La vie dans l'espace à long terme
L'Énergie
Un aspect fondamental à ne pas négliger des séjours de durée indéterminée dans l’espace est l’énergie. Il s’agit sans aucun doute du plus grand problème pour une station spatiale car tout fonctionne en consommant de l’énergie.
Les générateurs d’énergie basés sur les combustibles fossiles ne sont pas les plus appropriés d’une part à cause de la consommation d’oxygène qu’ils requièrent pour fonctionner et d’autre part à cause des gaz polluants qu’ils émettent et parce qu’il n’est pas possible de trouver leur énergie dans l’espace.
La source d’énergie doit être:
-Durable: Elle doit être capable de satisfaire les besoins sans mettre en danger les ressources et les futures capacités.
-Propre: Los ressources énergétiques employées doivent produire le minimum de résidus polluant possibles. Sans cela se grefferaient des difficultés pour traiter les effets que cette pollution produirait sur la vie au sein de la colonie. L’énergie propre est un système de production d’énergie qui exclut toute pollution ou la gestion au moyen de laquelle nous éliminons tous les résidus nocifs.
-Sûre et de confiance: Elle ne doit pas représenter un danger pour la sécurité de la colonie. Elle ne doit pas non plus mettre en danger son existence en cas d’accident ou cas de panne d’énergie. La colonie ne survivra pas à une coupure d’énergie prolongée dans le temps.
-Permanente, facile à générer et à obtenir: Lorsqu’on songe à un séjour dans l’espace de durée indéterminée, nous pensons à un système aux dimensions définies, indépendant et autosuffisant. Par conséquent sa source d’énergie doit être inépuisable. Comme il est impossible de la chercher hors de l’habitat, nous excluons l’idée de connecter un “câble” qui relierait ce dernier avec la Terre ou avec son satellite. L’énergie doit être produite au sein de la colonie. Les générateurs d’énergie doit être efficients efficaces et faciles à fabriquer. Ils doivent pas dépenser leurs propres ressources et devraient profiter des résidus créés par propre colonie.
Suffisante pour assurer le fonctionnement de la colonie dans toutes ses variantes : La consommation d’énergie est à la fois l’aspect le plus important et le plus difficile à définir. Quelle quantité d’énergie a besoin une colonie spatiale pour être habitable, pour qu’elle soit habitable par l’homme et pour que l’homme y puisse vivre pendant une durée indéterminée. Pour pouvoir répondre à cette énigme, nous devons évaluer plusieurs aspects. La quantité d’énergie à produire dépend de la demande de la consommation et modèle de société et style de vie de la colonie.
Sur la Terre, un des secteurs qui consomme le plus d’énergie est l’industrie de transformation de matières premières, comme les processus industriels pour obtenir le papier, matériels plastiques et dérivés, matériels de construction comme le ciment, les briques, le fer, l’acier etc.
La consommation énergétique pour transporter aussi bien des marchandises que des personnes, a une répercussion importante sur la quantité totale de l’énergie apportée. La taille de la colonie ainsi que sa distribution affecte ses recours énergétiques.
Il ne faut pas négliger la consommation domestique. En effet, la consommation des foyers est à tenir en compte car elle est très importante.
Selon le principe de conservation de l’énergie, elle est constante dans l’univers, c’est à dire qu’elle ne se crée pas, qu’elle ne se détruit pas, tout simplement elle se transforme. La consommation d’énergie a lieu lorsqu’on réalise un travail pendant une certaine durée et qu’on la mesure en KWh (kilowatt heure).
Concentrons-nous sur le cas de la colonie spatiale. Les sources d’énergie serviront à produire principalement de l’énergie électrique. Celle-ci se transformera en énergie calorifique, cinétique, chimique ou sous une de ses multiples formes, en fonction de la nature du secteur où elle s’applique comme par exemple la production d’oxygène, le transport, la climatisation de l’habitat etc.
Pour avoir une idée de la taille de notre source d’énergie, nous prendrons comme référence deux données:
Une étude basée sur des données réelles de l’année 2008, de l’Institut National de Statistique (INE) conclut que la consommation moyenne d’énergie d’énergie (gaz et électricité) dans les foyers espagnols (2,7 personnes en moyen par foyer) est 3.100 KWh. Pour fournir de l’énergie à 1.000 foyers, c’est à dire 2.700 personnes, nous devrions produire 3,1 MWh d’énergie.
