Conception de la base Mars

Photo de Ken Treloar sur Unsplash

Imaginons une colonie martienne active de mille personnes. Comment peut-il être économiquement viable? Il ne peut pas exporter de minerais vers la Terre - les frais d’expédition sont trop élevés - et il ne peut pas exporter de nourriture ni quoi que ce soit de lourd. Pourtant, il doit gagner de l'argent de la Terre. Ce sera probablement le cas sous forme de tourisme et de recherche - rien d’autre ne semble pratique. En conséquence, la ville devrait être perchée au bord d'un canyon ou d'une autre vue spectaculaire et à proximité de zones de recherche intéressantes.

En fin de compte, la ville veut importer de la Terre la masse minimale de matériaux possible. Conceptuellement, il veut produire sa propre nourriture, de l'air et des matériaux de construction, et importer des puces informatiques (qui ne pèsent presque pas et nécessitent de fabuleuses usines pour le produire). Il veut robotiser l'agriculture, les mines et les industries manufacturières, les robots n'ont besoin que d'énergie et de maintenance. Ainsi, les matériaux seront produits par des chargeurs, des camions et des fonderies autonomes; la fabrication se fera par des imprimantes 3D, des lasers et des fraiseuses; assemblage par des robots; et réparation par des robots et l'homme occasionnel. L'agriculture se fera par des robots spécialisés dans le désherbage, la plantation et la récolte. Les humains, assistés par une puissante IA, planifieront et organiseront ces activités et effectueront des recherches.

Le reste de cet article traite du domaine requis des serres et de leur conception, ainsi que des structures d'extension pour les logements et les usines, ainsi que du générateur nucléaire requis, mais ne traite pas de la fusion ou de la fabrication.

Elon Musk a l'intention de placer des êtres humains sur Mars en 2024 et de lancer une colonie quelques années plus tard.

déterminer les paramètres de base d’une telle entreprise. Quelle taille de serre est nécessaire, quel poids d'engrais, quelle quantité de matériau de structure par serre, quelle masse d'isolant et de protection radiologique, etc.? Ce papier est une première coupe à de tels calculs, mais d’autres doivent compléter les détails.

On suppose que de l'eau d'irrigation et des engrais (phosphates, etc.) ont été trouvés sur Mars et que des structures enterrées fourniront une protection suffisante contre les radiations. Un générateur nucléaire de 2 kW par habitant est inclus, gracieuseté de Frank Williams.

En première approximation, la masse totale de la mission est proportionnelle à la masse humaine, de sorte que de très petites personnes doivent constituer l’équipage. Autrement dit, les gymnastes de cent livres mangent moins de nourriture, ont besoin de véhicules et de quartiers plus petits et pensent aussi bien qu'un joueur de ligne de football de trois cents livres. Des personnes petites, en forme et intelligentes seront donc choisies. Ils n'ont besoin que d'environ 1600 calories par jour (1) (ceci n'a pas été utilisé dans les calculs ci-dessous, mais reste prometteur pour la réduction de la taille des serres.)

Taille de la colonie

F.B. Salisbury a évoqué des expériences effectuées par son laboratoire et par un autre en Union soviétique utilisant du blé nain (2). ne mange que du blé! Avec ajout d'autres

50 m² suffisent pour les cultures plus un facteur de sécurité. »Pour 1 000 colons, environ 50 000 m² ou 500 000 pi²

serait nécessaire. Cela semble faible, un facteur de quatre supplémentaire est appliqué, ce qui porte le chiffre à 2 000 000 pi². On estime que les habitations, les laboratoires et les passerelles ont besoin de 1 000 pi² par habitant, ou de 1 000 000 pi² pour 1 000 habitants. La superficie totale couverte s'élève donc à 3 000 000 pi².

Les cultures produisent suffisamment d'oxygène pour permettre aux colons de respirer. Salisbury rapporte sur le Soviet

Bios 3 expérience (2 p152) qu'il y avait trois membres d'équipage et trois compartiments totalisant

63 m² et planté de légumes, «… qui offre une grande capacité de régénération de l'air».

