Habitat spatial - Space habitat

Une paire de cylindres O'Neill
Vue intérieure d'un cylindre O'Neill, montrant des bandes de terre et de fenêtre alternées

A l' habitat de l' espace (également appelé une colonie de l' espace , le règlement de l' espace , habitat orbital , le règlement orbital ou colonie orbital ) est une forme plus avancée des locaux d' habitation que d' une station spatiale ou le module habitation , en ce qu ' il est conçu comme une installation permanente ou habitat vert plutôt que comme une simple station de passage ou une autre installation spécialisée. Aucun habitat spatial n'a encore été construit, mais de nombreux concepts de conception, plus ou moins réalistes, sont issus à la fois d'ingénieurs et d'auteurs de science-fiction.

Le terme habitat spatial comprend parfois plus largement des habitats construits sur ou dans un corps autre que la Terre, comme la Lune, Mars ou un astéroïde. Cet article se concentre sur les structures autonomes envisagées pour les environnements micro-g .

Histoire

L'idée d'habitats spatiaux de fait ou de fiction remonte à la seconde moitié du XIXe siècle. " The Brick Moon ", une histoire fictive écrite en 1869 par Edward Everett Hale, est peut-être le premier traitement de cette idée par écrit. En 1903, le pionnier de l'espace Konstantin Tsiolkovsky a spéculé sur la rotation des habitats spatiaux cylindriques, avec des plantes alimentées par le soleil, dans Beyond Planet Earth . Dans les années 1920, John Desmond Bernal et d'autres ont spéculé sur les habitats spatiaux géants. À la fin des années 1950 et dans les années 1960, Dandridge M. Cole a spéculé sur le fait de creuser des astéroïdes, puis de les faire pivoter pour les utiliser comme colonies dans divers articles de magazines et livres, notamment Islands In Space: The Challenge Of The Planetoids .

Motivation

Un intérieur de tore de Stanford
Extérieur du tore de Stanford

Les habitats spatiaux ont de nombreuses raisons. Outre l' exploration spatiale soutenue par les vols spatiaux habités , les colonies spatiales sont une raison particulière souvent mentionnée, qui peut être basée sur des raisons telles que :

  • Survie de la civilisation humaine et de la biosphère , en cas de catastrophe sur Terre (naturelle ou d'origine humaine)
  • D'énormes ressources dans l'espace pour l'expansion de la société humaine
  • Expansion sans aucun écosystème à détruire ni peuples autochtones à déplacer
  • Cela pourrait aider la Terre en soulageant la pression démographique et en faisant sortir l'industrie de la Terre.

Avantages

Plusieurs arguments sont avancés pour que les habitats spatiaux présentent de nombreux avantages :

Accès à l'énergie solaire

L'espace a une abondance de lumière produite par le Soleil. En orbite terrestre, cela équivaut à 1400 watts de puissance par mètre carré. Cette énergie peut être utilisée pour produire l' électricité à partir des cellules solaires ou moteur thermique centrales électriques à base de minerais processus, fournir de la lumière pour les plantes à croître et à se réchauffer les habitats spatiaux.

Puits de gravité extérieur

Le commerce d'habitats Terre-espace serait plus facile que le commerce d'habitats Terre-planétaire, car les habitats en orbite autour de la Terre n'auront pas de puits de gravité à surmonter pour exporter vers la Terre, et un puits de gravité plus petit à surmonter pour importer de la Terre.

Utilisation des ressources in situ

Les habitats spatiaux peuvent être alimentés par des ressources provenant de lieux extraterrestres comme Mars , les astéroïdes ou la Lune ( utilisation des ressources in-situ [ISRU]; voir l' exploitation minière des astéroïdes ). On pourrait produire de l'oxygène respirable, de l'eau potable et du carburant de fusée avec l'aide de l'ISRU. Il pourrait devenir possible de fabriquer des panneaux solaires à partir de matériaux lunaires.

Astéroïdes et autres petits corps

La plupart des astéroïdes ont un mélange de matériaux, qui pourraient être extraits, et parce que ces corps n'ont pas de puits de gravité substantiels, il faudrait un faible delta-V pour en tirer des matériaux et les transporter vers un chantier de construction.