Prenons par exemple un cylindre aux dimensions similaires à celui proposé par O’Neill comme modèle d’habitat spatial île 3, diamètre 2km et de hauteur 10 km. Calculons la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer l’air contenu dans le cylindre de 0ºC à 25ºC en supposant une efficience énergétique de 90%:
On applique l'éfficience de 90%
Images du Document Word qui me permet d'écrire des équations, pas comme le site
Photographie aérienne de la centrale nucléaire Vandellos II
Pour avoir une référence, la centrale nucléaire Vandellos II, avait une puissance, à plein rendement de 480 MW thermiques. On mettrait donc à peu près 620 heures, (25 jours environ), pour apporter l‘énergie nécessaire pour chauffer la masse d’air de l’intérieur du cylindre.
L’optimisation des ressources énergétiques et la propre limitation de ces dernières dans l’espace, obligent à la construction d’une société et un style de vie différent au modèle de vie et style de vie terrestre. Pour que ce soit énergétiquement viable, aussi bien modèle de société comme le style de vie doivent être une conséquence des ressources énergétiques durables et non le contraire.
La taille de la colonie, les limites du design aussi bien de capacité d’accueil et de fonctionnement seront déterminées par la quantité d’énergie durable que la propre colonie sera capable de produire.
De toutes les formes d’énergie, l’énergie électrique est sans doute la plus appropriée pour être utilisée dans l’espace. Tout dépend de l’énergie électrique (air de la colonie qui se crée en divisant les molécules de l’eau en utilisant l’électricité, l’oxygène de réserve, les systèmes de communication etc.). L’énergie électrique peut être obtenue dans l’espace au moyen de:
La pile à hydrogène:
La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisant le dihydrogène et le dioxygène. Il s’agit d’une combustion électrochimique et contrôlée de dihydrogène et de dioxygène.
Le combustible est l’Hydrogène, de symbole H. Il s’agit du premier élément du tableau périodique. Son nombre atomique est 1 et son poids atomique 1,00797. Dans les conditions normales c'est un gaz sans couleur, inodore et insipide, constitué par les molécules diatomiques, H2. L'atome d'hydrogène, est constitué par un noyau avec une unité de charge positive et d'un électron.
Pile à Hydrogène
Avantages :
Le combustible: l’hydrogène est un des composés principaux de l'eau et de toute la matière organique et il est largement étendu dans l'univers entier. Utilisation de l’hydrogène résultant du processus d’obtention d’oxygène au moyen de l’électrolyse de l'eau.Compact, léger et statique. Parce que ces cellules n’ont pas de pièces mobiles et ne comportent pas de combustion, dans des conditions idéales de fonctionnement, la fiabilité peut atteindre jusqu'à 99%.
Ce qui revient à moins d'une minute de temps mort sur une période de six ans. Les piles qui utilisent du dihydrogène pur comme combustible ne rejettent que de la vapeur d'eau, et disposent d'un rendement élevé car elles assurent en une seule étape le passage de l'énergie chimique à l'énergie électrique.
Inconvénients:
Ce genre de sources d’énergie serait très utile comme générateur d’électricité dans la colonie spatiale mais elles ne seraient pas suffisantes à elles seules pour alimenter la colonie
L'énergie Solaire:
L’espace semble vide mais il est plein de radiations d’énergie solaire. Cette source d’énergie est la plus pratique dans l’orbite terrestre. Heureusement, l’énergie solaire est abondante. Le soleil irradie une gigantesque quantité d’énergie à l’espace: 4 x 10 23 kilowatt (kW). Si nous pouvions toute la récolter, ce serait amplement suffisant pour répondre à la demande d’énergie de notre colonie
Grâce à l’absence de gaz atmosphériques ou de formations de nuages, dans l’espace proche de la terre, la radiation solaire est 35% supérieure à celle qui atteint la surface de la terre. Un mètre carré dans l’espace reçoit presque 7,5 fois plus de radiations solaires que reçoit en moyenne un mètre carré de la Terre. En termes de puissance, à travers un mètre carré spatial passe 1390 w de lumière tandis qu’à travers un mètre carré terrestre passe seulement 747 w.
Technologie photovoltaïque dans l’espace:
L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire. La cellule photovoltaïque est le composant électronique de base. Elle utilise l'effet photoélectrique pour convertir les ondes électromagnétiques émises par le soleil en électricité. Plusieurs cellules reliées entre elles forment un module solaire photovoltaïque. Plusieurs modules regroupés forment une installation solaire.
