Re: Aérostat à vide pour missions martiennes, vénusiennes et titaniennes !

[Giwa]

Si pour Mars, dans le message précédent , on peut envisager comme liquide de remplissage des tubulures, du méthanol pour assurer la rigidité de la structure par pression hydraulique, pour Titan on pourrait utiliser du méthane liquide que l'on pourrait même prélever directement dans son atmosphère sous forme gazeuse ou liquide dans ses lacs !

[Giwa]

Comme des dessins et des vidéos imagées valent souvent mieux que de longues explications, voici une vidéo à propos de l'icosaèdre tronqué et un un dessin qui suivra :




Pour l’aérostat, les faces de l’icosaèdre tronqué ne seront pas planes, mais gauchies avec la concavité orientée vers l’extérieur.

[Giwa]

En noir: fibres de carbone, légères  et résistantes. Des bouteilles de plongée en fibres de carbone peuvent être gonflées jusqu’à 300 bars.        




                                              VIDE interne 



                                                      


                                                         ‘AIR’ externe 

[Giwa]

Dans un message précédent j'avais proposé l'utilisation du méthanol comme liquide sous pression pour assurer la rigidité des tubulures creuses des arêtes du squelette de l'aérostat à vide soutenant son enveloppe ( " sa peau" ) assurant son étanchéité .
Mais en y réfléchissant de nouveau, on pourrait le remplacer par le méthane qui, liquide , est plus léger avec une masse volumique de 0, 657 kg/L au lieu de 0,792 kg/L . 
Certes Mars est trop chaud   pour qu'il reste à l'état liquide sous une pression de 1 bar ; mais sous pression ce n'est plus le cas -du moins la nuit- puisque sa température critique est de -83°C pour une pression critique de 4,6 MPa (46 bar)
Et pour des températures  plus élevées  sous des pressions d'au moins une cinquantaine de bar , cela restera un  fluide supercritique dont la masse volumique a est donnée a=(M.P)/(z.R.T) où z est le facteur de compressibilité, pouvant atteindre entre 2 à 3 sous de très fortes pressions. Cette masse volumique est alors bien plus faible que celle d'un gaz parfait où z = 1 Tout çà s'explique puisque que pour un gaz réel , il reste toujours le volume propre des molécules quand on augmente la pression.

A noter que l'on fabrique des bouteilles légères de plongée en fibres de carbone supportant 300 bar

[Giwa]

Avec l'actualité de ces derniers jours, on ne parle que de Mars et il faudrait peut-être un peu parler aussi de Vénus !   
L'atmosphère de Vénus est intéressante pour le aérostats avec comme gaz principal du dioxyde de carbone de masse molaire importante de 44g/mol et qui s'étend jusqu'à de très hautes altitudes . Certes les conditions sont très différentes entre le sol sous une pression de 462 °C et 92 atm et à 70 km , d'environ 0,01atm et - 60 °C.  Donc pas question d'envisager le même aérostat à vide !
Bon , j' ai une idée ce que vous pensez: :fb_oh:comment peut-on envisager un aérostat à vide près du sol vénusien ?!
c'est vrai que lors de mon premier post, j'avais introduit le sujet ainsi :

Le rêve « fou » d’un ballon rempli ...de vide ...flottant pourrait-il devenir réalité

Tout  çà demande à être clarifié ! A suivre au prochain post !

[Giwa]

Rappelons d'abord le principe de tout aérostat : sa masse volumique moyenne doit être égale à celle du milieu voisin pour être stable, supérieure pour monter et inférieure pour descendre 

Il existe deux méthodes jusqu’à maintenant pour obtenir ce résultat : les montgolfières remplies d'un gaz chaud et les autres aérostats remplis d'un gaz de masse molaire inférieure à celle du milieu extérieur . Donc ce sont les paramètres masses molaires et températures qui ont été exploitées .
Avec les aérostats à vide , on cherche à exploiter le paramètre pression . En effet le vide absolu n'existe pas et on devrait plutôt dire aérostat à pression réduite à l'intérieur de l'enveloppe. Evidemment le problème qui se pose alors, est que l'enveloppe soit capable de supporter la différence de pression entre l’extérieur et à l'intérieur tout en restant suffisamment légère .

