2 - Description d'ensemble
La cité comporte trois types d'infrastructures :
les habitats, au nombre de trois, protégés des radiations cosmiques et des particules émises par le soleil et où sont recréées les conditions terrestres: atmosphère tempérée et gravitation.
la zone industrielle et logistique, fortement robotisée (simple surveillance humaine) et fonctionnant, en partie, dans l'environnement spatial: vide, froid, 0-g, radiations. On y trouve les ports d'accès à la cité.
les serres agricoles éclairées et chauffées par le soleil (atmosphère et éclairage optimisés selon le type de culture).
S'y ajoutent :
la centrale solaire qui alimente la cité en énergie électrique,
les panneaux radiatifs évacuant les calories que produit la cité,
les câbles reliant ces différents éléments.
L'ensemble est desservi par des ascenseurs, des monte-charges et des couloirs de circulation. Chaque zone dispose d'accès adaptés à ses fonctions (sas).
Les trois habitats, situés aux sommets d'un triangle équilatéral, sont reliés par des câbles à la zone industrielle centrale (cf. plan masse) et, également, entre eux. L'ensemble tourne sur lui-même à raison d'un tour / minute pour recréer la pesanteur terrestre au niveau des habitats, soit à 900 m de l'axe. Cette option, très contraignante par rapport à l'absence de pesanteur (comme dans la Station internationale ISS) ou à une pesanteur réduite (comme sur la Lune ou sur Mars), nous paraît une condition essentielle pour préserver à long terme la santé d'individus "ordinaires" et la possibilité de leur retour sur terre.
Les serres sont installées dans le plan du triangle, à une distance intermédiaire (une gravité minimale est nécessaire en zone agricole). Il en est de même pour la centrale solaire. Sauf à beaucoup compliquer les choses, cela implique de maintenir l'axe de rotation de la cité "pointé soleil" tout au long de l'année alors que l'effet stabilisateur de la rotation le maintient, au contraire, dans une direction fixe par rapport aux étoiles, entraînant un pivotement complet de 360° par an. Ce pointage est effectué par le "système de contrôle d'attitude" (SCA), nécessaire par ailleurs pour contrer les mouvements naturels de l'axe de cette cité-toupie dont il est impossible de garantir l'absolue symétrie.
Cette architecture n’est pas arbitraire. Elle privilégie trois formes fondamentales - la sphère, le tore, et le triangle – permettant d’optimiser des contraintes structurelles :
la sphère (pour les zones de résidence et les serres de culture maraîchère) offrant le meilleur rapport surface/volume et minimisant les contraintes mécaniques structurelles (efforts mécaniques liés au confinement de zones pressurisées, maitrise des vibrations basse fréquence).
le tore, qui offre moins d’avantages que la sphère sur le plan mécanique, mais apparaît néanmoins comme la meilleure solution pour abriter des surfaces importantes (20 ha de cultures extensives pour la production agricole) sur une circonférence en gravité intermédiaire.
le triangle formant des structures isostatiques tendues par des faisceaux de câbles. Les tores des serres agricoles sont au niveau du cercle inscrit dans le triangle qui structure la forme générale de la cité.
Les habitats
Chaque habitat est constitués de quatre grandes sphères (voir plan) reliées entre elles par des viroles cylindriques / tronconiques. La longueur de l'ensemble est d'environ 400 m de long pour un diamètre maximum voisin de 100 m.
Les habitats sont pressurisés à 800 mbars. La composition de l'atmosphère est la même que sur Terre. La température moyenne (20°C) et le degré d'hygrométrie (60%) sont ceux d'une région terrestre tempérée.
Contrairement aux îles d'O'Neill qui n'utilisent que le soleil, l'éclairage des habitats est en partie artificiel. Les possibilités d'adaptation aux différentes situations (cycle jour/nuit, variations annuelles, optimisation physiologique, etc.) sont quasiment infinies sans nécessiter la captation directe des rayons du soleil, techniquement compliquée.
Trois sections réunissent les sphères. C'est sur ces structures rigidifiées que sont ancrés les câbles qui relient les habitats entre eux et à la zone centrale. Des baies panoramiques sont aménagées sur les faces intérieures des parties tronconiques, offrant une vue d’ensemble sur le reste de la station.
