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Les habitats spatiaux sont-ils la voie du futur?

Les habitats spatiaux sont-ils la voie du futur?

Selon certains, l'avenir de l'humanité réside dans l'espace. Outre les propositions de pays comme la Chine, qui ont annoncé leur intention de créer un avant-poste sur la Lune au cours de la prochaine décennie, certaines entreprises aérospatiales privées cherchent à effectuer des voyages réguliers sur la Lune et au-delà de la réalité.

Un jour, cela pourrait conduire à des entreprises comme le tourisme spatial - où les clients peuvent réserver un voyage en orbite, la Lune et même Mars - et même la création de stations spatiales commerciales et de colonies lunaires et martiennes.

Pendant des générations, les êtres humains ont fantasmé sur le jour où les gens pourraient vivre sur la Lune ou sur Mars. Mais avec tous les développements survenus au cours de la dernière décennie, nous en arrivons au point où certaines de ces idées commencent à paraître plus réalisables.

Cela soulève la question: comment les êtres humains vivront-ils dans l'espace à long terme? Devrions-nous planter nos racines dans le sol d'autres planètes et les modifier (et / ou nous-mêmes) pour assurer notre survie? Ou devrions-nous chercher à créer des habitats en orbite avec des microclimats et une gravité artificielle?

En termes de ressources, de temps, d'efforts et d'hébergement, les habitats spatiaux sont-ils la voie à suivre? Et à partir d'une analyse strictement coût / bénéfice, est-ce une meilleure option que de coloniser des planètes, des lunes et d'autres objets célestes?

Espace colonisant

Lors de l'atelier Planetary Science Vision 2050, qui a eu lieu en février 2017 au siège de la NASA à Washington DC, des scientifiques du monde entier se sont réunis pour partager des recherches et des présentations sur l'avenir de l'humanité dans l'espace.

C'est ici que Valeriy Yakovlev - un astrophysicien et hydrogéologue du Laboratoire de la qualité de l'eau à Kharkiv, en Ukraine, a présenté un article intitulé "Mars Terraforming - the Wrong Way".

Plutôt que de coloniser et de transformer les divers corps du système solaire, a-t-il soutenu, l'humanité devrait plutôt construire des habitats spatiaux. Abordant l'idée d'établir une colonie permanente sur Mars, il a affirmé que:

"[Un] obstacle radical à cela est l'indisponibilité des êtres humains pour vivre dans des conditions de gravité réduite de la Lune et de Mars, étant dans leur corps terrestre, au moins dans les prochaines décennies."

"Si la voie de l'exploration spatiale est de créer une colonie sur Mars et en outre les tentatives ultérieures de terraformer la planète, cela entraînera une perte injustifiée de temps et d'argent et augmentera les risques connus de la civilisation humaine."

La raison en est, selon Yakolev, parce que les habitats de surface et la terraformation ne répondent pas aux principaux défis de la colonisation de l'espace. Sa préoccupation est que, plutôt que de se concentrer sur la manière d'y arriver ou sur la manière dont nous avons l'intention de créer les infrastructures nécessaires, le principal défi de vivre dans l'espace se résume à la difficulté d'avoir des bébés dans l'espace.

Les dangers de la vie dans l'espace

Avouons-le, les aléas ne manquent pas lorsqu'il s'agit de vivre dans l'espace. Outre le danger de vivre dans une boîte de conserve scellée et sous pression qui est la seule chose entre les occupants et le vide de l'espace, il y a aussi toutes sortes de choses qui peuvent vous tuer.

Les micrométéoroïdes sont un danger. Ces petites particules de débris spatiaux peuvent constituer une menace pour les opérations des engins spatiaux en orbite terrestre. Bien que minuscule et pesant moins d'un gramme (0,035 onces), ils peuvent atteindre des vitesses énormes et générer une force d'impact importante.

La vitesse moyenne des micrométéoroïdes par rapport à un engin spatial en orbite est d'environ 10 km / s (10 km / s), ce qui correspond à 36 000 km / h (22500 mph). Bien que les impacts individuels ne soient pas susceptibles de rompre une combinaison spatiale ou la coque d'un vaisseau spatial ou d'une station spatiale, une exposition à long terme peut provoquer une usure importante.

