A nossa base Cartier I tenta apresentar um modelo preciso para um povoado lunar realista. O primeiro passo na nossa abordagem a este desafio foi enumerar todos os problemas que teriam de ser resolvidos. Encontrámos o seguinte: construção, localização, necessidades vitais (alimentos, água, ar), energia, segurança (radiação, calor, deficiências de saúde), e utilidade. O que faz sobressair a nossa solução é a elevada extensibilidade, facilidade de instalação, e autonomia que Cartier I teria.

A primeira expedição seria liderada por quatro astronautas, que trariam consigo todos os recursos de construção.

• Durante a fase de colonização (2-4 semanas para as estruturas principais, 6-8 semanas para a autonomia alimentar), os astronautas construirão a base (mais adiante explicada) e instalarão as principais infra-estruturas como a extracção de água e a produção de energia.
• Uma vez que os pioneiros se tenham estabelecido e a base seja autónoma, mais operações podem ser levadas a cabo para expandir ainda mais a base, o que poderia tornar-se numa povoação em grande escala habitada por uma dúzia de astronautas de cada vez, uma vez que os módulos são especialmente concebidos para facilitar a expansão.

Criámos um modelo CAD esquematizando o esboço básico do nosso campo lunar; é composto pelos quatro módulos habitáveis e pela maioria das infra-estruturas externas (extracção/armazenamento de água e produção de energia) que Cartier I teria feito durante a 1ª expedição. Os esquemas abaixo explicam em detalhe a configuração da base e todos os módulos individuais, bem como os sistemas de produção de água e electricidade.

Decidimos colocar o povoado directamente no fundo de uma cratera, cujas paredes serviriam de escudo solar eficaz (isto também elimina o desafio do transporte de gelo). Quanto à escolha da cratera, muitos critérios devem ser correspondidos: sombra perpétua no fundo, iluminação forte e frequente na borda, e boas concentrações de gelo de água. Outras vantagens poderiam incluir o tamanho da cratera (influencia o tempo de viagem), a sua proximidade a outros locais de interesse, e a sua orientação para regiões potencialmente desconhecidas do espaço.

De acordo com dados da expedição Chandrayaan-1, a água está mais presente em torno dos pólos da lua, que é portanto onde a nossa base é mais provável que esteja. A falta de dados precisos para crateras específicas impede-nos de dar uma resposta definitiva, mas os potenciais candidatos incluem a cratera Shackleton (com picos iluminados para ~94% do ano), a cratera Whipple (com uma espessa camada de gelo prevista), ou a cratera Peary (que é bastante rasa).

Planeamos utilizar o casco do foguete como o esqueleto principal da base. Quando o foguetão atingir a órbita da lua, irá desmontar em quatro secções que aterram independentemente. Estas quatro secções cilíndricas constituirão os quatro módulos vivos que os astronautas necessitarão para esta primeira expedição: um módulo vivo, um módulo comum (& desportivo), um módulo de estufa, e um módulo de investigação (ver esquemas abaixo).

Uma vez que o influxo de calor da radiação pode ser ignorado, o único isolamento térmico necessário é para a perda de calor devido à radiação (da base - para o exterior) e condução através do solo. Isto pode ser feito utilizando isolamento multicamadas - com Kapton ou Mylar - para ressaltar a radiação e espessando a parte do casco em contacto com o solo. Também são concebíveis módulos insufláveis, desde que a sua base em contacto com o solo seja também feita de material isolante espesso.

A utilização da estrutura do foguete reduzirá drasticamente o tempo de construção, uma vez que a única construção necessária será para ligações entre os módulos, infra-estruturas exteriores, e mobiliário interior. As infra-estruturas serão montadas a partir de peças pequenas ou médias construídas na Terra; a baixa gravidade facilitará o transporte das peças maiores.

Pouco depois de chegar, a equipa viajará para o exterior da cratera a fim de instalar os deflectores solares e a antena de comunicação. Esta será uma das únicas vezes que precisarão de percorrer grandes distâncias (excepto para manutenção ocasional), uma vez que o campo é de outro modo compacto.

Os perigos a que os astronautas poderiam estar expostos podem ser classificados em três categorias.

