Le verre dans l'espace

Bonjour,

Je voudrais savoir quelle est la résistance du verre à la pression. J'ai un peu cherché sur le Web, mais les données que je trouve correspondent à des efforts de traction ou de compression, ce qui n'est pas équivalent à la pression. Pour la navette ou l'ISS, il y a des hublots, je sais, mais il s'agit d'un verre particulier. Pour un verre ordinaire qui serait fabriqué sur une autre planète, par exemple la Lune ou Mars, quelle serait l'épaisseur nécessaire pour qu'il resiste au différentiel de pression avec l'extérieur, par exemple 1 bar ? Le top serait d'avoir une formule pour déterminer l'épaisseur en fonction de la pression interne choisie pour l'habitat.

A+,
Argyre

Argyre a écrit:Bonjour,

Je voudrais savoir quelle est la résistance du verre à la pression. J'ai un peu cherché sur le Web, mais les données que je trouve correspondent à des efforts de traction ou de compression, ce qui n'est pas équivalent à la pression. Pour la navette ou l'ISS, il y a des hublots, je sais, mais il s'agit d'un verre particulier. Pour un verre ordinaire qui serait fabriqué sur une autre planète, par exemple la Lune ou Mars, quelle serait l'épaisseur nécessaire pour qu'il resiste au différentiel de pression avec l'extérieur, par exemple 1 bar ? Le top serait d'avoir une formule pour déterminer l'épaisseur en fonction de la pression interne choisie pour l'habitat.

Je suppose que la résistance du verre est également fonction de la surface, en raison des contraintes subies au centre du verre par la flexion de ce dernier. Disons pour simplifier que la surface est de 1 m2. Comment alors déterminer cette épaisseur pour que la plaque résiste à la pression ?

A+,
Argyre

Peut-être que la formule donnée sur cette page pourra t'aider. Elle donne l'épaisseur en fonction du différentiel de pression (+ tableau Excel):

http://www.ispoptics.com/DesignOfPressureWindow.htm

Après il faut trouver le module de rupture du verre ...

pourquoi ne pas pas faire comme les astronautes qui s'entraînent en piscine et rechercher des formules en mileu marin (les avions ont leurs critères pour les déplacements dans l'air, le TGV a ses critères pour sa grande vitesse sur terre en fonction des différentes conditions climatiques, les drones nautiques doivent avoir également leurs critères)

après en faire des déductions pour les planètes du système solaire.

les silicates sont par ailleurs de bon candidat entrant dans la fabrication du verre.

Il est à noter que des phyllosilicates ont été trouvés sur Mars.


par ailleurs

t= f(P) pour la silice

Domaines de stabilité de la silice à Patm


* La lechateliérite est un verre de silice très pur
* Les fulgurites sont des verres naturels très purs, obtenus par fusion du sable lors d'un impact de foudre

Pour les hublots de la navette, voici au moins un petit descriptif :

La cabine possède 7 hublots donnant vers l'extérieur six devant et un sur l' écoutille d'accès. Ils sont réalisés d' une seule pièce en verre de très bone qualité optique en alumino- silicate assurant une bonne solidité mécanique à la pression. L' épaisseur est de 1,5 cm, ils sont recouvert sur leur face extérieure d' un réflecteur contre les rayons IR. Les deux hublots centraux sont plus épais (3,2 cm) et réalisé en verre silica. Les deux hublots sur le dessus de la cabine sont moins épais 1,1 m et ceux donnant sur la soute 0,7 cm. (car protégé par les portes de la soute. Le hublot de l' écoutille est réalisé avec trois couches de verre comme sur les principaux . Le constructeur des hublots est la firme Corning Glass Cie à NY.

http://www.capcomespace.net/dossiers/espace_US/shuttle/sts/orbiter_vehicle.htm

Argyre a écrit:

Argyre a écrit:Bonjour,

Je voudrais savoir quelle est la résistance du verre à la pression. J'ai un peu cherché sur le Web, mais les données que je trouve correspondent à des efforts de traction ou de compression, ce qui n'est pas équivalent à la pression. Pour la navette ou l'ISS, il y a des hublots, je sais, mais il s'agit d'un verre particulier. Pour un verre ordinaire qui serait fabriqué sur une autre planète, par exemple la Lune ou Mars, quelle serait l'épaisseur nécessaire pour qu'il resiste au différentiel de pression avec l'extérieur, par exemple 1 bar ? Le top serait d'avoir une formule pour déterminer l'épaisseur en fonction de la pression interne choisie pour l'habitat.

