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Les cylindres de O’Neill m’ont toujours semblé le vecteur le plus efficace pour vivre et nous déplacer loin dans l’espace profond. Les utiliserons nous un jour ? Les défis technologiques qu’ils posent ont été étudiés en détails dans les années 1970/80 sous l’impulsion de Gerard Kitchen O’Neill, professeur de physique à l’Université de Princeton (décédé en 1992). Il « n’avait pas froid aux yeux ».
La réalisation de ces cylindres qui était difficile alors, le serait sans doute un peu moins aujourd’hui compte tenu des progrès de la robotique et de l’informatique mais malheureusement la volonté semble ne plus être présente. Cependant les idées, tout comme les bactéries, ne meurent pas facilement. Si elles ne sont pas agitées donc nourries, elles dorment, tout simplement. Je tente, à ma modeste échelle, un réveil ou au moins un regain d’attention.
Plusieurs versions de cylindres ont été étudiées, sans ou avec le concours de la NASA. La plus spectaculaire et celle dont il faudrait disposer pour vivre « agréablement » sur une très longue période à l’intérieur du système solaire, est celle que O’Neill avait nommé « Island III ». Il s’agit en fait de deux cylindres reliés entre eux, chacun de 6,5 km de diamètre et de 32 km de longueur offrant donc une surface intérieure de 653 km2. Ils sont en rotation (contraire) pour créer une gravité artificielle sur leur surface intérieure.
Ils sont structurés par une armature de poutres métalliques. L’espace intérieur est isolé de l’extérieur par des plaques de métal ou de verre (50 cm de côté pour ces dernières) fixées à un treillis de ces poutres (comme les structures géodésiques) selon six bandes longitudinales d’égales dimensions. Les trois bandes de plaques de métal alternent avec les trois bandes de plaques de verre. Celles de plaques de métal vont servir de support au sol sur lequel évolueront les habitants (326 km2) ; celles de plaques de verre donneront accès à la lumière et à la chaleur du Soleil. Les deux extrémités du cylindre sont fermées, comme une bouteille de gaz, par des demi-sphères métalliques.
La surface intérieure des bandes de plaques de métal est couverte d’une couche de régolithe d’au moins deux mètres qui servira de sol et d’écran aux radiations. L’intérieur est pressurisé à 0,36 bars avec moitié oxygène (0,18 bars) et moitié azote (0,18 bars). De la glace d’eau est introduite en quantité suffisante pour l’eau liquide (et l’humidification de l’air) nécessaire. Il est prévu d’enrichir le sol des éléments chimiques permettant la vie (molécules azotées et plus généralement humus) et des insectes permettant de la maintenir. Le tout doit, bien entendu, être recyclable au maximum des possibilités. L’énergie est solaire. La construction a lieu dans l’espace à partir de matières premières brutes.
Dans la première phase, ces îles de l’espace seraient établies au point de Lagrange L5 du système Terre-Lune, l’une des régions où la force de gravité de la Terre s’exerçant sur une masse quelconque est exactement équilibrée par celle de la Lune, suivant une orbite presque stable (nuance introduite du fait de l’influence du Soleil) définie par la force de Coriolis. Dans une seconde phase, Gerard O’Neill les aurait installées en L5 du système Soleil-Terre, sur une vaste orbite stable de 800.000 km. Plus tard, il envisageait de les installer au sein de la Ceinture d’Astéroïdes, puis au-delà de Pluton dans la Ceinture de Kuiper…Restons dans le cadre de la première phase.
Points de Lagrange du Système Terre-Lune. Crédit David A. Kring, LPI-JSC Center for Lunar Science & Exploration.
Les plus grands défis sont l’acheminement et la transformation industrielle des matières premières dans l’espace. Dans le plan de phase 1, la matière première serait essentiellement le régolithe lunaire. Ce régolithe serait extrait par des excavateurs robotiques, compacté, déposé dans des conteneurs qui circuleraient sur un rail utilisé comme une « catapulte électromagnétique ». L’accélération du conteneur magnétique (bobine mobile) étant causée par une succession d’électroaimants (bobines fixes). En fin de rail, la charge serait libérée et le conteneur freiné puis récupéré dans une boucle qui le replacerait à l’endroit qui lui permettrait de reprendre une nouvelle charge.
La matière (plusieurs dizaines de millions de tonnes par petits paquets expédiés très vite les uns après les autres) serait envoyée au point de Lagrange L2, parce qu’il est plus proche de la Lune et moins difficile d’accès compte tenu de la nécessaire précision quant à la direction (on peut envisager un guidage par laser) et à la vitesse du tir. A partir de L2, un convoyeur devrait prendre en charge les masses regroupées, pour les apporter en L5 (très peu d’énergie serait nécessaire puisqu’aucune force de gravité ne contrarierait le mouvement).
L’avantage de la Lune comme source de matière est la faiblesse relative de la vitesse de libération, 2,4 km/s. Il serait possible de l’atteindre avec la catapulte. Son autre avantage est la composition chimique de son régolithe puisque notre satellite est constitué de vastes pans de la croûte et du manteau terrestres qui lui ont été arrachés au début de notre histoire géologique (impact de la protoplanète Théia). Le régolithe fournirait donc de l’oxygène (à partir d’oxydes divers), du silicium (le verre et les panneaux solaires), de l’aluminium ou du titane (pour les poutres et les plaques métalliques), et toutes sortes d’autres éléments. A noter que le silicium, l’anorthosite (pour l’aluminium) et l’ilménite (pour le fer et le titane) sont très abondants dans ce régolithe.
L’azote et le carbone seraient fournis par la croûte terrestre, l’eau et l’hydrogène par notre Océan (aujourd’hui on pourrait envisager de la glace d’eau lunaire).
