Comment coloniser Mars à partir de ses ressources ?

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Je me positionne plutôt sur les premières missions "longues" même s'il ne s'agit pas encore d'implantation permanente.
Séjourner plusieurs dizaines de mois, nécessiterait déjà l'utilisation de ressources locales, à la fois pour "tenir" sans avoir besoin de ravitaillement terrestre trop important, et pour tester les techniques d'extraction/transformation qui pourront être laissées en fonctionnement avec stockage des "produits" pour la prochaine visite.

On se rend compte que tout est complexe, vu les contraintes (climat équatorial pour installer la base ..... éloignement de la calotte polaire pour avoir de l'eau accessible)
Se rabattre sur l'extraction de l'eau du sol équatorial .... ne serait pas simple, mais peut-être une étape nécessaire au début.

PS 1 : les techniques utilisant du Magnésium peuvent-elles compter sur une production locale de ce métal ?

PS 2 : les tous premiers transports pour rapporter des substances à transformer, devront être au moins "neutre" en terme de carburant. On doit rapporter de quoi en fabriquer autant que ce qui a été consommé pour aller le chercher (et bien sûr avec un bonus dans l'idéal) . Sachant que la "consommation initiale" se fera sur des réserves apportées de la Terre.

montmein69

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@montmein69 a écrit:[...]
PS 1 : les techniques utilisant du Magnésium peuvent-elles compter sur une production locale de ce métal ?
[...]

C'est là que résiderait tout l'intérêt.

La composition du sol est ainsi répartie, d'après les sondes Viking :
* Oxydes de silicium (44 %)
* Oxydes de fer (17 %).
* Oxydes d'aluminium (7%)
* Oxydes de souffre (7%)
* Oxydes de magnésium (6%)
* Oxydes de calcium (6%)
* Oxydes de sodium (2%)
* Chlore (0,4 à 0,8 %)
* Oxydes de titane (0,5 %)
* Oxydes de potassium (0,15 %)

Ça fait, grosso modo, 60kg de magnésium par tonne de Terre. A moins d'avoir une énorme exploitation minière, ça reste un carburant à utiliser avec parcimonie.
Akwa
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solution technique envisageable pour  le mode de transport type camion :

imaginer a la place des roues du camion des ballon de football de 5 m de diamètre ( quand ils sont gonflé a block).
l'axe de rotation se trouverait alors a 2.5 m du sol (genre BIG FOOT).
si on sous gonfle les ballon de manière a ce que les axe de rotation ne soient plus que a 1 m du sol;
le sous gonflage des "roues"  fait que elle pourrait "avaler" les cailloux et autres défauts du terrain que des roues rigides ne pourrais pas encaisser sans  amortisseurs 
on peut aussi voire cette idée comme un système de chenilles 
les pression interne, gaz (CO2 atmosphérique)  et autres matériau constitutif des roues étant a adapté a cet usage
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peronik

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Mais au fait, pourquoi voulez vous absolument installer votre base vie à l'équateur ?
Si l'eau doit se trouver au pôle Nord ou Sud on peut peut-être installer la base la bas, car c'est peut-être plus facile de chauffer l'habitacle
vie à ces pôles que de transporter l'eau à l'équateur (?).

Quoiqu'au final peut-être aussi que l'eau se trouverai aussi bien à l'équateur qu'aux pôles. Ne soyons pas pessimiste à cette extrême :)
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@ Giwa

Dans le cas d'un véhicule qui ne serait pas énormément consommateur d'énergie au point d'être soumis à un rapport de masse désastreux, le Mg peut être intéressant si la magnésie (MgO) est récupérée ensuite : ce serait curieux : l'engin s'alourdirait en cours de route (!). Elle peut alors être reconvertie en Mg + O aux stations polaires et équatoriales (par électrolyse ?) : les besoins de minage seraient alors limités à fabriquer le stock utile et recyclé.

En ce qui concerne l'oxydation du magnésium par le dioxyde de carbone, il y a ce site qui donne une variation d'enthalpie de 810 kJ avec 2 mol de Mg, soit ~400 kJ.mol(Mg)-1. La masse molaire du Mg est de 24 g.mol-1, ce qui donnerait alors 16 MJ.kg(Mg)-1. C'est ~ 10 fois moins que le dihydrogène, et donc en condition stoechiométrique avec l'oxygène, (8:1), en principe, sauf erreur de ma part, c'est à peu près équivalent. Il n'y aurait alors pas vraiment de gain en masse, voire une perte  8-)  s'il s'avère nécessaire de recycler le Mg et donc de ne pas le jeter...

