Aérostat à vide pour missions martiennes, vénusiennes et titaniennes !

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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.
Aérostat à vide pour missions martiennes, vénusiennes et titaniennes  ! Niac2017_phase_i_john-paul_clarke


Dernière édition par Giwa le Dim 17 Mai 2020 - 18:50, édité 2 fois

Giwa
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ça vas être amusant a rentré sous la coiffe  et pour la rentré atmosphérique.
phenix
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@phenix a écrit:ça vas être amusant a rentré sous la coiffe  et pour la rentré atmosphérique.
Très bonne objection ! Dans les tribunaux, on dirait "Objection, votre Honneur " ! ;)
Effectivement , j'y ai aussi pensé ... surtout lorsque on annonce un ballon de 40 m de rayon :
Through a more in-depth analysis of the vacuum airship model, it can be shown that the vacuum airship may theoretically carry more than twice as much payload as a modeled dirigible of the same size, a 40-meter radius, in the Martian atmosphere.
D'accord ,une fois Mars colonisé , on pourra les construire sur place dans des grands hangars ... mais comme çà serait pour avant  
... comment s'y prendre ?
La réponse est peut-être là :
The lattice used to support the two layers of the vacuum airship shell can be made, using modulation of the lengths of the members, to fit the curvature of the vacuum airship precisely by following an atlas approach to the modulation
En supposant que les deux enveloppes sont souples et que la résistance à la compression -ou à l'écrabouillement pour parler plus crûment - est supporté par le treillis , si les longueurs de ses éléments sont modulables,  en les rétrécissant, on peut recroqueviller le tout et les faire rentrer dans la coiffe d'une fusée à la Starship ou à la New Amstrong (après la New Glenn) pour ne pas faire de jaloux 

Ensuite pour le dépliement, on peut dans un premier temps, gonfler le ballon en pression , jusqu'à les éléments du treillis se bloquent sur leurs plus grandes longueurs . 
Ensuite, on peut faire un vide modulable en fonction de la poussée d'Archimède que l'on veut.

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Et quel est l'avantage du vide plutôt que de l'hydrogène (sans danger sur Mars, en l'absence d'oxygène) équilibrant la pression, pour une perte de portance négligeable par rapport au vide ?
L'hélium est rare, mais l'hydrogène se produit facilement à partir de l'eau.
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@Giwa a écrit:
@phenix a écrit:ça vas être amusant a rentré sous la coiffe  et pour la rentré atmosphérique.
Très bonne objection ! Dans les tribunaux, on dirait "Objection, votre Honneur " ! ;)
Effectivement , j'y ai aussi pensé ... surtout lorsque on annonce un ballon de 40 m de rayon :


En plus il va falloir embarquer un réservoir rempli de vide sous pression, ce qui ajoute de la masse

... :iout:
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@lambda0 a écrit:Et quel est l'avantage du vide plutôt que de l'hydrogène (sans danger sur Mars, en l'absence d'oxygène) équilibrant la pression, pour une perte de portance négligeable par rapport au vide ?
L'hélium est rare, mais l'hydrogène se produit facilement à partir de l'eau.
Bon, je vais être l'avocat de John-Paul Clarke , voici sa réponse :

Through a more in-depth analysis of the vacuum airship model, it can be shown that the vacuum airship may theoretically carry more than twice as much payload as a modeled dirigible of the same size, a 40-meter radius, in the Martian atmosphere.
PS : un avocat ne doit-il pas revenir sur ses convictions pour défendre son client ? ... car je dois l'avouer, entre nous, j'étais aussi un partisan du dihydrogène martien ... mais çà on ne le dira pas au tribunal ! LOL

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@Fabien0300 a écrit:
@Giwa a écrit:
Très bonne objection ! Dans les tribunaux, on dirait "Objection, votre Honneur " ! ;)
Effectivement , j'y ai aussi pensé ... surtout lorsque on annonce un ballon de 40 m de rayon :


En plus il va falloir embarquer un réservoir rempli de vide sous pression, ce qui ajoute de la masse

... :iout:
Heureusement que  :out: ...car il ne faut pas me faire dire n'importe quoi ! LOL

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@Giwa a écrit:
@lambda0 a écrit:Et quel est l'avantage du vide plutôt que de l'hydrogène (sans danger sur Mars, en l'absence d'oxygène) équilibrant la pression, pour une perte de portance négligeable par rapport au vide ?
L'hélium est rare, mais l'hydrogène se produit facilement à partir de l'eau.
Bon, je vais être l'avocat de John-Paul Clarke , voici sa réponse :