Or les bathyscaphes qui permettent de descendre à très grande profondeurs exploitent pour leur flotteur le paramètre masse volumique en étant remplis d'une essence de masse volumique plus petite que celle de l'eau de mer.

Pourrait-on envisager des bathyscaphes vénusiens sur le même principe que celui des aérostats à vide ? Bien sûr en ne faisant pas le vide à l'intérieur , mais seulement avec une pression plus réduite qu'à l’extérieur puisque la masse volumique du fluide dioxyde de carbone (qui est alors à l'état supercritique) augmente avec la pression selon a = (M.P)/(Z.R.T) 
Avec une coque en fibre de carbone assez légère et qui puisse résister à la température de surface inférieure à 500° en milieu non oxydant : c'est envisageable;
En effet la pression atmosphérique au sol au niveau du sol est de 92 bar , ce qui correspond à la pression qui règne à 910 m de profondeur dans les océans . Or il faut rappeler que les bathyscaphes supportent une pression plus de dix fois plus forte au fond de la fosse des Mariannes . De pus la masse volumique de l'air vénusien (ou plutôt du fluide supercritique  est de 67 kg/m3 soit environ 50 fois celle de l'air terrestre à proximité du sol. 
En conséquence les aérostats vénusiens dans la troposphère pourraient être bien moins volumineux que les aérostats terrestres .

[Giwa]

Si pour la basse atmosphère, un aérostat à vide vénusien ressemble à un sous--marin , donc à un U-Boot (Under - Boot : bateau en dessous en allemand), pour la haute atmosphère ,son architecture devra être différente  et adopter celle d'O-Boot (Ober - Boot: bateau  au dessus en allemand): voir The Origins

Puisque le constituant principal  de l'air vénusien est le dioxyde de carbone, on l'utilisera pour la pressurisation des tubulures du squelette de cet aérostat.
Entre les altitudes comprises entre 55 à 70 km , ce dioxyde de carbone pourra pressuriser les tubulures à l'état liquide
Au dessus de 75km, il sera nécessaire de réchauffer les tubulures puisque la température extérieure est en dessous de celle du point triple du dioxyde de carbone.

Dioxyde de carbone

[Giwa]

Revenons à Mars où le premier aérodyne devrait être testé prochainement : l' hélicoptère Ingenuity  
Côté aérostat , il y a eu des projets dont celui qui a ouvert ce sujet sur les  aérostats à vide . 
 Lors d'un message ayant précédé ceux traitant de Vénus , j'avais proposé pour la mise en pression des tubulures pour assurer la rigidité du squelette de l'aérostat d'utiliser le fluide supercritique méthane comme dans le cas de Titan où dans ce cas ce méthane est liquide . Mais pourquoi pas utiliser directement le dioxyde de carbone de l'atmosphère martienne ?
Toutefois pour l'utiliser , il faudrait prévoir un système de chauffage pour le maintenir à l'état liquide lorsque la température descend sous -50°C au risque, non pas comme pour l'eau d'avoir un éclatement des tubulures, mais d'avoir un mélange hétérogène solide/gaz  ne permettant plus une bonne répartition de la pressurisation des tubulures .

Pour rappel , le point triple du dioxyde de carbone est de -56,6 °C

[Giwa]

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2017_Phase_I_Phase_II/Evacuated_Airship_for_Mars_Missions/
 
Le rêve « fou » d’un ballon rempli ...de vide ...flottant pourrait-il devenir réalité dans l’atmosphère martienne ? Pourquoi pas ? En effet la pression martienne est très faible et composée principalement d’un gaz de masse moléculaire élevée : le dioxyde de carbone à 44 g/mol. Dans de telles conditions, on peut concevoir une double enveloppe alvéolée résistant à l’écrasement.
 

En revenant sur l'architecture de cet aérostat, on s'aperçoit qu'elle se maintient par un jeu de tensions et de compression , donc de Tenségrité (plus complet en anglais :Tensegrity ) 
Cette architecture permet d'obtenir des structures légères et résistantes...et la VIE exploite cette tenségrité depuis des millions d'années
http://time.arts.ucla.edu/Talks/Barcelona/Arch_Life.htm

[Giwa]

Une magnifique toile géante d’araignées dans la brousse australienne 
 
https://twitter.com/reuters/status/1405217357195210754?s=21

Pourquoi dans ce sujet ? Devinez ! une réponse , un plus tard . laissons travailler vos imaginations ! 