Sans doute l'avantage serait dans le volume de stockage du Mg par rapport à H2 + O2, avec par contre le désavantage que les produits de réaction soient solides (C et MgO) avec probablement des problèmes de suies et d'encrassement du moteur (?). Et pour gagner en masse, il faudrait également pouvoir trier en cours de route C et MgO.

@astro-notes

C'est vrai que si la contrainte d'accès en eau est plus forte que celle induite par le fait de vivre au pôle, il vaut mieux effectivement vivre au pôle. Après c'est moins amusant que d'essayer de s'imaginer ce long périple pour ramener ce truc si banal, l'eau  :pale:
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@Eloi a écrit:[...]
En ce qui concerne l'oxydation du magnésium par le dioxyde de carbone, il y a ce site qui donne une variation d'enthalpie de 810 kJ avec 2 mol de Mg, soit ~400 kJ.mol(Mg)-1. La masse molaire du Mg est de 24 g.mol-1, ce qui donnerait alors 16 MJ.kg(Mg)-1. C'est ~ 10 fois moins que le dihydrogène, et donc en condition stoechiométrique avec l'oxygène, (8:1), en principe, sauf erreur de ma part, c'est à peu près équivalent. Il n'y aurait alors pas vraiment de gain en masse, voire une perte  8-)  s'il s'avère nécessaire de recycler le Mg et donc de ne pas le jeter...

Sans doute l'avantage serait dans le volume de stockage du Mg par rapport à H2 + O2, avec par contre le désavantage que les produits de réaction soient solides (C et MgO) avec probablement des problèmes de suies et d'encrassement du moteur (?). Et pour gagner en masse, il faudrait également pouvoir trier en cours de route C et MgO.
[...]

On ne peut pas comparer le moteur à magnésium avec des piles à combustibles à l'oxygène liquide-hydrogène liquide... Ces derniers sont très compliqués à entreposer, conserver (très basse température), manier, etc.

Le moteur à magnésium repose sur un système beaucoup plus rudimentaire (un réservoir de magnésium, sous forme de poudre ou de solution (?)), utilise directement l'air ambiant comme comburant, rejette du Carbone (qu'on laisse sur la route) et de la magnésie qu'on stocke et récupère (donc effectivement, après trajet le véhicule est un peu plus lourd).
Ce qui m'intéresserait de savoir, c'est si le magnésium est aussi (ou moins, ou plus) énergétique que l'essence à volume/masse égale.
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Pour Tefnout, je misère : avec un C_x =0.032 (qui semble être celui de l'Hindenburg, voir ici) et en comptant un ravitaillement à la base polaire et à la base équatoriale, je trouve 5.8 t pour les 5300 km, de H2+O2, ce qui laisse très peu de marge.

Ca peut être dopé par un film photovoltaïque très léger sur le dessus du ballon (il y a de la place) mais ca rend l'engin encore plus compliqué. En outre, ce serait quand même dommage d'avoir à prévoir une station service (panneaux solaire + électrolyseurs) à mi-chemin...


Dernière édition par Eloi le Jeu 6 Fév 2014 - 19:19, édité 1 fois
Eloi
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@Akwa a écrit:
On ne peut pas comparer le moteur à magnésium avec des piles à combustibles à l'oxygène liquide-hydrogène liquide... Ces derniers sont très compliqués à entreposer, conserver (très basse température), manier, etc.

On n'est pas forcé de passer par la pile à combustible H2-O2 liquide, on peut en utiliser avec combustible gazeux fonctionnant "à l'ambiante". Le rendement des PàC n'étant pas faramineux (~60%), il y a donc ~40% de chaleur que l'on peut espérer utiliser pour les réchauffer lors de la nuit polaire sur Mars. En outre, il existe déjà des PàC pour la mobilité : on peut imaginer que ce ne soit pas si compliqué à utiliser, non ?

En outre, une PàC ne pèse pas bien lourd : ceux de la navette spatiale américaine ~ 100 W/kg, et certains en laboratoire 10x plus.

