Attention à Fred

Roman Science Fiction


Exploitation minière des astéroïdes

Cette page détaille l'exploitation des astéroïdes selon le roman Attention à Fred. Il s'agit d'une extraction massive et pérenne de matières premières qui sont traitées et purifiées sur place avant d'être expédiées vers un port en orbite intermédiaire qui assurera la livraison vers notre planète.

Contrairement aux projets de ce début de siècle, la présence d'un grand vaisseau minier à proximité du site d'extraction supprime les problèmes liés à la qualité de l'orbite. Le delta-V de l'astre étant toujours voisin de zéro par rapport à son vaisseau, la localisation importe peu et les ressources industrielles du vaisseau permettent de pallier les situations imprévisibles, non sans conséquences sur le devenir de l'humanité.

Sommaire


cruncher and asteroid




Base de données des astéroïdes connus dans le Système solaire.

Environ 795 000 petits objets du système solaire sont maintenus dans une base de donnée mise à jour régulièrement à cette adresse :

Ce travail de fourmi emploie des dizaines de milliers d'astronomes amateurs qui font l'effort d'y publier le fruit de leurs observations.

La page Nasa Science consacrée aux astéroïdes

Classification, composition, nommage, plans d'exploration, défense contre les impacts, tout ce que la Nasa a à dire sur notre ceinture d'astéroïdes et la ceinture de Kuiper se trouve ici :

Formation de la ceinture d’astéroïdes

Comme tous les corps en orbite solaire, la ceinture d'astéroïdes provient de la condensation du nuage primitif qui a donné naissance au soleil, dont le phénomène d’accrétion a été interrompu par les turbulences gravitationnelles de Jupiter.

En d’autres termes, chaque astéroïde était une planète en devenir et si leur orbite avait été moins chaotique, ils se seraient sans doute agrégés pour donner naissance à une rocheuse comme la Terre, Vénus ou Mars.  La proximité de Jupiter en a décidé autrement en éparpillant la plupart des objets à grande distance les uns des autres. La majorité d’entre eux aurait été éjectée du système solaire, ne laissant qu’un reliquat ténu et peu massif (4% de la masse lunaire) de petits corps qui ont réussi à éviter une collision trop violente pendant 4.6 milliards d’années. D’autres ont eu moins de chance mais leur disparition interdit d’en évaluer le nombre ou la masse.

D’autres encore, étaient déjà suffisamment massifs pour rester en orbite solaire malgré les collisions. C’est le cas de (4) Vesta, qui malgré des traces évidentes de fragmentations multiples, n’y a perdu que 1% de sa masse et reste le troisième plus gros corps de la ceinture avec 530 km de diamètre.



Schéma trompeur

Voir
Asterank, position réelle des astéroïdes
(Animation temps réel)

Le terme « ceinture » est trompeur. Il suggère un anneau de petits corps aux orbites homogènes. Dans la réalité, elle n’est ni un anneau ni homogène. Les astéroïdes ont des orbites aux ellipses très disparates et sont indiscernables des géocroiseurs tant l’imbrication des trajectoires est étroite et complexe. La plupart des schémas visant à illustrer la notion de ceinture induisent donc en erreur en se basant sur des moyennes statistiques plutôt que sur des min/max. Ce qui est vrai en revanche, c’est que la moyenne des orbites est située entre Mars et Jupiter à l’exclusion de certaines distances au soleil où les objets sont statistiquement rares. Ce sont les fameuses Lacunes de Kirkwood qui matérialisent l’instabilité de certaines orbites puisque Jupiter en éjecte tout objet qui tenterait de s'y stabiliser.

Champs d'astéroïdes

Une croyance récurrente dans la S.F. présente, à tort, les astéroïdes sous forme de champs compacts et homogènes.
Les objets célestes se déplacent en suivant une trajectoire balistique que seules la gravité ou une collision peuvent modifier. Les champs d'astéroïdes sont donc en contradiction avec la physique. Toute proximité entre deux objets doit se conclure par une fronde gravitationnelle, une satellisation ou une collision, formant ainsi un objet plus gros par accrétion ou, à l'inverse, provoquant un rebond qui éloignera durablement les deux objets impliqués.