Il se peut que le sol martien soit moins fertile que le sol de la Terre. Il faut donc augmenter ces chiffres, mais ce papier utilisera 3 000 000 pi² pour le dimensionnement préliminaire. Il s’agit d’un carré de 1700 pieds de côté, environ six pâtés de maisons de 300 pieds de ville, une distance raisonnable à parcourir pour les colons. Une colonie de un million aura une superficie de dix milles carrés et les colons auront donc besoin de bicyclettes.

Conception de base d'une serre martienne

Figure 1. Conception globale

Mars étant froid, les plantes gèlent dans une serre en plastique à la surface. Une façon d'éviter cela est de recouvrir les maisons d'un isolant opaque et d'utiliser l'énergie nucléaire pour faire fonctionner des lumières, mais une meilleure façon consiste à enterrer

la maison, à l’exception d’une bande transparente sur le dessus, et de miroirs en mylar aluminisé pour refléter la lumière solaire concentrée le long de la bande. Les réflecteurs en mylar de faible masse peuvent disperser la lumière uniformément dans les plantes.

L'air doit être retenu par les membranes plastiques et l'épaisseur est réduite au minimum en réduisant au maximum le diamètre des gaines tubulaires, soit 16 pieds, comme indiqué ci-dessous. Cela minimise la masse qui doit être amenée de la Terre.

Design structurel

Le point important est que le poids du matériau dans la membrane de la serre pour couvrir la même surface est proportionnel au rayon du tube. Autrement dit, bien qu’ils couvrent la même zone, un tube de 32 pi de diamètre pèsera deux fois plus que deux tubes de 16 pi de diamètre. Les astronautes doivent transporter ce poids sur Mars et le matériel doit être transporté sur Mars à grands frais. Il est donc souhaitable de le minimiser. Par conséquent, le diamètre des tubes devrait être le minimum possible, sous réserve de la taille suffisante pour que les astronautes puissent le traverser (plus peut-être quelques pieds pour les effets psychologiques).

Voici la preuve que le volume et la masse du matériau augmentent avec le diamètre du tube. Considérez deux structures couvrant la même travée et prolongeant chacune une unité dans le papier. On a un seul tube, diamètre D; l'autre a n tubes de diamètre D / n chacun.

Figure 2.

La zone des deux systèmes est la même. La zone à portée unique est 1 (unité dans le papier) x D / 2 = D / 2

Unités2. La zone multi-plages est (par plage) 1 unité dans le papier x D / 2n = D / 2 x 1 / n. Mais comme il y a n unités, la surface totale est D / 2 x 1 / n x n = D / 2 - identique à la même étendue que la plage unique. Ainsi, le domaine de

le plastique nécessaire pour couvrir la même surface de sol est le même, quel que soit le nombre de portées. Mais le

l'épaisseur est différente. Pour un cylindre S = Pr / t (où S est le stress, P est la pression, r est le rayon, t est l’épaisseur et Sallowable est la contrainte de travail du matériau en question.) Alors trequired = Pr / Sallowable - c’est-à-dire que t est proportionnelle à r. Ainsi, l'épaisseur, et donc le volume et la masse de la membrane, sont proportionnels au rayon. Par conséquent, le rayon doit rester aussi petit que possible. (Il en va de même pour les dômes. Les dômes de mille pieds bien-aimés des illustrateurs coûteront une énorme pénalité de poids s’ils sont construits.)

Le tube doit être un tube plein, pas le demi-tube ci-dessus. Les problèmes d'ancrage et de fuite seraient graves pour un demi-tube.

Supposons que la pression intérieure soit de 8 PSI, soit environ 15 000 ft sur la Terre (avec éventuellement plus de 21% d’oxygène, le niveau normal de la Terre, pour compenser «l’altitude élevée»). La membrane murale consiste en une vessie qui retient air, t = 0,003 pouces (une estimation basée sur un mylar de 3 mil semblant assez fort) plus une toile de fibres de Kevlar. La NASA a utilisé une conception similaire pour la conception gonflable Mars Transhab, avec un facteur de sécurité de 4,0. Cela semble élevé, mais les gens vont dormir dans la Transhab et il y a beaucoup de micrométéorites dans l'espace. Ici, on utilisera la version 3.0, car les gens ne dormiront pas normalement dans la serre et peuvent donc sortir plus rapidement en cas de fuite. (Le modèle Transhab ne peut pas être copié directement car il est conçu pour être utilisé dans l'espace et comporte un blindage anti-micrométéorite lourd.)