Je m'étais peut-être mal exprimé, mais l'intérêt que l'on peut voir au Mg c'est qu'il n'y a pas besoin d'embarquer l'oxygène, pesant et donc in fine la masse du véhicule avec carburant. Le calcul ci-dessus tend à montrer que le gain en masse n'est peut-être pas faramineux (mais peut-être le calcul est-il faux ?)

Pour ce qui est de l'essence, son PCI est de ~50 MJ/kg, le tiers du dihydrogène et en gros 3 fois celui du Mg-CO2. Et l'essence ne brûle pas en atmosphère CO2...
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@Akwa a écrit:
Le moteur à magnésium repose sur un système beaucoup plus rudimentaire (un réservoir de magnésium, sous forme de poudre ou de solution (?)), utilise directement l'air ambiant comme comburant, rejette du Carbone (qu'on laisse sur la route) et de la magnésie qu'on stocke et récupère (donc effectivement, après trajet le véhicule est un peu plus lourd).

Ce n'est pas si évident à priori :
* le magnésium brûle à très température et fait beaucoup de lumière,
* il faut beaucoup de chaleur pour démarrer la réaction
* les produits de réaction seront solides : ca ne sera pas simple de trier le carbone et la magnésie
* ca risque de s'encrasser.

Que ce soit clair, je ne suis pas du tout opposé au moteur à magnésium, mais je trouve cela curieux de dire qu'il sera plus simple et facile qu'un couplage pile à combustible H2/O2 + moteur électrique, système utilisé depuis des décennies dans divers secteurs, et même étudié pour l'automobile individuelle.
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Je vois que le brain storming   la tempête sous le crâne est en action ! :) 
Bon, comme on ne peut répondre à tout à la fois si en fonctionne en séquentiel et non en parallèle, je reviens sur le problème de l'encrassement d'un moteur thermique fonctionnant au Mg et CO2 .
J'ai évoqué un moteur Stirling, c'est à dire un moteur à combustion externe justement pour éviter que les pistons soient en-calaminer par la magnésie MgO et le carbone C pulvérulent qui se formeront . 
La suite a un prochain post !  ;)
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Giwa
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Pour la mobilité martienne, il y a le NIMF (Nuclear rocket using Indigenous Martian Fuel)de Zubrin.

Comment coloniser Mars à partir de ses ressources ? - Page 15 Ikn1

Comment coloniser Mars à partir de ses ressources ? - Page 15 Acpf

Si je saisis bien un moteur à réaction ayant un réacteur nucléaire comme source d'énergie et le CO2 comme propulsif. L'inconvénient donné par Planète Mars est l'électricité nécessaire à la compression du CO2. On peut supposer que si le véhicule fait le trajet entre deux bases, ces bases disposent de la puissance suffisante pour l'alimenter.
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@Giwa a écrit:J'ai évoqué un moteur Stirling, c'est à dire un moteur à combustion externe justement pour éviter que les pistons soient en-calaminer par la magnésie MgO et le carbone C pulvérulent qui se formeront . 
La suite a un prochain post !  ;)

Bien vu effectivement le Stirling. Hâte de lire votre post alors !
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@Astro-notes a écrit:Mais au fait, pourquoi voulez vous absolument installer votre base vie à l'équateur ?
Si l'eau doit se trouver au pôle Nord ou Sud on peut peut-être installer la base la bas, car c'est peut-être plus facile de chauffer l'habitacle
vie à ces pôles que de transporter l'eau à l'équateur (?).

Les conditions climatiques sont extrêmement rudes au pôle. A la fois pour les hommes (il faudrait les confiner le plus possible ..... ce qui est plutôt préjudiciable à l'exploration) et pour le matériel (peu d'ensoleillement donc énergie parcimonieuse avec conséquences sur les installations ISRU, les serres ....), gel des parties mécanique mobiles (il faut tout chauffer, lubrification délicate), l'électronique risquerait de tomber en rade (voir les mésaventures du lapin de Jade) peut-être aussi plus compliqué pour les transmissions ?
De plus il faudrait rester à la limite de la calotte (qui change selon les saisons) si on veut accéder aussi au sol (pour les autres produits miniers)
On peut par contre n'envisager d'aller chercher de l'eau qu'à la meilleure saison. (mais on voit que la liaison base - point de récupération de l'eau est complexe)