On estime qu'il y a suffisamment de matière dans la ceinture principale d'astéroïdes à elle seule pour construire suffisamment d'habitats spatiaux pour égaler la surface habitable de 3 000 Terres.

Population

Une estimation de 1974 supposait que la collecte de tout le matériel de la ceinture d'astéroïdes principale permettrait de construire des habitats pour donner une immense capacité de population totale. En utilisant les ressources flottantes du système solaire, cette estimation s'est étendue à des milliers de milliards.

Zéro g loisirs

Si une grande surface au niveau de l'axe de rotation est fermée, divers sports à zéro g sont possibles, notamment la natation, le deltaplane et l'utilisation d' avions à propulsion humaine .

Compartiment pour les passagers

Un habitat spatial peut être l'habitacle d'un grand vaisseau spatial pour coloniser des astéroïdes , des lunes et des planètes. Il peut également fonctionner comme un vaisseau de génération pour voyager vers d'autres planètes ou des étoiles lointaines (LR Shepherd a décrit un vaisseau de génération en 1952 en le comparant à une petite planète avec de nombreuses personnes qui y vivent.)

Conditions

La lueur de l'air au-dessus de l'horizon, capturée depuis l' ISS

Les exigences pour un habitat spatial sont nombreuses. Ils devraient subvenir à tous les besoins matériels de centaines ou de milliers d'humains, dans un environnement spatial très hostile à la vie humaine.

Atmosphère

La pression atmosphérique , avec des pressions partielles normales d' oxygène (21%), de dioxyde de carbone et d' azote (78%), est une exigence de base de tout habitat spatial. Fondamentalement, la plupart des concepts de conception d'habitats spatiaux envisagent de grands récipients sous pression à paroi mince. L'oxygène nécessaire pourrait être obtenu à partir de la roche lunaire. L'azote est le plus facilement disponible à partir de la Terre, mais il est également recyclé presque parfaitement. De plus, l'azote sous forme d'ammoniac ( NH
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) peut être obtenu à partir des comètes et des lunes des planètes extérieures. L'azote peut également être disponible en quantités inconnues sur certains autres corps du système solaire externe . L'air d'un habitat peut être recyclé de plusieurs façons. Un concept consiste à utiliser des jardins photosynthétiques , éventuellement via la culture hydroponique , ou le jardinage forestier . Cependant, ceux-ci n'éliminent pas certains polluants industriels, tels que les huiles volatiles, et les gaz moléculaires simples en excès. La méthode standard utilisée sur les sous-marins nucléaires , une forme similaire d'environnement fermé, consiste à utiliser un brûleur catalytique , qui décompose efficacement la plupart des matières organiques. Une protection supplémentaire pourrait être fournie par un petit système de distillation cryogénique qui éliminerait progressivement les impuretés telles que la vapeur de mercure et les gaz nobles qui ne peuvent pas être brûlés catalytiquement.

Production alimentaire

Des matières organiques pour la production alimentaire devraient également être fournies. Au début, la plupart d'entre eux devraient être importés de la Terre. Après cela, le recyclage des matières fécales devrait réduire le besoin d'importations. Une méthode de recyclage proposée commencerait par brûler le distillat cryogénique, les plantes, les déchets et les eaux usées avec de l'air dans un arc électrique, et distiller le résultat. Le dioxyde de carbone et l'eau qui en résulteraient seraient immédiatement utilisables en agriculture. Les nitrates et les sels contenus dans les cendres pouvaient être dissous dans l'eau et séparés en minéraux purs. La plupart des nitrates, des sels de potassium et de sodium seraient recyclés comme engrais. D'autres minéraux contenant du fer, du nickel et du silicium pourraient être purifiés chimiquement par lots et réutilisés industriellement. La petite fraction des matériaux restants, bien inférieure à 0,01 % en poids, pourrait être transformée en éléments purs par spectrométrie de masse en apesanteur , et ajoutée en quantités appropriées aux engrais et aux stocks industriels. Il est probable que les méthodes seraient considérablement affinées au fur et à mesure que les gens commenceraient à vivre dans des habitats spatiaux.

