S’inspirer d’os pour construire une base lunaire avec une imprimante 3D

Illustration de la possible future base lunaire. Liquifer Systems Group, Author provided

Cet article est republié dans le cadre de la prochaine Fête de la science (du 5 au 13 octobre 2019 en métropole et du 9 au 17 novembre en outre-mer et à l’international) dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition aura pour thème : « À demain, raconter la science, imaginer l’avenir ». Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.


Importer des matériaux de construction sur la lune peut paraître un défi assez coûteux et potentiellement complexe. Et s’il était plus simple de construire une base à partir de matériaux locaux ? Cela semble dorénavant possible grâce aux imprimantes 3D.

Différents partenaires industriels, dont les célèbres architectes de Foster+Partners, studio pour l’architecture, l’urbanisme et le design durables, ont rejoint L’Agence spatiale européenne (European Space Agency, ESA) pour tester la faisabilité de l’impression 3D sur le sol lunaire.

Ils ont conçu une structure en dôme devant protéger des micro-météorites et des radiations spatiales. La base est d’abord déployée à partir de matériel transporté facilement en fusée. Des couches de régolithe (couche de poussière généralement produite par des impacts météoritiques sur des planètes sans atmosphère ou des satellites) sont ensuite déposées et superposées sur le dôme gonflable par une imprimante 3D robotisée, afin de créer une coque protectrice pour les astronautes.

Design d’une Base lunaire imprimée en 3D. ESA/Foster + Partners, Author provided

C’est la société britannique Monolite qui a fourni l’imprimante D-Shape, grande imprimante (châssis de 6 m) en 3D utilisant un processus d’impression couche par couche (binder-jetting) pour agglomérer le régolithe associé à de l’oxyde de magnésium, formant le « papier », avec un sel liant servant d’« encre » et transformant le matériau en un solide semblable à de la pierre. Les scientifiques avaient besoin de grandes quantités de régolithe lunaire artificiel, matériau coûteux généralement vendu au kilogramme. Mais la découverte d’une très grande similarité entre la roche basaltique d’un volcan d’Italie centrale avec le sol lunaire a permis d’obtenir plus facilement plusieurs tonnes de matériau pour mener à bien leur projet.

Imprimante D-Shape. Monolite, Author provided

S’inspirer des os pour construire la base

Et pour construire ce dôme, de quel matériau se sont-ils inspirés ? D’os ! Et oui de la structure d’os d’oiseaux. En effet, la structure osseuse est sensée offrir un bon équilibre entre résistance et poids. Et les oiseaux sont particulièrement intéressants puisque leurs os se doivent d’être légers s’ils veulent décoller !

Les scientifiques se sont en effet inspirés d’images d’os trabéculaire, structure osseuse spongieuse composée de travées osseuses, afin de réaliser de l’optimisation topologique. L’objectif était d’obtenir une structure en réseau de travées aussi légère – et donc utilisant le moins de matériau – que possible mais résistante.

Le design des travées osseuses est associé aux contraintes que l’os subit au cours de la vie d’un organisme. Il y a donc un très fort lien entre la structure trabéculaire et les propriétés mécaniques de l’os. Les structures trabéculaires sont donc un très bon modèle pour la construction de structures spatiales qui correspondent à l’assemblage d’un ensemble d’éléments linéaires dans lequel les forces sont transférées de façon tridimensionnelle.

Un groupe de chercheurs du Royaume-Uni et d’Australie ont travaillé récemment à un algorithme permettant d’optimiser les structures spatiales en s’inspirant de structures osseuses. L’algorithme a notamment proposé de gérer des ellipsoïdes, ellipses en 3 dimensions représentant les espaces entre les travées, plus petits dans les régions soumises à de fortes contraintes et plus allongés dans les régions à contraintes fortement anisotropiques, c’est-à-dire différentes selon les directions. Ces développements ont permis d’obtenir une structure plus résistante par rapport aux structures spatiales traditionnelles malgré l’utilisation de beaucoup moins de matériau !

Ces approches de bioinspiration, développements technologiques s’inspirant de la nature, ont ainsi conduit à la production de « blocs de sol lunaire » pour concevoir le dôme de la base lunaire.

Bloc de construction de 1,5 tonne produit à titre de démonstration. ESA, Author provided

Ce bloc de construction de 1,5 tonne a été produit par impression 3D en utilisant un matériau de type « sol lunaire ». Les ellipsoïdes (cellules fermées creuses) du matériau sont inspirés des modèles osseux.

L’étude de la structure interne des os et notamment des adaptations biomécaniques de ces structures dans le squelette des vertébrés pourrait donc, en plus de nous fournir des connaissances passionnantes quant à la biologie de l’évolution, permettre de grands développements en architecture !