A ce stade du projet, nous ne proposons pas d'aménagements particuliers des habitats. Faut-il s'inspirer des grands navires de croisières, des villages troglodytes ou des cavernes d'acier d'Asimov? Nous pensons que ce doit être le choix des habitants. Leurs architectes et leurs décorateurs sauront concevoir et construire "leur intérieur" et, par la suite, l'adapter et le modifier tout en respectant les exigences et les normes techniques de base (masses, structures, réseaux, hygiène, sécurité,..). Ils assureront la diversité spatiale et le changement temporel dans l'espace clos de la cité pour compenser, autant que possible, l'absence de grands horizons.
Cela étant, on peut commencer à s'entraîner. Par exemple, les zones résidentielles peuvent être aménagées dans les deux plus grandes sphères de chaque habitat, hébergeant chacune environ 1700 habitants. Au centre de l'habitat, les deux sphères plus petites abritent divers espaces publics, notamment des « espaces naturels » sous des dômes transparents hémisphériques (jardins avec eau et végétation) éclairés par des miroirs disposés à 45° à l'extérieur de l'habitat.
La zone industrielle
Elle a plusieurs rôles :
petite industrie: transformation et conditionnement agroalimentaire, production de composants et d'équipements de la cité, notamment ceux de la vie quotidienne: mobilier, habillement,.. (hors art et artisanat.), maintenance et réparation des installations de la cité, laboratoires d'essais et de contrôle, etc.
entreposage de matériaux et de conteneurs de transport, magasinage de composants et d'équipements, stockage d'ingrédients liquides et gazeux, ensilage et conservation de produits agricoles.
transports de personnes et de fret: ports d'accès, zones de transit, garages et ateliers d'entretien et de réparation des vaisseaux, stockage et avitaillement en ergols et fluides.
zone de loisirs zéro-g, équipée en refuge en cas d'accident grave dans un habitat, exigeant l'évacuation de tout ou partie de la population.
La zone industrielle est constituée de deux grandes sphères offrant chacune un volume pressurisé d'environ 100000 m3. Hormis la quasi-absence de pesanteur (0,3 m/s2 à la périphérie), la zone industrielle a les mêmes caractéristiques que les habitats en termes d'atmosphère et de protection. Des plateaux extérieurs permettent l'entreposage de conteneurs et de matériels ne nécessitant ni atmosphère ni protection.
Les serres
Il est illusoire de vouloir transposer les modes de production alimentaires terrestres, d'une part parce que les écosystèmes de la cité n'y survivraient pas, d'autre part, parce ce que les rendements de l'élevage et de l'agriculture terrestres sont trop faibles. Les écosystèmes de la cité doivent être les plus simples possibles, isolés les uns des autres, et strictement contrôlés. Au moins dans un premier temps, la base de l'alimentation est purement végétale et produite dans des serres à haut rendement. Compte tenu des progrès actuels en la matière, on peut supposer que les habitants d'Apogeios sauront en tirer des préparations équilibrées et savoureuses.
Outre la production alimentaire, les serres assurent la régénération de l'atmosphère des habitats (absorption du CO2 et fourniture d'oxygène par photosynthèse chlorophyllienne). Elles sont de deux types :
20 hectares de "champs" pour la culture extensive de céréales (blé, maïs, sorgho) et de divers protéagineux (soja, lin, colza).
10 hectares de "jardins" pour la culture maraîchère (fruits et légumes).
Ces surfaces sont à majorer d'environ 10% en raison de l'immobilisation nécessitée par la régénération périodique des serres. Tous les trois ans, une serre devra être entièrement assainie en détruisant son écosystème, en aseptisant ses équipements par mise au vide et exposition aux UV durs du soleil. La serre sera alors remise en culture avec des semences strictement contrôlées. C'est le prix à payer pour assurer la pérennité de ces écosystèmes clos.
Les serres sont conçues pour :
fournir une grande variété de fruits, légumes et céréales (au moins les 120 plus importantes produites) aujourd'hui sur la base de 0,62 kg de nourriture (dans l'assiette) par habitant et par jour [2], soit 2300 T / an pour 10000 personnes (6 T par jour).
fournir du lin et du coton pour l'habillement. Quantité à définir.
fournir la base végétale des produits cosmétiques et pharmaceutiques. Quantité à définir.
recycler le gaz carbonique sur la base de 1 kg par habitant et par jour [2], soit près de 4000 T / an pour 10000 personnes (10 T par jour).
La culture est essentiellement aéroponique/ultraponique. Les plantes sont fixées sur des grilles métalliques laissant passer les racines. Celles-ci sont plongées en permanence dans un fin brouillard nutritif: eau, engrais, oligoéléments, produits phytosanitaires
éclairage optimum (intensité, spectre)
1/6 g minimum
atmosphère: T = 32°C, O2: 168 mbar, N2 et taux d'humidité à définir, CO2: entre 300 et 1300 ppm.