Gravité artificielle

Des études à long terme en orbite ont prouvé que l'apesanteur affaiblit les os et les muscles, et perturbe le métabolisme du calcium et le système immunitaire. La plupart des gens ont continuellement le nez bouché ou des problèmes de sinus, et quelques personnes ont un mal des transports dramatique et incurable. La plupart des conceptions d'habitat tourneraient afin d'utiliser les forces d' inertie pour simuler la gravité . Des études de la NASA sur des poulets et des plantes ont prouvé qu'il s'agit d'un substitut physiologique efficace à la gravité. Tourner la tête rapidement dans un tel environnement provoque une « inclinaison » lorsque les oreilles internes se déplacent à différentes vitesses de rotation. Des études à la centrifugeuse montrent que les gens ont le mal des transports dans les habitats avec un rayon de rotation inférieur à 100 mètres, ou avec un taux de rotation supérieur à 3 rotations par minute. Cependant, les mêmes études et inférences statistiques indiquent que presque toutes les personnes devraient pouvoir vivre confortablement dans des habitats avec un rayon de rotation supérieur à 500 mètres et inférieur à 1 RPM. Les personnes expérimentées n'étaient pas seulement plus résistantes au mal des transports, mais pouvaient également utiliser l'effet pour déterminer les directions "tournantes" et "anti-tournantes" dans les centrifugeuses.

Protection contre les radiations

La conception Mars Ice Dome de Langley de 2016 pour une base martienne utilise de l'eau gelée pour améliorer la protection.

Certaines conceptions d'habitats spatiaux très vastes pourraient être efficacement protégées des rayons cosmiques par leur structure et leur air. Les habitats plus petits pourraient être protégés par des sacs de roches fixes (non rotatifs). La lumière du soleil pourrait être admise indirectement via des miroirs dans des persiennes résistantes aux rayonnements, qui fonctionneraient de la même manière qu'un périscope .

Par exemple, 4 tonnes métriques par mètre carré de surface pourraient réduire la dose de rayonnement à plusieurs mSv ou moins par an, en deçà du taux de certaines zones de fond naturel peuplées sur Terre. Des concepts alternatifs basés sur un blindage actif n'ont pas encore été testés et sont plus complexes qu'un tel blindage de masse passif, mais l'utilisation de champs magnétiques et/ou électriques pour dévier les particules pourrait potentiellement réduire considérablement les besoins en masse.
Si un habitat spatial est situé à L4 ou L5 , son orbite le mettra hors de la protection de la magnétosphère terrestre pendant environ les deux tiers du temps (comme c'est le cas avec la Lune), mettant les résidents en danger d' exposition aux protons de la vent solaire .
Voir Menace pour la santé des rayons cosmiques

Rejet de chaleur

L'habitat est dans le vide, et ressemble donc à une bouteille thermos géante. Les habitats ont également besoin d'un radiateur pour éliminer la chaleur de la lumière solaire absorbée. Les très petits habitats peuvent avoir une aube centrale qui tourne avec l'habitat. Dans cette conception, la convection soulèverait l'air chaud "vers le haut" (vers le centre), et l'air froid tomberait dans l'habitat extérieur. Certaines autres conceptions distribueraient des liquides de refroidissement, tels que de l'eau réfrigérée à partir d'un radiateur central.

Météoroïdes et poussière

L'habitat devrait résister aux impacts potentiels des débris spatiaux , des météoroïdes , de la poussière, etc. La plupart des météoroïdes qui frappent la terre se vaporisent dans l'atmosphère. Sans une atmosphère protectrice épaisse, les impacts de météorites poseraient un risque beaucoup plus grand pour un habitat spatial. Le radar balayera l'espace autour de chaque habitat, traçant la trajectoire des débris et autres objets fabriqués par l'homme et permettant de prendre des mesures correctives pour protéger l'habitat.

Dans certaines conceptions (les conceptions d'habitat O'Neill/NASA Ames "Stanford Torus" et "Crystal palace in a Hatbox" ont un bouclier de rayons cosmiques non rotatif constitué de sable compacté (~ 1,9 m d'épaisseur) ou même de granulats artificiels (1,7 m ersatz) béton). D'autres propositions utilisent la roche comme structure et blindage intégral (O'Neill, "The High Frontier". Sheppard, "Concrete Space Colonies"; Spaceflight, journal du BIS) Dans tous ces cas, une forte protection contre les météorites est implicite par la coque de rayonnement externe ~4,5 tonnes de matériau rocheux, par mètre carré.