Through a more in-depth analysis of the vacuum airship model, it can be shown that the vacuum airship may theoretically carry more than twice as much payload as a modeled dirigible of the same size, a 40-meter radius, in the Martian atmosphere.
PS : un avocat ne doit-il pas revenir sur ses convictions pour défendre son client ? ... car je dois l'avouer, entre nous, j'étais aussi un partisan du dihydrogène martien ... mais çà on ne le dira pas au tribunal ! LOL

Mais justement, je ne comprends pas pourquoi. L'atmosphère martienne fait 44 g/mol. Entre le vide et le H2, c'est 0 à 2 g/mol, ça ne parait pas pouvoir produire une différence de portance énorme.
C'est l'enveloppe rigide de ce ballon vide qui serait beaucoup plus légère que celle d'un ballon classique gonflé au H2 ? Un peu curieux quand même.
Quel est la raison technique ?
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Effectivement lorsque l'on consulte https://fr.wikipedia.org/wiki/A%C3%A9rostat, on voit par exemple que le pouvoir d'élévation d'un aérostat à l'hélium de masse molaire 4g/mol n'est réduit que de 8% par rapport à ceux à l'hydrogène à 2g/mol.
J'ai calculé la masse d'hydrogène qui serait dans cette enveloppe sphérique de rayon 40 m en tablant sur une  pression de 600 Pa et une température de 210 K : on obtient 184 kg ... mais comme l’enveloppe d'un aérostat à vide serait double et qu'il y a le treillis , cette enveloppe doit être plus lourde ... donc ce n'est pas là que l'on peut en retirer un avantage de l'utilisation d'un aérostat à vide plutôt qu'à l'hydrogène.

Il faut plutôt rechercher du côté de la perte d'hydrogène par diffusion sur de longue durée qui obligerait à se recharger en hydrogène ... et donc d'embarquer un électrolyseur et un système de captation de l'eau martienne ... tout çà serait bien complexe à mettre en oeuvre et serait lourd.

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Un article théorique sur les aérostats à vide et les conditions requises pour permettre la flottabilité et éviter l’écrasement : Vacuum airship
A noter que les environnements atmosphériques privilégiés pour que ses conditions soient requises , correspondent à un milieu froid avec une masse moléculaire moyenne élevée (ce qui est le cas du dioxyde de carbone )

Ces  conditions   peuvent être  atteintes    dans l’atmosphère martienne à proximité du sol....mais aussi   en altitude dans l’atmosphère vénusienne.

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Une publication en anglais sur les aérostats à vide avec une enveloppe à architecture alvéolaire 

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20190001133.pdf

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@Giwa a écrit:Une publication en anglais sur les aérostats à vide avec une enveloppe à architecture alvéolaire 

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20190001133.pdf

J'ai survolé et lirais ça plus en détail ce soir, les nouveaux matériaux paraissent ouvrir des possibilités très intéressantes même pour voler dans l'atmosphère terrestre sans être écrasé par la pression atmosphérique.
Ce serait une solution à l'éternel dilemme entre l'hélium coûteux et l'hydrogène dangereux (sur Terre).
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@lambda0 a écrit:
@Giwa a écrit:Une publication en anglais sur les aérostats à vide avec une enveloppe à architecture alvéolaire 

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20190001133.pdf

J'ai survolé et lirais ça plus en détail ce soir, les nouveaux matériaux paraissent ouvrir des possibilités très intéressantes même pour voler dans l'atmosphère terrestre sans être écrasé par la pression atmosphérique.
Ce serait une solution à l'éternel dilemme entre l'hélium coûteux et l'hydrogène dangereux (sur Terre).
 et le debut du trilemme entre l'hélium coûteux ,l'hydrogène dangereux (sur Terre) et le vide volumineux.
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https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20190001133.pdf

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Table 2 Spherical Vacuum  Airship 

Lift Scaling 

Radius (m)  0.1         1              5           10               20              40                      100 

Lift (kg)      0.003      3.0        375       3005         24040        192327              3005114

