Attention à Fred

Roman Science Fiction

Cylindre O’Neill

Une approche critique, justification et remèdes par Lionel Herzog


 Prérequis pour une bonne lecture

Pour comprendre ce qui suit, il faut avoir quelques notions sur le cylindre O'Neill auquel une excellente page Wikipedia est consacrée ici : Cylindre O'Neill.


Vaisseau à gravité centrifuge

Exposé du problème

Dans la publication originale de 1976 décrivant le cylindre permettant de recréer une gravité artificielle dans l'environnement spatial, Gerard O'Neill ébauche trois types d'habitats différents. Il se préoccupe de recenser ce qui est possible. L'architecture précise de ces habitats n'est pas sophistiquée, il s'agissait d'en poser le concept. La publication a l'immense mérite d'avoir inventé l'idée originale de ce qui pourrait devenir l'ordinaire des humains dans quelques siècles voire décennies si on adhère au calendrier de "Attention à Fred".

Pour formidable que soit l'idée originale du cylindre, les exemples donnés à l’époque n'en souffrent pas moins de sérieuses lacunes. Les observations récentes relatives au voyage vers Mars en ont pointé de nouvelles, si bien que le concept de cylindre avait besoin d'une mise à jour substantielle.

L'analyse qui suit est celle qui a présidé à la conception des vaisseaux d'Attention à Fred, censée corriger les problèmes de fond au nombre desquels on compte notamment :

Sommaire

    1. Les ports d'entrées-sorties en termes de débit et de redondance.
    2. La maintenance de la coque.
    3. La protection contre les radiations.
    4. L'équilibrage des masses en rotation.
    5. Les corrections de trajectoire et la propulsion.
    6. Conclusion.
    7. Références - Liens.
    8. À propos du mot « gravité »...

Ces questions ont un caractère prioritaire dans la mesure où un habitat qui se montrerait défaillant sur ces points finirait par faire naufrage. Le caractère dramatique d'une telle catastrophe étant exacerbé par la qualité principale du cylindre qui est d'offrir un espace viabilisé propre à héberger des millions de personnes.

Pour donner un exemple, une micro météorite qui endommagerait la coque  forcerait tout l'équipage à abandonner le bâtiment.  L'évacuation serait contrariée par une gestion des entrées sorties dont le débit ne permettrait de sauver qu'un petit nombre de personnes.

Par ailleurs, la coque en rotation se prête mal à une intervention sur le site d'impact ce qui rendrait les réparations impossibles.

Ainsi, une avarie qu'on peut considérer comme "très probable" résulterait en une conjonction de facteurs défavorables avec une issue tragique pour les occupants.

 

Analyse des causes point par point et remèdes

 

1. Les entrées-sorties (débit et redondance)

Lorsqu’un cylindre tourne, tout ce qui est posé à l’extérieur de sa paroi est naturellement éjecté de sa surface. On peut certes imaginer qu'on utilise l'impulsion apportée par la rotation pour quitter le cylindre en rotation qui agirait alors comme une fronde. Néanmoins cette hypothèse résiste mal aux problèmes posés par l'orientation, le timing précis du décollage, le risque engendré par l'énormité des masses en mouvement et pour résumer, le cadre règlementaire qu’on attend lors d’une manœuvre délicate d’appontage ou d’appareillage.

A l’appareillage, on s'attend clairement à ce que le dispositif de décollage soit tolérant aux anomalies. Bref, on souhaitera décoller à partir d'une station fixe et stable pour laisser à l'engin au départ le contrôle de sa manœuvre. Le cas échéant, une avarie au décollage pourra donner lieu à son annulation d'urgence sur la seule décision du pilote ce qu’exclut complètement la notion de catapultage.

Le seul point du cylindre répondant partiellement à ces critères de sécurité est situé sur son axe de rotation. La rotation étant assez lente en son centre, l'engin au décollage pourra facilement corriger sa rotation après son départ.

Le véritable problème qui apparait en assurant les entrées sorties au point axial est qu'il n'y en a que deux par bâtiment et, par conséquent, deux ports d'entrée-sorties en tout et pour tout. Compte tenu des pannes possibles et de la grande taille des cylindres proposés, il semble inconcevable d'envisager une évacuation d'urgence avec seulement deux port dans la mesure où on parle de milliers de personnes voire de millions.

Le concept est juste un peu trop simple. On essaye de concentrer au point axial un trop grand nombre de contraintes. Le passage de la gravité à l'apesanteur d'une part, et le changement de pression atmosphérique d'autre part. Il faut impérativement séparer ces deux tâches. Ainsi quittera-t-on la gravité sous atmosphère pressurisée, puis on rejoindra un sas pour sortir dans l'espace.

