Notre base Cartier I tente de présenter un modèle précis d'une colonie lunaire réaliste. La première étape de notre approche de ce défi a été de dresser la liste de tous les problèmes qui devraient être résolus. Nous avons trouvé les suivants : construction, emplacement, besoins vitaux (nourriture, eau, air), énergie, sécurité (radiations, chaleur, déficiences sanitaires) et utilité. Notre solution se distingue par sa grande extensibilité, sa facilité d'installation et son autonomie. Cartier I l'aurait fait.

La première expédition serait menée par quatre astronautes, qui apporteraient avec eux toutes les ressources nécessaires à la construction.

• Pendant la phase d'installation (2 à 4 semaines pour les structures principales, 6 à 8 semaines pour l'autonomie alimentaire), les astronautes construiront la base (expliquée plus en détail ci-dessous) et mettront en place les principales infrastructures comme l'extraction d'eau et la production d'énergie.
• Une fois que les pionniers se sont installés et que la base est autonome, d'autres opérations peuvent être effectuées pour poursuivre l'expansion de la base, qui pourrait devenir une colonie à grande échelle habitée par une douzaine d'astronautes à la fois, les modules étant spécialement conçus pour faciliter l'expansion.

Nous avons créé un modèle CAO schématisant les grandes lignes de notre camp lunaire ; il se compose des quatre modules habitables et de la plupart des infrastructures externes (extraction/stockage d'eau et production d'énergie). Cartier I aurait eu lors de la 1ère expédition. Les schémas ci-dessous expliquent en détail la configuration de la base et de tous les modules individuels, ainsi que les systèmes de production d'eau et d'électricité.

Nous avons décidé de placer la colonie directement au fond d'un cratère, dont les parois serviraient de bouclier solaire efficace (cela élimine également le problème du transport de la glace). Quant au choix du cratère, de nombreux critères doivent être réunis : ombre perpétuelle au fond, illumination forte et fréquente sur le bord, et bonnes concentrations de glace d'eau. D'autres avantages pourraient être la taille du cratère (influence sur le temps de déplacement), sa proximité avec d'autres sites d'intérêt, et son orientation vers des régions potentiellement inexplorées de l'espace.

Selon les données de l'expédition Chandrayaan-1, l'eau est plus présente autour des pôles de la lune, qui est donc l'endroit où notre base est le plus susceptible de se trouver. Un manque de données précises pour des cratères spécifiques nous empêche de donner une réponse définitive, mais les candidats potentiels incluent le cratère Shackleton (avec des pics illuminés pendant ~94% de l'année), le cratère Whipple (avec une épaisse couche de glace prévue), ou le cratère Peary (qui est assez peu profond).

Nous prévoyons d'utiliser la coque de la fusée comme squelette principal de la base. Une fois que la fusée aura atteint l'orbite lunaire, elle se désassemblera en quatre sections qui atterriront indépendamment. Ces quatre sections cylindriques constitueront les quatre modules de vie dont les astronautes auront besoin pour cette première expédition : un module de vie, un module communautaire (& sportif), un module de serre et un module de recherche (voir les schémas ci-dessous).

Puisque l'apport de chaleur par rayonnement peut être ignoré, la seule isolation thermique nécessaire concerne les pertes de chaleur dues au rayonnement (de la base - vers l'extérieur) et à la conduction par le sol. Cela peut se faire en utilisant une isolation multicouche - avec du Kapton ou du Mylar - pour faire rebondir le rayonnement et en épaississant la partie de la coque en contact avec le sol. Des modules gonflables sont également envisageables, à condition que leur base en contact avec le sol soit également constituée d'un matériau isolant épais.

L'utilisation de la structure de la fusée réduira drastiquement le temps de construction, puisque les seules constructions nécessaires seront les connexions entre les modules, les infrastructures extérieures et le mobilier intérieur. Les infrastructures seront assemblées à partir de pièces de petite ou moyenne taille construites sur Terre ; la faible gravité facilitera le transport des pièces les plus grandes.

Peu après son arrivée, l'équipe se rendra à l'extérieur du cratère afin d'installer les déflecteurs solaires et l'antenne de communication. Ce sera l'une des seules fois où ils devront parcourir de grandes distances (autres que pour une maintenance occasionnelle), le camp étant par ailleurs compact.

Les dangers auxquels les astronautes pourraient être exposés peuvent être classés en trois catégories.