Je suppose que la résistance du verre est également fonction de la surface, en raison des contraintes subies au centre du verre par la flexion de ce dernier. Disons pour simplifier que la surface est de 1 m2. Comment alors déterminer cette épaisseur pour que la plaque résiste à la pression ?

A+,
Argyre

On peut résumer la résistance du verre a la pression à de la flexion. En résistance des matériaux il s'agit d'une poutre uniformément chargé

La poutre est généralement composée d'un matériau isotrope homogène et chargée dans son plan moyen, vertical le plus souvent. Dans ces conditions, l'ensemble des efforts extérieurs appliqué d'un côté d'une section droite quelconque se ramène à :

* un effort longitudinal de compression ou traction : l'effort normal ;
* un effort normal de cisaillement : l'effort tranchant ;
* un moment fléchissant.

Ce sont les éléments de réduction des charges extérieures au droit de la section considérée.

Un cas simple est constitué par une poutre droite, horizontale, de section constante, chargée uniformément et reposant sur deux appuis simples. Si on désigne par p la charge linéaire et par \ell la longueur de la poutre, la détermination des éléments de réduction des efforts tient en quelques formules simples :

* la réaction à chaque appui est une force verticale, égale à la moitié de la charge totale soit p*l/2,
* l'effort tranchant varie linéairement de + p*l/2 à -p*l/2 avec une valeur nulle en milieu de travée. On doit vérifier que la contrainte de cisaillement au voisinage de l'appui reste inférieure à la résistance au cisaillement du matériau,
* Le moment fléchissant est nul sur appui et maximum en milieu de travée où il vaut p*l*l/8. On doit vérifier que les contraintes dans la section à mi-travée ne dépassent ni la résistance à la compression, ni la résistance à la traction du matériau.

https://secure.wikimedia.org/wikipedia/fr/wiki/R%C3%A9sistance_des_mat%C3%A9riaux

CosmoS a écrit: Peut-être que la formule donnée sur cette page pourra t'aider. Elle donne l'épaisseur en fonction du différentiel de pression (+ tableau Excel):

http://www.ispoptics.com/DesignOfPressureWindow.htm

Après il faut trouver le module de rupture du verre ...

:ven: :ven: :ven:
Super la formule et le fichier excel, merci infiniment !
Effectivement, il n'est pas aisé de savoir quoi mettre pour le module de rupture du verre, surtout si on envisage un verre imparfait produit sur l'astre. En tout cas, l'ordre d'idée y est, c'est l'essentiel.

Internet a écrit:Note: Rupture modulus of annealed glass in tension is 6,000 psi therefore the modulus of rupture of tempered glass is 4 x 6,000 or 24,000 psi.

Pour info, en prenant une fenêtre de 1 mètre de diamètre, une différence de pression de 1 Atm, un facteur de sécurité de 4 et un module de rupture du verre à 6000 psi (valeur a priori faible vue sur Internet pour le verre recuit de base, j'espère que je ne me plante pas), je trouve que l'épaisseur doit être de 5,2 cm, ce qui semble raisonnable.
Pour une différence de pression réduite à 1/2 Atm (a priori, on doit pouvoir vivre sous cette pression, moyennant une pression partielle d'oxygène de l'ordre de 40%), le calcul donne 3,7 cm d'épaisseur.
A noter que si on choisit un diamètre de 2 mètres, l'épaisseur de verre requise grimpe à plus de 7,4 cm (la variation est en fait linéaire avec la longueur du diamètre) et pour le coup, cela parait irréaliste. Adieu les grandes baies vitrées ...

Conclusion, en exploitant les silicates trouvés sur Mars, il doit être possible de fabriquer des baies vitrées pour l'habitat. Néanmoins, il faudra se contenter de surfaces pas trop grandes, quitte éventuellement à en avoir plusieurs, maintenues par une structure métallique par exemple.

Merci encore, merci à tous, en fait pour toutes les infos, l'analogie avec la poutre, etc.

A+,
Argyre

:?:

C'est intéressant, de réaliser que sur Mars on peut produire des hublots, mais est ce que ce ne serait pas dangereux pour les hypothétiques astronautes qui seraient derrière ?
Est ce qu'il n'y aurait pas des risques importants d'irradiation à contempler le magnifique et changeant désert martien ?

S

SB a écrit: :?:

C'est intéressant, de réaliser que sur Mars on peut produire des hublots, mais est ce que ce ne serait pas dangereux pour les hypothétiques astronautes qui seraient derrière ?
Est ce qu'il n'y aurait pas des risques importants d'irradiation à contempler le magnifique et changeant désert martien ?