Quoiqu'au final peut-être aussi que l'eau se trouverai aussi bien à l'équateur qu'aux pôles. Ne soyons pas pessimiste à cette extrême :)

Oui ce sera le choix à faire * ..... et il changera peut-être entre les premières missions (durée longue mais retour des missions sur Terre, on garde un fort lien avec la Terre pour des missions de ravitaillement) et l'implantation définitive (si elle était décidée).
Pour connaitre la faisabilité de l'extraction d'eau à l'équateur... il faut une carte des "ressources hydrologiques" possibles à proximité , et aussi l'implication en terme d' extraction/ séparation  .... (donc techniques de minage puis ISRU à utiliser).
L'optimisme ou le pessimisme ... découleront de ces études préalables (donc il y a encore du boulot pour des missions automatiques avant de pouvoir faire un choix basé sur des réalités incontestables ... pour l'instant on balaye des hypothèses plus ou moins vraisemblables ...)  donc clairement - à ce stade - on peut s'abstenir d'avancer des certitudes (genre yakafokon) et rester très humbles... ce qui n'empêche pas de laisser les neurones galoper (prévoir une poche de glace au cas où  :megalol: )

* quoique pour la base, la localisation équatoriale .... a le plus d'arguments favorables AMHA.
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@montmein69 a écrit:... ce qui n'empêche pas de laisser les neurones galoper (prévoir une poche de glace au cas où  :megalol: )
HS ON : Soyons en avance sur notre temps : avec de la glace sèche pour ne pas faire de flaques !
D'ailleurs avec le réchauffement climatique sur la planète Terre  (pour ceux qui n'en doutent pas ) cette glace a un marché qui s'ouvre sous les palmiers du côté de Nuuk Plage ( au pays vert : le Groenland) pour les glacières et les piqueniques  ... d'ailleurs je ne blague qu'à moitié car c'est déjà une offre commerciale dans certains pays et avec la Politique de l' OFFRE, on suscite la DEMANDE, n'est-ce pas ? ;) ) HS OFF
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Giwa
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@Eloi a écrit:Pour la mobilité martienne, il y a le NIMF (Nuclear rocket using Indigenous Martian Fuel)de Zubrin.

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Si je saisis bien un moteur à réaction ayant un réacteur nucléaire comme source d'énergie et le CO2 comme propulsif. L'inconvénient donné par Planète Mars est l'électricité nécessaire à la compression du CO2. On peut supposer que si le véhicule fait le trajet entre deux bases, ces bases disposent de la puissance suffisante pour l'alimenter.

Panète Mars a écrit:L'inconvénient donné par Planète Mars est l'électricité nécessaire à la compression du CO2.

Si on se charge en carboglace dans les régions polaires, plus besoin de compression !
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Giwa
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Pour préciser le protocole de chargement en carboglace  et le décollage:
Un réservoir (solide pour résister à la pression) à couvercle amovible. On remplit à la pelleteuse avec de la neige carbonique, puis on ferme le couvercle. On réchauffe un peu au moyen de miroirs solaires pour la faire fondre au dessus du point triple de C02 ( -56,6 °C à 5,11 atm) les parois peintes en noir (au moyen de noir de carbone)
On transvase sous pression dans le réservoir de la fusée ( réservoir à base de résine et de fibres de carbone pour être léger tout en étant résistant) … et … 3, 2, 1, 0 ! :hot: 

Vraiment le CO2 … c’est le top ! Super
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Giwa
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Le concept du "bondisseur à gaz" est intéressant

http://www.planete-mars.com/news/2004/1201gashopper.html[/mention] a écrit:Au lieu de se frayer péniblement un chemin à travers la surface rocailleuse de Mars, les futurs explorateurs robotiques visiteront la Planète rouge en sautant de point en point.

Reste à voir la longueur de vol que permettrait un réservoir plein de CO2. En dehors de la calotte glaciaire (et seulement à la période la plus froide où le dessus de la calotte est en gaz carbonique solidifié) il faudrait extraire le CO2 de l'atmosphère ... donc il faudrait une station spécialisée ?