La fibre de Kevlar a une résistance à la traction maximale de 435 000 psi (3); la division par la SF donne une contrainte admissible de 145 Ksi. Trequired = Pr / Sallowable = 8 psi x 96 pouces / 145 000 = 0,0053 pouces d'épaisseur, ou l'équivalent dans les fibres à direction tangentielle. Cependant, la contrainte axiale dans un cylindre sous pression correspond exactement à la moitié de la contrainte tangentielle. Il faudra donc des fibres axiales équivalentes à une épaisseur de 0,0027, pour un total de 0,008. En tenant compte des effets d'interaction dans le matériau composite, disons une épaisseur totale de 0,009 pouce. De plus, la vessie de 0,003 pouce donne une épaisseur totale de 0,012 pouce. Le kevlar pèse 0,052 pci (supposons que la vessie pèse de la même façon que la plupart des plastiques).

La section ci-dessus, d'un pied sur 16, couvre une superficie de 16 pieds carrés et pèse: 0,012 po x 12 po x 16 pi x 12 po / pi x 0 0,05 pi2 = 4,4 lb, ou 0,27 lb par pi2 couvert. Pour la serre et les installations, il faut environ 3 millions de pieds carrés pour 1 000 personnes; la colonie entière pèse donc 800 000 livres. En ajoutant à cela les 176 000 livres pour les générateurs nucléaires donne 976 000 livres. L'ajout de machines de construction, de fonderies, de machines en fibre de verre, etc. peut doubler la masse pour atteindre deux millions de livres. À 225 $ / lb (moins) livrés à Mars, cela coûte 450 millions de dollars. Pour un million de personnes, le coût est de 450 milliards de dollars. SpaceX suppose que les colons paieront pour leur propre billet aller simple à 200 000 dollars chacun, soit 200 millions de dollars pour un millier de personnes.

Coût estimé par livre de charge utile livrée à la surface de Mars

L'ingénieur et présentateur de SpaceX, Paul Wooster, a déclaré qu'ils essayaient pour moins de 500 dollars par kg, ou 225 dollars par livre. (5)

La pression hydrostatique écrasera-t-elle le tube?

Le sable sec pèse 100 livres par pied cube. Ainsi, à une profondeur de 8 pieds sur Terre, sa pression hydrostatique est de 800 psf ou 5,5 psi. La gravité de Mars ne représente que 3/8 de celle de la Terre. Ainsi, à 8 pieds sur Mars, la pression n’est que de 2,0 psi. Le tube sera soumis à une pression de 8 psi, de sorte qu'il existe un facteur de sécurité de quatre contre l'écrasement.

Problème d'observation

La figure 3 montre un problème d’observation avec les miroirs. Si les serres se touchent comme sur la figure 3A, les miroirs se masqueront. Ainsi, les miroirs doivent être étalés comme en 3B ou placés sur une pente comme en 3C. Une conception exacte doit attendre la sélection d'un site pour la colonie. Si l'espacement est égal à trois fois le diamètre du tube, les tubes avec les pièces d'habitation peuvent être placés entre les tubes de la serre et la colonie aura la même taille qu'auparavant. (Sans le facteur de quatre appliqué à la zone de serre. Encore une fois, une conception exacte doit être déterminée.)

Figure 3.

Problème d'observation

Figure 4. Conception thermique

Les analyses thermiques

La figure 4 montre une coupe typique. L'isolation n'est pas spécifiée, mais la plupart des isolants (aérogel, panneaux de mousse pour chantiers, etc.) sont calculés en R10 par pouce. R50 nécessiterait donc environ 5 pouces d'isolation, ce qui semble raisonnable. (4) La moitié du tube rempli de sable fournit une masse thermique (stabiliser le

du jour à la nuit.) La température moyenne de Mars est de -50 ° F et la serre chaude fonctionne à 80 ° F.

T est 130 F.