Ensuite, il y a le danger posé par le rayonnement dans l'espace. Grâce à l'atmosphère terrestre et à son champ magnétique protecteur, les êtres humains des pays développés tels que les États-Unis sont exposés à un rayonnement de fond moyen d'environ 0,31 rem (3,1 mSv), avec un autre 0,31 rem (3,1 mSv) par an provenant de sources.

Cependant, au-delà de la protection de notre atmosphère et de notre magnétosphère, les astronautes sont exposés à des niveaux beaucoup plus élevés de rayonnement solaire et de rayons cosmiques galactiques (GCR). Il y a aussi le rayonnement élevé qui accompagne les événements de particules solaires (SPE).

Selon des études de la NASA, les astronautes à bord de la Station spatiale internationale (ISS) pendant six mois sont exposés à des doses de rayonnements ionisants de l'ordre de 50 à 2000 mSv.

Ces études et d'autres ont établi une limite supérieure de 500 mSv par an pour les astronautes, qui est la dose annuelle la plus élevée pour laquelle il n'y a pas eu d'augmentation observée de la vitesse à laquelle le cancer survient chez l'homme.

Cependant, une exposition prolongée augmente considérablement le risque de maladie aiguë des radiations, de cancer, de dommages au système nerveux central, de risque accru de maladie dégénérative, de dommages génétiques et même de décès.

Effets à long terme de la faible gravité

Sur Terre, la force de gravité est égale à 9,8 mètres par seconde par seconde (9,8 m / s²). Cela signifie que tout objet en chute libre vers la surface accélère à une vitesse de 9,8 mètres (32 pieds) pour chaque seconde, il tombe.

Une exposition à long terme à la microgravité (que les astronautes éprouvent en orbite), ou à des niveaux de gravité inférieurs, peut avoir des effets néfastes sur toutes les créatures vivantes qui ont évolué dans une gravité «normale à la Terre» (ou 1 g). De multiples études ont été menées sur ce phénomène, principalement à bord de l'ISS.

Cela inclut l'étude fondamentale de la NASA sur les jumeaux, où les astronautes Scott et Mark Kelly ont été utilisés pour une analyse comparative. Alors que Scott Kelly a agi comme sujet de test et a passé un an à bord de l'ISS, Mark Kelly est resté sur Terre et a agi en tant que contrôle.

Plusieurs examens physiques ont été effectués sur les deux astronautes après le retour de Scott Kelly sur Terre. En plus de la perte de densité musculaire et osseuse, les études ont montré que les missions de longue durée dans l'espace entraînaient une diminution de la fonction des organes, de la vue et même des changements génétiques. La réadaptation à la gravité normale de la Terre peut également être ardue et douloureuse pour les astronautes.

À l'heure actuelle, on ne sait absolument pas si les progrès médicaux peuvent ou non contrecarrer ces effets. On ne sait pas non plus si les stratégies de réhabilitation, telles que celles qui impliquent des centrifugeuses, seront efficaces sur de longues périodes.

Cela soulève la question, pourquoi ne pas simplement établir des habitats capables de simuler la gravité normale de la Terre? Non seulement les habitants n'auraient pas besoin d'une intervention médicale pour éviter la dégénérescence physique, mais ils pourraient également avoir des enfants dans l'espace sans s'inquiéter davantage des effets de la microgravité.

Quant au type d'habitats spatiaux que nous pourrions construire, il existe un certain nombre d'options, qui ont toutes été explorées dans la science-fiction et des études officielles.

Histoire du concept

Tout comme la recherche sur les fusées et l'exploration spatiale, l'idée de créer des habitats en orbite terrestre ou dans l'espace est antérieure à l'ère spatiale et remonte au début du 20e siècle.

C'est également ici qu'une grande dette est due à Konstantin Tsiolkovsky (1857 - 1935), l'un des pères fondateurs de la fusée et de l'aéronautique. En 1903, il a publié une étude intitulée «Investigation of Outer Space Rocket Devices», où il a suggéré d'utiliser la rotation pour créer une gravité artificielle dans l'espace.

En 1928, l'ingénieur de fusée slovène Herman Potočnik a publié son livre fondateur Das Problem der Befahrung des Weltraums der Raketen-Motor (Le problème des voyages dans l'espace - le moteur de la fusée). Ici, il a suggéré de construire une station tournante en forme de roue d'un diamètre de 30 mètres (~ 100 pieds) qui pourrait être placée en orbite géostationnaire.

