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Des chercheurs présentent un modèle d’habitat spatial rotatif pouvant s’agrandir au fil du temps

modèle arche spatiale capacité agrandissement
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La construction de bases planétaires comme futur de l’exploration spatiale est un concept éprouvé depuis de très nombreuses années par les auteurs de science-fiction. Cependant, dans la plupart des cas, de potentiels colons devraient faire face à un certain nombre de problèmes : environnement inhospitalier, gravité, sol non fertile, climat, etc. L’autre solution réside dans la construction de stations spatiales géantes pouvant accueillir des milliers d’habitants. Récemment, des chercheurs américains ont publié un article détaillant toutes les conditions requises pour la construction et l’exploitation d’une telle station. 

À côté de la colonisation et de la construction in situ de bases planétaires, l’alternative est de construire nos propres habitats spatiaux. Ceux-ci pourraient être situés n’importe où dans le Système solaire, pourraient être de toute taille et avoir des caractéristiques différentes, telles que la température, le climat, la gravité et même la durée du jour. Malheureusement, nous sommes encore très loin de pouvoir construire de telles arches.

Cependant, certains chercheurs se penchent sur la question, comme cet article d’une équipe de Texas A&M, qui décrit un moyen de construire un habitat spatial extensible composé de cylindres concentriques pouvant accueillir jusqu’à 8000 personnes. Tout habitat spatial abritant de nombreuses personnes devra faire face à certains inconvénients majeurs de la vie dans l’espace. Les auteurs de l’article énumèrent 5 domaines d’importance.

modèle impression 3D station spatiale
Modèle obtenu par impression 3D et indiquant les principales caractéristiques de la station. Crédits : Muhao Chen et al. 2020

La gravité : la solution de la gravité artificielle

Une exposition à long terme au manque de gravité fait des ravages sur le corps humain, de la déficience visuelle à la perte de densité osseuse. La plupart de ces problèmes sont résolus par une seule solution : la gravité artificielle. Et nous connaissons quelque chose qui se rapproche de la gravité artificielle : la force centrifuge causée par la rotation. C’est une solution assez courante pour fournir aux astronautes quelque chose d’équivalent à la gravité. Cette solution n’a pas été testée, mais la plupart des experts conviennent qu’elle devrait atténuer la plupart des problèmes de santé associés au manque de gravité.

Il y a deux considérations de conception majeures lors de la création d’un système de gravité artificielle qui éliminerait ces problèmes de santé. Tout d’abord, la taille de l’habitat induisant la gravité artificielle. Si le rayon de rotation est trop petit, il peut y avoir une différence significative de gravité perçue entre la tête et les pieds d’une personne. On sait que cela cause le mal des transports et rendrait inutilisable tout habitat qui induit cet effet chez ses occupants.

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La deuxième considération porte sur la vitesse de rotation. Les auteurs évoquent un article qui souligne que toute vitesse de rotation supérieure à 4 tr/min provoquerait également le mal des transports. L’utilisation de la limite supérieure de la vitesse de rotation et de la limite inférieure du rayon de rotation donne un rayon de 56 mètres, à peu près aussi haut que la tour penchée de Pise.

La protection contre les radiations

L’apesanteur n’est pas le seul danger à prendre en compte. L’exposition à long terme aux rayonnements est extrêmement mauvaise pour les humains, avec des risques considérablement accrus de cancer et de dommages cellulaires, une probabilité concrète de tout séjour prolongé dans l’espace.

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La solution adoptée par les auteurs contre les radiations est un bouclier de 5m composé d’eau entourée par deux couches de régolithe. Crédits : Muhao Chen et al. 2020

La solution des auteurs à ce risque est simple : entourer l’habitat entier de 5 mètres de régolithe et d’eau. Dans leur modèle, l’eau est prise en sandwich entre le régolithe. La couche protectrice serait située dans ce qu’ils appellent le « bouclier ». Il serait situé à l’extérieur de l’habitat cylindrique et recouvert de panneaux solaires pour alimenter l’habitat. La composition du bouclier a été choisie principalement sur la base d’un accès facile aux matériaux — le régolithe et l’eau sont abondamment disponibles à partir d’endroits avec des puits de gravité relativement faible (c’est-à-dire les astéroïdes et la Lune).