Considérons une section un pied dans le papier. La zone d'isolation est 2x 8 pi x 1 pi = 50 pieds carrés. La perte de chaleur par jour est de 50 x 130 ° T x 1/50 x 24 = 3100 btu. L'entrée est de 16 pc x 317 btu / heure sf x 10 h de lumière du jour = 51 000 btu / jour. C'est plus que la perte, donc la chaleur doit être évacuée par des radiateurs (non illustrés). (Le niveau d'entrée est déterminé par l'exigence de photosynthèse des plantes, supposée produire une croissance maximale au niveau d'insolation normal à la Terre.)

La masse de l'isolant n'est pas calculée car elle sera presque certainement produite sur Mars. L'isolation est légère mais volumineuse, elle ne peut donc pas être amenée de la Terre. Il n’y aurait pas de place dans les capsules d’atterrissage pour cela. Pour les premières serres, le plastique sera apporté et moussé, et pour la colonie, les premiers colons fabriqueront de la fibre de verre ou un aérogel à partir de sables martiens. Identifier la meilleure méthode serait certainement intéressant.

Les serres fournissent de l'oxygène et de la nourriture à mille colons. S'il y a une tempête de poussière de trois mois et le gel des serres, alors les colons meurent, ce qui est inacceptable. Les serres doivent rester chaudes pendant la pire tempête de poussière de plusieurs mois.

Comment le système va-t-il rester au chaud dans une tempête de sable?

Le sol de Mars est à -50 ° F. Alors T au début du refroidissement = 80 - (-50 °) = 130 ° F. Au final il n’ya que 32 - (-50)

= 82 ° F, et en moyenne il fait 106 ° F. La perte moyenne par jour est de 50 ft²² x 1/50 x106 ° F x 24 = 2 500 btu par jour.

Un jour normal, la température ne varie que de jour en jour. Le sable dans le fond semi-circulaire de la maison a un volume de 1 ft x ½ x x ⁸² = 100 ft3. À 100 lb / pi3, il pèse 10 000 lb avec une masse thermique de 0,2 btu / lb = 2000 btu / F °. Cela correspond à une perte de 130 BTU / heure x 12 heures / 2000 BTU / F ° = 0,8 F °.

Les tempêtes de poussière martiennes peuvent durer quelques semaines mais il est nécessaire de trouver le pire des cas, qui peut être beaucoup plus long.

Il y aura une centrale nucléaire. Un générateur nucléaire est nécessaire car les cellules solaires ne fonctionnent pas sans lumière, comme lors d'une tempête. Peut-on utiliser sa sortie pour faire fonctionner des appareils de chauffage? Une centrale nucléaire pour 1 000 personnes produisant 2 kWe par habitant produit 2 MWe, soit 6 820 000 btu par heure. (8 MW de puissance thermique et

2 MW de puissance électrique à 25% d'efficacité. La production thermique des générateurs est de 27 millions de btu / h.) Il existe 187 000 pieds de serres, perdant en moyenne 2 500 btu par jour et par pied, soit 104 btu par heure-pied. Ensuite, 187 000 pi perd 19,4 millions de Btu par heure, contre 27 millions de Btu par heure pour les générateurs. Les générateurs peuvent en effet réchauffer les serres.

Ensuite, il y a le problème de la production d'oxygène. Lors d'une tempête de poussière, les plantes n'effectuent pas beaucoup de photosynthèse. Leur production doit être constituée par la production d'oxygène du générateur. Dans les bons moments, la nourriture et l'oxygène doivent également être stockés.

La vie des colons est en danger si l'analyse de la tempête de poussière est erronée. Un grand soin devrait être apporté à ces calculs.

Générateur Nucléaire

Gracieuseté de Frank Williams

La production et la distribution d’électricité seront une combinaison de réacteurs nucléaires à base d’uranium et d’un système minimal de batteries et de super-condensateurs pour le stockage de l’énergie et le nivellement de la charge. Les implémentations appropriées des réacteurs nucléaires seront indépendantes des conditions environnementales, fournissant ainsi une puissance constante, même dans des conditions extrêmes, par exemple les tempêtes de poussière pouvant durer plusieurs semaines et la période de creusement des dunes qui en résulte.

Nous proposons une approche à l'échelle plutôt qu'un seul réacteur électrique monolithique de 2 mégawatts (MWe)

(moyenne de 2 kWe par membre de la colonie). Il y a plusieurs raisons à cela.

