Construction d’un habitat spatial en classe Teach article

Traduit par Ivanhoé Merlin et Alix Chancerelle. Que faut-il pour vivre sur la Lune ou sur Mars ? Erin Tranfield suggère une activité d’enseignement interdisciplinaire afin d’en faire prendre conscience à vos élèves et d’enrichir leurs connaissances scientifiques par la même…

Concept artistique
représentant les probables
colonies lors des futures
missions sur Mars. Cliquer
sur l’image pour l’agrandir

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de NASA

La planète Terre peut répondre aux besoins basiques de billions d’organismes, y compris ceux des humains. L’oxygène dont nous avons besoin nous entoure, l’atmosphère nous protège des radiations, on trouve de l’eau potable dans les rivières et les lacs et de la nourriture à peu près partout.

Il existe sur Terre des cycles où des espèces utilisent les déchets produits par d’autres, de telle façon que ceux-ci ne s’accumulent pas : on peut citer l’exemple du cycle du carbone complexew1, où l’oxygène et le dioxyde de carbone sont alternativement produits et utilisés par des espèces végétales et animales.

La circulation des ressources recyclables à bord de la SSI
Image reproduite avec l’aimable autorisation de NASA

Ceci étant, il est impossible de répondre à ces besoins pour la survie humaine dans l’espace. Il nous faut donc emporter le nécessaire afin d’y vivre et d’y travailler. Il convient également de mettre en place des systèmes de traitement des déchets. Pour ce faire, il faut déjà limiter la quantité de matériel embarqué et fabriquer un équipement de secours (redondance de moyens).

Le poids du matériel doit être minimal du fait du prix très élevé du transport dans l’espace. Actuellement, transporter 1kg à la Station spatiale internationale (SSI) coûte 17000 $ (d’après le coût de lancement moyen de 450 millions $ et des navettes qui transportent une moyenne de 26 000 kg de cargaison en plus des astronautes). Transporter 1 kg sur la Lune ou sur Mars coûtera encore plus cher.

Photographie de la Terre
prise par l’astronaute de
l’ESA André Kuipers, par la
fenêtre de la capsule Soyouz

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de ESA

Au vu du prix et de la difficulté inhérente aux missions spatiales, chaque kilogramme doit être justifié. De plus, un équipement de secours est nécessaire pour chaque système de support de vie dans l’espace. Actuellement, il existe trois niveaux de cette redondance de moyens sur la SSI, au cas où les systèmes primaires tomberaient en panne et qu’un équipement de secours serait nécessaire.

Amener vos élèves à réfléchir sur la conception d’un habitat sur la Lune ou sur Mars est une bonne manière d’appréhender les défis que représentent la vie et le travail dans l’espace. C’est également une manière intéressante d’illustrer le rôle critique que tiennent les cycles dans la survie de tous les organismes sur Terre. Cette activité s’adresse aux élèves de tous âges (voir ci-dessous les suggestions pour les groupes d’âges différents).

L’introduction à cette activité va durer environ 2 heures. Comptez-en au minimum 2 de plus pour concevoir l’habitat, durée qui pourra varier en fonction de sa complexité. La construction peut prendre de 5 à 15 heures en fonction du nombre d’élèves et de l’envergure du projet. Rien ne les empêche d’y consacrer encore plus de temps, si cela leur plaît.

Envoyez une photo de votre habitat terminé à editor@scienceinschool.org et nous publierons une sélection des photos sur le site de Science in School.

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de Luc
Viatour; source de l’image :
Wikimedia Commons

Conception de l’habitat spatial

Demandez à vos élèves de réfléchir d’abord sur les besoins des humains pour survivre et travailler efficacement sur Terre. Comment y répondre dans l’espace ? Comment bâtir des infrastructures dans l’espace qui soient efficaces, légères et durables ? Vous trouverez un grand nombre d’idées en vous reportant à la boîte ci-dessous qui contient des liens vers d’autres ressources, dont l’Agence spatiale européennew2. De plus amples informations sont téléchargeables sous forme de documents PDF et Word®w3.