Primeiro, questões ambientais: como explicado anteriormente, a radiação geralmente nociva do espaço nunca chegará aos astronautas no fundo da cratera, pelo que este problema pode ser eliminado. Os meteoritos, por outro lado, poderiam potencialmente chegar ao campo; contudo, cálculos rápidos (comparando com a quantidade que atinge a atmosfera terrestre) mostram que a probabilidade de um meteorito danificar um módulo ou um astronauta é insignificante.

Segundo, deficiências de saúde: os astronautas apenas experimentarão um sexto da gravidade da Terra, o que resultará em perda muscular. Para contrariar isto, os astronautas passarão por uma rotina de treino diário com máquinas adaptadas ao trabalho em baixa gravidade (elásticos para puxar a pessoa para baixo, resistência magnética, etc.).

Em terceiro lugar, problemas técnicos ou acidentes. Todos os módulos são selados por portas herméticas e não serão afectados se um se partir; parâmetros como temperatura ou composição do ar serão constantemente monitorizados para evitar acidentes.

Durante a fase de colonização, os astronautas dependerão de um pequeno abastecimento de água trazida da Terra. Uma vez instaladas as infra-estruturas principais, a água será extraída do rególito num processo de 3 etapas.
O primeiro passo é a escavação: uma mina de regolito de um rover retira pedaços de regolito e leva-os para uma câmara de calor.
O segundo passo é a extracção: Utilizando energia solar, a câmara é aquecida a cerca de 600K, forçando a água a sublimar e a aumentar a pressão do tanque.
O terceiro e último passo é o transporte: depois de passar por uma turbina (ver secção de electricidade), o vapor de água condensa-se num sistema de tubagem que conduz à cisterna de água. Um regulador controlará a pureza da água para se certificar de que é potável; se necessário, pode ser mais purificada.
Para evitar desperdícios, a água será reciclada de forma semelhante à do ISS: de astronauta/planta transpiração, urina, duche, e sumidouro.

Os alimentos serão produzidos no módulo de estufa (ver esquemas abaixo).
Os vegetais serão produzidos em sistemas aeropónicos e hidropónicos que utilizam água enriquecida com nutrientes (os nutrientes podem ser sintetizados a partir de KREEP extraído, ou fornecimentos concentrados trazidos da Terra). No sistema aeropónico, as raízes das plantas serão pulverizadas com uma névoa contendo todos os nutrientes de que necessita; nos hidropónicos, a ponta das raízes banhar-se-á na solução (Rockwool ou Perlite pode ser utilizado como meio de crescimento). As plantas serão escolhidas em termos de rendimento da cultura, tempo de crescimento e valor nutricional (as plantas de crescimento rápido incluem couve, feijão, alface, tomate, bagas, etc.). Crescerão num ambiente controlado para receberem a intensidade/ comprimento de onda ideal de luz, e temperatura.
A carne artificial será "cultivada" através do banho de células estaminais num meio nutritivo para criar proteínas.
Outros suplementos alimentares não perecíveis serão trazidos da terra em quantidades suficientes.

Durante a fase de assentamento, a base será alimentada por um gerador termoeléctrico de radioisótopos, que será eliminado a uma distância segura da base quando já não for necessário.
A electricidade será então produzida em conjunto com a água num sistema de energia solar concentrada (CSP):
Os reflectores de duplo eixo serão colocados em picos fora da cratera e reflectirão a luz solar em direcção ao mesmo ponto perto do campo. A câmara de aquecimento ali colocada produzirá vapor de alta pressão, que passará por uma turbina e girará as suas lâminas; este movimento de girar será convertido em electricidade por um gerador (explicado num esquema abaixo).
Os painéis solares também poderiam ser utilizados como alternativa para reduzir a complexidade do sistema, mas isto diminuiria o rendimento (apenas ~20% eficiência contra ~50% eficiência para turbinas) e exigiria uma superfície maior.

