Gravitation - Life Beyond - La vie dans l'espace

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GRAVITATION

La gravité artificielle




Il y a 20 ans, l'ISS accueillait le premier module d'astronaute et nous permit de
faire des recherches sur les effets de l'apesanteur, et la microgravité.
Encore avant, il y avait MIR, une station quelque peu identique,
qui a duré aussi suffisamment pour des prémices de recherches…


Avec ces 4 décennies de recherches environ,
nous avons pour le moment pris connaissance de
nombreux problèmes liés à l'apesanteur…







Une liste très listée, mais pratique vous est présentée ici :



Des troubles du cerveau : Le docteur Donna R. Roberts (spécialisée en radiologie, et neuroradiologie, ainsi que les cancers et tumeurs du cerveau et de la colonne vertébrale) a remarqué que le cerveau s'entasse sur lui-même lors d'un séjour trop long en apesanteur, ce qui dans l'état actuel des séjours des astronautes, ne présente pas un grand problème, mais dans l'optique de faire de l'apesanteur une composante de la vie de tous les jours pendant toute une vie, des troubles cérébraux irréversible et graves apparaîtraient.

Une déficience visuelle : L'apesanteur augmente la quantité de flux sanguins dans le crâne, cela créer une pression au niveau des yeux, ce qui résulte ainsi le plus souvent une hypermétropie (cliquez sur le lien précédent pour obtenir plus de renseignements à propos de ce qu'est l'hypermétropie...). Ce trouble de la vision est bien plus constaté chez les hommes que chez les femmes, mais les raisons sont encore inconnues (ou voir à « la paresse cardiovasculaire »).


Perte de densité osseuse : En apesanteur, la colonne vertébrale s'agrandit (mais également, en proportion moindre les autres os), ce qui a deux conséquences :
- nous gagnons environ 4 cm (ou plus selon la durée du voyage),
- mais aussi les sels minéraux et le calcium sont alors répartis dans tout le corps (plus besoin d’autant de solidité que sur Terre), les os sont donc plus pauvres en ces derniers, les rendant plus fragiles (notamment au retour sur Terre).
Il est également (important, quoique) de préciser que cette perte de calcium s'évacue par l'urine...


Une paresse cardiovasculaire : (d’où le besoin de faire du sport, chaque jour pour les astronautes de l’ISS) ; en microgravité, les fluides circulent inégalement dans le corps, privilégiant la tête, et le torse (parties hautes), au détriment des extrémités, et du bas du corps… Il y a un durcissement des artères, et cette raison n’est pour l’instant que la seule trouvée…


Chute du nombre de globules rouges : encore cette répartition inégale.


Des troubles de l’équilibre : oreille interne, et habitude à prendre…


Affaiblissement général du système immunitaire : dû à une répartition inégale des agents immunitaire, dû à la circulation sanguine, évoquée plus haut).


La procréation en l’absence de gravité : la question est très peu abordée et même délicatement évoquée ; peut-être par hypocrisie ou puritanisme le sujet est ainsi systématiquement évité…
Du côté purement scientifique sur lequel nous allons nous concentrer, il y a déjà eu des tentatives de reproduction - forcée ; mais pas toujours - entre animaux à bord des différentes stations Saliout, Mir, et même au sein de l’ISS. Les résultats de ces expériences, montrent clairement qu’il existe bien certaines anomalies à plusieurs stades du développement embryonnaire, mais aussi au niveau de la fécondation elle-même, de la segmentation des cellules (divisions cellulaires de la cellule-œuf puis de l'embryon, sans augmentation du volume) et de la fermeture du tube nerveux, qui se produit avec retard.
Pour l’Homme, oui, l'acte d'amour s’est produit dans l'espace. Aucun bébé n’est né cependant, et les enfants des astronautes soumis aux diverses radiations ne sont quant à eux pas atteints.
(À noter que les femmes, durant toutes les missions (sauf celles citées précédemment), ont toujours été sous contraception obligatoire, avant et durant le séjour).
En bref, ce ne serait de toute façon pas une bonne idée, à cause des radiations et de l'absence de pesanteur...