Les champs d'astéroïdes présentés dans la SF sont un artefact issu du non-respect de l'échelle des schémas. Les objets y sont fortement grossis en comparaison de leur orbite très réduite, faussant ainsi la perception des écarts et des masses.

Les astéroïdes voyagent seuls !

En regardant attentivement l'incroyable animation d'Asterank, on comprend facilement que la ceinture est plutôt un "donut" qui va de l'orbite vénusienne à celle de Mars qu'elle dépasse jusqu'aux 2/5emes de l'orbite jovienne. Autrement dit, la Terre orbite largement à l'intérieur de la ceinture d'astéroïdes.

Néanmoins, le nombre d'objet autour de la Terre est nettement plus petit (facteur PI environ) qu'au delà de Mars puisque sa période orbitale est plus courte et la distance qu'elle parcoure autour du Soleil également. Pour en finir avec le schéma, on peut résumer que l'intérêt d'un astéroïde réside dans la somme des delta-V à compenser pour y envoyer un cargo minier et pour qu'il en revienne. Cette somme devra être calculée non pas au départ de la Terre mais au point où se trouve la tête de pont ou grand port de fret qui assurera la jointure avec la Terre. C'est sur ce principe de fonctionnement que se base Attention à Fred.  

Gouvernement impossible

Ces points ont une influence certaine sur la gouvernance politique d’un nombre important de sites miniers. Aucun d’eux ne resterait à distance constante des autres et leurs trajectoires les mettraient fréquemment en opposition solaire ce qui semble rédhibitoire pour former un gouvernement qui les représente dignement. Chaque exploitation est vouée à l’isolement pendant la plus grande partie de sa vie.

C’est pourquoi il est rarement question de forage dans le roman qui se focalise sur les ports de stockage et de livraison, là où se développe l’habitat humain. Les zones d’extraction sont statistiquement si lointaines qu’elles n’apparaissent qu’au travers de leurs cargos qui viennent sporadiquement livrer les matières premières aux chantiers où les dernières transformations ont lieu avant qu’un ultime transport ne parte livrer les métaux purifiés jusqu’à la Terre.


Astéroïdes tueurs

Début mai 2019, la 6e conférence de défense planétaire réunit les experts internationaux autour d'un scénario virtuel qui aboutit à la chute d'un objet de 100 à 300 m de diamètre sur Terre en 2027, libérant une énergie égale à 1 milliard de tonnes de TNT, soit deux fois plus que la somme des essais nucléaires réalisés sur Terre à ce jour. 

Les astéroïdes peuvent tomber sur Terre et y provoquer des dégâts cataclysmiques. On peut même s'avancer à dire que notre planète est le résultat d’innombrables impacts de petits corps. Par ailleurs, les gisements de métaux terrestres sont sans doute le résultat d’impacts survenus lors du grand bombardement tardif, longtemps après la formation du système solaire.

La chute d'astéroïde est devenue un sujet très sérieux qui justifie de coûteux programmes de suivi dont sont issus les projets comme Asterank, qui en exploitent les bases de données pour extrapoler leurs renseignements à l’exploitation minière.

Le guitariste Brian May, devenu astrophysicien en 2007, a joué un rôle important dans la sensibilisation des grandes puissances à ce sujet.
A l'occasion de l'Asteroid Day 2019, il publie cette vidéo avec effets spéciaux, concernant la mission Era qui doit visiter le site où DART a projeté un impacteur.

Depuis lors, les stratégies de défense se précisent et des tactiques sont testées pour dévier la trajectoire des bolides dangereux :

L'Europe et la NASA testent un nouveau système de défense contre les astéroïdes le 29 avril 2019 sur National Geographic France à propos de la mission DART.

Un autre article sur DART qui sera lancée par un Falcon 9 de SpaceX dans Ubergizmo le 17 avril 2019.

L'Usine Nouvelle parle de DART et SpaceX. Le 15-04-2019.


Le "Centre d'étude des objets proches de la Terre", le CNEOS, est un département de calcul du Jet Propulsion Laboratory, coordonné par la NASA. C'est l'entité la plus éminente au monde concernant les chutes d'objets sur Terre.

SPHERE est un programme de suivi d'objets dangereux qui fédère les observatoires du monde entier en cas d'alerte.