La masse totale du système de génération électrique est un aspect important. Dans les systèmes d’énergie solaire au début des années 2000, le poids du manteau photovoltaïque représente un quart du total. Le reste correspond à la structure du panneau et des systèmes de contrôle et de distribution.
Les systèmes d’énergie solaire ont énormément évolué. L’apparition de cellules photovoltaïques qui sont ultra fines et dont la masse et réduite représentent un grand progrès. Elles sont très flexibles et sont par conséquent plus adéquates pour la construction de panneaux flexibles ou semi-flexibles capables de se développer ou de se gonfler.
L’utilisation de ces cellules permet d’importantes réductions de volume et de poids.
On prévoit un coût moins élevé grâce à la quantité réduite de matériel nécessaire et grâce aux coûts d’élaboration qui sont moindres.
Avantages :
Il existe en quantité presque intarissable. La source d'énergie solaire est considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine.
L’énergie solaire obtenue dans l’espace se transforme principalement en énergie électrique et en énergie calorifique et en lumière pour un usage personnel dans la colonie spatiale.
Les cellules photovoltaïques peuvent être intégrées dans le fuselage de la station et profiter de sa surface pour générer de l’énergie.
Un avantage supplémentaire est le fait que dans l’espace il n’existe pas de problèmes de poids ou de corrosion atmosphérique.
Le rendement des panneaux dans l’espace ont un plus grand rendement que ceux placés sur terre car ils ne sont pas affectés par l’atténuation de la radiation solaire dans l’atmosphère terrestres ni par les phases nocturnes.
L’énergie solaire ne provoque pas de gaz ni de résidus polluants.
Inconvénients:
Les cellules photovoltaïques utilisées dans l’espace ont un coût plus élevé que celles qu’on utilise actuellement sur la Terre car elles doivent avoir des caractéristiques différentes.
En raison des phases d’ombre, il est nécessaire d’avoir un support énergétique supplémentaire pour obtenir une source d’énergie continue.
Basse efficacités des panneaux photovoltaïques surtout en cas de hautes températures.
De plus les panneaux solaires de la Station Spatiale Internationale ont été construits des décennies avant leur mise en orbite. Leur rendement est de 14% alors que le rendement des panneaux de la première décennie du XXIème siècle est 30%
Les grandes dimensions des installations solaires (surface des panneaux déployés).
Cette solution s’adresse aux colonies spatiales statiques, qui demeurent dans l’orbite basse de la Terre et dans le rayon d’action du Soleil. Pour pouvoir coloniser l’espace, il est important de trouver une forme efficace d’utiliser cette énergie. La première application importante de cellules solaires dans l’espace fut la source auxiliaire énergétique du satellite américain Vanguard I, lancé dans l’espace en 1958 (il s’agit du satellite le plus ancien qui soit de nos jours en orbite).
PilEn traversant l’atmosphère, les rayons solaires perdent de l’énergie à cause de l’absorption (dû à la dispersion) et à la réflexion.
Cellule solaire où les photons incidents sont absorbés par les électrons de l’environnement et les munit d’énergie suffisante pour s’échapper; c'effet photoélectrique
Cellule photovoltaique
Cheminées d'une centrale nucléaire
ÉNERGIE NUCLÉAIRE
Si nous voulons explorer le Système Solaire au delà de Mars, nous ne pouvons pas compter sur l’énergie du Soleil. Il ne nous reste plus qu’à utiliser des générateurs d’énergie nucléaire.
L’énergie nucléaire utilisée dans les centrales actuelles se base sur le principe de fission nucléaire. Cette méthode est efficace et efficiente pour produire de l’énergie électrique. Elle ne produit pas de gaz à effet de serre. De plus on peut contrôler la quantité d’énergie qu’on veut produire et elle est relativement économique. En revanche, les résidus nucléaires radioactifs représentent des gros risques pour la santé des personnes et pour l’environnement. L’utilisation de ce genre de générateur d’énergie dans l’espace est totalement bannie car il est très dangereux d’installer un réacteur nucléaire dans une colonie spatiale. Le moindre accident serait une fatalité pour la colonie à cause de la contamination radioactive.
C’est pourquoi les recherches les plus encourageantes misent sur l’énergie obtenue à partir de fusion nucléaire ; une méthode qui pourrait résoudre l’approvisionnement d’énergie à l’échelle mondiale.
En théorie le processus est simple mais il très difficile à réaliser sur la Terre.