Cette combinaison est également bien connue pour arrêter à la fois les rayons cosmiques et le rayonnement solaire. En plus d’arrêter tout rayonnement potentiel, le bouclier aide le système de survie en tournant très lentement dans le but de dissiper certains des gradients thermiques présents sur la structure de l’habitat. D’après les calculs des auteurs, avec une rotation de 0.2 tr/min du bouclier et un vaste « radiateur » fixé sur le côté de l’habitat, ils peuvent atteindre une température interne d’environ 27 °C dans l’habitat.

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Agriculture et production durables

Cette température interne serait bien accueillie par les occupants non humains de l’habitat : les plantes. Les fermes de l’habitat seraient placées à chaque extrémité du cylindre en forme conique, et surmontées d’un plafond en verre transparent. Elles seraient également desservies par des miroirs géants légèrement de travers, reflétant uniformément la lumière du soleil sur la surface agricole.

structure station spatiale plantations agricoles miroir
Vue éclatée de la station spatiale habitable avec localisation des plantations et des miroirs. Crédits : Muhao Chen et al. 2020

Les auteurs ont calculé que chaque occupant de la station aurait besoin d’environ 300 m2 de terres agricoles pour subvenir à ses besoins. Avec un habitat élargi s’étendant sur un rayon de 224 m (52 ​​étages séparés de 4 mètres de haut avec un cylindre le plus à l’intérieur de 20 mètres), il y aurait suffisamment d’espace agricole et de vie pour accueillir 8000 personnes.

Capacité d’agrandissement de l’habitat

Mais l’habitat ne serait pas au départ capable de soutenir toutes ces personnes. Le cylindre le plus à l’intérieur d’un rayon de 20 mètres pourrait servir de module « d’amorce » sur lequel d’autres couches cylindriques se construisent. Et ce processus de construction utiliserait une technique éprouvée de génie mécanique — la tenségrité.

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La tenségrité est un terme portemanteau inventé par Buckminster Fuller pour décrire un système de barres et de cordes entrelacées où les barres sont compressées et les cordes sont tendues. En matière d’habitat spatial, il permet aux concepteurs de développer un plan d’expansion en 6 étapes qui peut être répété indéfiniment sans qu’il soit nécessaire d’éteindre les systèmes de soutien vital lorsque l’habitat est agrandi.

Chaque extension permet d’ajouter un cylindre supplémentaire au complexe et ajoute des quantités importantes d’espace de vie supplémentaire sans perturber la vie des personnes vivant dans les cylindres déjà installés. Une telle extensibilité rendrait toute structure qui utilise ce système beaucoup plus intéressante économiquement qu’un habitat qui doit conserver une forme unique.

Commerce et économie

Ce facteur économique est un élément extrêmement important de tout futur plan de conception, car il sera le principal facteur déterminant l’expansion de l’infrastructure spatiale de manière plus générale. Une autre façon d’en tirer une valeur économique serait de tirer parti de l’une des caractéristiques intéressantes de ce style d’habitat cylindrique.

Le centre du cylindre pourrait agir comme un « atelier zéro gravité » qui permettrait aux occupants d’effectuer des travaux qui pourraient être difficiles ou impossibles dans un puits à gravité, comme le traitement de matières premières ou le développement de nouveaux types de produits pharmaceutiques.

Le cylindre central pourrait également jouer un rôle majeur dans un autre moteur économique de l’habitat : le tourisme. Les concepteurs prévoient un espace ouvert central presque entièrement consacré au parc. Ce serait en partie pour le bien-être émotionnel et psychologique des occupants à long terme de l’habitat, mais pourrait également servir d’attraction touristique majeure. Cela serait particulièrement utile car le tourisme sera probablement l’une des principales forces économiques motrices des premiers habitats spatiaux.

Sources : Aerospace Science & Technology

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