S

A peu près autant que derrière cupola sans doute ?
En fait le verre n'est pas moins protecteur qu'un autre matériau et il ne laisse pas passer les UV donc je ne vois pas où est le problème.
En tout cas sur Mars il y a à peu près 10 fois moins de rayonnements dangereux que dans l'espace, puisqu'en gros l'astre divise par 2 les rayonnements, l'atmosphère de 6 mbars les divise encore par 2 et enfin les astronautes ne sont pas obligés de rester collés le nez à la vitre 24h/24, en particulier la nuit. Au final, si on ne passe pas sa vie en expéditions à l'extérieur, ça doit être aussi dangereux de vivre sur Mars que de vivre dans une maison faite en granit de Bretagne.

Cordialement,
Argyre

:?:

L'ISS est pas protégée par les ceintures de Van Allen ?

Mars ne reçoit pas le rayonnement à très haute énergie de la galaxie, en particulier ?

Je suis pas sûr qu'on puisse comparer le rayonnement reçu sur Mars à celui reçu sur Terre...

Je pensais pas aux UV, je pensais aux rayonnements ionisants...

S

PS : A propos de Cuppola : elle est orientée comment ? Vers le ciel, les étoiles, ou vers la Terre, ou les deux, en fonction de la rotation de l'ISS ?

SB a écrit:
PS : A propos de Cuppola : elle est orientée comment ? Vers le ciel, les étoiles, ou vers la Terre, ou les deux, en fonction de la rotation de l'ISS ?

Orienté vers la Terre en permanence.

Avec le temps, les verres standards s'opacifient sous l'effet des rayonnements ionisants, mais on sait très bien fabriquer des verres stabilisés, avec les bons dopages (plomb, cérium, etc.), pour bloquer les UV, gammas, etc. Et il ne s'agit quand même pas de hublots d'enceinte de manipulation de déchets radioactifs.
L'épaisseur bloquerait les protons solaires et particules diverses à quelques MeV. Pour ce qui est des GCR, une fenêtre (d'un batiment au sol) est quand même rarement tournée vers le ciel, elle voit au mieux un quart du ciel, et l'atmosphère en a déjà absorbé une partie.
=> a priori, les risques paraissent mineurs, jusqu'à plus ample information

EDIT:
vérification rapide => Cuppola parait utiliser des verres tout à fait standards, silice et BK7.
on peut aussi vérifier en quels verres sont fait les hublots des Soyouz, navettes, modules Apollo, etc.

lambda0 a écrit:
vérification rapide => Cuppola parait utiliser des verres tout à fait standards, silice et BK7.
on peut aussi vérifier en quels verres sont fait les hublots des Soyouz, navettes, modules Apollo, etc.

On peut supposer que dans toutes ces applications, la préoccupation principale est la résistance à la différence de pression d'une part, et d'autre part aux impacts de micro-météorites/ débris.
La préoccupation de la durée d'exposition derrière ces "vitres" est secondaire. Généralement pas de séjour très long des vaisseaux, et pour l'ISS les occupants n'y jouent les observateurs qu'une petite partie de leur temps, avec une orientation évitant le flux direct de particules ionisantes. On obture lorsque c'est nécessaire.

Des critères qui s'avèreraient différents pour une résidence sur une autre planète.
Mais on peut probablement envisager des "survitrages" sous forme de films jouant un rôle de flitre sans trop faire baisser la transparence aux longueurs d'onde visuelles.

Une question Argyre :
A quoi et /ou à qui seraient destinées ces vitrages ? Pour des serres ? Pour des habitacles ?
Selon leur emploi, les critères de sécurité différent.
Cordialement,

Giwa a écrit:Une question Argyre :
A quoi et /ou à qui seraient destinées ces vitrages ? Pour des serres ? Pour des habitacles ?
Selon leur emploi, les critères de sécurité différent.
Cordialement,

Habitats, serres, et même peut-être les lieux de travail.
En ce qui concerne l'habitat, l'idée est de réaliser un habitat passif, c'est à dire ne nécessitant pas de chauffage. Il faut donc de nombreux vitrages, à la fois au niveau des murs et du plafond afin de bénéficier au maximum de l'effet de serre pendant la journée. La nuit, on couvre d'un isolant supplémentaire et on récupère l'énergie emmagasinée pendant la journée grâce à un objet placé au centre de l'habitat (ou éventuellement de l'eau chaude chauffée pendant la journée).
Je réfléchis en effet à des spécifications pour l'habitat martien le plus économe en énergie, durable et écolo à la fois.