En poussant légèrement le concept, on réalise qu'il a bien d’autres avantages. Si l'extérieur du cylindre est pressurisé, il n'est plus nécessaire de rendre la totalité de sa tranche étanche. La zone axiale de cette tranche pourra être ouverte vers l'extérieur sur une surface plus vaste, permettant un "débit" d'entrées-sorties beaucoup plus important.

Le principe est donc posé : Le cylindre tourne dans un cylindre plus grand dont le rôle premier consiste à assurer l'étanchéité du bâtiment.

 

2. La maintenance de la coque.

Comme expliqué plus haut , rien ne peut rester stationné sur une coque en rotation sans subir une force d'éjection au moins égale à la gravité qui s'exerce à l'intérieur du cylindre.

Il est donc impossible d'intervenir sur la coque à moins de s'y accrocher de quelque manière. Voyons donc comment on peut s'agripper à une structure aussi vaste.

Le magnétisme : On peut imaginer qu'une couche d'acier recouvre la coque pour permettre à des hommes ou des robots de s'y accrocher avec des électro-aimants. En théorie, rien ne s'y oppose. Cela dit, on imagine l'inconfort des intervention effectuées sous gravité négative. Pour donner un aperçu sur Terre, cela ressemblerait à une intervention au plafond. Compte tenu du risque incompressible qui accompagne toute sortie extravéhiculaire, ajouter celui d'une éjection violente loin du vaisseau semble prohibitif. Tous les efforts de conception viseront évidemment à contenir ce risque voire à l'annuler complètement.

Si maintenant on considère que le cylindre de gravité tourne dans un cylindre fixe et pressurisé, les équipes d'intervention en cas d'impact n'encourent plus le risque de se voir éjecter loin de leur base. Tout au plus seront elles arrêtées par le carénage ou coque d'étanchéité. Cette fois encore, la présence d'une coque externe est hautement souhaitable.

La coque externe étant immobile, les engins posés à sa surface pourront s’y accrocher sans problème. Dans le roman, c’est un système de griffes rétractiles qui peuvent contrarier la force d’éjection par la rigidité des griffes plutôt qu’un système magnétique dont la masse des bobines augmente au prorata de la force à exercer.

 

3. La protection contre les radiations

Ce point vient en complément des deux précédents. Le problème des radiations a été grandement ignoré par presque toutes les études du siècle dernier. Comme si la perspective de "cuire" sous le feu des micro-ondes et des vents d'ions avait eu moins d'importance en ces temps d'après-guerre. Cette question n'en est pas moins redoutable et la traiter ne va pas de soi.

En quoi consistent les radiations exactement ?

Il s'agit d'une part de rayonnement qu'on résumera à des flux de photons résonnant sur des fréquences incompatibles avec la vie cellulaire. UV, X...

D’autre part, des flux d'ions (Alpha, Beta, Gamma) dotés d'une masse ou plasmas de haute énergie (>10eV) qui séparent les électrons de leurs noyaux atomiques, brisant les liaisons chimiques des molécules dont les humains sont faits.  Le vent solaire ajoute ses propres ions  et participe à l'inhospitalité du milieu. Les cellules touchées par ces ions meurent et au-delà d’une certaine quantité, leur propriétaire également.

Sur Terre, les particules chargées sont déviées par les ceintures de Van Halen et bouclier magnétique, celui-là même qui anime l'aiguille des boussoles.

Un champ magnétique peut donc protéger les êtres vivants contre les particules chargées mais reste complexe à mettre en oeuvre et surtout à modéliser. L'auteur ne possède pas de logiciel capable de le faire. Les vaisseaux sont ceinturés de canalisations dont on peut imaginer qu'elles soient faites de cuivre isolé par une gaine plastique. On pourrait dès lors y faire circuler un courant et former une bobine de la taille requise pour voir des aurores boréales apparaitre aux extrémités du vaisseau. Néanmoins, en l'absence de modèle, le livre ne s'étend pas sur cette question.

La plupart des matériaux ont une capacité d'absorption des radiations en général. Certains hélas se montrent peu performants. C'est en particulier le cas des métaux légers, précisément ceux dont sont fait les astronefs actuels (aluminium). Les céramiques sont plus efficaces mais aussi bien plus lourdes ce qui ne permet pas de les utiliser actuellement.

L'hydrogène sous toutes ses formes absorbe bien les particules. L'eau liquide est donc efficace de même que le méthane liquide ou bien sûr l’hydrogène liquide. Ces fluides ont aussi pour grande qualité d’être transparents dans le spectre visible ce qui permet d'envisager des hublots et autres fenêtres vers l'extérieur.