[Astro-notes]

Parce que cela protègerait l'herbe de Mars, Vénus, Titan, des rigueurs de l'été

[Giwa]

@Astro-notes 
En tout cas    pour ton imagination ! 

[Giwa]

https://twitter.com/reuters/status/1405217357195210754?s=21

En effet une telle structure accomplie par la Nature a de quoi nous inspirer!
On peut envisager par biomimétisme la recréer . Elle est extrêmement légère ; mais ne résiste qu'aux tensions! Donc elle devrait envelopper une structure primaire tubulaire résistante à la compression. Toutefois il faudrait y  ajouter en dernière couche une fine pellicule  pour obstruer les pores et la rendre imperméable.

[Giwa]

Pour revenir sur la notion de la tensègritè d’une architecture combinant des parties sous tension avec d’autres sous compression qui permettent d’obtenir des ensembles très légers et résistants, une petite vidéo qui illustre une telle construction :
Si on remplace les languettes en bois par des tubulures pelliculaires fines avec un fluide devenu pratiquement incompréhensible sous très forte pression, les zones sous pression seraient assurés par des fluides plutôt que par des solides.

[Giwa]

Mon message sur Venautics https://erik-engheim.medium.com/calculating-lifting-capacity-of-airships-48df5cd7d14
indique qu'un problème majeur dans l'état actuel de la technologie des matériaux est que ces 'vacuum airships'(aérostats à vide ) ne pourraient n'être que de très grande taille et donc qu'il n'est pas possible d'en réaliser des modèles réduits.



 Donc en attendant pour ceux qui ne seront plus présents au XXII , contentons nous de cette image :

[Astro-notes]

Déjà on envisageait les dirigeables à la place de l'obus pour rejoindre la Lune, mais pas bête, Rubida, dans son livre du XIXe siècle, sachant l'absence de pression atmosphérique pour le voyage ne voyait qu'une solution, que la Lune se soit rapprochée de la Terre (sic) alors le ballon dirigeable serait devenu une solution ! Bon, mais pour Vénus pourquoi pas comme le rappelle Giwa (sous conditions of course).

[Giwa]

Déjà on envisageait les dirigeables à la place de l'obus pour rejoindre la Lune, mais pas bête, Rubida, dans son livre du XIXe siècle, sachant l'absence de pression atmosphérique pour le voyage ne voyait qu'une solution, que la Lune se soit rapprochée de la Terre (sic) alors le ballon dirigeable serait devenu une solution ! Bon, mais pour Vénus pourquoi pas comme le rappelle Giwa (sous conditions of course).

@Astro-notes : Rubida était imaginatif ... et sans connaitre le système plutonien Pluton /Charon  . Comme quoi la SF du XIX ne se résume pas à Jules Verne ! Thème à prolonger en Salon ... en attendant le XXII ! 

[Giwa]

Je réveille ce sujet momentanément. En effet j’ai trouvé sur internet une vidéo bien imagée qui illustre bien ce que pourrait être une structure en fibre de carbone d’aérostat à vide imitant celle particulièrement solide des fullerènes comme C60 ou C70:

[Astro-notes]

Ca alors, c'est trop fort !

[Maurice]

Ces structures volantes de la taille d'une petite ville seraient techniquement réalisables? J'ai toujours pensé que plus qu'un problème de gestion de pression et donc d'altitude c'était le volume nécessaire du gaz porteur qui rendait ce genre de projets impensables.

[ledede2a]

Je réveille ce sujet momentanément. En effet j’ai trouvé sur internet une vidéo bien imagée qui illustre bien ce que pourrait être une structure en fibre de carbone d’aérostat à vide imitant celle particulièrement solide des fullerènes comme C60 ou C70:





Difficile de croire qu'une structure C60 n'implose pas alors qu'une sphère oui....

[Giwa]

B
.

Je réveille ce sujet momentanément. En effet j’ai trouvé sur internet une vidéo bien imagée qui illustre bien ce que pourrait être une structure en fibre de carbone d’aérostat à vide imitant celle particulièrement solide des fullerènes comme C60 ou C70:





Difficile de croire qu'une structure C60 n'implose pas alors qu'une sphère oui....