Tout d'abord, les questions environnementales : comme expliqué précédemment, les radiations généralement nocives provenant de l'espace n'atteindront jamais les astronautes au fond du cratère, ce problème peut donc être éliminé. Les météorites, en revanche, pourraient potentiellement atteindre le camp ; cependant, des calculs rapides (en comparant avec la quantité qui atteint l'atmosphère terrestre) montrent que la probabilité qu'une météorite endommage un module ou un astronaute est négligeable.

Deuxièmement, les carences en matière de santé : les astronautes ne connaîtront qu'un sixième de la gravité terrestre, ce qui entraînera une perte musculaire. Pour y remédier, les astronautes suivront un programme d'entraînement quotidien avec des machines adaptées au travail en basse gravité (élastiques pour tirer la personne vers le bas, résistance magnétique, etc).

Troisièmement, les problèmes techniques ou les accidents. Tous les modules sont scellés par des portes étanches et ne seront pas affectés si l'un d'entre eux se brise ; des paramètres tels que la température ou la composition de l'air seront constamment contrôlés pour éviter les accidents.

Pendant la phase d'installation, les astronautes dépendront d'une petite réserve d'eau apportée de la Terre. Une fois qu'ils auront installé les principales infrastructures, l'eau sera extraite du régolithe selon un processus en 3 étapes.
La première étape est l'excavation : un rover extrait des morceaux de régolithe et les amène dans une chambre thermique.
La deuxième étape est l'extraction : Grâce à l'énergie solaire, la chambre est chauffée à environ 600K, ce qui oblige l'eau à se sublimer et à faire monter la pression du réservoir.
La troisième et dernière étape est le transport : après être passée par une turbine (voir section électricité), la vapeur d'eau se condense dans un système de tuyauterie menant à la citerne d'eau. Un régulateur contrôle la pureté de l'eau pour s'assurer qu'elle est potable ; si nécessaire, elle peut être purifiée davantage.
Pour éviter le gaspillage, l'eau sera recyclée de la même manière que sur l'ISS : à partir de la transpiration des astronautes et des plantes, de l'urine, de la douche et de l'évacuation des éviers.

La nourriture sera produite dans le module de serre (voir les schémas ci-dessous).
Les légumes seront produits dans des systèmes aéroponiques et hydroponiques qui utilisent de l'eau enrichie en nutriments (les nutriments peuvent être synthétisés à partir de KREEP extrait, ou des apports concentrés amenés de la Terre). Dans le système aéroponique, les racines des plantes seront aspergées d'un brouillard contenant tous les nutriments dont elles ont besoin ; dans le système hydroponique, l'extrémité des racines baignera dans la solution (de la laine de roche ou de la perlite peut être utilisée comme milieu de culture). Les plantes seront choisies en fonction de leur rendement, de leur temps de croissance et de leur valeur nutritionnelle (les plantes à croissance rapide comprennent le chou frisé, les haricots, la laitue, les tomates, les baies, etc.) Elles pousseront dans un environnement contrôlé pour recevoir l'intensité/longueur d'onde de lumière et la température idéales.
La viande artificielle sera "cultivée" en faisant baigner des cellules souches dans un milieu nutritif pour créer des protéines.
D'autres compléments alimentaires non périssables seront apportés de la terre en quantité suffisante.

Pendant la phase d'installation, la base sera alimentée par un générateur thermoélectrique à radio-isotopes, qui sera éliminé à une distance sûre de la base lorsqu'il ne sera plus nécessaire.
L'électricité sera ensuite produite en même temps que l'eau dans un système d'énergie solaire concentrée (CSP) :
Des réflecteurs de poursuite à double axe seront placés sur des pics à l'extérieur du cratère et réfléchiront la lumière du soleil vers le même point près du camp. La chambre de chauffe placée là produira de la vapeur à haute pression, qui passera par une turbine et fera tourner ses pales ; ce mouvement de rotation sera converti en électricité par un générateur (expliqué dans un schéma ci-dessous).
Des panneaux solaires pourraient également être utilisés comme alternative pour réduire la complexité du système, mais cela diminuerait le rendement (seulement ~20% de rendement contre ~50% de rendement pour les turbines) et nécessiterait une plus grande surface.

