Dans le cadre de la génération Artemis, une équipe d’étudiants de premier cycle de dix universités américaines a conçu et testé la première fusée imprimée en 3D au monde pour des missions lunaires. Le prototype réutilisable de la plate-forme d’atterrissage et de lancement des fusées a été imprimé en 3D à l’aide d’un matériau à base de ciment et d’un système d’impression à portique mis au point par la société de construction révolutionnaire ICON sur le site du département militaire du Texas à Camp Swift. Ce concept novateur pourrait permettre l’atterrissage et le lancement sûrs et réutilisables nécessaires à une exploration lunaire durable.
Imprimé en 3D en octobre 2020, le PAD lunaire, abréviation de Lunar Plume Alleviation Device (dispositif d’atténuation du panache lunaire), fait 20 pieds de diamètre et plus de 1,6 pieds de hauteur. Sa conception en forme de pétale de canal a été créée pour résoudre les problèmes causés par la rencontre de la force d’échappement puissante d’un moteur avec la surface lunaire poussiéreuse, connue pour causer un large éventail de problèmes. Le cône central, les diviseurs de canaux et les orifices de sortie, soigneusement dessinés, aident à disperser les gaz d’échappement d’une fusée vers le haut et vers l’extérieur, minimisant ainsi la quantité de poussière qui s’élève lors du lancement et de l’atterrissage.
Le PAD se compose essentiellement de deux couches : un “toit” d’où une fusée est lancée ou sur lequel elle atterrit, et une série de canaux en dessous pour rediriger l’échappement en toute sécurité. Des fentes dans le toit permettent aux gaz d’échappement des fusées de se rendre dans les canaux soigneusement conçus qui dirigent le flux des gaz d’échappement vers le bord de la rampe de lancement, où il sort par des orifices spécialisés. Le cône central et les séparateurs supportent le poids de la fusée et du toit de la plateforme, tandis qu’un mur entoure la structure, capturant toutes les particules de poussière lunaire qui se mobilisent lors d’un lancement ou d’un atterrissage.
Il a fallu sept heures à l’équipe d’ICON pour imprimer la coque extérieure et le cadre interne de la rampe de lancement et 14 heures pour imprimer les remplissages, y compris le “toit” épais ou le pont de la rampe sur lequel repose la fusée. Pour cette tâche, l’équipe s’est appuyée sur l’imprimante 3D de construction industrielle Vulcan, propriété de l’entreprise – une plate-forme à portique fonctionnant grâce à une tablette intégrée qui permet aux utilisateurs de surveiller et de contrôler intuitivement et facilement la machine – ainsi que sur son matériau Lavacrete unique pour couler avec précision le béton qui remplit le coffrage.
Des étudiants construisent un prototype de sous-échelle d’une rampe de lancement et d’atterrissage lunaire réutilisable au Camp Swift à Bastrop, Texas, en octobre 2020. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’ICON.
La vision d’une solution de piste d’atterrissage a été conçue par les étudiants lors de l’expérience de rédaction et d’évaluation des propositions de la NASA de 2019 (NPWEE), un cours de formation de 12 semaines élaboré par John Dankanich, le technologue en chef du Centre de vol spatial Marshall de la NASA. Dans le cadre de la Lucy Student Pipeline Accelerator and Competency Enabler (L’SPACE) Academy, le cours a permis d’élargir et de diversifier le réservoir de propositions de haute qualité et sélectionnables pour de nouveaux concepts et technologies répondant aux besoins de la NASA.
L’équipe a gagné, ce qui lui a permis de présenter aux experts de Marshall en juin 2020 lors d’un examen virtuel de l’état de préparation de la conception et d’obtenir le financement nécessaire pour imprimer et tester une version sous-dimensionnée du bloc-notes. Par la suite, ils ont présenté un document sur le concept de PAD lunaire en janvier 2021 lors du forum SciTech 2021 de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics, suggérant que leur idée repose sur des méthodes et des technologies d’utilisation des ressources in situ (ISRU) pour minimiser la masse de lancement et permettre des structures jusqu’alors inimaginables.