Ce type de culture permet, dans certains cas, de multiplier le rendement par 8 par rapport à la culture sur substrat (130 habitants/ha). On prend le facteur 2,5, soit 30 m2 /personne.
La structure résiste à la pression interne, assure une étanchéité suffisante et protège les habitants des rayonnements ionisants et des micrométéorites. Elle comporte une charpente en alliage d'aluminium (membrures, lisses et bordés) enrobée d'un agrégat de régolite lunaire et de résine époxy sur 50 cm d'épaisseur. S'y ajoute un liner interne d'étanchéité en élastomère.
A l'intérieur, une surface de plancher d'environ 350000 m2, répartis sur plusieurs niveaux, constitue la cité, réunissant les parties privatives, les locaux professionnels, les commerces, les équipements publics (éducation, santé, sports, loisirs). La densité de population correspond à celle des grandes villes (environ 100 m2/habitant).
De forme torique (culture extensive) ou sphérique (culture maraîchère), les serres sont des structures gonflables en poliéthylène transparent pour recevoir la lumière du soleil. Etant donné le gravitropisme des plantes, les surfaces cultivées doivent être perpendiculaires à la direction de la gravité. Cela nécessite de renvoyer le rayonnement solaire à l'aide de miroirs. Tenant compte que, sous nos latitudes, le soleil est à peu près à 45° au zénith, il est possible, comme le montre le schéma ci-dessous, de gagner de la surface cultivable en l'aménageant en terrasses se superposant partiellement.
L'ensemble des serres comporte trois tores de 455 m de rayon moyen pour la culture extensive (deux de 20 m de section, un de 30 m) et 228 sphères de 25 m de diamètre réparties en 12 x 2 grappes de 19 serres. Le niveau de gravitation est d'environ 0,5g, la pression atmosphérique est faible (altitude terrestre correspondante > 4000 m). L'atmosphère est tropicale et le taux de CO2 élevé. La protection GCR est réduite, les plantes étant plus tolérantes aux particules ionisantes que l'organisme humain. Seuls des robots y travaillent. Si nécessaire, les hommes interviennent à partir d'un sas, en combinaison et masque étanches, légèrement pressurisés pour compenser la faible pression atmosphérique.
Les moyens de transport
Différents types de véhicules assureront des besoins spécifiques :
des "vraquiers" et/ou des catapultes pour le transport de minerais et de matières premières en provenance de la Lune et des astéroïdes,
un parc d'engins de service pour les équipes de surveillance et d'intervention sur le site ainsi que sur la Lune et les astéroïdes.
des "paquebots" ou "liners" pour les liaisons entre la cité et une orbite basse terrestre desservie par des navettes lancées depuis le sol et capables ensuite de rentrer dans l'atmosphère et d'atterrir.
Les navettes de fret et de transport de passagers peuvent s’arrimer à la station sur deux docks situés au niveau de l’axe de rotation. De là, il est possible de charger / décharger des containers de marchandises stockés à l'extérieur. Des sas permettent de transférer passagers et fret à l'intérieur de la zone industrielle (pressurisée) puis d’être acheminés jusqu’aux habitats via les tunnels de liaison.
La construction
Une préparation longue et importante doit précéder la construction d'Apogeios. Ce programme initial "d'industrialisation de l'Espace" permettra, en premier lieu, de produire, sur place et en grandes quantités, l'aluminium des structures, l'acier des câbles, le ciment pour la protection GCR, la silice et le silicium pour les verrières et les cellules solaires, l'azote, l'eau et l'oxygène nécessaires aux habitants et aux cultures, les matières plastiques ainsi que l'oxygène et l'hydrogène liquides pour les moyens de transport à propulsion fusée.
A cette industrie de base, s'ajoutera celle de nombreux produits finis: alliages métalliques, fluides et ingrédients divers. Mais les produits très élaborés, comme les médicaments ou les puces électroniques continueront à venir de la Terre.
Même très automatisées, les industries minières et de transformation et surtout la construction de la cité nécessiteront la présence de l'homme in situ. Tout ne sera pas contrôlable ou opérable à distance et l'aptitude des robots à s'adapter aux situations imprévues et accidentelles est une perspective lointaine (mais qu'on ne peut exclure).