Les élèves peuvent maintenant commencer à concevoir et même construire leur propre habitat spatial. Ils devront tout d’abord décider du lieu où construire cet habitat, Mars ou la Lune, puisqu’en effet les exigences de conception y diffèrentw4.

Ils ne doivent pas oublier que la Lune subit de plus grands changements de température et ne possède pas d’atmosphère, mais qu’elle se trouve plus près de la Terre. Mars, quant à elle, possède une température plus modérée ainsi qu’une atmosphère, mais se trouve bien plus loin de notre planète ; un habitat martien devra donc être plus autonome.

Un habitat gonflable de 16 m de diamètre comme celui-ci peut répondre aux besoins d’une douzaine d’astronautes vivant et travaillant à la surface de la Lune. L’image représente des astronautes en plein exercice, un centre des opérations de la base, un véhicule lunaire pressurisé, une petite salle aseptisée, un laboratoire de sciences de la vie entièrement équipé, un atterrisseur lunaire, un travail de sélénologie (géologie lunaire), des jardins hydroponiques, un carré et des logements privés pour l’équipage, des dépoussiéreuses pour les travaux à la surface de la Lune et un sas
Image reproduite avec l’aimable autorisation de NASA

Activités pour les élèves de 7 à 10 ans

  1. Commencez par discuter de ce dont les humains ont besoin pour survivre puis dressez ensuite la liste de ce dont ils auraient besoin dans l’espace. Qu’est-ce qui est essentiel à la survie, que peut-on éliminer pour économiser du poids et de l’argent ?
  2. Discutez de l’importance de ces besoins pendant les phases de conception et de construction. Choisissez deux nécessités auxquelles un habitat doit répondre (dans la liste ci-dessous et incorporer-les à la conception de cet habitat (celui-ci devra accueillir au moins deux personnes).
  3. Fabriquez une maquette avec du carton et de la bande adhésive résistante. La maquette peut avoir la taille de la pièce ou simplement celle d’un plateau de table. Les sites du Worldflower Garden Domew5 et du Geo-Domew6 peuvent vous être utile lors de la conception de ce projet. Vous pouvez décorer l’habitat pour le rendre plus chaleureux, en y mettant de la couleur ou des fenêtres.
  4. Faites un tour de table pour voir ce que chacun emporterait s’il ne pouvait embarquer qu’un objet personnel (une photo de famille, un CD ou un livre par exemple).

Activités pour les élèves de 10 à 14 ans

  1. Faites la même chose qu’avec le groupe précédent, mais demandez cette fois aux élèves de choisir 4 à 6 besoins auxquels un habitat spatial (pour au moins 4 personnes) doit répondre (reportez-vous à la boîte ci-dessous).
  2. Prenez davantage en considération le poids de l’habitat et les coûts associés au projet.
Un avant-poste sur la Lune
pourrait produire de l’oxygène lunaire, mener des opérations de surface de longue durée et déterminer les problèmes éventuels avant que soit entamé un voyage sur Mars. La proximité de la Lune par rapport à la Terre (quelques jours de voyages seulement) permet de tester des systèmes visant à effectuer des allers-retours de plusieurs mois vers Mars

Image reproduite avec l’aimable autorisation de Pat Rawlings and Faisal Ali / SAIC
Vue d’artiste d’une mine
lunaire extrayant de
l’oxygène du sol volcanique
de la Mare Serenitatis (mer
de la Sérénité), riche en
ressources. Cliquer sur
l’image pour l’agrandir

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de NASA
/ Pat Rawlings (SAIC)

Activités pour les élèves de 14 à 19 ans

  1. La démarche est identique à celle suivie par le premier groupe, cependant les élèves réunis en petits groupes utiliseront un logiciel de modélisation 3Dw7 au lieu d’une maquette en carton pour visualiser leur projet d’habitat. 8 besoins (voir la boîte ci-dessous) devront être pris en compte pour cet habitat qui accueillera 4 personnes.
  2. Dressez une liste des différentes technologies dont vous aurez besoin, comme un électrolyseur (pour produire de l’oxygène à partir de l’eau) ou un réacteur de Sabatier pour transformer le CO2 en méthane et en eauw8, une technologie actuellement en phase de test à la SSIw9.
  3. Pensez à introduire des fonctionnalités propices au bien-être comme des fenêtres, mettre de la couleur et installer des zones de détente.
  4. Comparez les productions des différentes équipes et voyez si les plans plaisent à tout le monde. Il est probable que quelques avis diverger. Voyez alors comment concevoir un habitat destiné à des résidents de cultures différentes.
 