L’énergie utilisée sur la Lune devrait être nucléaire et non solaire compte tenu des nuits lunaires de 14 jours mais elle serait solaire en L2 et surtout en L5 compte tenu de l’ensoleillement permanent dont jouit l’espace profond. La transformation des matières premières serait faite dans l’espace plutôt que sur la Lune compte tenu de la disponibilité constante de cette énergie et compte tenu des contraintes de masse existant sur tout corp générant une gravité importante (on peut envisager dans l’espace de créer, si nécessaire, une certaine gravité par rotation dans les usines).
La lumière pénétrerait dans les cylindres par les bandes de surfaces vitrées mais ce ne serait qu’indirectement, afin de limiter la dureté des radiations. Les cylindres seraient pointés vers le Soleil et de grandes feuilles réfléchissantes d’une taille au moins égale aux bandes de ces surfaces renverraient la lumière reçue vers ces bandes après l’avoir filtrée (en ne réfléchissant que les rayonnements lumineux et infra-rouge). Fixés sur charnières à l’extrémité du cylindre opposée au Soleil, les miroirs s’ouvriraient et se fermeraient plus ou moins et progressivement sur une fraction variable de 24 heures pour restituer les heures, les jours, les nuits et les saisons terrestres.
Afin de maintenir l’orientation vers le Soleil malgré la rotation, les deux cylindres dont les axes longitudinaux seraient parallèles, tourneraient en sens contraire pour annuler l’effet gyroscopique. Une rotation toutes les deux minutes permettrait de restituer une gravité de type terrestre sur la surface intérieure (entre 1 et 0,7 g) sans désagrément (force de Coriolis) pour les habitants. Distants de 80 km, ils seraient liés entre eux à leurs extrémités par des tiges semi-rigides d’une dizaine de cm de diamètre de telle sorte qu’une cohérence soit donnée à l’ensemble (et que les miroirs puissent s’ouvrir). Profitant de leur vitesse de rotation (vitesse tangentielle extérieure de 650 km/h), des véhicules pourrait faire la liaison-passagers entre les deux cylindres en quelques minutes. Comme les cylindres pointeraient vers le Soleil, son image, à l’intérieur, resterait sur une trajectoire linéaire et on n’aurait pas la sensation visuelle de rotation.
La production alimentaire et textiles (fibres) pourrait se faire à l’intérieur des cylindres dans les vallées mais aussi et de préférence à l’extérieur. En direction du Soleil, une couronne de modules de culture serait établie sur un diamètre largement supérieur à celui du cylindre (la gravité pour les végétaux peut être plus faible que pour les êtres humains ou les animaux). Cela permettrait beaucoup plus de souplesse dans les cultures. La séparation des modules permettrait de régler différemment les conditions environnementales (quantité et couleurs de lumière, température, humidité, taux de gaz carbonique et d’oxygène, pression atmosphérique) afin d’avoir des produits aussi diversifiés que possible toute l’année (même si le stockage cryogénique des produits peut également être envisagé). Ils utiliseraient la lumière du Soleil captée par des réflecteurs coniques. Un écran flottant extérieur pourrait réguler l’arrivée de lumière sur les miroirs réflecteurs pour simuler les jours et les saisons. La pressurisation pourrait être moindre que dans l’habitat car les plantes pourraient très bien fonctionner avec une pression atmosphérique de 0,5 à 0,7 bars (altitude 3000 mètres sur Terre). Avec les techniques actuelles de production on peut envisager facilement de nourrir environ 130 personnes à l’hectare (surface donc mais on pourra étager les cultures sur plusieurs niveaux pour mieux profiter du volume). On utiliserait très peu de pesticide car en cas de contamination du cultivar d’un module on pourrait l’ouvrir à l’espace et le stériliser par le vide et la chaleur solaire (encore les miroirs !).
Les cylindres proprement dits seraient utilisés principalement pour la résidence des hommes, avec des maisons, des arbres fruitiers (des abeilles), des jardins.
D’une façon générale, comme je l’ai dit plus haut, l’énergie sera solaire. A l’autre extrémité, opposée au Soleil, un vaste disque porteur de panneaux solaires procurera l’énergie électrique suffisante à la vie dans le cylindre. Et dans le prolongement de l’axe du cylindre on pourra avoir divers sites industriels (à commencer par ceux qui raffineront les matières premières brutes) utilisant cette énergie, 24h/24h, à l’aide de miroirs.
Les communications, antennes ainsi que les installations de dockings et de sas pour les véhicules venant de la Terre, se feraient à la pointe des cylindres. Les petits véhicules permettant de joindre un cylindre à son jumeau partiraient de panneaux s’ouvrant latéralement dans leur coque.
Comme vous le comprenez à la lecture de cet article, le gros avantage des cylindres est la possibilité qu’ils offrent de choisir, au sol, une gravité satisfaisante pour la vie humaine sans renoncer aux avantages de la microgravité si l’on se rapproche de l’axe de rotation, une température, un rythme de saisons, et d’une manière générale de pouvoir contrôler son environnement beaucoup moins difficilement que sur une planète. On peut aussi penser qu’ils pourraient servir de refuge en cas de catastrophe pouvant survenir sur Terre.
Comme dit plus haut, ces cylindres sont prévus pour évoluer dans l’espace proche mais on peut aussi les envisager pour des voyages lointains. Je vous en parlerai une autre fois.
Illustration de titre : Island-Three, vue d’artiste, Rick Guidice pour la NASA, credit NASA Ames Research Center.
Références :
Space Settlement, a design study, Editée par Richard Johnson, NASA Ames Research Center et Charles Horlow, Colgate University; publiée en 1977 par le Science and Technical Information Office de la NASA.
Les villes de l’Espace, par Gerard O’Neill, publié chez Robert Laffont (1976).
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