Projets de retour d'échantillon vs. Exploitation pérenne

Comparaison de la réalité actuelle à l'industrie d'Attention à Fred

Les projets actuels vers les astéroïdes ressemblent aux missions Apollo du siècle dernier. Ils sont conçus autour d'un lancement unique qui emporte avec lui tout le nécessaire jusqu'au retour sur Terre. Cette conception « tout-en-un » n’a pas grand-chose à voir avec une activité minière permanente capable de gérer un nombre indéterminé de sites d’extraction. Les volumes et la durée des processus ne sont pas  comparables. Les missions actuelles doivent retourner quelques grammes ou kilos d’échantillons contre des milliers de tonnes par an ...
Aussi ne peut-on comparer la logistique d’Attention à Fred avec les missions de retour d'échantillon. Outre le transport du minerai et sa purification, l’exploitation permanente doit aussi assurer l'entreposage sur de longues périodes.

Lien

Un exemple visionnaire de l'exploitation développée en ce début de siècle. Article bien documenté démontrant l'ambiguïté entre les missions de retour d'échantillon et l'exploitation minière. La rhétorique minière permet de lever des fonds autour d'une technologie à usage unique qui ne fournira pas plus de quelques centaines de kg de minerai dans le meilleur des cas. Même à 1 350$ l'once (cours du 06-02-2019), l'or ne vaut que 48 000$ par kilogramme.  Le lancement d'un Falcon Heavy à 90 mln$ ne sera remboursé qu'à partir de 1 900 kg d'or pur ramené sur Terre sans compter le matériel d'extraction et de retour qui va largement tripler la facture.

Le compte n'y est donc pas mais la projection a le mérite d'émettre des hypothèses en popularisant le concept de mines spatiales. Pour parvenir à un résultat économiquement viable, Attention à Fred reste le seul scénario crédible.

Si les mines spatiales font rêver aujourd'hui, ce n'est pas par l'accès aux ressources qu'elles permettent mais plutôt par la colonisation d'une zone vierge, riche et inhabitée avec, en filigrane, la perspective d'y établir un habitat pérenne et élargir l'horizon humain à l'orbite de Jupiter.


Géocroiseurs

Pour ces raisons, l’exploitation des géocroiseurs (objets croisant proche de l’orbite terrestre) n’est pas plus simple ni moins couteuse en énergie dès lors que des vaisseaux croisent autour des sites d'extraction. Les contraintes de logistique à cette échelle plaident pour que les transports lourds aillent d’un port d’avitaillement à l’autre en suivant des routes calculées pour rendre leurs missions stables et répétitives. De nos jours, en l'absence d'humain à proximité du site, les géocroiseurs s'éloignent trop pour permettre le pilotage à distance des sondes alors que l'activité de mineur est sujette aux imprévus que seule l'improvisation humaine peut résoudre.

Or, à moins d’installer plusieurs ports ultra-lourds par site d’exploitation pour sécuriser les voyages, un nœud de transport unique semble plus économique en organisation, règlementation et superstructures, bien que ce schéma allonge les temps de transport de plusieurs mois. 

Finalement, les distances deviennent secondaires si on considère les voyages en spirale qu’effectuent les engins d’une orbite solaire à l’autre. Le plus simple pour un voyageur-transporteur reste de ne pas trop s’éloigner de son orbite de départ.

En conséquence, de même que les schémas qui simplifient l'affichage des orbites moyennes plutôt que montrer les trajectoires dans toute leur complexité, les livraisons provenant de sites multiples éparpillés dans la ceinture seront moins coûteuses si elles desservent un port unique dont les caractéristiques orbitales approchent la moyenne des sites d’extraction.

Le dernier voyage vers la Terre requiert, pour sa part, une organisation distincte qui justifie l’existence d’un grand port capable d’accueillir les deux types de missions.


La sonde Dawn

Logistique, transports, routes, propulseurs, masses et sources d'énergie

Ces conclusions qui fondent le roman ont été tirées par l'auteur de la mission Dawn à destination de Vesta et Ceres. Beaucoup d’intervenants sur la question des mines spatiales présentent le delta-V d’un corps comme l’alpha et l’omega de son potentiel minier mais il est apparu que ces prévisions font abstraction des contraintes logistiques liées à une exploitation constante, s’étalant sur une période infinie et portant sur de nombreux corps dont chacun apporte des éléments différents : Métaux, minéraux, gaz…

Réduire l'intérêt d'un objet à son seul delta-V prouve que la logistique envisagée reste de la génération des missions Apollo ou Dawn. Cela ne convient pas pour une production minière permanente.