Plus que des "baraques de chantier", des "bases-vie" seront donc nécessaires. Plus spacieuses et surtout plus autonomes que les stations orbitales actuelles, elles préfigureront la cité à venir. Outre leur rôle dans l'industrialisation puis la construction, elles permettront de qualifier nombre de fonctions essentielles comme la gravité artificielle, la culture en serres, le recyclage de l'air et de l'eau, le contrôle des écosystèmes et la sécurité.
Le potentiel de croissance
Il est possible d'augmenter la capacité d'accueil de la cité mais mieux vaudra construire une nouvelle ville aux alentours et ainsi de suite (avant d'essaimer plus loin). L'idée d'O'Neill était de créer un archipel au point de Lagrange où vivraient des centaines de milliers, voire des millions d'humains. Les villes se différencieraient comme sur Terre avec des spécialités industrielles, culturelles ou de loisirs. Il faut noter que les transports interurbains ne coûteraient rien ni en énergie ni en temps.
De même pour l'agriculture, les ateliers industriels et l'énergie électrique, des installations supplémentaires peuvent être construites à proximité. Par exemple, une centrale électro solaire, située à distance, pourrait transmettre l'énergie produite par un faisceau de micro-ondes ou un faisceau laser comme proposent de le faire les promoteurs des SPS pour alimenter la Terre. On pourrait également introduire l'élevage de cette manière, sans risque d'interférence avec les écosystèmes de la cité.
Pour finir …
Parce que cela résume bien notre vision, citons le célèbre astrophysicien Stephen Hawking:
"Je crois que l'humanité n'a aucun avenir si nous ne nous rendons pas dans l'espace. Nous devons élargir nos horizons au-delà de la planète Terre si nous souhaitons un futur à long terme. Nous ne pouvons plus nous regarder le nombril sur cette petite planète surpeuplée et de plus en plus polluée. Nous devons nous tourner vers l'extérieur, vers le cosmos. Cela nécessitera du temps et des efforts, mais plus notre technologie avancera, plus ce sera facile."
Références
Ne sont cités ici que les références directement utilisées pour cette notice. Il y en a évidemment de nombreuses autres.
[1] Gerard K. O'Neill, The High Frontier, Space Studies Institute Press, Princeton, New Jersey (1989)
[2] Jean Dunglas, L'Homme et ses écosystèmes dans l'Espace, note de travail (2007)
[3] Donald Rapp, Radiation Effects and Shielding Requirements in Human Missions to the Moon & Mars Comparison of Martian meteorites and Martian Regolith as Shield Materials Galactic Cosmic Rays, Citation: Mars 2, 46-71, (2006)
[4] Dominique Presles - Dominique Paulet, Architecture navale, éditions de la Villette, Paris (2005)
Soit 75 T / habitant. On peut faire quelques comparaisons:
avec l'ISS, seul habitat spatial d'aujourd'hui: 67 T / spationaute (6 au maximum pour un ensemble de plus de 400 T).
avec le célèbre "France": 19 T / personne (paquebot de 57000 T de déplacement, 300 m de long, 34 m de maître-bau, 12 ponts, 2000 passagers et 1000 membres d'équipage).
avec la tour Montparnasse: 30 T / personne (209 mètres de haut, 150 000 tonnes, 59 étages de 1 700 m2, 5 000 personnes y travaillent en moyenne).
3 - Autres sujets
De nombreux points importants restent à approfondir. Citons-en quelques uns :
La sécurité
Vivre à Apogeios est probablement moins dangereux que de vivre sur Terre. Etant bien protégé des radiations cosmiques et des bouffées de colère du Soleil, le seul risque extérieur est l'impact d'une météorite. Compte tenu de la taille des habitats, un "caillou" n'entraîne qu'une fuite presque négligeable difficile à mesurer sur le moment. Seul un "rocher" pourrait entraîner une dépressurisation rapide mais la probabilité d'un tel événement est extrêmement faible.
Par contre, la cité n'est pas à l'abri d'un accident de type incendie ou explosion, pollution ou épidémie. C'est pourquoi, elle doit être conçue pour confiner le sinistre, quoiqu'il arrive. La solution passe, en particulier, par le cloisonnement des zones à risques comme on l'a déjà évoqué à propos des serres.
Enfin, il est possible d'évacuer la population d'un habitat en l'installant provisoirement en zone industrielle ou vers une cité voisine à l'aide d'une centaine de "chaloupes" amarrées à demeure, comme sur un navire.