En 1929, le scientifique irlandais John Desmond Bernal a écrit "Le monde, la chair et le diable: une enquête sur l'avenir des trois ennemis de l'âme rationnelle" dans lequel il décrit un habitat spatial sphérique creux mesurant 16 km (10 miles) dans diamètre, rempli d'air, et capable d'accueillir une population de 20 000 à 30 000 personnes.

Dans les années 1950, les scientifiques germano-américains Wernher von Braun et Willy Ley ont mis à jour l'idée dans le cadre d'un article et se sont répandus pour Magazine Colliers - intitulé "L'homme va conquérir l'espace bientôt!"

Von Braun et Ley ont imaginé une roue rotative à 3 étages d'un diamètre de 76 mètres (250 pieds). Cette roue tournerait à 3 tr / min pour fournir une gravité artificielle (un tiers de la gravité terrestre) et agirait comme un point de départ pour les engins spatiaux se dirigeant vers Mars.

En 1954, le scientifique allemand Hermann Oberth a décrit l'utilisation de cylindres massifs et rotatifs pour les voyages dans l'espace dans son livre "People into space - Nouveaux projets pour les fusées et les voyages dans l'espace" (Menschen im Weltraum - Neue Projekte für Raketen- und Raumfahrt).

En 1975, le centre de recherche Ames de la NASA et l’université de Stanford ont organisé conjointement la première étude d’été annuelle de la NASA. Ce programme de dix semaines a vu des professeurs, des directeurs techniques et des étudiants se réunir pour créer une vision de la façon dont les gens pourraient un jour vivre dans une grande colonie spatiale.

Le résultat de cela fut le Stanford Torus Space Settlement, une conception d'une station spatiale en forme de roue qui hébergerait 10000 personnes et tournerait pour fournir la sensation de gravité normale ou partielle à la Terre.

En 1974, alors qu'il enseignait à l'Université de Princeton, le physicien Gerard K. O'Neill a proposé le concept d'un cylindre rotatif dans l'espace extra-atmosphérique, qui a été détaillé dans un article de septembre 1974 de La physique aujourd'hui - intitulé "La colonisation de l'espace".

Cette idée est le résultat d'une étude coopérative où les étudiants d'O'Neill ont été chargés de concevoir des stations qui permettraient la colonisation de l'espace au 21e siècle, en utilisant des matériaux extraits de la Lune et des astéroïdes géocroiseurs (NEA).

O'Neill a développé cela dans son livre de 1976, La haute frontière: les colonies humaines dans l'espace, insistant sur la manière dont ces types d '"îles dans l'espace" pourraient être construits en utilisant la technologie existante.

«Nous avons maintenant la capacité technologique de mettre en place de grandes communautés dans l'espace», a-t-il écrit, «des communautés dans lesquelles la fabrication, l'agriculture et toutes les autres activités humaines pourraient être menées».

Selon sa description, ce cylindre serait constitué de deux cylindres contrarotatifs mesurant 8 km en diamètre et 32 kilomètres longue. Cela fournirait une gravité artificielle tout en annulant les effets gyroscopiques.

Au cours des années 1990, plusieurs versions mises à jour de ces concepts ont été proposées, en grande partie grâce au concours de règlement spatial lancé par la NASA et le NSS en 1994.

Celles-ci comprenaient des versions mises à jour des cylindres O'Neill, des sphères Bernal et des stations de roue qui tireraient parti des derniers développements en matière de technologie et de science des matériaux.

En 2011, Mark Holderman et Edward Henderson - de l'équipe d'évaluation des applications technologiques (TAAT) de la NASA - ont conçu un concept pour une station spatiale à roues tournantes. Ceci était connu comme le transport universel non atmosphérique destiné aux longues explorations aux États-Unis (Nautilus-X).

Le concept a été initialement proposé pour des missions de longue durée (1 à 24 mois) pour limiter les effets de la microgravité sur la santé humaine. Plus récemment, l'idée a été explorée comme un éventuel module de dortoirs qui serait intégré à l'ISS.

Cela permettrait d'expérimenter la gravité artificielle sans détruire l'utilité de l'ISS pour des expériences en microgravité. La recherche pourrait également aider à affiner les concepts d'engins spatiaux capables de simuler la gravité à l'aide d'une centrifugeuse.

En 2010, la NASA a commencé à travailler pour concrétiser sa vision de l'avenir de l'exploration spatiale humaine, désormais connue sous le nom de programme «Moon to Mars». Ce programme envisageait le développement d'une nouvelle génération de lanceurs lourds, d'engins spatiaux et de stations spatiales qui permettraient l'exploration humaine au-delà de la Terre.