Notez que les satellites d'énergie solaire sont proposés dans les gammes multi-GW, et de telles énergies et technologies permettraient une cartographie radar constante de l'espace 3D proche jusqu'à arbitrairement lointain, limité uniquement par les efforts déployés pour le faire.

Des propositions sont disponibles pour déplacer même des objets géocroiseurs de la taille d'un kilomètre vers des orbites terrestres élevées, et les moteurs à réaction à ces fins déplaceraient un habitat spatial et tout bouclier arbitrairement grand, mais pas de manière opportune ou rapide, la poussée étant très faible par rapport à l'énorme Masse.

Contrôle d'attitude

La plupart des géométries de miroir nécessitent que quelque chose sur l'habitat soit dirigé vers le soleil et le contrôle de l'attitude est donc nécessaire. La conception originale d'O'Neill utilisait les deux cylindres comme roues d'élan pour faire rouler la colonie, et poussait les pivots vers le soleil ensemble ou séparément pour utiliser la précession pour changer leur angle.

Considérations

Mise de fonds initiale

Même le plus petit des modèles d'habitat mentionnés ci-dessous est plus massif que la masse totale de tous les objets que les humains ont jamais lancés en orbite terrestre combinés. Les conditions préalables à la construction d'habitats sont soit des coûts de lancement moins chers, soit une base minière et de fabrication sur la Lune ou un autre corps ayant un faible delta-v à partir de l'emplacement de l'habitat souhaité.

Emplacement

Les orbites optimales de l'habitat sont encore débattues, et le maintien de la station orbitale est donc probablement un problème commercial. Les orbites lunaires L 4 et L 5 sont désormais considérées comme trop éloignées de la Lune et de la Terre. Une proposition plus moderne consiste à utiliser une orbite de résonance deux à un qui a alternativement une approche proche et à faible énergie (bon marché) de la Lune, puis de la Terre. Cela permet un accès rapide et peu coûteux à la fois aux matières premières et au marché principal. La plupart des conceptions d'habitat prévoient d'utiliser une propulsion par câble électromagnétique ou des moteurs de masse utilisés à la place des moteurs de fusée. L'avantage de ceux-ci est qu'ils n'utilisent aucune masse de réaction du tout, ou qu'ils utilisent une masse de réaction bon marché.

Études conceptuelles

Description d'une station spatiale roue tournante de Hermann Noordung « s Le problème de l' espace Voyage (1929)

O'Neill - La Haute Frontière

Vers 1970, vers la fin du projet Apollo (1961-1972), Gerard K. O'Neill , un physicien expérimental à l'Université de Princeton , cherchait un sujet pour tenter ses étudiants en physique, pour la plupart des étudiants de première année en ingénierie. Il a eu l'idée de leur confier des calculs de faisabilité pour les grands espaces-habitats. À sa grande surprise, les habitats semblaient réalisables même dans de très grandes tailles : des cylindres de 8 km (5 mi) de diamètre et de 32 km (20 mi) de long, même s'ils étaient fabriqués à partir de matériaux ordinaires tels que l'acier et le verre. En outre, les étudiants ont résolu des problèmes tels que la radioprotection contre les rayons cosmiques (presque gratuite dans les plus grandes tailles), l'obtention d'angles solaires naturalistes, la fourniture d'énergie, une agriculture réaliste sans parasites et le contrôle de l'attitude orbitale sans moteurs à réaction. O'Neill a publié un article sur ces concepts de colonie dans Physics Today en 1974. (Voir l'illustration ci-dessus d'une telle colonie, un classique "O'Neill Colony"). Il a développé l'article dans son livre de 1976 The High Frontier: Human Colonies in Space .

Étude d'été Ames/Stanford 1975 de la NASA

Le résultat a motivé la NASA à parrainer quelques ateliers d'été dirigés par O'Neill. Plusieurs concepts ont été étudiés, avec des tailles allant de 1 000 à 10 000 000 de personnes, dont des versions du tore de Stanford . Trois concepts ont été présentés à la NASA : la sphère de Bernal , la colonie toroïdale et la colonie cylindrique.