“La proposition aborde un point sensible de la technologie, car le projet permet de disposer d’une plateforme d’atterrissage sûre et réutilisable nécessaire à une exploration lunaire durable. L’équipe a travaillé plusieurs centaines d’heures, a engagé des experts de la NASA et est passée de la formulation du concept à la conception préliminaire. Ils ont ensuite concrétisé cette conception par la construction d’une sous-échelle, le tout en quelques mois”, a déclaré M. Dankanich.
Une vue interne de la sous-échelle, du lancement lunaire imprimé en 3D et de l’aire d’atterrissage créée avec le système Vulcan d’ICON. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’ICON.
Poursuivant sa mission de création d’une construction hors du monde, ICON a aidé les étudiants à construire le prototype de la plate-forme. ICON est l’un des leaders dans le domaine des technologies de construction. Il est connu pour utiliser la robotique d’impression 3D, les logiciels et les matériaux avancés pour changer le paradigme de la construction de maisons sur Terre et au-delà. Avec une division de la société déjà dédiée aux constructions spatiales et un contrat avec la NASA pour commencer la recherche et le développement d’un système spatial qui pourrait soutenir la future exploration de la Lune, ICON vise depuis longtemps l’impression 3D hors de la Terre.
Ce dernier projet entre ICON, la NASA et le département militaire du Texas est l’un des jalons de l’entreprise basée à Austin. Pour tester la conception du PAD lunaire et sa capacité à être imprimé en 3D, l’équipe a travaillé avec des experts de la Lune de Marshall à Mars Planetary Autonomous Construction Technologies (MMPACT). Un projet qui vise à développer et à démontrer les capacités à la demande pour protéger les astronautes et créer des infrastructures sur la surface lunaire par la construction de plateformes d’atterrissage, d’habitats, d’abris, de routes, de bermes et de boucliers anti-explosion en utilisant des matériaux à base de régolithe lunaire.
Vue aérienne de la sous-échelle, du lancement lunaire imprimé en 3D et de l’aire d’atterrissage créée avec le système Vulcan d’ICON. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’ICON.
En mars 2021, le chef de projet du MMPACT, Mike Fiske, et l’équipe du PAD lunaire sont retournés au camp Swift pour voir comment leur prototype résisterait aux températures et aux contraintes extrêmes créées par un moteur-fusée. L’équipe de la fusée-sonde de l’université Texas A&M a participé aux essais à chaud et à la fabrication du moteur-fusée. Sur la base d’une analyse préliminaire et des résultats des instruments intégrés dans le tampon pendant l’impression pour mesurer la température, la déformation et le comportement du flux d’échappement, le tampon lunaire a fonctionné comme prévu.
“Ce fut un plaisir de travailler avec ces étudiants au cours de l’année dernière et de contribuer à faire progresser l’état de l’art dans les aires de lancement et d’atterrissage planétaires”, a déclaré Fiske, ingénieur de fabrication dans l’espace au sein du groupe Jacobs Engineering de la branche de développement des technologies spatiales de Marshall. “Les résultats de ce projet contribuent fortement à notre connaissance future des plateformes de lancement et d’atterrissage lunaires et nous rapprochent de l’infrastructure lunaire”.
Cette nouvelle génération d’explorateurs, baptisée par la NASA “Artemis Generation Students”, permettra aux États-Unis de continuer à être à la pointe de l’exploration et de la découverte de l’espace. Qu’il s’agisse des Artemis Student Challenges de la NASA ou de l’interaction avec les astronautes, la NASA fait participer les jeunes esprits à des projets liés à l’espace. Les résultats sont probants, plus de 12 000 personnes ont postulé pour rejoindre les astronautes de la génération Artemis de la NASA afin d’aider l’agence à ramener des humains sur la lune et à se rendre sur Mars. Des dizaines d’équipes d’étudiants ont construit des robots miniers extraterrestres, fabriqué et lancé des fusées de grande puissance, et même des technologies d’interface utilisateur pour les combinaisons spatiales. Avec autant d’étapes passionnantes à franchir pour les voyages et l’exploration de l’espace, les possibilités de création innovante sont infinies, et la NASA prend les devants pour prospérer en orbite.
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