EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Une nouvelle station spatiale rotative pour la Terre

La diffusion par Space.com du brevet de la société russe Energia concernant une station spatiale permettant de créer par rotation une gravité artificielle, a suscité sur Linkedin une publication de Philippe Coué et un commentaire de Paul Titze. Cela m’a incité à réfléchir davantage à ce concept. Je fais état de mes réflexions ci-après (calculs faits avec l’aide de claude.ai).

Une station spatiale rotative en orbite terrestre possédant des volumes offrant plusieurs niveaux de gravité, présenterait, contrairement à ce qu’écrit Paul Titze, de multiples intérêts : Les personnes vivant à bord ne souffriraient pas des effets délétères de l’apesanteur. Ils pourraient toujours travailler au centre de gravité dans un volume où ils pourraient étudier ces effets. Ils pourraient aussi étudier les effets comparés de plusieurs niveaux de gravité réduite en s’éloignant plus ou moins du centre de gravité. La station pourrait aussi servir d’escale aux personnes venant de l’espace profond (Mars par exemple) pour leur permettre de récupérer leurs capacités à vivre en pesanteur terrestre et aussi pour pouvoir être isolés pour traitement au cas où ils seraient porteurs d’infections que l’on ne voudrait pas transmettre aux Terriens.

Mais quelles devraient être les caractéristiques de cette station ? Autrement dit le projet d’Energia est-il optimum ou peut-on concevoir dès aujourd’hui quelque chose de plus intéressant.

Voyons d’abord les contraintes :

1) La gravité restituée doit être minimum. Il est difficile de dire ce qui est médicalement nécessaire sur la durée, car on n’a malheureusement fait l’expérience, sérieusement, que de l’apesanteur (outre de très courtes expériences de gravité lunaire). On a pu cependant constater que la gravité lunaire (0,16g) rendait les astronautes maladroits. Un séjour dans un habitat soumis à cette gravité pourrait donc servir à préparer un établissement sur la Lune. De même soumettre des astronautes à une gravité martienne (0,38g) pourrait être utile avant d’aller vivre sur Mars et au tout début de l’exploration de cette planète, pour constater les effets éventuellement négatifs d’une telle gravité. Enfin tester les 0,5g pourrait être utile pour préparer le plan qu’a Jeff Bezos de construire des stations géantes placées au point de Lagrange terrestres L4 ou L5, où vivraient des milliers de personnes comme l’envisageait Gerard O’Neill dans les années 70.

2) Le différentiel de gravité entre la tête et les pieds. Ce différentiel résulte de la distance au centre de gravité mais il est d’autant plus sensible que la vitesse de rotation est élevée et la gravité artificielle est élevée en valeur absolue. Il est impératif que sur le plan médical le différentiel soit inférieur à 10% et de préférence inférieur à 5%, le gradient de 2% étant l’objectif à viser.

3) De même, la force de Coriolis est d’autant plus marquée que la rotation est rapide. Cette force n’est que désorientante mais de ce fait très gênante dans la vie ‘instinctive’.

4) Une taille optimum pour la station. Une station de plusieurs km de diamètre comme l’‘ile de l’espace 3’ (Island 3) de Gerard O’Neill n’est pas réaliste pour notre époque. A l’inverse, la station russe pour laquelle Energia a obtenu un brevet, qui tourne à 5 tpm et dont la distance de l’habitat au centre n’est que de 40 mètres ne serait pas vivable (gradient tête/pieds trop élevé et force de Coriolis trop marquée).

5) Il faut prévoir quelques ‘moteurs’ pour maintenir la station dans la bonne attitude, la bonne vitesse de rotation et la bonne altitude car on ira et on viendra à/de la station et la Terre avec sa force de gravité et son atmosphère reste proche. Ces moteurs seront de petits propulseurs tangentiels pour l’attitude et la rotation et un propulseur un peu plus puissant pour la correction d’altitude.