Au moyen de deux atomes de masse similaire (habituellement on utilise du tritium et deutérium), on provoque une fusion de leurs noyaux de façon à créer un seul atome plus lourd. Le résultat est la production d’une grande quantité d’énergie. De plus aucun résidu dangereux n’est produit pour l’environnement comme c’est le cas de la fission nucléaire. Il s’agirait de la méthode idéale pour produire de l’énergie à bon marché. Le plus grand inconvénient est que nous sommes encore très loin de la réalité.
En 1986 naquit le projet ITER, une union de plusieurs nations pour construire un réacteur de fusion pilote qui serve de prototype pour les futurs générateurs. La fusion nucléaire a déjà été fabriquée avec succès mais actuellement elle n’est pas viable à court terme. On estime que les premiers réacteurs commenceront à fonctionner dans 20 ou 30 ans.
À Saint-Paul-lez-Durance, (France), on est en train de construire un coffre à l’intérieur duquel seront reproduites sous contrôle les mêmes réactions nucléaires qui se produisent sur la surface du Soleil. Avec un seul gramme de tritium, la température atteindra 150 millions de degrés.
Une fois mise en marche l’enceinte de béton et d’acier qui contiendra le premier réacteur de fusion du ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), aux environs de 2019, le bâtiment sera scellé à vide, sans aucun accès (sans aucune entrée ou sortie) . Son intérieur pourra être vu à travers des caméras de contrôle jusqu’au jour où il sera démantelé en 2050.
Construction du réacteur de fusion
Schéma de l'atome de Thorium
Combustible nucléaire alternatif:
Thorium Les centrales nucléaires actuelles par fission utilisent habituellement comme combustible l’uranium ou le plutonium. Ces deux éléments sont hautement radioactifs et leur traitement est dangereux pour la santé et l’environnement.
Des voies d’expérimentation avec de nouveaux combustibles ont été ouvertes.
Le Thorium peut être une véritable alternative. Il aurait un énorme potentiel comme combustible nucléaire.Le Thorium est un élément chimique, un métal de la famille des actinides, de symbole Th et de numéro atomique 90.
Le thorium naturel se désintègre plus lentement que la plupart des autres matières radioactives, et les rayonnements alpha émis ne peuvent pas pénétrer la peau humaine. Il est donc faiblement radioactif et il se désintègre très lentement (sa demi-vie environ trois fois l’âge de la Terre, 1,405×10^10 années).
Ce matériel est prometteur pour ses applications à l’énergie nucléaire: il est 3 à 4 fois plus abondant que l’uranuim et constitue donc une importante réserve d’énergie nucléaire. Il pourrait fournir pus d’énergie que l’uranuim, le charbon et le pétrole réunis. De plus sa puissance énergétique est 40 fois plus importante que celle de l’uranuim et il est beaucoup moins dangereux.
Son utilisation nécessite la mise au point d'une nouvelle filière de réacteurs nucléaires surgénérateurs.
Le Thorium est utilisé dans des nouvelles centrales électriques, et le progrès des recherches concernant ce matériel sont très avancés. Peut-être assisterons-nous à une révolution énergétique dans quelques années.
“Les avantages du Thoruim sont purement théoriques. Nous sommes encore à plusieurs décennies du développement technologique » Nils Bohmer, physicien nucléaire de la ONG Bellona.
Après avoir analysé les conditions que doit remplir l’énergie dans notre colonie spatiale, les façons de l’obtenir et les avantages et inconvénients, on peut conclure que:
La colonie spatiale doit adapter sa taille (ses dimensions, sa capacité d’accueil etc.) en fonction de l’énergie qu’on peut produire à bord, et ce dans les meilleures conditions de sécurité pour les habitants et les infrastructures. Le style de vie devra s’adapter à l’optimisation des ressources énergétiques.
L’énergie ne peut pas provenir d’une seule source. Il faudra donc combiner l’énergie solaire avec des piles de combustible voire, lorsqu’il sera possible, des générateurs nucléaires soit par fusion soit par combustible de faible radioactivité.
Tant qu’il n’existera pas d’énergie nucléaire propre et sûre, la colonie devra demeurer en orbite basse terrestre, près du Soleil.
Dans ce cas, la Lune devra jouer un rôle important comme support auxiliaire de la colonie en ce qui concerne l’approvisionnement de matières premières de base (silicium et métaux) pour la construction de panneaux solaires. Envoyer des matériaux depuis la Lune jusqu’à l’orbite géosynchrone dépense beaucoup moins d’énergie que propulser des matériaux hors de la gravité de la Terre. Ces arguments ont conduit à proposer le développement de techniques expérimentales minières lunaires.