Mise en œuvre dans le temps: les réacteurs peuvent être lancés lors du lancement des équipements de construction initiale du site.

o Avant l'arrivée humaine, les missions robotiques peuvent configurer l'équipement initial

o Les réacteurs peuvent être lancés avec des vagues d'humains à mesure que la colonie se développe

Élimine un mode de défaillance en un seul point

o Bien qu'une panne totale d'un grand réacteur soit peu probable, le fait de réparer un seul gros réacteur pour réparation aura des impacts négatifs importants sur la colonie.

o Les grands réacteurs sont intrinsèquement plus difficiles à réparer pour des problèmes majeurs simplement en raison de leurs tailles plus grandes et de leurs masses de composants

Le démarrage robotique est plus facile pour les petits réacteurs avant l'arrivée de l'homme.

o Les plus petits réacteurs peuvent être conçus pour démarrer automatiquement

Les réacteurs plus petits sont plus faciles à concevoir et à utiliser comme systèmes principalement auto-modérateurs.

o Les réacteurs à auto-modération deviennent moins thermiques (et ensuite électriquement)

efficace à mesure que leur taille et leur puissance augmentent

Plusieurs réacteurs plus petits peuvent être utilisés comme des ensembles pour couvrir les variations des besoins en énergie quotidiens, hebdomadaires ou mensuels

o La puissance requise doit varier dans le temps.

o Les réacteurs doivent être conçus pour des besoins en puissance de pointe ou une énergie importante

Un système de stockage et de décaissement doit être mis en place.

o L'utilisation de plusieurs réacteurs pouvant être mis en ligne si nécessaire et / ou activement modérée si nécessaire minimisera la nécessité de tout système de nivellement de la charge électrique et de stockage d'énergie.

Les petits réacteurs peuvent être placés à proximité des besoins en énergie

o Les petits réacteurs avec des quantités modérées de blindage peuvent être placés beaucoup plus près des besoins en équipements et en puissance qu'un seul grand réacteur

Le réacteur de base est actuellement une évolution du réacteur Kilopower de la NASA, illustré à la figure 5. L’évolution entraînera un réacteur de 100 kWe par rapport au maximum de la conception actuellement envisagée, à savoir 10 KWe. (La NASA pense que la conception actuelle du réacteur Kilopower peut évoluer jusqu'à 10 kWe.) La conception évoluée remplacera le noyau unique cylindrique d'uranium hautement enrichi (UHE) par un noyau unique entouré par des anneaux concentriques d'UHE. Plusieurs éléments sont dispersés entre le noyau central et le prochain anneau d'UHE: des modérateurs absorbeurs de neutrons au bore, des modérateurs de neutrons à l'oxyde de béryllium, des caloducs au sodium métal et des espaceurs à coefficient de dilatation thermique élevé. Le cylindre central de bore au centre du cylindre d'UHE central (comme dans le réacteur de Kilopower) et les éléments de bore

entre le noyau central de l'uranium hautement enrichi et la couche concentrique d'uranium hautement enrichi seront retirés au démarrage du réacteur et réinsérés à la fermeture du réacteur. Les espaceurs élevés en CTE permettent une auto-modération du réacteur lui permettant de fonctionner presque au maximum sans surveillance humaine constante.

Image reproduite avec la permission de NASA GRC, l'utilisation ne constitue pas une approbation de la part de la NASA.

Figure 5. Réacteur nucléaire spatial Kilopower de la NASA montrant la conversion de l’énergie Sterling

systèmes.

La première installation des premiers réacteurs utilisera des systèmes de rejet de la chaleur atmosphérique, comme le prévoit actuellement le concept de la NASA pour l’utilisation du réacteur Kilopower, comme illustré à la figure 6. Une fois que des hommes sont arrivés et peuvent installer les réacteurs, ils utiliseront un système de refroidissement plus robuste. placer les caloducs de rejet de chaleur dans la surface martienne, ce qui permettra un dissipateur thermique constant dans toutes les conditions environnementales.

Image reproduite avec la permission de NASA GRC. L'utilisation de cette image ne constitue pas une approbation de ce document par la NASA.