Que prendre en compte lors de la conception d’un habitat spatial

Besoins terrestres

De quoi a-t-on besoin chaque jour sur Terre ?

  • D’une protection contre les intempéries, à savoir un toit et des vêtements
  • D’une eau potable et d’un environnement propre
  • D’un air respirable
  • D’aliments nutritifs
  • De soins médicaux
  • D’un temps de sommeil et de loisirs suffisants
  • De bien-être physique.

Besoins dans l’espace

Un grand nombre des besoins nécessaires à la survie dans l’espace sont similaires à ceux sur Terre, mais d’autres sont bien spécifiques à ce nouvel environnement.

  • Une protection contre les radiations, les micrométéorites, la poussière, le vide spatial et les températures extrêmes.
  • Une réduction drastique de l’utilisation de l’eau, la récupérer et la recycler davantagew10. Cette réduction concerne les installations sanitaires qui utilisent très peu d’eau, et ceci pour en fournir assez aux astronautes pour se laver, laver leurs vêtements et pour les toilettes.
  • De l’air respirable, soit en le recyclant (provision d’oxygène et de dioxyde de carbone, élimination des produits contaminants), soit en en produisant du nouveauw11
  • Des aliments nutritifs qui seront amenés, entreposés ou produits dans l’habitat
  • Des infrastructures médicales pour des problèmes mineurs (coupures, rougeurs, infections, maux de dents et mal des transports) et plus graves (os cassés, calculs rénaux et crises cardiaques)
  • Des quartiers de repos
  • Des installations sportives pour maintenir sa forme physique (exercices pour le cœur et l’ossature, musculation) grâce à des installations sportives
  • Des systèmes de régulation destinés à compenser les températures extrêmes. En effet, la température en surface sur la Lune peut descendre jusqu’à -270 °C au niveau des pôles, dans les cratères qui ne sont jamais exposés à la lumière. Elle peut monter jusqu’à 121 °C en plein soleil au niveau équatorialw12
  • Des systèmes de communication, pour contacter aussi bien le contrôle de la mission que famille et amis sur Terre
  • Un recyclage et une évacuation des déchets liquides (urine) et solides (ordures, matière fécale)w10, w11, w13. Cette mission doit être effectuée sous l’encadrement d’une protection à l’échelle planétairew14
  • Une surveillance des systèmes de support de vie (contrôle de la qualité de l’air et de l’eau, mesures des doses de radiations)
  • Une cuisine pour y préparer et y manger les repas
  • Des zones de travail pour y faire des expériences (géologie, biologie, chimie, etc.). Ces besoins justifient une exploration spatiale de longue durée.

On a pu retrouver une grande partie de ces éléments dans la conception de la SSI. Pour plus de détails, reportez-vous à Hartevelt-Velani & Walker (2008).

Prolongement possible : la psychologie

Tout équipage en mission longue durée, notamment sur Mars, va se retrouver isolé de ses proches et confiné dans un espace réduit en compagnie des autres membres. L’entraînement en matière de gestion de conflits est donc essentiel, puisque cela permet de mieux comprendre comment les humains répondent à une situation stressante dans un espace réduit pendant une longue duréew15.

L’état mental de chaque individu est très important, car il va affecter celui du groupe et, par extension, le succès de la mission. Il est donc important d’assurer un soutien mental efficace à l’équipage.

