Les plans de colonisation lunaire de la NASA et de l'Agence spatiale européenne nécessitent des systèmes avancés de survie et une protection contre les rayons cosmiques
Le cabinet d'architectes Skidmore, Owings & Merrill est connu pour la conception et le développement de la tour
Burj Khalifa , le plus haut bâtiment du monde. Ces structures emblématiques sont l'une des spécialisations de l'entreprise. Mais dans leur bureau de New York, les architectes travaillent sur un projet encore plus étonnant - des dessins de bâtiments extraterrestres, le premier projet de ce type pour cette entreprise. L'entreprise développe une base lunaire en collaboration avec l'Agence spatiale européenne (ESA) et le MIT.
Daniel Inocente , un concepteur de premier plan, montre des dessins et des images générées par ordinateur de cocons gonflés blancs dispersés à travers le paysage lunaire, reliés par des tuyaux de transition et entourés de robots, de panneaux solaires et d'astronautes, et une boule bleue familière regarde du ciel.
Ces idées ne sont peut-être toujours pas réalisées, mais elles aident l'ESA à réfléchir aux options possibles pour l'avenir. La lune offre de nombreuses possibilités. Les planétologues veulent étudier sa composition afin d'en savoir plus sur le système solaire primitif et l'origine de la Terre. Les astronomes veulent construire des radiotélescopes de l'autre côté. Les chercheurs en médecine veulent savoir comment le corps humain réagit longtemps à une faible gravité. Les éclaireurs spatiaux veulent tester l'équipement ou produire du carburant pour les vols vers les astéroïdes, Mars et au-delà.
Les discussions sur l'envoi de personnes sur la Lune - apparues pour la première fois après les missions Apollo dans les années 1970 - ont récemment pris de l'ampleur. En 2016, le chef de l'ESA a annoncé le lancement du
programme Moon Village , une idée intentionnellement vague qui inspire les participants privés et publics à travailler ensemble sur l'exploration robotique et humaine de la lune. L'année dernière, huit volontaires chinois ont terminé leur expérience, passant une année entière dans une base à simuler un palais lunaire appelé Lunar Palace 1 pour tester des systèmes de survie.
Et bien que les entreprises privées n'envisagent pas d'envoyer des personnes sur la Lune dans un proche avenir, les fusées SpaceX et Blue Origin pourraient réduire considérablement le coût d'un tel projet pour les gouvernements. Il y a quelques mois, le vice-président américain Mike Pence a promis de ramener les astronautes sur la lune pendant 5 ans.
Cependant, pour équiper les gens sur la lune, les experts devront résoudre certains, pour le moins, des
problèmes . Cela implique de survivre dans des conditions difficiles, de construire des structures à partir de matériaux locaux, de perfectionner les systèmes de survie et de résoudre le problème avec une complication potentiellement mortelle pour laquelle nous n'avons actuellement aucune solution: la poussière.
Les trois facteurs les plus importants pour déterminer l'emplacement d'un règlement lunaire, comme tout agent immobilier vous le dira, sont: l'emplacement, l'emplacement et l'emplacement. À Skidmore, Owings & Merrill (SOM) a décidé que l'endroit le plus attrayant au bord du cratère Shackleton ressemble au pôle sud de la lune.
Il existe des preuves convaincantes que les surfaces à l'ombre constante du cratère contiennent de la glace d'eau qui y est arrivée avec les anciennes comètes - il convient à boire, cuisiner, laver, créer du béton et le séparer en hydrogène et en oxygène pour produire du carburant de fusée.
Mais partout où ils décident de construire des bâtiments, les architectes spatiaux et les ingénieurs sont confrontés à des contraintes qui ne concernent pas les spécialistes ordinaires de ce domaine. Sur la lune, bien sûr, il n'y a presque pas d'air, donc toute maison doit être fermée et étanche. Et si la plupart des pierres cosmiques brûlent dans l'atmosphère terrestre, la surface de la lune est constamment bombardée de micrométéorites. À cet égard, les structures devraient être conçues pour de telles attaques.
La gravité est environ 6 fois plus faible que la Terre. Cela vous permet de construire des structures allongées, mais nécessite également plus de points d'appui. En raison de la faible gravité, il est difficile de creuser: vous poussez vers le bas et vous serrez. Les températures y sont extrêmes, de sorte que dans les logements, il sera nécessaire d'équiper de puissants systèmes de chauffage et de refroidissement, et les matériaux qui les composent devront résister à une compression et une expansion importantes.
Il y a aussi le problème des radiations. Le soleil émet constamment un flux de protons et d'électrons à grande vitesse - le vent solaire. Et si le champ magnétique terrestre nous protège de la majeure partie de celui-ci, la Lune n'a pas de champ magnétique, donc toutes les particules entrent en collision avec la surface. Les
éjections de masse coronale du Soleil sont encore plus dangereuses. Au cours de ces événements, des groupes de protons et d'électrons de haute énergie éclatent dans l'espace. Une forte explosion peut représenter plusieurs
sievert (sievert - une unité de rayonnement) à la surface de la lune, ce qui suffit à une personne pour mourir si elle ne peut pas retourner sur Terre pour une greffe de moelle osseuse. Et, comme si ces dangers ne suffisaient pas, les astronautes sur la Lune seront constamment bombardés de rayons cosmiques, qui sont susceptibles d'augmenter le risque de cancer.
Les modules résidentiels pré-assemblés conçus par SOM seront enfermés dans des carénages de fuséeDans le bureau new-yorkais de SOM Inocent, il parle de l’offre de son entreprise d’imprimer des murs autour des cocons des maisons lunaires sur des imprimantes 3D, et ainsi de se protéger des radiations mortelles. Les résidents qui sont à la base depuis longtemps auront besoin de murs jusqu'à trois mètres d'épaisseur pour se protéger des rayons cosmiques galactiques. Il sera inutile de livrer des tonnes de ciment à partir de la Terre, de sorte que les astronautes utiliseront les ressources locales - c'est-à-dire profiter de ce qui existe déjà.
Dans le concept SOM, les murs seront construits à partir du sol lunaire, qui est appelé
régolithe , car il n'y a pas de matière organique. Une façon est l'impression 3D des murs, soit immédiatement en une seule pièce sur place, soit sur des briques qui s'accrocheront les unes aux autres pendant la construction. Certains architectes spatiaux proposent de placer le ciment régolithique en couches à l'aide d'une buse robotisée.
Mais que faire si le liquide dans le mélange de ciment s'évapore ou gèle avant que le ciment dans le mur ou les briques ne durcisse? Des chercheurs européens, en collaboration avec le bureau d'architecture
Foster + Partners, ont étudié la possibilité de
lier et d'injecter
des fluides afin d'éviter cet effet et ont imprimé une section du mur à l'aide d'un simulateur de régolithe. Cependant, les entrepreneurs doivent toujours envoyer un matériau liant les liquides ou une poudre de ciment spéciale sur la lune.
SOM préfère extruder le régolithe fondu à travers une buse à la manière d'
un adhésif thermofusible . Une autre approche consiste à
fritter ou à chauffer le régolithe au-dessus du point de fusion, de sorte qu'il fusionne et se solidifie ensuite. Dans un projet de l'ESA appelé
RegoLight, les chercheurs ont concentré la lumière du soleil dans un faisceau puissant et l'ont fait traverser la surface d'un simulateur de régolithe, en frittant les briques couche par couche. Le processus était lent et les briques d'essai étaient faibles, de nombreux chercheurs pensent que le frittage micro-ondes à l'aide de fours ou de faisceaux micro-ondes pour lier la poussière sera une stratégie gagnante. Jusqu'à présent, SOM explore une option de frittage.
Pour les habitations relativement basses, le régolithe peut simplement être coulé sur des structures métalliques (et laisser de la place pour l'entretien). Une autre option, plus théorique, consiste à placer des modules résidentiels à l'intérieur des
tubes de lave de la lune - de grands tunnels vides à travers lesquels la pierre fondue coulait autrefois.
Regolith sera utilisé non seulement pour protéger les bâtiments, mais aussi pour la construction des sites de lancement et des routes.
Brent Sherwood , président du Comité technique d'architecture spatiale de l'Institut américain d'aéronautique et d'astronautique (AIAA), propose de cuire des carreaux régolithiques dans des fours à micro-ondes. Un vaisseau spatial atterrissant sur des plates-formes ou des véhicules circulant sur des routes pavées avec de telles tuiles soulèvera moins de poussière. Les routes permettront également aux robots de se déplacer plus facilement sur la surface. "Essentiellement, je veux transformer la surface de la lune en un plancher d'usine prévisible, comme dans un entrepôt d'Amazon", dit-il.
Hannah Luck , architecte spatial de l'ESA avec une expérience en architecture et en design textile, propose une utilisation plus conventionnelle du régolithe. Lui et ses collègues ont réussi à faire fondre le simulateur de régolithe et à le tirer en fils, avec lesquels les robots peuvent tordre les fermes métalliques, obtenant des cocons fibreux. Le logement obtenu par ce procédé de fabrication peut être placé dans un cratère, sur lequel une nappe est tendue pour résister au régolithe empilé sur le dessus. Ils ont également utilisé un robot pour produire une version miniature d'un tel revêtement. En conséquence, de nombreuses techniques d'utilisation du régolithe sont susceptibles d'être adoptées dans les futures colonies lunaires.
Et à quoi ressembleront les modules résidentiels lunaires derrière ces murs du régolithe lunaire? Les projets de travail actuels de SOM découlent des suggestions que les ingénieurs ont formulées pendant des décennies, généralement pour des dômes ou des cylindres, parfois complètement ou à moitié immergés dans le sol.
Les architectes et ingénieurs spatiaux pensent généralement que les premières habitations sur la lune ressembleront à des modules de la station spatiale internationale (ISS). "La technologie de première génération est un peu moins sexy" par rapport aux images de science-fiction, explique
Jaime Benaroya , ingénieur en mécanique et génie aérospatial à l'Université Rutgers, auteur de
The Moon Housing Construction: Engineering Approaches to Lunar Settlements . La première habitation sera une enceinte étanche sous pression, recouverte de régolithe pour se protéger des radiations - en fait, enterrée dans une boîte de conserve.
Selon Sherwood, qui travaillait à la construction de modules pour l'ISS avec Boeing, les ingénieurs savent déjà comment fabriquer, tester, exécuter et réparer un tel module. «Nous avons acquis énormément de connaissances grâce à la station spatiale», dit-il.
En conséquence, nous pouvons passer à des modules gonflables qui peuvent s'étendre à de grands volumes, après avoir compris comment les intégrer à des structures rigides et les emballer afin qu'ils puissent être disposés correctement.
Bigelow Aerospace de Las Vegas a vendu des licences de la NASA pour des brevets pour la construction d'un
module gonflable , qui s'est
amarré à l'ISS en 2016 pour les tests. Et bien qu'il ne soit désormais utilisé
que comme entrepôt , Bigelow continue de collecter des données sur la manière dont il réagit aux changements de température, aux radiations et aux collisions avec les débris spatiaux.
Dans son travail avec l'ESA, SOM a choisi un croisement entre une boîte de conserve et un ballon. Le module en cours de développement est de forme approximativement cylindrique et de 9,5 mètres de haut. Il a trois étages et un noyau vertical, permettant aux résidents de se déplacer entre eux. Trois parties gonflables coïncident avec le module et s'ajoutent à chaque étage de l'espace de vie. Au niveau inférieur, trois portes le relient aux modules voisins.
SOM n'a pas encore choisi de technologies pour les systèmes climatiques, les moyens de subsistance, la nourriture et les zones de loisirs pour le personnel. Cependant, la pratique architecturale courante consistant à faire participer les utilisateurs aux premiers stades du développement devrait garantir que la maison est confortable pour le logement. Larry Tups, un architecte spatial de la NASA qui supervise les contrats de logements spatiaux, explique que les ingénieurs doivent parfois se souvenir de l'expérience utilisateur de leur produit: par exemple, les déchets ne devraient pas s'approcher de la cuisine.
C'est ce dont SOM n'a jamais eu à s'inquiéter lors du développement du Burj Khalifa, il s'agit du traitement de l'urine. Le premier système lunaire de survie peut être "ouvert", comme celui utilisé lors des missions Apollo: l'oxygène, la nourriture et l'eau pénètrent dans le système, et les déchets sont éliminés sur place. Selon les
estimations , chaque personne aura besoin de 5 à 15 tonnes de consommables - principalement de l'air, de la nourriture et de l'eau - par an.
Cependant, avec une plus grande probabilité, le système physico-chimique de traitement des déchets, comme celui utilisé à l'ISS, sera mis en œuvre dans un premier temps. La station spatiale recueille l'urine, les eaux usées et les condensats de la sueur des astronautes et de la respiration, les filtre tous et les transforme en eau potable. Plusieurs tamis au niveau moléculaire (utilisant des cristaux de silice et d'alumine)
sont éliminés de l'air par le CO
2 et l'eau est électrolysée pour
produire de l' oxygène.
Le projet «Next Generation Life Support System» de la NASA travaille sur de nouvelles approches, mais «souvent, nous n'essayons pas d'inventer une nouvelle chimie», explique
Molly Anderson , directrice de la technologie. La NASA essaie principalement d'augmenter l'efficacité des systèmes existants. L'agence doit également faciliter l'équipement, le rendre plus fiable et plus facile à entretenir. Quant aux nouveaux jouets, l'équipe teste des prototypes de compresseurs pour recharger les bouteilles d'oxygène des combinaisons spatiales, un système de pyrolyse qui utilise la chaleur pour décomposer les déchets solides en éléments utiles et des séquenceurs d'ADN portables pour suivre la présence de microbes sur les surfaces et dans l'eau.
Anderson dit qu'il est plus facile d'organiser un système de survie sur la Lune que sur l'ISS, au moins parce que la gravité vous permet de créer une douche et des toilettes normales avec une descente.
La prochaine étape dans le développement de systèmes de soutien à la vie lunaire sera la création d'un système
biorégénératif dans lequel les organismes dans le logement fourniront au personnel de la nourriture, de l'air et de l'eau propres et décomposeront les déchets. Dans le cadre du programme
MELiSSA (Alternative Microecological Life Support System) de l'ESA, une expérience est menée dans laquelle trois rats et algues vivent ensemble pendant six mois consécutifs. Les rats convertissent l'oxygène en CO
2 et les algues - vice versa.
La biologie peut même nous aider dans la construction. La chance a fait pousser des briques à partir de mycélium et de matériaux végétaux, et a montré que le champignon survit à la fois à l'apesanteur simulée et au rayonnement qu'il rencontre sur la lune. Les matériaux de construction cultivés localement peuvent potentiellement remplacer le régolithe.
Nous verrons probablement un système hybride dans lequel une partie de la nourriture sera apportée de la Terre. Même si les scientifiques peuvent modifier génétiquement toutes les cultures pour donner tous les nutriments nécessaires, les astronautes peuvent toujours avoir besoin d'une variété d'aliments pour maintenir un système digestif sain. Les gens ne voudront pas manger la même chose tous les jours, mais il faut beaucoup d'efforts pour transformer les plantes ou les algues en nourriture. "Nous ne voulons pas envoyer des astronautes là-bas en tant qu'agriculteurs", a déclaré Anderson.
L'AIAA Sherwood est d'accord avec le besoin de diversité - surtout si les touristes spatiaux se rendent sur la lune. "Vous n'ouvrirez pas l'hôtel tant que vous ne pourrez pas mélanger du martini ou y faire une omelette", dit-il. Mais nous savons peu de choses sur la cuisson dans des conditions de faible gravité.
Pour que les gens puissent vivre sur la lune, SOM prévoit la présence d'une main-d'œuvre robotique. "Les levés géodésiques, le déplacement des régolithes, la construction, l'extraction des ressources et l'entretien de routine ne sont pas les meilleures personnes possibles", explique Sherwood. SOM s'attend à ce que les robots construisent des logements, et éventuellement un module de fabrication de produits, et construisent des murs de régolithe avant l'arrivée des premiers résidents.
Cependant, une difficulté peut s'avérer fatale pour les personnes et les machines: la poussière. Pendant des milliards d'années, le bombardement de micrométéorites a écrasé la couche superficielle de la lune, créant de la poussière composée de fragments pointus et lisses, dans un endroit où ni l'air ni l'eau ne peuvent lisser leurs bords. Environ 10 à 20% de la masse de la couche supérieure du régolithe de la Lune
est constituée de particules de moins de 20 microns, ce qui est comparable au talc fin.
Ces particules sont
chargées électrostatiquement par le vent solaire, donc elles forment un mélange pesé et collent à tout, et elles sont trop petites pour être remarquées. Pendant les missions Apollo, en seulement quelques heures de marche sur la lune, la poussière a obstrué les protecteurs des bottes, anéanti les combinaisons spatiales, rayé les lentilles, détruit les voitures, obstrué les filtres à air et irrité les yeux et le nez des astronautes. S'il est inhalé, il peut même provoquer le cancer.
SOM propose d'organiser les pièces pour se débarrasser de la poussière aux entrées des logements, mais même si elles parviennent à rendre les pièces intérieures absolument propres, cela n'empêchera pas la dégradation des équipements extérieurs. «Nous savons en quoi consiste le régolithe et pourquoi il est ce qu'il est», explique Sherwood, «mais personne n'a la moindre idée de la façon de concevoir un système fiable dans de telles conditions.»
Se rendre sur la lune est difficile et y rester est encore plus difficile. Mais si les ingénieurs et les architectes peuvent surmonter tous les obstacles, nous aurons tout un monde de nouvelles opportunités.