A+,
Argyre

Argyre a écrit:

Giwa a écrit:Une question Argyre :
A quoi et /ou à qui seraient destinées ces vitrages ? Pour des serres ? Pour des habitacles ?
Selon leur emploi, les critères de sécurité différent.
Cordialement,

Habitats, serres, et même peut-être les lieux de travail.
En ce qui concerne l'habitat, l'idée est de réaliser un habitat passif, c'est à dire ne nécessitant pas de chauffage. Il faut donc de nombreux vitrages, à la fois au niveau des murs et du plafond afin de bénéficier au maximum de l'effet de serre pendant la journée. La nuit, on couvre d'un isolant supplémentaire et on récupère l'énergie emmagasinée pendant la journée grâce à un objet placé au centre de l'habitat (ou éventuellement de l'eau chaude chauffée pendant la journée).
Je réfléchis en effet à des spécifications pour l'habitat martien le plus économe en énergie, durable et écolo à la fois.

A+,
Argyre

Dans ce cas, on pourrait concilier les deux en plaçant les habitats à l'intérieur des serres - les habitats se trouvant isoler des serres par un vitrage supplémentaire pour offrir plus de protection et de sécurité aux humains qu'aux plantes .

Argyre a écrit:

CosmoS a écrit: Peut-être que la formule donnée sur cette page pourra t'aider. Elle donne l'épaisseur en fonction du différentiel de pression (+ tableau Excel):

http://www.ispoptics.com/DesignOfPressureWindow.htm

Après il faut trouver le module de rupture du verre ...

:ven: :ven: :ven:
Super la formule et le fichier excel, merci infiniment !
Effectivement, il n'est pas aisé de savoir quoi mettre pour le module de rupture du verre, surtout si on envisage un verre imparfait produit sur l'astre. En tout cas, l'ordre d'idée y est, c'est l'essentiel.

Internet a écrit:Note: Rupture modulus of annealed glass in tension is 6,000 psi therefore the modulus of rupture of tempered glass is 4 x 6,000 or 24,000 psi.

Pour info, en prenant une fenêtre de 1 mètre de diamètre, une différence de pression de 1 Atm, un facteur de sécurité de 4 et un module de rupture du verre à 6000 psi (valeur a priori faible vue sur Internet pour le verre recuit de base, j'espère que je ne me plante pas), je trouve que l'épaisseur doit être de 5,2 cm, ce qui semble raisonnable.
Pour une différence de pression réduite à 1/2 Atm (a priori, on doit pouvoir vivre sous cette pression, moyennant une pression partielle d'oxygène de l'ordre de 40%), le calcul donne 3,7 cm d'épaisseur.
A noter que si on choisit un diamètre de 2 mètres, l'épaisseur de verre requise grimpe à plus de 7,4 cm (la variation est en fait linéaire avec la longueur du diamètre) et pour le coup, cela parait irréaliste. Adieu les grandes baies vitrées ...

Conclusion, en exploitant les silicates trouvés sur Mars, il doit être possible de fabriquer des baies vitrées pour l'habitat. Néanmoins, il faudra se contenter de surfaces pas trop grandes, quitte éventuellement à en avoir plusieurs, maintenues par une structure métallique par exemple.

Merci encore, merci à tous, en fait pour toutes les infos, l'analogie avec la poutre, etc.

A+,
Argyre

Je pense qu'on doit pouvoir gagner sur l'épaisseur en utilisant un hublot concave (un peu comme avec un barrage-voûte).
Pour un caisson de 50 cm dans lequel on fait le vide, j'utilise un hublot convexe qui fait moins d'un centimètre d'épaisseur.

Henri a écrit:

En regardant la formule (que je n'ai pas vérifiée) sur http://www.ispoptics.com/DesignOfPressureWindow.htm on voit que l'épaisseur de la dalle circulaire est proportionnelle à la racine carré du différentiel de pression. On peut donc aussi scinder la dalle en un vitrage à plusieurs couches de verre feuilleté et séparées par des couches de gaz à des pressions intermédiaires croissantes entre la pression externe et la pression interne.
Exemple : 4 dalles avec des pressions intermédiaires suivantes : 0 (environnement planétaire extérieur) | 1/4 | 1/2 | 3/4 | 1 bar (intérieur de l'habitat), ce qui divise l'épaisseur par dalle par deux par rapport à une dalle unique au prix d'un doublement de la masse totale de verre.
Et comme c'est l'épaisseur de la dalle qui rends difficile sa confection...