Le rapport de la masse utile  transportée au volume reste du même ordre de grandeur que celui d'un aérostat à l'hélium  :  1 kg /1 m 3

https://fr.wikipedia.org/wiki/Ballon_dirigeable

On considère en effet qu'il faut 1 m3 d'hélium pour transporter 1 kg de charge

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Une autre étude intéressante sur un ballon à vide interne avec une enveloppe comprenant une couche d’aluminium en nid d’abeille prise en sandwich entre deux pellicules en carbure de bore.
De plus le procédé de fabrication est bien étudié non seulement pour la structure d’aluminium en nid d’abeille, mais aussi pour les pellicules en carbure de bore.
https://arxiv.org/pdf/1903.05171.pdf

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Prévoir aussi le contrôle de la flottabilité.
Je suppose qu'on peut laisser entrer l'air pour descendre, mais qu'il faut une pompe pour pouvoir refaire le vide pour remonter.

Je serais quand même bien curieux de voir un prototype d'un de ces ballons à vide, même une sphère d'un ou deux mètres de diamètre pour illustrer le concept, pour l'instant il ne parait y avoir que des études théoriques.
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@lambda0 a écrit:Prévoir aussi le contrôle de la flottabilité.
Je suppose qu'on peut laisser entrer l'air pour descendre, mais qu'il faut une pompe pour pouvoir refaire le vide pour remonter.

Je serais quand même bien curieux de voir un prototype d'un de ces ballons à vide, même une sphère d'un ou deux mètres de diamètre pour illustrer le concept, pour l'instant il ne parait y avoir que des études théoriques.
Toutefois ces études théoriques ont été utiles et ont conduit à la conclusion  qu'il ne suffit pas de trouver des matériaux ultra-résistants et de faible masse volumique, mais que de plus ils doivent être assemblés dans une architecture alvéolaire ordonnée.
Effectivement il faudrait orienter ces études sur les moyens de réaliser concrètement de telles structures .
Encore beaucoup de chemin à parcourir avant une première réalisation concrète ...mais il n'y a pas d'impossibilité théorique et c'est déjà important !
Il faut ajouter que malgré que ce chemin demande encore des efforts très importants, il mérite d'être continué car l'enjeu est considérable , non seulement pour le spatial , mais aussi pour des transports aériens terrestres beaucoup plus écologiques nous permettant de sortir du dilemme pour les aérostats entre le dihydrogène dangereux et l'hélium trop rare sur notre Terre pour être gaspillé.

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Il faudrait peut-être voir du côté des aérogels.
Si l'air est évacué des pores, c'est plus léger que l'air.
http://www.aerogel.org/?p=3
http://www.aerogel.org/?p=1058
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@lambda0 a écrit:Il faudrait peut-être voir du côté des aérogels.
Si l'air est évacué des pores, c'est plus léger que l'air.
http://www.aerogel.org/?p=3
http://www.aerogel.org/?p=1058

Effectivement il y a à voir du côté des aérogels , en particulier un type de X-aérogel à base d'oxyde de vanadium qui est très résistant à la compression:

 One type of x-aerogel made from vanadia (vanadium oxide) is extraordinarily strong in compression with the highest compressive strength to weight ratio of any known type of aerogel and rivals that of materials such as aerospace-grade carbon fiber composites

Il serait intéressant d'utiliser plusieurs couches aux propriétés mécaniques distinctes , mais qui coopèrent  : une couche externe flexible d'aérogel céramique à base de nitrure de bore  pour uniformiser les contraintes au-dessus de cet X-aérogel à base d'oxyde de vanadium. 
Il y a aussi toute la famille des aérographènes qui pourrait servir à constituer une couche interne.

N'oublions pas une pellicule externe pour assurer l'étanchéité et préserver le vide à l’intérieur creux  car les aérogels sont poreux.

A ce propos si cet aérostat terrestre est destiné à évoluer à très haute altitude, l'intérieur peut se trouver au départ du sol sous une pression modérément réduite, juste suffisante pour le décollage et au fur et à mesure de l'ascension être de plus en plus réduite au moyen d’une pompe à vide. Pour l’alimentation électrique de cette pompe, la surface de l’aérostat peut avoir une mosaïque de panneaux solaires souples.

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D'autres formes géométriques que la sphère ont été étudiées comme par exemple l'icosaèdre : 

wikipedia


Aérostat à vide pour missions martiennes, vénusiennes et titaniennes  ! Icosahedron-rgb

Une thèse à ce sujet : http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.833.5919&rep=rep1&type=pdf

Bon, j'avoue qu'il me faudra encore un "peu" de temps pour la lire en entier et l'analyser  ! Bonne lecture si vous avez du courage et du temps disponible (mais avec le confinement, on a du temps, non ? ;) ...)