Le concept peut paraitre viable pour de petits engins qui volent en automatique .... changer d'échelle ne parait pas très évident.
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@montmein69 a écrit:Le concept du "bondisseur à gaz" est intéressant

http://www.planete-mars.com/news/2004/1201gashopper.html[/mention] a écrit:Au lieu de se frayer péniblement un chemin à travers la surface rocailleuse de Mars, les futurs explorateurs robotiques visiteront la Planète rouge en sautant de point en point.

Reste à voir la longueur de vol que permettrait un réservoir plein de CO2. En dehors de la calotte glaciaire (et seulement à la période la plus froide où le dessus de la calotte est en gaz carbonique solidifié) il faudrait extraire le CO2 de l'atmosphère ... donc il faudrait une station spécialisée ?

Le concept peut paraitre viable pour de petits engins qui volent en automatique .... changer d'échelle ne parait pas très évident.
Peut-être applicable aussi à des aéroglisseurs ou des ékranoplanes qui profitant de l'effet de sol s'avéreraient plus économes en consommation de gaz porteur et propulseur  ?
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Vous trouverez un nouveau dimensionnement pour Tefnout, le dirigeable porteur d'eau du désert martien.

* Capacité d'emport : 1 t
* Vitesse moyenne : 40 km/h, soit une réduction du "débit annuel" à 16 t/an (~ 40 personnes) avec toujours une disponibilité de 50%. Une vitesse plus élevée est en effet prohibitive en termes de dépense d'énergie.
* Je change mon fusil d'épaule en ce qui concerne l'armature : je prévois un dirigeable souple pressurisé à 630 Pa (surpression +5%). Des dirigeables souples jusqu'à plus de 120 m de longueur ont existé en atmosphère terrienne et pouvaient se déplacer jusqu'à 120 km/h. Cela suppose une extrapolation en termes de taille, mais peut-être raisonnable du fait d'une pression dynamique de 1 Pa, divisée par >600 par rapport à la Terre (effet vitesse + effet densité de l'air). Un avantage supplémentaire provient du fait que le dirigeable est dégonflable facilement, par exemple en cas de mauvais temps.
* on conserve une masse spécifique de l'enveloppe de 0.05 kg.m-2, probablement réalisable comme dit plus haut.
* on prévoit forfaitairement 3 t pour les servitudes (carburant, propulseurs, commandes...)
* le dirigeable mesure 272 m de long et 54 m de diamètre, pour un volume de 420000 m3, soit ~ 2 Hindenburg.
* la masse de l'enveloppe est de 1.8 t, celle de l'H2 de 0.3 t.
* On considère un C_x=0.1
* la force de traînée représente 200 N soit une puissance de 2.4 kW (3 cv)
* le travail sur le trajet de 11000 km est de 7 MWh.
* On suppose un ravitaillement en combustible à la base polaire et à la base équatoriale. Le produit de combustion (eau) est conservé au cours du trajet, ce qui représente entre autres un avantage notamment en terme d'équilibre du dirigeable sur la longueur de son trajet.
* On suppose un propulseur électrique de rendement 80% et une pile à combustible de rendement 60%.
* Le combustible (H2+O2) représente alors 1.4 t. Il reste alors 1.6 t pour les moteurs, piles à combustible et commandes (reste à vérifier la faisabilité).

Il faut donc importer de la Terre 1.8+1.6=3.4 t. Le dirigeable transportant annuellement 16 t, il est "remboursé" en quelques mois.

Parmi les points durs à vérifier :
* faisabilité d'un dirigeable souple de cette taille, en atmosphère martienne
* impact des vents sur Mars sur la disponibilité
* taille et masse de la propulsion

Un film photovoltaïque peut sans doute diminuer la consommation de combustible, avantageusement en terme de masse.

Je travaille sur la formalisation de toute la méthode : c'est un peu long, mais ne saurait tarder.
Eloi
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Il faut aussi s'assurer qu'une paroi souple et assez fine est capable de confiner au mieux l'hydrogène qui est le gaz sustentateur.
En cas de perte (même minime) il faudra pouvoir compléter pour garder la même sustentation. Alors électrolyser l'eau provenant des piles à combustible ce qui renforce l'utilité de films photovoltaïques ?
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@montmein69 a écrit:Il faut aussi s'assurer qu'une paroi souple et assez fine est capable de confiner au mieux l'hydrogène qui est le gaz sustentateur.
En cas de perte (même minime) il faudra pouvoir compléter pour garder la même sustentation. Alors électrolyser l'eau provenant des piles à combustible ce qui renforce l'utilité de films photovoltaïques ?