Une telle structure devrait aussi améliorer l'isolation thermique.

Henri a écrit:

En regardant la formule (que je n'ai pas vérifiée) sur http://www.ispoptics.com/DesignOfPressureWindow.htm on voit que l'épaisseur de la dalle circulaire est proportionnelle à la racine carré du différentiel de pression. On peut donc aussi scinder la dalle en un vitrage à plusieurs couches de verre feuilleté et séparées par des couches de gaz à des pressions intermédiaires croissantes entre la pression externe et la pression interne.
Exemple : 4 dalles avec des pressions intermédiaires suivantes : 0 (environnement planétaire extérieur) | 1/4 | 1/2 | 3/4 | 1 bar (intérieur de l'habitat), ce qui divise l'épaisseur par dalle par deux par rapport à une dalle unique au prix d'un doublement de la masse totale de verre.
Et comme c'est l'épaisseur de la dalle qui rends difficile sa confection...

Ok, c'est une remarque intéressante. Et au fait, est-ce que c'est difficile de fabriquer des vitres très épaisses (à part le fait que c'est plus lourd à transporter) ?

Argyre a écrit: Et au fait, est-ce que c'est difficile de fabriquer des vitres très épaisses (à part le fait que c'est plus lourd à transporter) ?

En consultant internet on peut se faire une première idée sur cette question :

http://www.verreonline.fr/v_plat/fabr_vitr2.php
http://fr.wikipedia.org/wiki/Industrie_du_verre

Premièrement il faut en rester au verre plat –non feuilleté - si on ne veut pas compliquer et ralentir le procédé de fabrication, donc le coût.

Sur Terre –il faut insister car l’épaisseur de la vitre dépend du champ de gravitation - par le procédé float on obtient des vitres brutes de 5 à 6 mm d’épaisseur. Pour passer à des vitres plus minces il faut procéder par étirage.
Sur Mars les vitres brutes devraient être d’épaisseur plus grande, vue la gravité plus faible.

Finalement l'épaisseur maximum est limitée par le procédé même, tout en étant celle que l'on obtient d'emblée.

Les vitres sont habituellement en verre flotté, mais pour des épaisseurs supérieures à 2-3 cm, il y a des procédés mieux adaptés (moulage/pressage, etc.).
Il faut quand même des installations un peu lourdes pour avoir une qualité acceptable sur de grandes dimensions (1 m ou plus).
Il faut voir du côté des procédés artisanaux utilisés depuis des siècles, mais à mon avis, on ne fabriquera pas tout de suite des grandes baies vitrées monobloc de 10 cm d'épaisseur sur Mars.
La fabrication du verre est aussi assez gourmande en énergie...
Au passage, ça ne fait pas très longtemps que les habitations ont des grandes fenêtres en verre, c'était un luxe réservé aux chateaux, cathédrales, etc.

La fabrication in-situ de vitrages de 100 mm d'épaisseur et de dimension respectable (1m² minimum) ne s'annonce pas simple.
Il faut aussi prendre en compte la masse de la plaque créée :

une masse de 2,5 kg par m2 et par mm d'épaisseur pour les vitrages plans

On aurait ainsi des vitrages de 250 kg pour un m². Certes sous une gravité réduite ....

montmein69 a écrit:La fabrication in-situ de vitrages de 100 mm d'épaisseur et de dimension respectable (1m² minimum) ne s'annonce pas simple.
Il faut aussi prendre en compte la masse de la plaque créée :

une masse de 2,5 kg par m2 et par mm d'épaisseur pour les vitrages plans

On aurait ainsi des vitrages de 250 kg pour un m². Certes sous une gravité réduite ....

Comme je l'ai écrit plus haut, on est plutôt sur des ordres de grandeur de 3 à 4 cm d'épaisseur pour des hublots d'1 mètre de diamètre faits en verre quelconque, et si on fait des hublots concaves, ce serait encore moins. La masse ne serait donc pas un problème.

A+,
Argyre

Argyre a écrit: La masse ne serait donc pas un problème.

A+,
Argyre

Effectivement vue la faible gravité qui réduit au tiers le poids par rapport à la Terre ...et sans compter la pression atmosphérique interne sous la voûte qui allège encore l'ensemble.
A ce sujet la crainte était d'ailleurs - pour certaines études avec des matériaux trop "légers" (pour réduire le coût du transport depuis la Terre) - que le dôme s'arrache du sol en cas d'ancrage insuffisant.