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Pistes pour la structure de la station idéale :

1) A la périphérie du centre, par cercles concentriques :

Installer un volume habitable (un tore) à 112 mètres du centre de gravité. À cette distance et à une vitesse de rotation de 2 tours par minute (tpm), la gravité sera de 0,50 g (comme dans la station d’Energia) et le gradient tête-pieds pour une personne de 180 cm sera de 1,6 %. C’est ce tore qui sera dimensionnant pour le reste.

Installer un deuxième tore à 85 mètres afin que la gravité interne y soit de 0,38g (différentiel gravité pieds/tête 1,7%) et un troisième tore à 36 mètres afin que la gravité interne soit de 0,16g (le gradient tête/pieds y serait de 4% mais on ne va pas éloigner le 1^er tore du centre au-delà de 112 mètres pour autant).

Les tores seraient tenus à partir du centre de gravité par des tubes en métal. Il pourrait y en avoir quatre, séparés par des angles de 90°.

2) Au centre, il y aurait, sur un axe linéaire orthogonal au plan défini par les tores, les modules verticaux suivants :

Un globe ‘carrefour’ servant de passage dans toutes les directions, aussi bien via les tubes susmentionnés que par la ligne de modules constituant cet axe central. Ce globe pourrait avoir un diamètre de 4 mètres.

Au-dessus et dans l’ordre, un module cylindrique pour étudier le comportement des masses et diverses réactions mécaniques et chimiques dans un environnement en apesanteur (4m de diamètre, 8m de longueur); un module sphérique de type ‘cupola’ doté de hublots périphériques (de 4m de diamètre au lieu de 2) ; un module cylindrique de 4m x 6m pour le cœur informatique et le data center de la station ; un module cylindrique de 4m x 6m, pour les télécommunications ; deux antennes de télécommunications.

Au-dessous et dans l’ordre, un module cylindrique pour stockage divers de 4m x 6m ; une sphère de docking de 6 mètres de diamètre avec trois accès, distants également l’un de l’autre (en dessous du plan parallèle à celui des tores pour limiter le risque d’accrochage des vaisseaux aux tores) ; un module cylindrique poubelle, 4m x 4m ; un module réservoirs d’ergols (carburants et comburants) de 4m de diamètre sur 12m de longueur ; un module propulsion (moteurs et tuyères) de 4m x 4m. NB : la demi sphère ou serait positionnés les orifices de docking devrait être mobile pour faciliter l’approche et le contact des vaisseaux).     

La pressurisation de l’ensemble de la station serait à 0,5 bar (et non 1 bar comme aujourd’hui l’ISS) afin de réduire la tension sur les parois des modules. Cette pression devrait être supportable par les habitants. En contrepartie le taux d’oxygène serait doublé (42% au lieu de 21%). Bien entendu le module docking pourrait être dépressurisé en cas de besoin puisqu’il comprendrait des issues forcément ouvertes lors d’une arrivée ou d’un départ de fusée (ou lors d’une sortie pour inspection ou travail à l’extérieur de la station. Il serait donc fermable par des portes de sas. Le taux élevé d’oxygène impliquera une adaptation particulière au risque d’incendie (revêtements ignifugés, surveillance des frottements d’outils métalliques, etc…). Partout dans la station il y aura des portes coupe-feu fermables en cas de dépressurisation, de feu dans l’un ou l’autre élément ou de besoins d’isolation sanitaire.