Sur Terre, le bien-être passe par des interactions sociales afin d’être heureux et productif. Pour y arriver, un habitat spatial doit pouvoir, en plus des points cités précédemment :

  • Assurer la vie privée de chaque membre, et ce en dépit de l’espace restreint
  • Comporter un espace commun pour l’interaction et la détente
  • Avoir de la couleur, sélectionnée au préalable par chaque membre de l’équipage
  • Héberger d’autres êtres vivants, comme des plantes ou un poisson. Pourrait-il y avoir des problèmes d’ordre éthique ?
  • Comporter des fenêtres. Avoir une vue sur l’extérieur est un facteur psychologique très important. Cela risque de poser davantage de problèmes sur Mars que sur la Lune, puisque la Terre ne ressemblera qu’à une étoile parmi d’autres.

Pour en apprendre plus sur la vie à bord de la SSI, pour laquelle ces facteurs sont importants, reportez-vous également à Hartevelt-Velani et al. (2008).

Contraintes de conception

Lors de la conception d’un habitat spatial, il est important :

  • Qu’il soit sûr (le facteur le plus important)
  • Qu’il soit robuste (solide, fiable, durable, maintenance minimale)
  • Qu’il soit léger (un réfrigérateur pèse en moyenne 100 kg et n’est manifestement pas une option dans un habitat spatial)
  • Que l’on puisse le faire décoller (les différents éléments doivent pouvoir intégrer le corps de la fusée tout en répondant à des exigences de poids, de forme, et d’énergie)
  • Qu’il soit efficace (il doit faire ce pour quoi il a été conçu)
  • Qu’il soit abordable (l’exploration spatiale coûte cher, toute possibilité de réduction de coûts sans nuire à la performance ni à la sécurité doit être envisagée)

 

Conception d’un habitat qui fonctionne

Comment répondre aux besoins d’un habitat spatial en dépit des contraintes imposées ? Il s’agit de :

  • Commencer par les éléments essentiels en utilisant un système de construction modulaire, puis ajouter des « pièces » nécessaires à des buts précis (espace de recherche, de la place pour plus de membres d’équipage)
  • Développer une technologie afin d’exploiter les ressources sur la Lune ou sur Mars, comme fabriquer des briques ou du ciment lunaires ou utiliser les grottes martienne souterraines pour les habitats
  • Recycler (l’air, l’eau, les déchets, les pièces du module d’atterrissage pour les utiliser dans la construction, l’oxygène et l’hydrogène contenus dans le carburant supplémentaire de la fusée pour la production d’eau)
  • Miniaturiser les choses autant que possible, standardiser tous les outils et les connectiques, etc.
  • Rendre les zones polyvalentes, comme une table à dîner qui se replie pour laisser la place à d’autres utilisations.

Remerciements

L’auteur souhaiterait remercier Scott Hovland de l’ESA pour ses précieux conseils et commentaires.