Les concepts d'O'Neill avaient un exemple de plan de récupération : la construction de satellites d'énergie solaire à partir de matériaux lunaires. O'Neill n'a pas mis l'accent sur la construction de satellites à énergie solaire en tant que telle, mais a plutôt apporté la preuve que la fabrication orbitale à partir de matériaux lunaires pouvait générer des bénéfices. Lui et d'autres participants ont supposé qu'une fois que ces installations de fabrication auraient commencé à produire, de nombreuses utilisations rentables seraient trouvées pour elles, et la colonie deviendrait autosuffisante et commencerait également à construire d'autres colonies.

Les études de concept ont suscité une vague d'intérêt public notable. L'un des effets de cette expansion a été la fondation de la L5 Society aux États-Unis, un groupe de passionnés qui souhaitaient construire et vivre dans de telles colonies. Le groupe a été nommé d'après l'orbite de la colonie spatiale qui était alors considérée comme la plus rentable, une orbite en forme de rein autour de l'un des points de Lagrange lunaires 5 ou 4.

Institut d'études spatiales

En 1977, O'Neill a fondé le Space Studies Institute , qui a initialement financé et construit quelques prototypes du nouveau matériel nécessaire à un effort de colonisation spatiale , ainsi que la production d'un certain nombre d'études de faisabilité. L'un des premiers projets, par exemple, impliquait une série de prototypes fonctionnels d'un moteur de masse , la technologie essentielle pour déplacer efficacement les minerais de la Lune aux orbites des colonies spatiales.

Concepts de la NASA

Certaines études conceptuelles de la NASA comprenaient :

  • Island One , un habitat de la sphère de Bernal pour environ 10 000 à 20 000 personnes.
  • Tore de Stanford : une alternative à Island One.
  • Cylindre O'Neill : "Island Three", un design encore plus grand (3,2 km de rayon et 32 ​​km de long).
  • Lewis One : Un cylindre de 250 m de rayon avec un blindage anti-rayonnement non rotatif. Le blindage protège également l'espace industriel en microgravité. La partie tournante mesure 450 m de long et possède plusieurs cylindres intérieurs. Certains d'entre eux sont utilisés pour l'agriculture.
  • Kalpana One, révisé : Un cylindre court avec un rayon de 250 m et une longueur de 325 m. La protection contre les rayonnements est de 10 t/m 2 et tourne. Il a plusieurs cylindres intérieurs pour l'agriculture et les loisirs. Il est dimensionné pour 3 000 habitants.
  • Un bola : un engin spatial ou un habitat relié par un câble à un contrepoids ou à un autre habitat. Cette conception a été proposée en tant que navire martien, cabane de construction initiale pour un habitat spatial et hôtel orbital . Il a un rayon de rotation confortablement long et lent pour une masse de station relativement faible. Aussi, si certains équipements peuvent former le contrepoids, l'équipement dédié à la gravité artificielle n'est qu'un câble, et a donc une fraction massique beaucoup plus faible que dans d'autres concepts. Pour une habitation à long terme, cependant, la protection contre les rayonnements doit tourner avec l'habitat et est extrêmement lourde, nécessitant ainsi un câble beaucoup plus solide et plus lourd.
  • Habitats perlés : Cette conception spéculative a également été prise en compte par les études de la NASA. Les petits habitats seraient produits en masse selon des normes permettant aux habitats de s'interconnecter. Un seul habitat peut fonctionner seul comme un bola. Cependant, d'autres habitats peuvent être attachés, pour devenir un "haltère", puis un "nœud papillon", puis un anneau, puis un cylindre de "perles", et enfin un ensemble encadré de cylindres. Chaque étape de croissance partage plus de protection contre les rayonnements et d'équipements, augmentant la redondance et la sécurité tout en réduisant le coût par personne. Ce concept a été proposé à l'origine par un architecte professionnel car il peut se développer un peu comme des villes liées à la Terre, avec des investissements individuels progressifs, contrairement à ceux qui nécessitent des investissements de démarrage importants. Le principal inconvénient est que les versions plus petites utilisent une grande structure pour supporter la protection contre les rayonnements, qui tourne avec elles. Dans les grandes tailles, le blindage devient économique, car il croît approximativement comme le carré du rayon de la colonie. Le nombre de personnes, leurs habitats et les radiateurs pour les refroidir croissent approximativement comme le cube du rayon de la colonie.