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Les habitats :

Les tores ‘lunaire’ et ‘martien’ seront constitués d’une succession de modules en acier de 3 mètres de diamètre. Ce seront des lieux d’expérimentation et accessoirement de circulation. Concernant l’étude, il s’agira notamment d’observer les comportements humains mais aussi la fluidité des gaz et des liquides pour pouvoir les réguler et la pratique du support-vie. En effet, en gravité réduite, l’air chaud ne s’élève pas naturellement, et le CO₂ peut s’accumuler en « poches » dangereuses. Il faut donc une ventilation adaptée. Elle n’est pas indispensable à 0,5g mais elle doit être d’autant plus puissante qu’on baisse en gravité. Dans le tore à 0,38g on pourra aussi faire des expériences de culture vivrière puisqu’il faudra se nourrir avec les ressources planétaires martiennes lorsqu’on y vivra. Il faudra aussi étudier l’effet de la gravité martienne sur le recyclage des déchets organiques (et l’adapter pour qu’il y fonctionne !). Dans le tore à 0,16g les possibilités dans ce domaine seront moins nécessaires car on sait que les cultures sur la Lune seraient très difficiles et qu’on pourra toujours s’approvisionner à partir de la Terre (proximité et possibilité d’y accéder rapidement toute l’année).

Le 3^ème tore sera aussi un lieu de travail mais surtout de passage qui desservira toute une série de modules, constituant une ceinture vers l’extérieur de la station. Ce seront des modules Bigelow, alternant modules d’habitats avec sanitaires, et modules fonctionnels. L’accès à tous ces modules se fera par sas ménagés dans la paroi du 3^ème tore (et bien sûr du module concerné). Les modules fonctionnels seront ceux du support vie (régénération de l’atmosphère, de l’eau, des matières organiques, des divers produits chimiques recyclables, et production de nourriture). Les nourritures produites seront des végétaux (hydroponie), des poissons et des crevettes (bacs), de la viande cultivée en laboratoire (cellulaire). On peut prévoir à intervalles réguliers (environ tous les 40 mètres ?), un hublot regardant vers l’intérieur de la station. Cela permettrait de vérifier visuellement le reste de la station et de limiter la sensation d’enfermement.

Le diamètre des modules de l’ISS varie de 3,5 à 4 mètres. Compte tenu des capacités d’emport des starships d’une part et des besoins de confort pour mener une action efficace dans la station d’autre part, un diamètre de 3,6 m semble optimum. Ils seront revêtus à l’intérieur d’une protection isolante thermique (ignifugée) et qu’ils auront un plancher et un plafond. Sous ce plancher courront les tuyaux pour apporter dans toute la station l’eau propre et les gaz respirables et reprendre les eaux sales et les gaz non respirables (CO₂, CH₄). La circulation des fluides sera accélérée par des pompes (d’autant plus dans les tores et les tubes à gravité basse). Le chauffage et l’électricité seront dans les plafonds. La protection anti-radiations sera contenue dans un revêtement à l’extérieur de tous les modules (sauf celui du docking) y compris les tubes de liaison et les tores. L’intérêt sera de limiter l’effet des impacts sur le métal des modules (et éventuellement des micrométéorites ou des petits déchets spatiaux) et de ne pas réduire l’espace habitable à l’intérieur. Le tore lunaire pourrait, comme le tore martien, être doté de hublots, regardant vers l’extérieur, espacés d’une quarantaine de mètres pour inspecter visuellement les panneaux solaires et l’état du 3^ème tore.

Entre les tores lunaire et martien et les tubes seront posés des champs de panneaux solaires en double exposition, vers le haut et vers le bas (en orbite autour de la Terre, l’ensoleillement par le bas ne sera pas nul à certaines heures de la rotation autour de la Terre, d’autant que la Station sera inclinée par rapport à la surface terrestre). Ils seront orientables pour que l’angle du rayonnement solaire soit toujours le plus proche possible de la perpendiculaire sur les panneaux. L’espace disponible soit 18 620 m² sera conséquent. Avec une densité de puissance de 400 W/m² sur la face supérieure des panneaux et de 50 à 100 W/m² sur leur face inférieure, nous pourrions atteindre une puissance de 8,4 MW, alors que nous n’aurions besoin que de 0,75 à 1,00 MW pour les 30 personnes et le fonctionnement du support vie. Cela signifie que nous pourrions n’utiliser qu’une partie de la surface ou accepter une performance moindre des panneaux (ou faire des expériences nécessitant beaucoup d’énergie?).