Une partie centrale de l'architecture de la mission est la Deep Space Gateway, un habitat en orbite qui serait construit dans un espace cis-lunaire. Cet habitat faciliterait les futures missions sur la Lune pour la NASA, d'autres agences spatiales et des partenaires commerciaux, tout en servant également de point de départ pour les missions sur Mars.

En 2018, l'habitat surélevé a été rebaptisé Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G) - ou simplement Lunar Gateway. La configuration proposée appelle à la création d'une station modulaire composée de huit éléments, apportée par la NASA et des partenaires internationaux.

Cette station servira de point d'escale où les équipages lancés depuis la Terre - à l'aide du système de lancement spatial (SLS) et de la capsule spatiale Orion - pourront accoster et se ravitailler. Les astronautes et les équipages commerciaux pourront se rendre à la surface lunaire en utilisant un atterrisseur lunaire réutilisable.

Pour les missions à destination de Mars, la NASA prévoit d'ajouter un autre élément du vaisseau spatial - le Deep Space Transport. Ce vaisseau spatial réutilisable s'appuiera sur la propulsion solaire-électrique (SEP) pour effectuer des voyages entre la passerelle lunaire et une autre station en orbite autour de Mars.

Cette station est connue sous le nom de Mars Base Camp, une autre station modulaire qui permettra aux astronautes d'accoster et de se réapprovisionner avant de redescendre sur la surface martienne. Cela sera hébergé par le Mars Lander, un autre vaisseau spatial réutilisable.

En janvier 2016, le Keck Institute for Space Studies a organisé une présentation à Caltech intitulée «Construire le premier port spatial en orbite terrestre basse». La conférence a été présentée par des membres de la Gateway Foundation, une organisation à but non lucratif dédiée à la création du premier port spatial du monde.

La conception de la passerelle se compose de deux anneaux intérieurs concentriques fixés par quatre rayons à une bague extérieure. Les anneaux intérieurs constituent la zone de gravité lunaire (LGA), où les touristes pourront dîner et jouer dans la rotation de la station simulant la gravité lunaire.

L'anneau extérieur (anneau d'habitation LGA) est l'endroit où les modules d'habitation sont placés. L'anneau externe, connu sous le nom de Mars Gravity Area (MGA), subit une rotation plus rapide et fournit un environnement gravitationnel artificiel similaire à ce que les gens seraient expérimentés à la surface de Mars.

Le cœur de la station est l'endroit où le Hub and Bay résiderait. C’est là que le contrôle du trafic et les opérations de la passerelle seraient coordonnés. Le Hub disposera également d'un salon d'observation où les clients pourront regarder les navettes entrantes.

Le concept Gateway est l'un des nombreux indices de la pertinence et de la présence croissantes de l'industrie aérospatiale commerciale dans l'espace. La Fondation envisage également que les fournisseurs de lancement commerciaux comme SpaceX seront inestimables pour envoyer les modules de la passerelle en orbite (en utilisant le Vaisseau spatial/Très lourdsystème de lancement).

Avantages par rapport aux colonies de surface

Les colonies spatiales ont leur juste part des avantages et des inconvénients. Mais par rapport à l'établissement de colonies sur des planètes, des lunes et des astéroïdes, il existe un certain nombre de compromis vraiment favorables.

D'une part, les stations spatiales en rotation - qu'elles prennent la forme de cylindres O'Neill, de Von Braun Wheels ou de Stanford Torii - peuvent être tournées au point qu'elles peuvent imiter la gravité normale de la Terre.

Cela éliminerait les préoccupations concernant les effets à long terme du faible g sur la santé et donnerait aux colons une meilleure chance d'avoir des enfants sans avoir besoin de recourir à des traitements médicaux ou à des méthodes artificielles.

La radioprotection pourrait également être assurée en veillant à ce que les murs extérieurs des stations soient renforcés avec un matériau résistant aux rayonnements (comme le plomb, l'uranium appauvri ou les eaux usées). Un blindage supplémentaire pourrait éventuellement être fourni en générant un champ magnétique.

Les habitats spatiaux pourraient également offrir une grande flexibilité lorsqu'il s'agit de localiser la colonie. Ils pourraient être construits en orbite autour de la Terre, de la Lune, de Mars ou peut-être même d'autres planètes et corps majeurs du système solaire.