De plus, au retour sur Terre, le corps humain s'étant habitué à l'apesanteur, celui-ci est alors déréglé, et présente les troubles suivants :



Hypotensions : En l’absence de gravité ou en microgravité, ces phénomènes n’existent pas et le sang a tendance à s’accumuler, comme dit et répété précédemment, dans le thorax et la tête. Ce "trop plein" de sang est perçu comme une augmentation de pression artérielle par les barorécepteurs et une augmentation de volume sanguin par les volorécepteurs (voir schéma ci-dessus).
Le réflexe de l’organisme consiste alors à ramener la pression artérielle à une valeur normale par une diminution du débit cardiaque (qui initialement est augmenté par l’afflux important de sang au cœur), puis par une diminution durable du volume de sang circulant : ce qui se traduit par une perte de masse chez l’individu.


Atrophie musculaire : certains de nos muscles servent à "contrer" les effets de la pesanteur sur Terre : ces muscles sont couramment appelés muscles anti gravifiques : muscles du mollets, quadriceps, muscles du dos et du cou. En raison de la microgravité, une très faible contraction musculaire suffit pour que les muscles soutiennent le corps. Nos muscles s'affaiblissent si nous ne les utilisons pas assez ; ainsi, les muscles anti gravifiques sont alors atrophiés au retour sur terre, ce qui présente un risque en cas de procédure d'urgence.


Autre maux : Mais il y a aussi d’autres maux qui accompagnent ce retour sur Terre très brusque, dont les suivant :
- Incapacité de marcher (une des conséquences de l'atrophie musculaire) ;
- Troubles de l’équilibre ;
- Maux de têtes ;
- Vomissements (assez rares)...






On sait ce que vous êtes en train de vous dire... Et non ! Ce n'est pas compliqué, ni dangereux de résoudre de vivre dans l'espace.

Afin de palier à ces conséquences de l’absence de gravité, il suffit de créer
notre propre gravité (dans une station) : une gravité artificielle.

La gravité artificielle n'est pas à proprement parler une gravité :
en plus du poids, elle utilise l'accélération afin de renforcer les effets du poids de l'engin.



On peut créer une gravité artificielle à partir de plusieurs et différentes méthodes de gravité artificielle :





Rotation : Bâtir une structure circulaire, qui, en tournant sur lui-même l’habitat construit crée une force centrifuge simulant ainsi un semblant de gravité. Toutefois cette technique présente certains effets néfastes, si elle n'est pas réalisée dans les bonnes conditions :


●        Des forces de Coriolis produites par la rotation peuvent donner le vertige, des nausées, ou désorienter. Des expériences ont permis de montrer qu'un taux de rotation plus faible réduisait les forces de Coriolis, et donc ses effets. Un taux de 2 tours par minute permet d'éviter les problèmes liés aux forces de Coriolis. Un taux de 7 tours par minute est trop élevé pour la plupart des personnes, et peu d’entre elles peuvent s'y habituer.

●        Gradients de gravité : la gravité créée varie en fonction de la distance au centre de rotation. Si la vitesse de rotation est élevée, la tête et les pieds ne ressentent pas la même gravité. Cela pourrait rendre les mouvements difficiles.

●        Moment angulaire : comme noté plus haut, une grande vitesse angulaire produisant des hauts niveaux de force de Coriolis, le moment angulaire nécessite un système de propulsion pour accélérer ou ralentir la vitesse de rotation. De plus, si certaines parties du vaisseau ne tournent pas, le frottement et le moment diminuent la vitesse de rotation. Il faut donc des moteurs ou des volants d'inertie pour compenser les pertes en accélérant ou freiner certaines parties du vaisseau.


Pour simuler une gravité proche de celle terrestre (donc soit : g = 9,81 N.kg-1 (ou m.s-2) qui est l’unité de mesure utilisée comme l’unité d’accélération correspondant (approximativement) à l'accélération de la pesanteur à la surface de la Terre) il faudrait un modèle à simple ou double anneau avec au moins 3km de rayon et 30km de longueur afin d’atteindre la véritable intensité de pesanteur de la Terre.

Le modèle du cylindre O’Neill est de ce fait le plus sophistiqué et avancé…
Bien entendu, on peut aggrandir les mesures, puisqu'elle sont "proportionnelles". Et il n'y a pas qu'un seul modèle unique de "correct"...

En outre, la vitesse de rotation doit être inférieure à 2 tours/min afin de limiter les effets des forces de Coriolis.




Disposées ici dans le désordre, vous pourrez retrouver dans la diapositive juste ci-dessus des modèles de
stations orbitales de plusieurs univers, comme de 2001 l'Odysée de l'espace,
ou bien des projets de la NASA comme ceux de O'Neill, Bernal, Braun, etc.

Pour les retrouvez, les identifier, et en apprendre plus sur chacun d'eux, nous vous invintons à vous rendre à la fin de la section « Notre solution », qui présente différentes modèles...