La mission de DAWN dans le système solaire

Trajectcoire en spirale de la sonde Dawn

Schéma de l'itinéraire en spirale suivi par la sonde Dawn depuis la Terre jusqu'à Vesta entre 2007 et 2011 avec l'assistance gravitationnelle de Mars en 2009, puis de Vesta à Ceres de septembre 2012 au printemps 2015.

Image NASA (recolorisée) - La thèse exprimée dans cette page relève de la science-fiction et n'engage que son auteur à l'exclusion de toute autre entité ou agence - Cliquer image pour voir la page originale - Lire les conditions d'utilisation du matériel NASA

Disclaimer : Assumptions and hypothesis explained in this page are pure speculation in a science fiction context. None of them are supported by any space agency in the world. The NASA image above is shown to illustrate a fully hypothetic theory of asteroid mining which belongs to science fiction. Please refer to the original NASA page by clicking on the image to get information about the Dawn probe mission.


New Horizons - L'antithèse de Dawn

La sonde New Horizons contredit drastiquement l’enseignement de Dawn quant à la navigation dans le système solaire. Lancée en janvier 2006 par la plus puissante fusée disponible à cette époque, sa mission très spécifique consiste à atteindre l’objet "planétaire" le plus éloigné du Soleil, Pluton, dans un délai aussi court que  possible pour minimiser le risque de panne durant le voyage.

New Horizons (lien Nasa) n’utilise pas les propulseurs ioniques de Dawn. En effet, ces propulseurs, quoique très économes en termes de masse au décollage, ont besoin d’une source importante de courant électrique. Dawn détenait le record des plus grands panneaux solaires pour alimenter ses moteurs. Mais la route de Pluton s’éloigne du Soleil au point d'en diviser la brillance par 1000. Les panneaux solaires ne sont donc d’aucune utilité pour une mission aussi lointaine.

Seul un générateur à radio-isotopes peut fournir du courant à cette distance. Or, outre les problèmes d’approvisionnement en combustible plutonium 238, le générateur ne fournit que 200 watts, soit le strict minimum pour alimenter (et réchauffer) les instruments embarqués et l’émetteur radio.

La propulsion chimique traditionnelle est donc la seule possible. La poussée des propulseurs chimiques étant beaucoup plus forte que celle des réacteurs ioniques de Dawn, il n’est plus nécessaire de « s’insérer dans le trafic » des objets en orbite solaire. Au contraire, la ligne droite a été privilégiée pour profiter de la position de Jupiter, grâce à la gravité duquel, New Horizon a pu accélérer à une vitesse rarement atteinte par une sonde jusque-là.

L’illustration ci-dessous montre la trajectoire rectiligne de la sonde :


Trajectoire de la sonde New Horizons


trajectoire de la sonde New Horizons

Source image : Wikipedia
Itinéraire et position de New Horizons 3D sur le site de l'université John Hopkins - Washington DC
Voir la trajectoire en 3D (NASA)

Cela dit, la route d’une sonde de quelques centaines de kilos dans le système solaire ne prédit pas celle d’un vaisseau de plusieurs millions de tonnes. Les propulseurs d’Attention à Fred sont des accélérateurs de particules ionisées (noyaux). Leur parenté avec la recherche spatiale est à chercher dans le projet de propulsion VASIMR, lequel se rapproche plus d’un accélérateur de particules tel que LHC du CERN que des propulseurs ioniques au xénon utilisés actuellement. La puissance électrique disponible à bord de vaisseaux géants est d’origine nucléaire et solaire avec de grandes surfaces disponibles pour les panneaux et du combustible nucléaire en abondance (présumée) dans les mines spatiales. Comme le LHC, les propulseurs VASIMR ont une forme allongée, ce qui permet d’empiler les aimants qui accélèrent les particules pour augmenter leur vitesse et limiter la consommation de gaz éjecté.

Cette propulsion peut (selon l’expérimentation du MIT, de la NASA et des universités américaines) atteindre des poussées en rapport avec l’énergie qui alimente les aimants, soit environ un GigaWatt dans le cas des vaisseaux géants du roman. Néanmoins, les masses en mouvement relèvent d’une échelle jamais vue, ni même approchée dans la recherche spatiale. Logiquement, le déplacement de telles masses oblige les vaisseaux à suivre une route qui ressemble plus à celle de Dawn qu’à celle de New Horizons. 

Noter au passage que les réacteurs nucléaires d’un grand vaisseau habité ont un rendement bien meilleur que les générateurs des sondes actuelles, qui ne peuvent être maintenus ni réparés en cas de panne. C’est pourquoi les générateurs à radio-isotopes des sondes spatiales convertissent la chaleur en électricité au moyen de matériaux thermoélectriques. Dépourvus de pièces en mouvement, donc d'usure et de risque de grippage, ces convertisseurs passifs ont une longévité exceptionnelle. Les centrales nucléaires terriennes ont un meilleur rendement électrique grâce à l’utilisation de fluides sous pression circulant dans des conduites, produisant de la vapeur d’eau. Ce type de procédé est impensable dans l’espace, cependant une génératrice à moteur Stirling a été étudiée pour s’y substituer, avec un rendement très supérieur à celui de la thermoélectricité et, malheureusement, une espérance de vie moindre.

Dans tous les cas, aucun vaisseau spatial ne pourra s’alimenter autrement que par réaction nucléaire au-delà de l’orbite de Jupiter car le soleil n’y brille plus suffisamment. Enfin, une véritable centrale nucléaire maintenue par des robots et une décision humaine sur place permettent de multiplier drastiquement le rendement électrique d'un réacteur nucléaire. En conséquence, la propulsion y sera bien plus puissante et les itinéraires suivis par les astronefs, plus directs.




Retour en 2095...

Coordination des flottes de vaisseaux

Quant à l’organisation économique des différentes flottes de mineurs, à moins d’être placées sous tutelle stricte et hiérarchisée (militaire), elles ne peuvent que se développer de façon multilatérale où chaque mineur sera tenu envers les autres par ses impératifs économiques. C’est un peu là que la Terre voit sa tutelle mise en cause par les commandements locaux. D’autres questions plus anthropologiques viennent alors à l’esprit. C'est là que commence la science-fiction.

Composante économique spéculative

Enfin, pour ceux qui avancent que la sur-disponibilité des métaux ferait chuter leur prix à Terre et rendrait leur exploitation déficitaire, rappelons que la composante spéculative des prix restera à peu près constante à l’avenir. L’inéluctable épuisement de la ressource en renchérira la valeur. Il y a toujours une spéculation liée au négoce. Le focus d’Attention à Fred l’ignore. Il apparait qu’une exploitation massive des astéroïdes rendrait la spéculation caduque au point de vue des terriens qui n’auront (emploi du futur à dessein) plus qu’un fournisseur extra-terrestre et seront bien obligés de faire avec. Prétendre assurer la fourniture des biens en toute circonstance est un paradigme de négociant, pas de mineur.

L’or blanc

En outre, les platinoïdes sont tellement rares sur Terre que l'humanité entière renonce à les employer autant qu’il le faudrait. Le livre explique que les autos brûlent du pétrole car il manque du platine pour les piles à combustible et que dire du chauffage qu'une petite pile peut fournir en même temps que l'électricité dans des centaines de millions de maisons ? Remplacer les 4/5emes de la consommation de pétrole (soit 80 millions de barils par jour) par de l’hydrogène propre est un rêve qui justifie à lui seul l’exploitation des astéroïdes et les différents bloggeurs qui ont traité la question ne s’y sont pas trompés en ignorant purement et simplement les autres métaux.

Myopie corrigée

Pourtant, ce sont bien les autres matières extraites des astéroïdes qui, par leur abondance, permettent aux vaisseaux spatiaux de s’affranchir d’une barrière ô combien existentielle : celle de l'habitat. Il y a un demi-siècle qu’on a compris que Mars était un désert rouge, sombre, irrespirable et radioactif ! Après le choc de Vénus, Mars était le dernier espoir de trouver un habitat pour les terriens en surnombre. On cherche quel enthousiasme peut bien animer ceux qui envisagent de la coloniser. L’auteur a bien du mal à le partager. La question suivante est évidente. Que reste-t-il après Mars ?

 

 

 
 



Vue d'artiste d'un asteroide


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