Le concours Volodia Ring était une compétition organisée par Science Sainte-Rose en août 2023 dont le but était de concevoir une maquette de planète artificielle. Le nom de la compétition rend hommage à l’ingénieur Vladimir Syromiatnikov, Volodia de son surnom. À la clef : une dotation de 300€ et une présentation au siège de l’ONU !
Volodia Ring : contexte proposé
2024. L’ONU a réussi à mettre tous les pays d’accord pour former une grande nation mondiale ! À l’occasion de cette première période de paix totale de l’humanité, les ressources de guerre ont été redirigées vers l’exploration spatiale et les recherches médicales et scientifiques.
Pour faciliter l’exploration du système solaire et la colonisation de la Lune, il a été décidé de construire une petite planète artificielle de 2 km de diamètre d’ici 2030 : le Volodia Ring. C’est ce qu’on appelle un tore de Stanford. Il peut accueillir 1000 habitants permanents, ainsi que les industries nécessaires au raffinage des minéraux des astéroïdes ou encore à la fabrication de vaisseaux interplanétaires !
Nous verrons comment fonctionne cette station, et à quoi ressemblerait la vie à l’intérieur.
Le fonctionnement du Volodia Ring
Comme nous l’avons vu depuis des années avec l’ISS, l’impesanteur est compliquée pour la vie humaine. Mais alors, comment faire pour vivre dans l’espace ? La station Volodia Ring est conçue spécifiquement pour reproduire les conditions terrestres dans l’espace ! Ainsi, plus d’impesanteur mais une pesanteur artificielle à laquelle notre corps est déjà habitué.
De la même manière que le linge d’une machine à laver ressent une force vers l’extérieur, le conduisant à se plaquer contre ses parois, la rotation de notre station crée une force centrifuge. Sa vitesse de rotation est réglée pour reproduire exactement la gravité terrestre !
Avec une vitesse extérieure de 95,26 \ km/h ou 5,9 \ deg/sec (environ 1 tour par minute) c’est très rapide ! Mais pas de problème ! Pour atteindre cette vitesse, il suffit de pousser pendant 19 jours avec un seul moteur F1. C’est le moteur du 1er étage de la Saturn V, la fusée qui a emmené l’homme sur la Lune !
La vie à bord du Volodia Ring
Un anneau de 150 m de diamètre et de 5,8 km laisse plutôt beaucoup de place pour vivre, soit une surface totale de 871 800 m² (l’équivalent de 120 terrains de football).
La station se divise en modules pour rendre sa fabrication plus simple. Il y a 12 modules au total. Chaque module a une fonction précise, allant de l’habitat au parc de loisirs en passant par les centres d’étude et de fabrication.
La vie à bord d’une telle station ne serait pas si différente de celle sur Terre. Un jour paisible, sans canicule ni pluie, il est possible d’aller se balader dans des parcs, tout en pouvant admirer la voûte céleste. Le rêve ! Cependant, il ne faut pas oublier qu’il faut quand même aller au travail ! Dans cet anneau il y des petites villes avec tous les métiers qui s’y trouvent. Restaurateur, chercheurs, enseignant et j’en passe. Bien sûr, il y a aussi des métiers liés à l’industrie et à l’entretien de l’anneau.
Économie
L’économie de l’anneau est basée sur les recherches fondamentales de l’espace, avec toutes les infrastructures nécessaires pour cela, notamment un télescope avec un miroir de 15 m de diamètre. Comme l’anneau est directement en orbite, il permettrait de voir encore plus en détail les exoplanètes. Bien que bastion de la recherche, Hubble avec son mètre de diamètre n’a qu’à bien se tenir !
Néanmoins, l’économie n’est pas que de la recherche. Il y a aussi tout l’aspect minage d’astéroïdes pour récupérer les minéraux plus rares sur Terre comme le platine ou le palladium. Ces métaux rares, nécessaires à la fabrication de machines de pointes, est un vrai plus pour l’humanité.
Enfin, il y a aussi l’aspect fabrication et ravitaillement des missions vers l’espace lointain de notre système. Cette station permettra l’élaboration d’un autre anneau, qui sera envoyé par module, mais cette fois en direction d’Europe, la 2e lune galiléenne la plus proche de Jupiter ! Des habitats seront aussi envoyés vers notre Lune à nous, pour enfin avoir une présence permanente sur notre proche voisine. Les industries de notre station sont diverses, et avec une telle station en orbite, les projets les plus fous peuvent commencer à voir le jour !
La maquette du Volodia Ring
Description
Elle est à l’échelle 1 : 2 000 environ ! La maquette ne représente que 5/12 de la station complète. Les 5 modules fabriqués sont les suivants :
- Agriculture (production locale de nourriture pour éviter trop d’importations)
- Forêt (pour un recyclage plus naturel de l’oxygène de la station, et pour le bien-être)
- Ville (pour que les habitants puissent avoir un toit)
- Aquatique (pour aussi la nourriture (poisson) et une réserve d’eau)
- Campus (pour les études des habitants encore étudiants et des chercheurs)
Il y a aussi l’anneau central qui sert de spatioport, là où les vaisseaux sont construits et s’attachent à la station.
Enfin, les barres centrales sont les ascenseurs qui servent de relai entre le spatioport et l’anneau extérieur. Ces ascenseurs ont aussi une fonction de maintien mécanique car, pour soutenir la force centrifuge, il faut une forte résistance de la station. En outre, avoir un spatioport proche du centre de la station rend l’amarrage bien plus simple car la vitesse de rotation est bien moins grande. Il est également intéressant de bien répartir la masse sur le cercle pour avoir une meilleure matrice d’inertie en cas de manœuvre. Placer des éléments proche du centre du tore ne déséquilibre pas la répartition des masses.