Autres notions

  • Bubbleworld : Le concept Bubbleworld ou Inside/Outside a été créé par Dandridge M. Cole en 1964. Le concept consiste à percer un tunnel à travers l'axe le plus long d'un grand astéroïde composé de fer ou de nickel-fer et de le remplir d'une substance volatile , peut-être l'eau. Un très grand réflecteur solaire serait construit à proximité, concentrant la chaleur solaire sur l'astéroïde, d'abord pour souder et sceller les extrémités du tunnel, puis de manière plus diffuse pour chauffer lentement toute la surface extérieure. Au fur et à mesure que le métal se ramollit, l'eau à l'intérieur se dilate et gonfle la masse, tandis que les forces de rotation aident à lui donner une forme cylindrique. Une fois expansé et laissé refroidir, il peut être filé pour produire une gravité artificielle par centrifugation, et l'intérieur rempli de terre, d'air et d'eau. En créant un léger renflement au milieu du cylindre, un lac en forme d'anneau peut être formé. Les réflecteurs permettraient à la lumière du soleil d'entrer et d'être dirigée là où elle est nécessaire. Cette méthode nécessiterait une présence humaine et industrielle importante dans l'espace pour être réalisable. Le concept a été popularisé par l' auteur de science-fiction Larry Niven dans ses histoires sur l' espace connu , décrivant ces mondes comme les principaux habitats des Belters , une civilisation qui avait colonisé la ceinture d'astéroïdes .
  • Terrarium d'astéroïdes : une idée similaire au monde des bulles, le terrarium d'astéroïdes, apparaît dans le roman 2312 , écrit par l' écrivain de science-fiction Kim Stanley Robinson .
  • Bishop Ring : une conception spéculative utilisant des nanotubes de carbone , un Bishop Ring est un tore de 1000 km de rayon, 500 km de largeur, et avec des murs de rétention d'atmosphère 200 km de hauteur. L'habitat serait suffisamment grand pour être « sans toit », ouvert sur l'espace extérieur sur le bord intérieur.
  • Cylindre McKendree : autre concept qui utiliserait des nanotubes de carbone, un cylindre McKendree est apparié de cylindres dans la même veine que le concept Island Three, mais chacun 460 km de rayon et 4600 km de long (contre 3,2 km de rayon et 32 ​​km de long dans l'Island Three ).

Galerie

Projets actuels

Les projets et propositions suivants, bien qu'ils ne soient pas vraiment des habitats spatiaux, incorporent des aspects de ce qu'ils auraient et peuvent représenter des tremplins vers la construction éventuelle d'habitats spatiaux.

Le Nautilus-X Multi-Mission Space Exploration Vehicle (MMSEV) : cette proposition de la NASA de 2011 pour un véhicule de transport spatial avec équipage de longue durée comprenait un compartiment à gravité artificielle destiné à promouvoir la santé de l'équipage pour un équipage de jusqu'à six personnes sur des missions de jusqu'à à une durée de deux ans. La centrifugeuse à anneau torique partiel utiliserait à la fois des structures métalliques standard et des structures de vaisseau spatial gonflables et fournirait 0,11 à 0,69 g si elle était construite avec l'option de diamètre de 40 pieds (12 m).

L' ISS Centrifuge Demo , également proposé en 2011 en tant que projet de démonstration préparatoire à la conception finale de l'habitat spatial de la centrifugeuse torique plus grande pour le véhicule d'exploration spatiale multimission. La structure aurait un diamètre extérieur de 30 pieds (9,1 m) avec un diamètre intérieur de section transversale annulaire de 30 pouces (760 mm) et fournirait une gravité partielle de 0,08 à 0,51 g . Cette centrifugeuse de test et d'évaluation aurait la capacité de devenir un module de sommeil pour l'équipage de l'ISS.

La station spatiale commerciale Bigelow a été annoncée à la mi-2010. La construction initiale de la station est prévue en 2014/2015. Bigelow a montré publiquement des configurations de conception de station spatiale avec jusqu'à neuf modules contenant 100 000 pieds cubes (2 800 m 3 ) d'espace habitable. Bigelow a commencé à se référer publiquement à la configuration initiale sous le nom de « Space Complex Alpha » en octobre 2010.

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes