CONSTRUIRE UNE BASE LUNAIRE: PARTIE 3 - CONCEPTION STRUCTURELLE

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Construire la première base lunaire sera le plus grand défi que l'humanité ait jamais lancé. Nous pouvons déjà spéculer sur les dangers, naturels et d'origine humaine, associés à une présence humaine sur la surface lunaire. En réponse, nous avons déjà en tête certaines structures d'habitat, allant des structures gonflables aux terriers souterrains à l'intérieur d'anciens évents de lave. Il est maintenant grand temps de commencer sérieusement à concevoir notre première structure d'habitat, à nous protéger des micrométéorites, à maintenir les pressions terrestres et à utiliser des matériaux extraits localement là où nous le pouvons…

Dans la partie 1 de cette série «Construire une base lunaire», nous avons examiné certains des risques les plus évidents associés à la construction d'une base sur une autre planète. Dans la partie 2, nous avons exploré certains des concepts de conception actuels pour le premier habitat habité sur la Lune. Les conceptions allaient des structures gonflables, des habitats qui pouvaient être construits en orbite terrestre et flottaient à la surface lunaire, aux bases creusées dans d'anciens tubes de lave sous la surface. Tous les concepts ont leurs avantages, mais la fonction principale doit être de maintenir la pression atmosphérique et de réduire le risque de dommages catastrophiques en cas de pire. Ce troisième volet de la série traite de la conception de base d'une éventuelle base lunaire qui optimise l'espace, utilise au maximum les matériaux extraits localement et protège contre la menace constante des micrométéorites…

«Construire une base lunaire» est basé sur des recherches de Haym Benaroya et Leonhard Bernold («Ingénierie des bases lunaires“)

Les principaux facteurs qui influencent la conception structurelle des habitats sur la Lune sont:

Un sixième de la gravité terrestre.
Pression d'air interne élevée (pour maintenir l'atmosphère respirable par l'homme).
Protection contre les radiations (du soleil et d'autres rayons cosmiques).
Blindage en micrométéorite.
Effets du vide dur sur les matériaux de construction (ex: dégazage).
Contamination par la poussière lunaire.
Gradients de température sévères.

En plus de résoudre ces problèmes, les structures lunaires doivent être faciles à entretenir, peu coûteuses, faciles à construire et compatibles avec d'autres habitats / modules / véhicules lunaires. Pour réaliser une construction peu coûteuse, autant de matériaux locaux doivent être utilisés que possible. La matière première pour une construction peu coûteuse pourrait être les quantités abondantes de régolithe facilement accessibles sur la surface lunaire.

Il s'avère que le régolithe lunaire a de nombreuses propriétés utiles pour la construction sur la Lune. Pour compléter le béton lunaire (comme présenté précédemment dans Partie 2), les structures de base du bâtiment peuvent être constituées de régolithes coulés. Le régolithe moulé serait très similaire au basalte moulé terrestre. Créé en faisant fondre du régolithe dans un moule et en le laissant refroidir lentement, une structure cristalline se formerait, résultant en des composants de construction très compressifs et modérément résistants à la traction. Le vide poussé sur la Lune améliorerait considérablement le processus de fabrication du matériau. Nous avons également de l'expérience ici sur Terre sur la façon de créer du basalte coulé, donc ce n'est pas une méthode nouvelle et non testée. Les formes de base de l'habitat pourraient être fabriquées avec peu de préparation des matières premières. Des éléments tels que des poutres, des colonnes, des dalles, des coques, des segments d'arche, des blocs et des cylindres pourraient être fabriqués, chaque élément ayant dix fois la résistance à la compression et à la traction du béton.

Il y a de nombreux avantages à utiliser le régolith coulé. Principalement, il est très dur et résistant à l'érosion par la poussière lunaire. Il pourrait être le matériau idéal pour ouvrir les sites de lancement de roquettes lunaires et construire des boucliers anti-débris autour des aires d'atterrissage. Il pourrait également constituer un blindage idéal contre les micrométéorites et les radiations.

OK, nous avons maintenant des matériaux de construction de base, à partir de matériaux locaux, nécessitant une préparation minimale. Il n'est pas trop difficile d'imaginer que le processus de fabrication du régolithe coulé puisse être automatisé. Avant même qu'un humain mette le pied sur la Lune, une coquille d'habitat sous pression de base pourrait être créée, en attendant son occupation.

Mais quelle devrait être la taille de l'habitat? C'est une question très difficile à répondre, mais le résultat est que si un habitat lunaire sera occupé pendant de longues périodes, il devra être confortable. En fait, il existe des directives de la NASA stipulant que, pour les missions de plus de quatre mois, le minimum le volume requis par chaque individu doit être d'au moins 20 m³ (de NASA Man Systems Integration
Normes, NASA STD3000, au cas où vous vous poseriez la question). Comparez les besoins d'habitation à long terme sur la Lune avec les missions à court terme des Gémeaux au milieu des années 1960 (en photo). Le volume habitable par membre d'équipage des Gémeaux était de 0,57 m³… Heureusement, ces premières incursions dans l'espace ont été courtes. Malgré les réglementations de la NASA, le volume recommandé par membre d'équipage est de 120 m³, à peu près le même que l'espace de vie de la Station spatiale internationale. Un espace similaire sera nécessaire à l'intérieur des futurs habitats sur la Lune pour le bien-être de l'équipage et le succès de la mission.

À partir de ces lignes directrices, les concepteurs d'habitats peuvent travailler sur la meilleure façon de créer ce volume vivant. De toute évidence, l'espace au sol, la hauteur de l'habitat et la fonctionnalité devront être optimisés, plus l'espace pour l'équipement, le soutien de la vie et le stockage devra être pris en compte. Dans une conception de base de l'habitat par F. Ruess, J. Schänzlin et H. Benaroya d'une publication intitulée «Conception structurelle d'un habitat lunaire»(Journal of Aerospace Engineering, 2006), une forme semi-circulaire de« hangar »est considérée (en photo).

La forme d'une arche porteuse est un allié proche pour les ingénieurs en structure, et les arches devraient être un élément majeur de la conception de l'habitat, car les contraintes structurelles peuvent être réparties uniformément. Bien sûr, des décisions architecturales telles que la stabilité du matériau sous-jacent et l'angle de pente devraient être prises lors de la construction des fondations de l'habitat, mais cette conception devrait répondre à de nombreux problèmes liés à la construction lunaire.

La plus grande contrainte sur la conception du «hangar» proviendra de la pression interne agissant vers l'extérieur et non de la gravité agissant vers le bas. Étant donné que l'intérieur de l'habitat devra être maintenu à des pressions terrestres, le gradient de pression de l'intérieur vers le vide de l'extérieur exercerait une pression énorme sur la construction. C'est là que l'arche du hangar devient essentielle, il n'y a pas de coins, et donc aucun point faible ne peut dégrader l'intégrité.

De nombreux autres facteurs sont pris en compte, impliquant des calculs complexes de contraintes et de déformations, mais la description ci-dessus donne un aperçu de ce que les ingénieurs en structure doivent prendre en compte. En construisant un habitat rigide à partir de régolithes coulés, les blocs de construction pour une construction stable peuvent être construits. Pour une protection accrue contre le rayonnement solaire et les micrométéorites, ces habitats arqués pourraient être construits côte à côte, interconnectés. Une fois une série de chambres construites, un régolithe libre pourrait être posé sur le dessus. L'épaisseur du régolithe coulé sera également optimisée afin que la densité du matériau fabriqué puisse fournir une protection supplémentaire. Peut-être que de grandes dalles de régolithe coulé pourraient être superposées.

Une fois les modules d'habitat de base construits, l'agencement de la colonie peut commencer. La «planification urbaine» lunaire sera une autre tâche complexe et de nombreuses configurations de modules doivent être prises en compte. Cinq configurations de module principales sont mises en évidence: linéaire, cour, radial, ramification et cluster.

L'infrastructure de la future colonie lunaire dépend cependant de nombreux facteurs et sera poursuivie dans le prochain épisode.