Le bilan masse
Sur la base de calculs préliminaires et d'estimations, le tableau ci-dessous donne les ordres de grandeur des masses des différents éléments de la cité.
Bien qu'importante, la question de l'eau n'a pas été abordée à ce stade du projet. Nous pensons qu'elle ne pose pas de problème majeur, qu'il s'agisse d'approvisionnement, de stockage ou de recyclage. On peut situer la consommation globale, tous besoins confondus (individuels et collectifs, agricoles et industriels) autour de 2000 m3/jour. L'eau peut être recyclée assez aisément et en quasi-totalité par des procédés physico-chimiques simples si l'on dispose d'énergie en quantité suffisante (condensation de la vapeur, nano-filtration et osmose inverse des résidus liquides [2]).
L'eau constitue une barrière très efficace contre les particules émises par le Soleil (SPE)[3]. C'est pourquoi, on peut envisager de munir la partie des habitats exposée au soleil d'une double paroi enfermant une couche d'eau de quelques cm. Cette protection serait aussi une réserve de quelques milliers de m3.
La centrale solaire
Sur la base de la consommation française en 2010, soit 500 TWh/an dont 60% pour le secteur résidentiel et tertiaire, la puissance moyenne nécessaire à la cité est de l'ordre de 5 MW. En ajoutant les demandes industrielle et agricole et en tenant compte des pics de consommation, la puissance requise est de l'ordre de 7 MW, à mi-chemin (en ordres de grandeur) entre l'ISS (100 kW) et les projets de SPS (1GW au minimum).
Au niveau de L5, la puissance rayonnée par le soleil est la même que celle reçue par la Terre, environ 1400 W/m2. Mais la conversion photovoltaïque a encore aujourd'hui un mauvais rendement. Sur la base d'une puissance utile de 65 W/m2, il faut plus de 10 ha de panneaux pour fournir les 7 MW nécessaires. Il est probable, toutefois, que le rendement s'améliorera et permettra d'augmenter sa puissance.
De nombreux aménagements sont possibles. Un des plus simple est de disposer les panneaux sous la forme d'un anneau centré sur l'axe de la cité et de faible rayon extérieur pour qu'ils soient très légers.
Les radiateurs
La cité produit de la chaleur provenant essentiellement de l'énergie électrique qu'elle consomme. La seule manière de la dissiper est de la rayonner dans l'espace. Comme les habitats sont très bien isolés par la protection GCR, il faut prévoir des surfaces radiantes spécifiques alimentées par une boucle fluide diphasique (vaporisation dans des échangeurs placés dans les habitats, liquéfaction dans les "radiateurs" extérieurs). En utilisant l'ammoniac (NH3) qui se liquéfie à -33°C (sous un bar), il faut environ 4 hectares de radiateurs pour rayonner les 7 MW d'énergie consommée.
Contrairement à la centrale solaire, cette surface est répartie entre les habitats et la zone centrale, ce qui permet de raccourcir les boucles et donc de réduire la puissance des pompes de circulation. Chaque habitat est entouré d'un secteur cylindrique de panneaux radiants à la température de 240°K, de sorte que la direction moyenne du rayonnement soit perpendiculaire à celui du soleil. Pour la zone centrale, la proximité des habitats oblige à aménager les panneaux radiants dans la partie arrière, la plus dégagée et opposée au soleil.
Les câbles
Chaque habitat est relié à la zone centrale par des câbles métalliques (du type de ceux utilisés pour les ponts suspendus) ou en fibre de carbone. 24 câbles en acier à haute résistance de 60 cm de diamètre et de 900 m de long permettent de tenir le double du poids d'un habitat, estimé à 150000 T. Groupés par quatre, ils sont ancrés au niveau des structures reliant les sphères, ces dernières étant conçues pour diffuser les efforts importants concentrés aux points d'attache. Cette disposition limite les degrés de liberté des habitats par rapport aux axes de référence de l'ensemble.
Ces câbles supportent également les structures légères que sont les tunnels de communication, la centrale solaire et d'autres dispositifs tels que des monte-charges. Par contre, un système spécifique est prévu pour les serres.
Enfin, il est prévu de pouvoir relier les habitats entre eux si cela s'avère nécessaire pour des raisons de stabilité dynamique et/ou de sécurité.
L'assemblage final de la cité nécessitera un ber à trois branches le long desquelles seront disposés les câbles. Une fois les ancrages réalisés, l'ensemble sera mis progressivement en rotation et le ber démonté lorsque les câbles seront suffisamment tendus.