Figure 6. Concept de la NASA pour des installations de type Kilopower Reactor sur Mars.

La masse de chaque réacteur et système de conversion de chaleur devrait être de l'ordre de 4 000 kg chacun.

Cela permettra à ces réacteurs d'être lancés depuis la Terre dans le cadre de missions plus vastes et plus compressives.

plutôt que comme missions autonomes pour un seul réacteur de 2 MWe qui pourrait facilement avoir une masse de

plus de 18 000 kg. Cela donne plus de flexibilité à la mission à mesure que la colonie évolue.

Masse des générateurs

Une vingtaine de générateurs de 100kWe sont nécessaires pour 2MWe pour une colonie de 1 000 personnes. Ils pèsent 4 000 kg chacun, pour une masse totale de 80 000 kg ou 176 000 lb.

Alternative par règle générale

Un générateur de 100 kWe pèse environ 4 000 kg et sa masse augmente avec la racine carrée de la sortie (6). Ainsi, des générateurs plus grands fournissent le même rendement pour une masse inférieure. Deux générateurs d'un MWe permettraient de réparer ou de ravitailler l'un d'entre eux. Chacun peserait 10,5 x 4 000 kg = 13 000 kg, de sorte que le total serait

26 000 kg ou 57 000 lb, un tiers des 176 000 lb ci-dessus. Il est clair que le meilleur nombre de générateurs est un sujet important, car il peut potentiellement réduire considérablement le coût de la colonie.

Discussion

La majeure partie de la masse importée de la Terre provient de générateurs nucléaires et de matériaux de construction pour les serres. Pendant ce temps, la plupart des colons sont des agriculteurs, des explorateurs ou des chercheurs. Les agriculteurs sont remplacés par des robots et les explorateurs peuvent l'être aussi, avec des robots apportant du matériel aux chercheurs. Cela laisse la plupart des colons au chômage. La solution consiste à faire en sorte que ces personnes travaillent à la construction d'infrastructures pour les millions d'habitants attendus et à fabriquer des matériaux pour les serres à partir de matériaux martiens. Les vessies sont en plastique dérivé du pétrole et doivent donc être importées de la Terre, mais les fibres de Kevlar peuvent être remplacées par des fibres de verre fabriquées à partir de sable martien. Le sable peut également être utilisé pour fabriquer de la fibre de verre ou un isolant d'aérogel. L'importation de machines pour fabriquer ces matériaux coûtera moins cher que l'importation des matériaux eux-mêmes. Une grande partie de la masse terrestre provient des générateurs nucléaires, de sorte que les améliorations sont également très importantes. Peut-être que beaucoup de pièces peuvent être fabriquées sur Mars.

Ainsi, les colons vont de l'agriculture et de l'exploration à la construction et à la fabrication, et à mesure que d'autres arrivent, ils sont employés de la même manière. En fin de compte, la colonie est terminée et les colons n’ont rien à faire; ils peuvent donc travailler à la terraformation. Terraformer Mars est difficile car il n’existe aucune source connue d’azote ou de dioxyde de carbone pour stabiliser l’atmosphère. Une atmosphère d’oxygène pur est dangereuse en cas d’incendie. Toutefois, si une source de gaz non réactifs est trouvée, les colons peuvent devenir des terraformeurs.

Il est suggéré qu'un bon sujet d'investigation serait la fabrication de matériaux d'isolation et de structure pour les serres et autres structures, ainsi que les parties lourdes des générateurs. Une analyse thermique détaillée des performances thermiques de serre lors de tempêtes de poussière est également pertinente, de même que la durée maximale des tempêtes.

L’atmosphère de Mars est composée de CO2. De nombreuses plantes sur Terre se développent plus rapidement avec des densités de CO2 plus élevées. Si les plantes poussent plus vite, il faudrait moins de serres et économiser de l'argent sur les importations en provenance de la Terre. La lumière du soleil peut être concentrée à plus de la normale sur la Terre. Il est supposé qu'une insolation normale à la Terre est fournie, car les plantes de la Terre ont évolué pour cela. Mais les plantes poussent-elles plus vite avec plus de lumière? Et si on leur fournissait plus de CO2 et de lumière solaire? Ce serait intéressant à découvrir.