L’auteur de cette vidéo nous fait  bien comprendre que ce n’est qu’une simulation imaginaire pour nos réflexions.

Sinon la sphère n’est pas forcément la figure la plus indéformable à la compression. il y a tellement de paramètres à prendre en compte, en particulier la nature des matériaux de l’ossature qui vont travailler en compression et de la membrane qui entoure cette ossature qui assurerait l’étanchéité et qui elle travaillerait en tension. 
De plus une implosion ne se déclenche que par un défaut d’homogénéité et là encore la sphère n’est pas forcément celle qui résiste le mieux à ces défauts, 
En tout cas sans aller jusqu’à la flottaison d’une telle structure, des expériences préliminaires peuvent être tenter sur des objets de plus petite taille où la poussée d’Archimède ne compense pas le poids de l’objet  et ça s’est réalisable concrètement.
D’ailleurs avec une simple seringue en plastique en bouchant l’extrémité et en tirant dessus et en la bloquant, vous diminuez son poids apparent…et sans implosion.D’accord les parois de la seringue sont suffisamment épaisses.

On peut se demander d’ailleurs quelque soit la forme de la structure étanche envisagée, s’il n’a pas un seuil dans la taille à partir du quel la poussée d’Archimède deviendrait plus grande que le poids puisque l’évolution de la masse de la structure évolue plutôt en fonction du carré (puissance 2 +Ɛ,)et la poussée d’Archimède en fonction du cube.(puissance 3- Ɛ ‘)


Le problème, c’est que cette taille minimale puisse être très grande.

[phenix]

Je réveille ce sujet momentanément. En effet j’ai trouvé sur internet une vidéo bien imagée qui illustre bien ce que pourrait être une structure en fibre de carbone d’aérostat à vide imitant celle particulièrement solide des fullerènes comme C60 ou C70:

Ouch, a oui quand meme, sa part avec une fille qui cours dans la colline et sa fini avec une falcon 9 qui decolle depuis une soucoupe volante!!!!!

Ces structures volantes de la taille d'une petite ville seraient techniquement réalisables? J'ai toujours pensé que plus qu'un problème de gestion de pression et donc d'altitude c'était le volume nécessaire du gaz porteur qui rendait ce genre de projets impensables.

pour la ville, j'ai pas de chiffre donc difficile a dire. mais la falcon 9, a plein masse, necessiterais une sphere vide de 100m de diametre si elle etait au niveau du sol. si on montent en altitude, il y a moins de portance , donc besoin de plus de volume. la je ne parle que des la fusée, pas des installations sol, des reserve d'ergol et surtout, surtout, la masse de structure.

J'avais fait les calcules, si theroiquement oui on est capable d'attiendre la portance positive, en aucun cas on est plus performant qu'un ballon a gaz (la masse de structure est bien superieur a la masse d'enveloppe + gaz a portance egal). De plus, pour une application spatial, il y a la question du pliange qui est infiniment plus complexe qu'un ballon a gaz. 


Pour repondre a la question des facteurs d'echelle, non il n'y a pas vraiment de gain a attendre d'une augmentation de taille de la sphere (ou de la forme que l'ont souhaite). En effet le volume de vide vas augmenté au cube du rayon alors que ça surface vas evoluer au carré. mais la tension de surface sera proportional au rayon, donc l'eppaisseur de coque ou structure+toile evolura aussi de facon lineraire donc la masse total de structure evolura aussi au cube

[Giwa]

Bon d’accord  @phenix, la vidéo est un peu psychédélique, mais bon avec les trucages on y croirait presque … si on est bon public ! 


Quant au facteur d’échelle, c’est à voir  !

[Giwa]

Concernant l’implosion concernant le squelette travaillant en compression et Non la membrane d’étanchéité qui travaille en tension  et repartie sur de nombreuses facettes elle est beaucoup plus difficile à prévoir…la moindre irrégularité peut être fatale et cela se ressent plus sur un engin de taille plus réduite… comme ce qui est malheureusement arrivé au bathyscaphe  touristique le Titan lors de la visite de l’épave du Titanique