Quando se trata de respirar, há dois processos essenciais que devem ser levados a cabo: a criação de O2 e a purificação de CO2. O nitrogénio (80% do ar) necessário pode ser trazido da Terra e não será consumido, uma vez que é um gás inerte.
O oxigénio será feito através de electrólise da água. Aplicando uma diferença de tensão a dois eléctrodos, podemos dividir as moléculas de H20 para criar hidrogénio e oxigénio (deve ser adicionado um electrólito para aumentar a condutividade da água). O hidrogénio pode ser armazenado e posteriormente utilizado como combustível para foguetes.
A depuração do dióxido de carbono pode ser feita utilizando hidróxido de lítio (LiOH), que reage com o CO2 para produzir água, ou utilizando amina magra (MEA), que absorve o CO2 para se tornar MEA rica, (pode então ser fervida para se livrar do CO2 que o torna novamente magro).
Durante a fase de colonização e se ocorrer um problema com o processo de electrólise, serão utilizadas velas de oxigénio para manter os níveis de O2 a um nível estável de 20%.

Em primeiro lugar e acima de tudo, Cartier Iserá um objectivo científico. O campo permitirá aos astronautas conduzir experiências e investigações que não puderam ser feitas na Terra, tais como o comportamento de vários objectos em baixa gravidade ou no vazio. Esta será também uma oportunidade de ouro para analisar em profundidade a composição do rególito em crateras lunares. O campo terá também uma importância no campo da astrofísica: o seu ponto de vantagem permitirá aos astronautas observar estrelas que não podem ser vistas da Terra.

O nosso campo lunar servirá também como ponto de passagem para a colonização do espaço. De facto, as naves espaciais poderão reabastecer-se com o gás hidrogénio criado a partir da electrólise, o que poderá, por exemplo, facilitar uma viagem a Marte.

Num futuro potencial, a base poderia também ter um objectivo mais lucrativo, como a venda de elementos de terras raras que podem ser facilmente encontrados na lua, ou através do desenvolvimento do turismo espacial.

Os astronautas acordam às 7:00 e têm meia hora para se dedicarem à sua higiene e interesses pessoais.

Às 7:30, a tripulação partilha um pequeno-almoço no Living Module, onde come tanto produtos produzidos na lua como produtos trazidos da terra para manter uma dieta equilibrada. Um grupo de dois astronautas supervisiona então o rover enquanto este extrai o regolito (para mais tarde extrair a sua água) enquanto os dois astronautas restantes cuidam do jardim instalado no módulo estufa e monitorizam o crescimento da carne artificial.

Às 9:00, dois dos astronautas deixam a base para a manutenção dos rovers e das infra-estruturas. Isto pode consistir em múltiplas tarefas como a limpeza de alguns dos instrumentos, a verificação da produtividade dos geradores ou a verificação da integridade do sistema de tubagem. Os outros dois astronautas permanecem na base para fazer algumas tarefas de modo a garantir o bem-estar da tripulação.

Às 10:30, todos os astronautas reagrupam-se no módulo comum para fazer alguns exercícios, uma vez que a baixa gravidade na superfície da lua pode enfraquecer os seus músculos. Após uma hora de treino e trinta minutos de descanso, almoçam e podem desfrutar da comida que produziram na base.

Às 13:00, a tripulação sai do campo para observar as estrelas, que são claramente visíveis graças à ausência de poluição luminosa. A observação será então enviada para a Terra, onde os cientistas poderão analisá-las com maior profundidade. Durante o resto da "tarde", os astronautas recolhem amostras de regolitos e analisam a sua composição no módulo de investigação, para verificar parâmetros como a concentração da água e realizar várias outras experiências. Estes resultados são também enviados para a Terra por volta das 18:30, após o que os astronautas obtêm algum tempo livre para descansar.

Às 19:00, a tripulação reagrupa-se no Módulo Vivo e prepara o horário do dia seguinte. Depois jantam às 20:00 e têm uma hora de lazer, durante a qual costumam jogar às cartas, ouvir óptimas músicas ou ler livros. Este tempo de lazer é essencial para assegurar o seu bem-estar mental e diminuir o stress que se acumula quando vivem no espaço.

O resto da noite é então dedicada à higiene e à troca com a terra. Os astronautas vão para a cama por volta das 22:30 para terem uma noite de sono completa, sonhando com a imensidão do espaço e as possibilidades que o amanhã reserva.