Il y en a beaucoup, alors prenez le temps de regarder toutes les images...






Accélération : En accélérant continuellement sur une ligne droite, le vaisseau créerait une force sur les objets à l'intérieur, simulant une gravité dans le sens inverse de l'accélération. Cette technique requiert une très forte vitesse…

Pour vous donner une idée il faudrait pouvoir faire le trajet Terre-Mars en 2 à 5 jours, or la technologie actuelle ne nous permet pas de faire le voyage jusqu'à Mars en moins de 3 mois (voire bientôt 30 jours, selon les dernières possibilités) (et en ayant bien calculé avant ! car oui, sinon, c’est 6 à 9 mois.).

Toutefois, dans le scénario d'habiter dans l'espace, nous disposerons d'une technologie plus avancée rendant cette technique possible…

Nous nous concentrerons néanmoins ici à tout ce qui est faisable de nos jours, ou du moins qui s’en rapproche le plus possible.

Cependant, aller trop vite augmente la gravité artificielle et ceci peut présenter des dégâts sur le corps, on peut par exemple imaginer des os écrasés par une pesanteur trop haute, ou une hypertension qui peut résulter en des problèmes cardiovasculaires.








Vous pouvez remarquer que vous avez plus sous les yeux de gros vaisseaux habitables, sans grand intérêt... Et bien, en réalité c'est une approximation de ce que pourrait être un vaisseau, constamment rapide. En effet, si la station est continuellement en accélération (même relative — avec une déformation quelconque de l'espace-temps, ou un "ralentissement" de ce qui se trouve autour), alors elle ne pourra jamais s'arrêter (et l'absence de gravité en cas d'impact, par exemple, sera fatale au long terme, pour l'équipage...).




Masse : En plaçant un objet très dense au centre du vaisseau, celui-ci créerait sa propre gravité. Toutefois, la gravité est très faible avec des objets petits, par exemple, un très grand astéroïde ne produit qu'un millième de grammes, en N· kg-1.

Si l'on souhaitait utiliser le matériel le plus dense connu à ce jour, qui est l'osmium, avec une masse volumique de 22,61g· cm-3 , il nous faudrait une sphère d'osmium avec un rayon que l'on peut vérifier avec une équation mettant en relation la formule permettant de calculer le volume d'une sphère et la relation permettant de calculer l'intensité de pesanteur.

Ainsi, pour atteindre une intensité de pesanteur g égale à celle de la Terre, soit 9,81 N/kg, nous devons donc résoudre l'équation :

Avec x pour le rayon en mètres, g en N/km (et en kilogrammes/mètres cube) :

Toutefois, inutile de résoudre cette équation !...
(Pour ceux qui se sentent frustrés, le résultat est de 1 552 937,59 mètres
de rayon pour une sphère d'osmium qui aurait ainsi la même intensité de pesanteur que notre Terre...).


En y réfléchissant bien, on se trouve alors face à plusieurs problèmes :

Où trouver tout cet osmium ? Il est impossible de trouver autant d’osmium sur Terre car si c’était le cas, nous dépouillerions la Terre de toute son intensité de pesanteur ; il faudrait donc trouver cet osmium sur des corps célestes tels que des astéroïdes, ou bien aller piller les autres planètes. Non, ce n’est vraiment pas une bonne idée…
Une telle intensité de pesanteur implique que l’habitat attirerait des objets non désirés tels que des satellites, artificiels ou naturels, des météores…

Et enfin, cet habitat devrait être construit dans un endroit où une telle intensité de pesanteur ne dérangerait pas les révolutions des planètes aux alentours (soit par exemple dans le vide, ou en apesanteur libre, comme par exemple au niveau des points de Lagrange (et encore...) ; au niveau des L4 et L5 Nb : ces fameux points sont expliqués en détail dans la section « Notre Solution ».).



Ceci est le Vaisseau de Contrôle de Droïde de classe Lucrehulk, de la Fédération du Commerce, issu la prélogie de l'Univers Star Wars (créé par Geroges Lucas, bien évidemment)...

Ce qu'il y a en plein milieu (la grosse boule que vous voyez), est, dans les films censé être un énorme générateur, et contrôleur à distance super-puissant (direction Bluetooth à plusieurs parsecs, oblige...).
Pour illustrer nos propos, on se contentera de dire que c'est une masse suffisamment grande (comme un aimant géant par exemple, ou une sphère d'osmium, comme dit précédemment) pour générer une gravité dans la station...