 

4. L'équilibrage des masses en rotation

C’est un problème inhérent au cylindre O’Neill. Nulle autre architecture spatiale n’y est aussi sensible. Si la masse du cylindre n’est pas répartie avec symétrie, le cylindre va commencer à tourner autour de sa partie la plus lourde. Au regard des masses de l’engin qui peuvent difficilement être inférieures au million de tonnes, ce mouvement déclencherait des forces de torsion sur le cylindre entier et pourrait probablement le briser net ce qui tuerait bien sûr tous ses occupants. Même une faible dissymétrie suffirait à exercer de fortes contraintes sur toute la structure du cylindre. Il est donc impératif d’équilibrer activement ces masses. On devra limiter les étendues d’eau qu’on voit sur les anciennes illustrations et surtout prévoir un système intelligent capable de détecter les variations de gravité et les forces de torsion infligées au cylindre pour déplacer de l’eau ou tout autre fluide vers le point situé à l’antipode de l’excès de poids détecté afin d’empêcher la structure de tournoyer sur deux axes.

Le manifeste du roman prévoit ce cas de figure : outre la nappe phréatique naturelle du cylindre, de petits réservoirs répartis uniformément contre la paroi interne sont reliés par des canalisations munies de pompes. Le calculateur de bord analyse les forces exercées sur les axes de rotation et compense des dissymétries en permanence. Si le déséquilibre est trop grand, des robots quadripodes peuvent aussi transporter matériel lourd, contrepoids voire engins en n’importe quel point de la nef pour équilibrer les masses.

 

5. Les corrections de trajectoire et la propulsion

La référence est propre au livre Attention à Fred. Un cylindre O'Neill solidement caréné se voit doté de propulseurs lourds. Les modèles sans carénage ne peuvent espérer au mieux que des corrections d'orbites. Toutes les partie du cylindre de 1974 sont en effet mobiles. Les propulseurs solidaires ne peuvent fonctionner que par impulsions courtes puis attendre tout ou partie d'un tour complet pour s'allumer à nouveau. Ce fonctionnement intermittent est parfaitement maîtrisé aujourd'hui. En revanche, il ne faut pas en attendre de performances  eu égard aux masses à déplacer.

Tout au contraire, une structure fixe n'a besoin que d'être correctement orientatée pour utiliser toute sa puissance pendant de longues impulsions. On parle ici de millions de tonnes à déplacer avec des moteurs probablement électriques, c'est à dire, dont la puissance instantanée est faible. C'est le prix des longs séjours loin des bases de ravitaillement. Si une fusée au départ de la Terre peut s'offrir le luxe de brûler 12 tonnes d'ergols par secondes, c'est uniquement parce que son premier étage va rapidement se détacher et retomber au sol. Lors des longs séjours isolés, une telle dépense en combustible est impensable. Seuls les moteurs ioniques peuvent garder leur disponibilité pendant de longues périodes.

Pour éviter une explosion qui endommagerait la coque et mettrait en péril les occupants, on prendra soin de superposer la propulsion et non de la juxtaposer. Dans le monde réel, ce problème est apparu avec la navette spatiale. Véhicule « trappu » où les habitacles jouxtaient les ergols chimiques dont l’explosion fut fatale aux occupants de Challenger mais , fût aussi à l’origine du débris qui fractura le bouclier thermique de Columbia en 2003. La juxtaposition des propulseurs est donc bien l’erreur de conception à l’origine des deux tragédies.

Par nature, la propulsion manipule de puissantes forces qui peuvent s'exprimer inopinément...

Mettre la propulsion à l'arrière permet donc de sauver les occupants en cas d'explosion. Profitons donc de la structure de mât pour y loger également la génération nucléaire. Il sera ainsi possible de larguer le tout en cas de fusion des combustibles. En espérant que nos astronautes auront à cœur de sécuriser le réacteur endommagé et l’empêcher de dériver indéfiniment au risque de provoquer des catastrophes plusieurs décennies plus tard...

Le refroidissement des réacteurs est assuré par un fluide qui va alimenter le vaisseau en chaleur, contribuer à filtrer les radiations et son accélération à compenser le couple de rotation du cylindre à l'intérieur de la coque (compensation inertielle).