Lorsqu'il s'agit de respirer, deux processus essentiels doivent être réalisés : la création d'O2 et l'épuration du CO2. L'azote (80% d'air) nécessaire peut être apporté de la Terre et ne sera pas consommé car c'est un gaz inerte.
L'oxygène sera fabriqué par électrolyse de l'eau. En appliquant une différence de tension à deux électrodes, nous pouvons diviser les molécules de H20 pour créer de l'hydrogène et de l'oxygène (un électrolyte doit être ajouté pour augmenter la conductivité de l'eau). L'hydrogène peut être stocké et utilisé ultérieurement comme carburant pour fusée.
L'épuration du dioxyde de carbone peut se faire à l'aide d'hydroxyde de lithium (LiOH), qui réagit avec le CO2 pour produire de l'eau, ou à l'aide d'amine maigre (MEA), qui absorbe le CO2 pour devenir de la MEA riche (qui peut ensuite être bouillie pour se débarrasser du CO2, ce qui la rend à nouveau maigre).
Pendant la phase de décantation et en cas de problème avec le processus d'électrolyse, des bougies à oxygène seront utilisées pour maintenir les niveaux d'O2 à un niveau stable de 20%.

D'abord et avant tout, Cartier IL'objectif du camp sera scientifique. Le camp permettra aux astronautes de mener des expériences et des recherches qui ne pourraient pas être effectuées sur Terre, comme le comportement de divers objets en basse gravité ou dans le vide. Ce sera également une occasion en or d'analyser en profondeur la composition du régolithe dans les cratères lunaires. Le camp aura également une importance dans le domaine de l'astrophysique : son point d'observation permettra aux astronautes d'observer des étoiles qui ne peuvent être vues depuis la Terre.

Notre camp lunaire servira également de point de départ pour la colonisation de l'espace. En effet, les vaisseaux spatiaux pourront se ravitailler en hydrogène gazeux créé par électrolyse, ce qui pourrait par exemple faciliter un voyage vers Mars.

Dans un futur potentiel, la base pourrait également avoir un objectif plus lucratif, comme la vente d'éléments de terres rares que l'on trouve facilement sur la lune, ou le développement du tourisme spatial.

Les astronautes se réveillent à 7 heures et ont une demi-heure à consacrer à leur hygiène et à leurs intérêts personnels.

À 7h30, l'équipage partage un petit-déjeuner dans le module d'habitation, où ils mangent à la fois des produits fabriqués sur la lune et des produits apportés de la terre pour garder une alimentation équilibrée. Un groupe de deux astronautes supervise ensuite le rover qui extrait le régolithe (pour en extraire plus tard l'eau) tandis que les deux autres astronautes s'occupent du jardin installé dans le module de serre et surveillent la croissance de la viande artificielle.

A 9h00, deux des astronautes quittent la base pour la maintenance des rovers et des infrastructures. Cela peut consister en de multiples tâches comme le nettoyage de certains instruments, la vérification de la productivité des générateurs ou l'intégrité du système de tuyauterie. Les deux autres astronautes restent dans la base pour effectuer certaines tâches afin de garantir le bien-être de l'équipage.

À 10h30, tous les astronautes se regroupent dans le module commun pour faire quelques exercices car la faible gravité à la surface de la lune peut affaiblir leurs muscles. Après une heure d'entraînement et trente minutes de repos, ils déjeunent et peuvent profiter de la nourriture qu'ils ont produite dans la base.

À 13 heures, l'équipage sort du camp pour observer les étoiles, qui sont bien visibles grâce à l'absence de pollution lumineuse. Les observations seront ensuite envoyées sur Terre où les scientifiques pourront les analyser plus en profondeur. Pendant le reste de l'"après-midi", les astronautes prélèvent des échantillons de régolithe et analysent leur composition dans le module de recherche, pour vérifier des paramètres comme la concentration en eau et réaliser diverses autres expériences. Ces résultats sont également envoyés sur Terre vers 18 h 30, après quoi les astronautes disposent d'un peu de temps libre pour se reposer.

À 19 heures, l'équipage se réunit dans le module de vie et prépare le programme du jour suivant. Ils dînent ensuite à 20 heures et disposent d'une heure de loisirs, pendant laquelle ils jouent généralement aux cartes, écoutent de la bonne musique ou lisent des livres. Ce temps libre est essentiel pour assurer leur bien-être mental et diminuer le stress qui s'accumule lorsqu'on vit dans l'espace.

Le reste de la soirée est ensuite consacré à l'hygiène et aux échanges avec la terre. Les astronautes se couchent vers 22h30 pour bénéficier d'une nuit complète de sommeil, en rêvant à l'immensité de l'espace et aux possibilités que demain leur réserve.