Diamagnétisme : On arrive aujourd’hui à faire léviter une grenouille voir une planche avec un humain dessus (le Slide, une planche de skateboard qui flotte au-dessus du sol) à l’aide du diamagnétisme et de la supraconductivité.
Cette technique requiert toutefois une installation d’aimants et un système qui pèse très lourd juste pour faire léviter une grenouille (125 grammes), et ce système d’aimant doit être proche du zéro absolu (1 Kelvin, soit -273,15°C), ce qui requiert un système de refroidissement à l’azote liquide, rendant l’installation très gourmande et peu pratique et peu efficace (avec les technologies actuelles, et moyens de recherches…).
Mais où placer et comment disposer cette infrastructure gourmande en matériaux ?...

De plus, il ne faudrait pas nous faire léviter, mais bien créer l'effet inverse de la lévitation magnétique (donc du diamagnétisme)...


Cependant, ce problème est donc très facilement résoluble grâce à la physique quantique, mais que nous ne pouvons malheureusement pas aborder ici...



On a craqué ; la voici, la voilà : cette une autre solution novatrice pour la lévitation d’objet : une masse négative. En effet, la théorie de la relativité d’Einstein n’interdit pas l’existence d’une matière exotique à masse négative. Les objets s’y trouvant proches, par la loi de la gravitation universelle, sont mis en "lévitation" car cette substance va les repousser : c’est l’anti-gravité. Ceci n’est purement que théorique, et implique l’existence d’anti-graviton (antiparticule du graviton - soit la particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité, prévue dans la plupart des systèmes de gravité quantique), qui n’a pas été encore découvert.

En attendant, beaucoup d’œuvres de science-fiction traitent de cela, comme les différentes versions de modèles disponibles ici, ou bien l'extrait suivant :



Comme montré sur l'extrait ci-contre, voici ce qu'est le diamagnétisme (ou lévitation magnétique) actuel...
Ici, c'est le Slide de Lexus, ou le train magnétique, au Japon.

Si l'on voyage un peu plus vers la science-fiction, et la physique quantique, on pourra noter l'existence de maints vaisseaux (utilisant la gravitation quantique, ou plus communément appelé "la gravitation [/ou champ de gravité] artificielle"), comme ceux présents dans Star Wars, ou Star Trek (à retrouver dans la partie « Notre Solution », dans laquelle nous développons différents modèles de stations-vaisseaux habitables)...

Extrait de Retour vers le futur 2 (Back to the Future Part II) (scène de la poursuite en hoverboard), un film américain de science-fiction réalisé par Robert Zemeckis et sorti en 1989, sur un scénario coécrit avec Bob Gale.
C'est la suite du film Retour vers le futur (1985) et le deuxième épisode de la trilogie Retour vers le futur.








En conclusion :


De nos jours, toutes ces techniques sont utilisables, mais il faut faire la part des choses : on ne possède pas de moteurs ou de technologies assez avancé pour l’accélération, le diamagnétisme requiert une installation colossale ainsi que des recherches en physique quantique supplémentaire, nous n’avons pas assez de masse pour créer une gravitation à l’aide… de la masse.

Par élimination, il ne nous reste plus que la rotation qui est techniquement,
économiquement (attention ce point est à prendre avec précaution, il sera développé dans la section « En bref »), et scientifiquement, la seule possible et entreprenable de nos jours.



De cette façon, notre simple ou double anneau de 3km de rayon et 30km de longueur est suffisant au départ, et une telle station orbitale pourra être reproduite à l’infini, et avec des dimensions à la carte !…



À peu près tous les habitats sont adaptés à la rotation, à l’exception peut-être du vaisseau en raison de la taille nécessaire.

Ce dernier, étant plus conçu pour une population restreinte et pour les déplacements et explorations, gâcherait presque la place obtenue ; mais la station orbitale et plus particulièrement le modèle du cylindre d’O’Neill semble, derechef, le plus adapté.
Vous pourrez, quoiqu'il en soit, trouver d'autres modèles, plus développés et étudiés ici, vous présentant d'autres solutions viables (et réalisables !...)...


Toutefois ce système de production de gravité artificielle possède un inconvénient : l’extension de la station se fait plus compliquée, il faut créer des anneaux de plus en plus grand si l’on cherche à agrandir la station, ce qui devient ainsi de plus en plus coûteux et audacieux... Mais l’espace ne nous permet-il pas de réaliser tous nos rêves ?...





© 2019 - 3590 Life Beyond (Comme ça c'est fait...)
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