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L’ensemble de la station évoluera de 480 km à 520 km de la surface de la Terre et autour de l’équateur. Cette altitude, supérieure à celle de l’ISS (414 à 419 km) et sur une orbite constante contrairement à celle de l’ISS, sera choisie pour éviter d’être trop proche de la Ceinture de Van Allen interne et le plus haut possible au-dessus de l’atmosphère terrestre de façon à ce que la station soit le moins freiné par la gravité terrestre et les traces d’atmosphère.

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Les données retenues ci-dessus (dimensions, vitesses), sont minimum pour obtenir une gravité acceptable pour la vie de Terriens, et réduire à un minimum également acceptable le gradient tête pieds et les effets de la force de Coriolis. Mais il en résultera une station quand même très grande. Avec un rayon de 112 mètres, la circonférence du 3^ème tore mesurera 703 m de longueur (l’ISS dans sa plus grande dimension ne dépasse pas 110 mètres). A la fin des travaux, la station pourra loger et faire vivre une trentaine de personnes (7 seulement dans l’ISS). Pour la masse et les transports, j’ai obtenu de claude.ai, les chiffres suivants : masse totale 2.900 (contre 2575 tonnes pour modules d’un diamètre de 3 m et 3.300 pour modules de 4 m), construction en 2,8 à 4 ans (contre 2,5 à 3,5 ans pour modules de 3 m ou 3 à 4,5 ans pour modules de 4 m) avec 22 à 28 chargements de starships (contre 20 à 25 pour modules de 3 m ou 26 à 33 pour modules de 4 m). NB : Ces chiffres ne sont cités que pour donner une idée de ce que pourrait être la réalité.

Ceci dit cette station serait réalisable avec les technologies d’aujourd’hui, puisque je suppose qu’on pourra précisément employer des starships pour monter les équipements en orbite et que la construction sera effectuée par des robots, y compris des humanoïdes assistant des équipages humains. Je ne sous-estime pas les difficultés d’assemblage dans l’espace mais cela devrait faire l’objet d’un autre article.

Bien entendu l’investissement serait plus coûteux que celui nécessaire pour réaliser la station d’Energia ou même que celui déjà fait pour l’ISS. Pour avoir un repère, il faut se rappeler que cette dernière a coûté 150 milliards de dollars. Il serait téméraire de donner un chiffre aujourd’hui pour la nouvelle station. On peut simplement espérer qu’il ne soit pas plus du double. Ce n’est pas impossible si on emploie des starships et des robots. NB : le starship aura l’avantage de la capacité de transport et, on peut l’espérer, du coût réduit du transport par effet d’économies d’échelles (par rapport aux fusées utilisées pour l’ISS). De toute façon, ce sera ‘cher’ mais dans le domaine de la recherche, à quoi sert de dépenser de l’argent pour un projet dont on attend une performance médiocre alors que techniquement on peut mieux faire ?

Illustration réalisée par claude.ai NB: les modules de l’axe vertical des services ne sont pas à la même échelle que les tores.

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Je tiens à mentionner à nouveau le drame de Crans-Montana. La célébration qui a eu lieu ce vendredi 9 janvier à Martigny (Valais) a été un moment d’émotion intense. Des paroles magnifiques ont été dites, dans la sobriété, la dignité et la profondeur, exprimant à la perfection les sentiments d’humanité que l’on peut ressentir à cette occasion. Les mots de Rita Famos, Présidente du Conseil suisse des religions, portés par la comédienne Olivia Seigne, méritent, en particulier, d’être écoutés, dans le calme et avec attention. Ils sont graves, immensément riches de sens, sereins et beaux. Voici le lien :

https://www.rts.ch/play/tv/12h45/video/olivia-seigne-lit-un-texte-redige-par-rita-famos-presidente-du-conseil-suisse-des-religions?urn=urn:rts:video:1720a6b9-c551-39fb-a783-1a29beb2370c

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