Cahier des charges du concours :
Les règles du concours sont consultables en ligne sur le site de l’organisateur.
- Diamètre : 2 km
- Diamètre tubulaire : 150 m
- La maquette démontée tient dans une boîte de dimensions intérieures 15\times 25 \times 35 \ cm
- Maquette de moins de 5 kg : 1,2 kg avec la boîte d’emballage
Bien que la maquette assemblée soit bien plus grande que ce qu’annonce le cahier des charges, elle tient dans une boîte de 15\times 25 \times 35 \ cm pour le transport. Les feuilles de présentation demandées tiennent avec la maquette dans la boîte. Le cahier des charges est donc respecté.
Justification des chiffres
Pour ceux qui n’aiment pas les maths et la physique, vous savez tout ce qu’il faut savoir sur ce concept. En effet, la suite n’est que formules et calculs pour justifier les données évoquées au-dessus. Pour ceux qui lisent jusqu’ici et s’apprêtent à s’aventurer dans ce qui suit, nous vous aurions prévenus…
Pesanteur artificielle
L’accélération centrifuge ressentie au niveau du sol du Volodia Ring doit être égale à l’accélération de la pesanteur à la surface de la Terre :
a=\frac{v^2}{R}=g=9,81 \ m/s^2 \
On en déduit la vitesse de rotation de l’anneau au niveau du sol :
v=\sqrt{aR}=\sqrt{9,81\times 925}=95,26 \ m/s
En degrés par seconde, cela donne :
P=2πR=2 \pi \times 925=5 \ 811 \ m
Ici, on a pris 925 m et non 1000 m (rayon extérieur) car le sol est proche du centre du tore et non pas sur le cercle extérieur.
T=\frac{P}{95,26}=\frac{5 \ 811}{95,26}=61 \ s
\omega=\frac{360}{T}=\frac{360}{61}=5,9 \ deg/s
Un autre calcul permet d’aboutir à cette vitesse de rotation. Le champ gravitationnel à atteindre a une valeur d’environ 10 \ m/s^2. En utilisant la formule a=r \omega^2, on trouve directement la rotation du tore pour un rayon d’environ 1 km :
a=10=1 \ 000 \times (\frac{1}{10})^2
Avec r=1 \ 000 \ m et \omega= \frac{1}{10} \ rad/s soit \omega=\frac{1}{10} \times \frac {180}{\pi}=5,73 \ deg/s.
Nous obtenons bien le même ordre de grandeur.
La surface habitable S est égale à :
=\pi \times (R_e^2-R_i^2 )=\pi \times (1 \ 000^2-850^2 )=871 \ 792 \ m^2
Soit 87 hectares (cela représente 11 fois la superficie totale du Lycée Roland Garros !).
V_{tore}=2π^2 r^2 R=102 \ 705 \ 571 \ m^3 \approx 0,1 \ km^3
Le volume du tore « plein » (sous le sol) nous permettra de calculer sa masse :
V_{plein}\approx V_{tore}/2=5,135 \times 10^7 \ m^3
\rho=\rho_{aluminium}=2 \ 700 \ kg/m^3
m=\rho V=1,386 \times 10^{11} kg
Soit environ vingt-trois fois la masse de la pyramide de Khéops.
Mise en rotation
Nous allons maintenant estimer la poussée nécessaire à la mise en rotation de la station afin qu’elle génère une accélération ayant la valeur de la gravité terrestre. Pour cela, nous allons utiliser un moteur F1 de Saturn V, dont les caractéristiques sont les suivantes :
F_{F1}=8 \ 000 \ kN (poussée)
ISP_{F1}=304 \ s (impulsion spécifique)
En utilisant le second principe de la dynamique, nous pouvons déterminer combien de temps est nécessaire à la mise en rotation de la station orbitale jusqu’à sa vitesse finale à l’aide d’un seul moteur :
a=\frac{F_{F1}}{m}
v=\frac{F_{F1}}{m}\times \Delta t+v_0 avec v_0=0
\Delta t=\frac{mv}{F_{F1}} =\frac{1,386\times 10^{11}\times 95,26}{8 \ 000 \ 000}=1 \ 650 \ 379 \ s
Ce qui représente un peu plus de 19 jours.
La masse totale d’ergols nécessaire à cette manœuvre peut être calculée ainsi :
\dot{m}=\frac{F_{F1}}{g_0 ISP_{F1}}=2 \ 683 \ kg/s
m_{ergol}=\dot{m} \times \Delta t = 19,1\times 24\times 3 \ 600\times 2 \ 683=4,43\times 10^9 \ kg
Soit environ un trentième de la masse totale du tore.
Présentation au siège de l’ONU
Le 15 septembre 2023, Guy Pignolet a présenté la maquette victorieuse au siège de l’ONU, à New York, au cours d’un évènement de Space Renaissance International. L’objectif était de proposer un 18e objectif de développement durable : Space for All.
La paix dans le monde est essentielle à la paix dans l’espace, et seul ce cas de figure permettra l’élaboration de projets si ambitieux nécessitant la collaboration de nombreuses nations. La maquette de Volodia Ring représente les défis à accomplir sur Terre et dans l’espace pour aboutir à une paix mondiale durable au profit de la science.
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