Ils pourraient également être positionnés à tout ou partie des points de Lagrange dans tout le système solaire. Ce sont des endroits où les forces gravitationnelles d'un système à deux corps (comme le Soleil et la Terre) produisent des régions d'équilibre amélioré, où un vaisseau spatial peut être «stationné».

Les défis de la création d'habitats spatiaux

Bien entendu, aucune discussion sur les habitats spatiaux ne serait complète sans mentionner les nombreux défis qu'ils présentent. Tout comme tout effort de colonisation au-delà de la Terre, le plus évident est le coût.

Pour construire un seul habitat en orbite autour de la Terre, il faudrait une quantité considérable de matériaux de construction, de carburant et de robots de construction. Dans l'état actuel des choses, SpaceX Faucon 9 et Faucon lourd peut livrer des charges utiles à LEO à un taux de 2 719 $ et 1 410 $ par kg, respectivement.

Alors que le développement de véhicules entièrement réutilisables - ainsi que des services de lancement de petits satellites et des fusées à un étage en orbite (SSTO) - a conduit à une réduction significative des coûts de lancement, l'envoi de tous les matériaux et équipements nécessaires en orbite serait toujours un dépenses monumentales.

Une solution possible serait d'extraire des matériaux des NEA ou de la Lune à l'aide de vaisseaux spatiaux robotiques et de transporteurs. Ceux-ci pourraient ensuite être amenés sur orbite terrestre pour être transformés en matériaux de construction et assemblés à l'aide de robots de construction.

Cependant, cela exigerait toujours qu'une valeur de mégatonnes de matériel et de machines soit envoyée dans l'espace pour construire ces robots et ces installations. Les coûts deviennent encore plus prohibitifs à mesure que ces habitats sont construits loin.

Voie du futur?

Cependant, c'est un autre avantage de la création d'habitats spatiaux. Alors que l'investissement initial pour les créer en orbite autour de la Terre ou dans l'espace cis-lunaire serait immense, ces habitats pourraient servir de tremplins vers des endroits plus éloignés.

Fondamentalement, avoir ces habitats en place entre la Terre et la Lune signifierait que les engins spatiaux pourraient être assemblés en orbite à l'aide de matériaux récoltés dans l'espace. Ils pourraient également décoller depuis ces stations, plutôt que de devoir décoller de la Terre.

Cela signifierait des réductions significatives du nombre de lancements depuis la Terre, sans parler de la quantité de carburant nécessaire pour monter des missions dans l'espace lointain.

À partir du système Terre-Lune, des vaisseaux spatiaux robotiques et des équipages pourraient potentiellement être envoyés sur Mars, dans la ceinture d'astéroïdes et dans le système solaire externe et interne pour construire des habitats supplémentaires en utilisant des matériaux récoltés localement.

Plus nous avons «colonisé» d'endroits avec des habitats spatiaux, plus il sera facile d'étendre la présence de l'humanité à travers le système solaire. Cependant, il est peu probable que les générations futures choisissent une option plutôt qu'une autre.

En fin de compte, il semble plus réaliste de supposer que les habitats spatiaux pourraient faciliter la propagation des êtres humains à travers l'espace, ce qui comprend la possibilité de s'établir sur d'autres planètes. Donc, en plus des «Martiens» et autres, il y aurait aussi des «Lagrangiens» (ou quel que soit leur nom).

  • ESA - Passerelle spatiale
  • NSS - Établissements spatiaux
  • NASA - Mémorandum sur la passerelle
  • NSS - Règlement de l'espace du cylindre O'Neill
  • The Gateway Foundation - La passerelle
  • NASA - Établissements spatiaux: une étude de conception (1977)
  • KISS - Construction du premier port spatial en orbite terrestre basse
  • NASA - Programme de recherche humaine: Le corps humain dans l'espace
  • Terraformation de Mars de l'Institut lunaire et planétaire: la mauvaise façon
  • NASA - Deep Space Gateway pour ouvrir des opportunités pour des destinations lointaines
  • NSS - "Colonies dans l'espace", par T.A. Heppenheimer (1977)
    • Chapitre 2 - Notre vie dans l'espace
    • Chapitre 3 - La colonisation spatiale bientôt!


Voir la vidéo: LA FUTURE MAISON MARTIENNE - Le Journal de lespace #5 Actu spatiale (Octobre 2021).