 

Conclusion

Les ébauches de cylindres O'Neill de 1974 ont eu l'immense mérite de faire rêver une génération de futurs astronautes. Et leur succès est d'autant plus mérité que des cylindres finiront certainement par être construits, peut-être dans des chantiers proches des lieux d'exploitation minière comme dans le roman, peut-être autrement. Néanmoins, le livre met sérieusement à jour le concept. Prophétiques ou non, les vaisseaux à gravité centrifuge décrits apportent une crédibilité au principe du cylindre alors que les agences spatiales travaillent sur des anneaux toriques tournant autour d’une structure fixe prolongée par des compartiments pneumatiques pour le fret. Les masses au décollage ne laissent pas espérer voir des habitats aussi ambitieux qu'un Cylindre O'Neill. Pas avant que les matériaux ne soient extraits sur place. Dès lors, l'exploitation minière ne devrait-elle pas prendre la priorité sur l'exploration ?  

De quoi poser les questions sociétales, politiques et militaires qui font la trame de l’histoire mais sortent du cadre de cette analyse.

Un problème récurrent des cylindres du MIT et de la fiction est qu’on a été trop optimiste avec les dimensions. Une structure de plusieurs kilomètres est possible mais plusieurs dizaines de kilomètre posent des questions fondamentales de résistance des matériaux et de maintenance. Les vaisseaux du roman sont dimensionnés d’après les ouvrages de génie civil sur Terre.

 

Je conclurai sur les bons moments que l’héroïne du livre, Fred, passe à bord de son vaisseau où elle trouve la maison qu’elle n’aurait jamais eue sur Terre, des amis loyaux, un management compréhensif, un travail gratifiant et où elle se forge des souvenirs heureux avant que les évènements politiques ne bouleversent sa vie.

La Terre sera trop petite un jour. Il faudra étendre l’habitat de l’espèce humaine et aucune planète n’est vraiment accueillante. Les belles années de Fred à bord du Cruncher sont la note d’optimisme qui manquait à cette analyse remplie de cas désespérés et de catastrophes.


Dans la Nef
Dans la nef (draft).

Références - Liens

Le projet Station Spatiale Internationale devait à l'origine comporter un module sous gravité centrifuge nommé CAM pour Centrifuge Accommodations Module. Ce module a été construit par l'agence d'exploration aérospatiale japonaise et devait être connecté au module Harmony de l'ISS. Il a été abandonné en 2005 suite aux restrictions budgétaires consécutives aux dépassements de coût des autres organes de la station.

Autre page en anglais sur le module CAM de l'ISS.




À propos du mot « gravité »...

Le terme « gravité » à l’intérieur d’un cylindre est scientifiquement incorrect. La gravité est la première force de l’univers qu’elle a façonné depuis toujours et continue à le faire. Le Soleil en est une manifestation heureuse pour nous. Cette gravité s’appuie sur l’espace-temps et ne peut se concevoir facilement. Pour autant, notre espèce a évolué grâce à elle et même un enfant fait facilement la différence entre haut et bas. Pour mieux comprendre la gravité et ses implications, un livre de vulgarisation scientifique à conseiller est « Patience dans l'Azur » d’Hubert Reeves. Pour aller encore plus loin, le Boson de Higgs et son champ de force sont encore très à la pointe de la compréhension humaine. Autrement dit, on n’y comprend pas grand-chose mais on sait où ça se situe dans la grande famille des particules subatomiques.

…Centrifuge

Ce que nous appelons « gravité centrifuge » n’a de fait, pas grand-chose à voir avec celle de notre planète. Néanmoins elle lui ressemble étrangement. C’est une force constante à laquelle on ne peut se soustraire qu’en accélérant. Imaginons un objet placé sur la paroi interne d’un cylindre en rotation, un peu comme de la salade mouillée dans une essoreuse, à laquelle on impose une rotation qui aura un effet provisoire lors de l’accélération initiale, avant de se stabiliser lorsque le régime nominal sera atteint. Désormais, on oppose une force contraire à la trajectoire en ligne droite de notre objet qui est la force centripète d’un cylindre. L’objet posé sur la paroi (notre corps dans le cas d’un vaisseau) est soumis au déplacement de sa trajectoire, constamment contrarié par la courbe que lui imprime la paroi. Elle agit donc comme un virage constant qui attire l’objet en sens inverse. Il faut noter qu’aucun habitat spatial doté de gravité centrifuge n’a été construit à ce jour mais que sa faisabilité semble faire consensus.  

Attention à Fred utilise (comme toute la science-fiction) le mot « gravité » sans explication supplémentaire, bien que le terme soit inexact. Contrairement à la « science tout court » qui doit démontrer mathématiquement ou référencer tout ce qu’elle avance, la science-fiction met l'accent sur le ressenti. La « gravité » d’un cylindre suffisamment grand pour imprimer une sensation de pesanteur se voit donc nommée comme celle de notre planète, même si le terme n’est pas scientifiquement correct.




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