Cet article est republié dans le cadre de la prochaine Fête de la science (5-13 octobre 2019 en métropole et 9-17 novembre à l’étranger et à l’international) dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition aura pour devise : « A demain, raconter la science, imaginer le futur ». Retrouvez tous les débats et événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.
Importer des matériaux de construction sur la lune peut sembler un défi assez coûteux et potentiellement complexe. Et s’il était plus facile de construire une base avec des matériaux locaux? Cela semble désormais possible grâce aux imprimantes 3D.
Plusieurs partenaires de l’industrie, dont des architectes célèbres de Foster+Partners, un studio d’architecture, d’urbanisme et de design durables, se sont associés à l’Agence spatiale européenne (ESA) pour tester la faisabilité de l’impression 3D sur le sol lunaire.
Ils ont conçu une structure en dôme pour se protéger des micro-météorites et des radiations spatiales. La base est d’abord déployée à partir de matériel facilement transportable par fusée. Une imprimante 3D robotique dépose et superpose ensuite des couches de régolithe (une couche de poussière généralement produite par les impacts de météorites sur des planètes sans atmosphère ni satellites) sur le dôme gonflable pour créer une coque de protection pour les astronautes.
C’est la société britannique Monolite qui a fourni l’imprimante D-Shape, une grande imprimante 3D (châssis de 6m) qui utilise un procédé d’impression couche par couche (binder-jetting) pour agglomérer le régolithe associé à l’oxyde de magnésium, formant le « papier », avec un sel liant qui sert d’« encre » et transforme le matériau en un solide ressemblant à de la pierre. Les scientifiques avaient besoin de grandes quantités de régolithe lunaire artificiel, un matériau coûteux qui est généralement vendu au kilogramme. Mais la découverte d’une très grande similitude entre la roche basaltique d’un volcan du centre de l’Italie avec le sol lunaire a facilité l’obtention de plusieurs tonnes de matériel pour mener à bien son projet.
Inspirez-vous des os pour construire la base.
Et pour construire ce dôme, de quel matériau vous êtes-vous inspiré? Derrière! Et oui de la structure des os d’oiseaux. En effet, la structure osseuse est censée offrir un bon équilibre entre résistance et poids. Et les oiseaux sont particulièrement intéressants car leurs os doivent être légers s’ils veulent décoller!
En fait, les scientifiques se sont inspirés d’images d’os trabéculaire, une structure osseuse spongieuse composée d’étirements osseux, pour effectuer l’optimisation topologique. L’objectif était d’obtenir une structure de réseau de travées la plus légère possible -et donc avec le moins de matière-, mais résistante.
La conception des coupes osseuses est liée aux contraintes que subit l’os au cours de la vie d’un organisme. Il existe donc un lien très fort entre la structure trabéculaire et les propriétés mécaniques de l’os. Les structures trabéculaires sont donc un très bon modèle pour la construction de structures spatiales correspondant à l’assemblage d’un ensemble d’éléments linéaires dans lesquels les forces sont transmises en trois dimensions.
Un groupe de chercheurs du Royaume-Uni et d’Australie a récemment travaillé sur un algorithme pour optimiser les structures spatiales en s’inspirant des structures osseuses. L’algorithme proposait notamment de gérer des ellipsoïdes, des ellipses en 3 dimensions qui représentent les espaces entre les sections, plus petites dans les régions soumises à de fortes restrictions et plus allongées dans les régions à fortes restrictions anisotropes, c’est-à-dire différentes selon la direction. Ces évolutions ont permis d’obtenir une structure plus solide par rapport aux structures spatiales traditionnelles malgré l’utilisation de beaucoup moins de matière!
Ces approches bio-inspirées, développements technologiques inspirés de la nature, ont conduit à la réalisation de « blocs de sol lunaire » pour concevoir le dôme de la base lunaire.
Ce bloc de construction de 1,5 tonne a été réalisé par impression 3D à l’aide d’un matériau de type « sol lunaire ». Les ellipsoïdes (cellules creuses fermées) du matériau s’inspirent des modèles osseux.
