constitutifs de la station, il faut envisager non seulement des produits fabriqués dans les meilleures usines compte tenu de la précision et de la fiabilité requises, mais aussi les meilleurs matériaux, pour des raisons de masse et de sécurité. Ce sera de l’aluminium de qualité spatiale pour les modules cylindriques ou sphériques, du titane pour les joints, de l’acier ou des fibres de carbone pour les joints, du titane pour les roulements. Ces éléments ne pourront donc venir que de la Terre puisqu’aucune industrie n’aura pu encore se développer sur Mars.
Pour la coque anti-radiations et anti-météorites, on pourra et il faudra donc recourir aux matériaux bruts locaux. Parmi ceux-ci, le meilleur choix serait le sol de Phobos. On éviterait ainsi d’avoir à extraire des masses importantes d’un site à gravité élevée (le sol de la planète Mars). Les sacs de roches broyées et de poussière y seraient assemblés, conditionnés dans des volumes compatibles avec leur utilisation à l’intérieur de la coque.
Enfin, il ne faut pas oublier que l’eau est indispensable à la vie et cette eau en quantité importante ne pourra provenir que de la glace de Mars même si les Starships qui viendront de Terre pourront en apporter une certaine quantité. Une fois une base suffisante acquise, on pourra la recycler en la renouvelant de temps en temps par fractions.
Nous devrons donc apporter de la Terre, tous les éléments manufacturés, de Phobos les matières brutes, de Mars, l’eau.
Pour les livraisons venant de la Terre, ce ne sera pas un problème énergétique car ce qui compte dans une livraison à proximité de Mars depuis la Terre, c’est la sortie du puits de gravité terrestre. Une fois sorti de ce puits, un cargo va consommer très peu d’énergie pour son voyage (ce n’est pas comme une fusée habitée qui doit comporter un système de viabilisation). Le seul problème c’est les 26 mois séparant chaque fenêtre de lancements de puis la Terre. On pourrait se servir de Phobos comme destination des premières livraisons de la Terre et comme base de stockage, plutôt que de descendre sur la planète car la différence de gravité avec l’orbite géostationnaire serait plus faible et cela faciliterait les transports. Par ailleurs, Phobos est suffisamment grande pour être aménagée et servir de base de première destination. Un abri-antiradiations pourrait être creusé par moyens robotiques dans Phobos (pour les robots et les hommes qui les commanderont), avant le début de l’arrivée des premières livraisons.
La phase suivante sera l’envoi sur site et l’assemblage.
A partir de Phobos, on utilisera peut-être une rampe de lancements avec accélérateur électromagnétique comme l’imaginait Gerard O’Neil pour envoyer de la matière lunaire en L2 du système Terre / Lune. Une autre solution, « plus moderne » et peut-être plus adaptée serait de les acheminer sur le site de la station par des convoyeurs du type de ceux actuellement développés par Pave Space* (LYOBA), qui permettent de passer d’une orbite (terrestre) à une autre.
Une alternative qui n’exclut pas LYOBA, serait d’envoyer ces mêmes masses sur Deimos depuis Phobos, pour assemblage. L’intérêt serait d’avoir un point fixe matérialisé comme objectif, et d’une gravité non totalement nulle pour réunir les éléments en un même point, plus proche de l’orbite géostationnaire. Bémols : (1) Deimos est à 20.000 km de la surface de Mars alors que l’orbite géostationnaire est à 17.000 km. Cependant, pour des raisons gravitationnelles il est plus facile d’aller du plus loin au plus près que le contraire ; (2) Deimos est petit en taille (15x12x10 km) et à une masse très petite (1500 milliards de tonnes soit 1/7ème de celle de Phobos) donc son attractivité gravitationnelle est faible (306 μ g). Cette faible gravité est à la fois un inconvénient et un avantage : l’inconvénient est qu’il sera presque aussi difficile (mais quand même moins) d’y travailler que dans l’espace à la même distance, et maintenir les éléments envoyés de Phobos n’y sera pas très facile. L’avantage par rapport à Phobos est que cette même faiblesse de gravité facilitera la manipulation des masses et ensuite, l’éloignement de la structure de la station vers son point de destination final.
*Pave Space est la start-up dirigée par l’équipe du Gruyère Space Program, càd Julie Böhning et ses amis.
Evolution future, station Mars III
La station rotative suivante pourrait être un double tore en rotation à la distance idéale pour une gravité minimum (toujours les 0,7g ?) compte tenu d’un gradient tête pieds acceptable, une force de Coriolis acceptable et une masse minimum.
« double tore » veut dire deux tores identiques en diamètre, à même distance de l’axe centrale et tournant à la même vitesse. Leurs tubes radiaux seraient reliés à l’axe central avec un angle décalé de 45° du premier. Cela renforcerait la structure de l’ensemble. Les tores seraient reliés entre eux par huit tubes en quart de cercle partant d’un des tubes radiaux de chaque tore et allant jusqu’à la bande non occultée de l’autre tore (de même largeur que les tubes radiaux, càd 4m de diamètre), l’arc étant orienté vers l’intérieur de la station (l’axe central). L’avantage serait une meilleure solidarité de l’ensemble de la station, la possibilité de les utiliser pour placer les petits réacteurs assurant l’ajustement de la vitesse de rotation, accessoirement une segmentation des réserves d’eau en 8 compartiments (meilleure stabilité de la station). NB : la distance entre les réacteurs (environ 60 mètres dans le cas d’un tore de 80 m de rayon tournant à une vitesse de 2,80 tpm, qui est la référence la plus basse) serait supportable par la structure (d’autant que la propulsion se ferait à l’horizontale et non directement vers l’arc de cercle suivant).
La distance entre les deux tores (sur deux plans parallèles), serait de 8 mètres pour des raisons de sécurité et afin de ne pas rajouter trop de masse à l’ensemble. Compte tenu de la dimension de chaque tore (6,5m) des protections anti-radiations (2 m + 2 m) et du passage de service (1,80 m +1,80 m) les arrivées des tubes radiaux (4 m) à l’axe central vont être éloignées de 10,1 m (1,25+2+1,8+1,8+2+1,25). En ajoutant 4 m x2 de diamètre pour l’accès aux tubes +1 m x2 pour la coque au-dessus et au-dessous de l’accès (nécessaire pour la résistance du module), l’ensemble du nœud central ferait 20,2 mètres. Ceci correspond à deux fois la hauteur transportable dans un starship. On prévoira donc deux modules de 8 m de diamètre et 10 m de haut, réunis sur place avec un plancher entre les deux pour tenir les tubes de communication verticale en leur centre.
Cette amélioration sera un pas de plus vers le Stanford Torus, que nous finirons par réaliser un jour ! De toute façon le chemin indiqué dans cet article sera peut-être le seul possible. Si la nécessité d’une gravité supérieure à 0,38g est confirmée par l’expérience de la première mission habitée, Mars-II sera la seule forme viable de présence humaine durable à proximité de Mars. Il faut donc commencer à y travailler maintenant en procédant pas à pas. Et n’ayons pas peur de son prix. Nous allons disposer du Starship avec une capacité d’emport XXL (150 tonnes en orbite martienne) avec des prix qui seront de plus en plus bas puisque nous bénéficierons de la récupération et la réutilisation.
copyright Pierre Brisson
illustration de titre: localisation Mars-II et Mars-III, réalisée avec claude.ai
illustration ci-dessous: Stanford torus, vue extérieure par Don Davis
Liens:
https://en.wikipedia.org/wiki/Stanford_torus
https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Base_Camp
Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :
Index L’appel de Mars 26 02 06Télécharger
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