 En tout cas , c'est du sérieux et cela en vaut la peine !

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Pourquoi ce choix de l'icosaèdre plutôt que de la sphère qui est la forme géométrique au rapport volume sur surface extérieure le plus grand, donc qui maximalise la poussée d'Archimède ? 
Les formes triangulaires assurent une meilleure rigidité  et parmi les solides de Platon, il en existe trois aux faces triangulaires : 
le tétraèdre, l'octaèdre et l'icosaèdre ; mais c'est ce dernier qui a le rapport V/S le plus grand, donc assurant une plus grande flottabilité.

Certes il existe des polyèdres comportant plus de faces triangulaires que cet icosaèdre , mais on gagne peu sur le rapport V/S au détriment d'un cadre plus complexe et moins régulier à construire et dont la rigidité est plus réduite. 

Le choix s'est donc porté sur un cadre icosaédrique supportant une membrane étanche .

Pour les arêtes de ce cadre, des tubes cylindriques creux  ont été choisis  toujours pour assurer une bonne rigidité pour un poids minimum.

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Ca parait tellement simple, et même à la portée d'un bon bricoleur...
On se rappelle alors que nous vivons au fond d'un océan avec 10 tonnes d'atmosphère au dessus de chaque m².
C'est toujours une question de résistance des matériaux évidemment, et l'auteur parait compter sur des progrès sur les nanotubes de carbone.
Vu aussi quelques concepts originaux dans la thèse, dans la recherche d'antériorité, comme l'idée de mettre l'enveloppe en rotation pour créer une force contrebalançant partiellement la pression atmosphérique.
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@lambda0 a écrit:Ça parait tellement simple, et même à la portée d'un bon bricoleur...
On se rappelle alors que nous vivons au fond d'un océan avec 10 tonnes d'atmosphère au dessus de chaque m².
C'est toujours une question de résistance des matériaux évidemment, et l'auteur parait compter sur des progrès sur les nanotubes de carbone.
Vu aussi quelques concepts originaux dans la thèse, dans la recherche d'antériorité, comme l'idée de mettre l'enveloppe en rotation pour créer une force contrebalançant partiellement la pression atmosphérique.
Ah lambda0  : pourquoi nous ramenez à notre triste sort de créatures terrestres soumis à cette horrible pression atmosphérique qu'heureusement nous contrebalançons par notre pression interne pour ne pas être écrabouiller? ... Et de surcroît avec le temps des pandémies revenues qui a suivi l'incendie de Notre-Dame de Paris ! :oops:   
Peut-être faut-il revenir à Mars et à mon premier post sur ce  rêve « fou » d’un ballon rempli ...de vide ...flottant ... dans l’atmosphère martienne ?
Avec les solides de Platon, c'est devenu assez platonique ... mais - comme on-dit - il faudrait concrétiser !

Il y a tout de même quelques pistes en commençant par des hybrides ...A suivre !  ;)

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Tiens justement à propos du temps revenu des pandémies  et de celui révolu des cathédrales, un sujet trouvé sur un forum de  Futura-Sciences sur les Nefs cathédrales stratosphériques  
Enfin petit à petit, l’hydrogène ou l’hélium diffusé au travers des parois du ballon entraîne une baisse de pression que va compenser une mise sous tension mécanique de la structure…
Toutefois il faut prévoir aussi une pompe à vide car si la diffusion de l'hélium ou du dihydrogène entre l'intérieur et l'extérieur où les pressions partielles de ces gaz sont quasi-nulles est malheureusement assez rapide (ce qui est bien le problème des ballons à l'hélium et qui coûte cher ),  peu à peu une diffusion certes plus lente de l'air extérieur vers l'intérieur réduirait progressivement la poussée d'Archimède si cet air entrant par diffusion n'est pas expulsé . Mais bon, la surface de cette nef est assez grande pour y installer quelques cellules photovoltaïque souples pour alimenter électriquement la pompe à vide.

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En d'autres temps, le Graf Zeppelin gonflé à hydrogène a quand même fait le tour du monde, en une douzaine de jours, et parcouru presque 50000 km, les fuites ne doivent pas être si rédhibitoires.
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