Très juste ! En fait, je doute qu'on puisse s'assurer de quoi que ce soit en la matière. Il faut prendre en compte les pertes qui sont inévitables et probablement pas minimes sur la durée.
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En parlant de pertes de H2, en plus de celles induites par l'étanchéité du ballon, on peut également songer à celles qui seraient impliquées par la différence d'altitude entre la base polaire et la base équatoriale

Comment coloniser Mars à partir de ses ressources ? - Page 15 4rk3


En effet, si l'on suppose que la base équatoriale est à l'altitude zéro (limite vert/jaune) = 610 Pa, et que la base polaire est en bordure de la calotte nord, alors la différence d'altitude et donc de pression sera significative : ~ -4 km (sauf à l'extrême centre de la calotte). Pour que le ballon puisse se poser il faut qu'il gagne de la masse volumique moyenne.

Classiquement, cela peut se produire en vidangeant des ballonnets et en les remplaçant par l'air ambiant : problème : l'hydrogène est probablement une ressource extrêmement coûteuse sur Mars (pour notre cas de dimensionnement l'hydrogène du ballon pèse 300 kg). C'est étrange finalement : sur Mars, pas de problème de sécurité à utiliser le dihydrogène, mais peut-être sera-t-il plus coûteux que l'hélium sur Terre ! Peut-être faudra-t-il recompresser l'H2 et cela milite également pour un film photovoltaïque.

Une combo film photovoltaïque + électrolyseur + pile à combustible est sans doute intéressante : elle permettrait de fonctionner avec ~ 200 kg d'eau sur la longueur du trajet, soit un gain appréciable, avec électrolyse de jour et consommation de nuit. La portée du dirigeable serait alors en première approche infinie (sauf en nuit polaire).
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En même temps que de procurer l'énergie électrique utile au fonctionnement du dirigeable , la présence d'un film photovoltaïque souple serait aussi une barrière à  la diffusion du dihydrogène.
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Giwa
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Oui giwa, tu as raison de le rappeler, car une telle surface d'enveloppe envisagée doit engendrer un sacré suintement d'hydrogène !
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C'est une petite étude intéressante, ne pas hésiter à ouvrir un nouveau sujet spécifique, du style "Comment voler dans l'atmosphère martienne ?"
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Pour un cours accéléré sur les ballons :
http://inter.action.free.fr/publications/zep.pdf

Quelques rappels historiques sur les techniques (terrestres) pour le confinement de l'hydrogène.

Pour les ballons souples et semi-rigides (qu'on devrait en fait appeler semi-souples), la paroi fait l'étanchéité et transmet les efforts. Elle sert de structure. La forme du ballon est déterminée par la pression qui règne à l'intérieur . Plus le ballon est gros, plus il faut élever la pression pour tenir la forme, et comme le dimensionnement d'une paroi gonflée est directement fonction du rayon de courbure, un gros ballon souple devient rapidement trop lourd. C'est ce qui a justifié la création des ballons rigides, à partir d'une certaine taille.
Dans le type "ballon rigide", on dissocie en effet la fonction mécanique de la fonction "étanchéité au gaz". Cela permet de réaliser une structure mécanique avec les matériaux adaptés les
plus légers (aluminium pour les Zeppelins, bois) avec une épaisseur convenable (moment d'inertie élevé pour obtenir la légèreté).
La fonction "paroi d'étanchéité au gaz" ne servant plus à "tenir" le ballon, elle peut se réaliser avec un matériau très léger qui se contente de transmettre l'effort statique du gaz de remplissage, localement, à la paroi rigide.
On a utilisé pour cela dans les zeppelins du coton couché de baudruche. La baudruche est la paroi de l'intestin de vache, dont la structure lipidique la rend assez étanche aux gaz de petite taille
moléculaire. Des masses de paroi de 90 g/m2 ont ainsi été atteintes.

Evidemment l'atmosphère martienne, la gravité, sont différentes, et on dispose de "nouveaux matériaux".
montmein69
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