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References

Web References

  • w1 – Pour en apprendre plus sur le cycle du carbone, rendez-vous sur le site Windows to the Universe (en anglais et en espagnol uniquement) : www.windows2universe.org/earth/Water/co2_cycle.html
  • w2 – L’ESA (European Space Agency, c’est-à-dire l’Agence Spatiale Européenne) est la passerelle européenne vers l’espace. Elle est membre de l’EIROforum qui publie le magazine Science in School. Pour plus d’informations, rendez-vous sur : www.esa.int
  • w3 – Pour aider les enseignants à mettre en place cette activité, des informations complémentaires peuvent être téléchargées en PDF ou en document Word® .
  • w4 –Pour plus d’informations sur notre système solaire, rendez-vous sur : http://solarsystem.nasa.gov (en anglais uniquement)
  • w5 – Le site Worldflower Garden Domes met à disposition un mode d’emploi pour construire un dôme en papier s’inspirant du footballène. Rendez-vous sur : www.gardendome.com/GD1.htm (en anglais uniquement)
  • w6 – Le site Geo-Dome propose plusieurs modes d’emploi pour construire un dôme géodésique : www.geo-dome.co.uk/article.asp?uname=modelbuild (en anglais uniquement)
  • w7 – Pour obtenir une liste de logiciels gratuits de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) , rendez-vous sur : www.freebyte.com/cad/cad.htm (en anglais uniquement)
  • w8 – Pour en savoir plus sur l’utilisation de la réaction de Sabatier pour les missions sur Mars, consultez l’article suivant :
    • Richardson JT (2000) Improved Sabatier reactors for in situ resource utilization on Mars. In Institute for Space Systems Operations – 1999-2000 Annual Report. Pp 84-86. Houston, Texas, USA: University of Houston. www.isso.uh.edu/publications/A9900/mini-richardson.htm (en anglais uniquement)
  • w9 – En 2010, un système de Sabatier a été envoyé sur la Station Spatiale Internationale pour y être testé. Retrouvez le communiqué de presse de la NASA sur www.nasaspaceflight.com ou directement sur : http://tinyurl.com/3su8p26 (en anglais uniquement)
  • w10 – Retrouvez une animation interactive expliquant le circuit de recyclage de l’eau à bord de la SSI sur : http://esamultimedia.esa.int/docs/issedukit/en/html/t030505t1.html
  • w11 – Pour en apprendre plus sur la circulation des ressources recyclables à bord de la SSI, et plus particulièrement sur le circuit de l’air, rendez-vous sur : http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast13nov_1 (en anglais uniquement)
  • w12 – Retrouvez des fiches d’informations sur les planètes et leurs satellites sur : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/planetfact.html (en anglais uniquement)
  • w13 – Pour obtenir plus d’informations sur les systèmes de support de vie et de recyclage de l’ESA et retrouver les supports pédagogiques concernant le projet MELISSA, rendez-vous sur : http://ecls.esa.int/ecls (en anglais uniquement)
  • w14 – FPour obtenir plus d’informations sur les procédés créés par la NASA visant à réduire les risques de contamination biologique croisée, rendez-vous sur : http://planetaryprotection.nasa.gov (en anglais uniquement)
  • w15 – Le but du programme Mars500 était de comprendre les effets physiologiques et psychologiques clés d’une isolation de longue durée et les dynamiques de groupe. Pour en savoir plus, rendez-vous sur : www.esa.int/esaMI/Mars500 (en anglais uniquement)
  • w16 – Le rapport Luna Gaia – a closed loop habitat for the moon est disponible en téléchargement sur www.isunet.eduw17 ou en suivant directement ce lien : http://tinyurl.com/69bjugb (en anglais uniquement)
  • w17 – Pour en apprendre plus sur l’Université Internationale de l’Espace (ISU, pour International Space University), rendez-vous sur : www.isunet.edu (en anglais uniquement)

Resources

  • La NASA a développé un module d’apprentissage par la résolution des problèmes sur les habitats spatiaux. Il commence par une activité d’introduction autour du concept de « pièce close » puis propose quatre domaines d’étude : « Vivre dans un environnement clos », « Santé et exercice », « Air et eau » et « Détritus ou bonus » qui permettent de découvrir les écosystèmes, la nutrition et l’entretien physique, le recyclage de l’eau et de l’air et la gestion des déchets. Rendez-vous sur: www.nasa.gov/audience/foreducators/son/habitat (en anglais uniquement)
  • Le projet CoReflect, fondé par l’UE, a développé un outil pédagogique pour les 10-12 ans qui leur permet de concevoir une habitation pour vivre sur la Lune. Rendez-vous sur : www.coreflect.org/nqcontent.cfm?a_id=15089 (en anglais et néerlandais uniquement)
  • Pour obtenir plus d’informations sur une potentielle mission habitée sur Mars, rendez-vous sur : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/mars/mars_crew.html (en anglais uniquement)
  • Les kits pédagogiques SSI sont disponibles gratuitement pour les élèves âgés de 8 à 10 ans et de 12 à 15 ans dans toutes les langues des États membres de l’ESA. Ils proposent entre autres des activités pédagogiques et des informations complémentaires à destination des enseignants et des élèves.
  • Le kit pédagogique SSI pour les élèves de 8 à 10 ans comprend des activités de construction d’un modèle de la SSI à partir de déchets ménagers recyclés, de planification de la quantité d’eau et du poids des produits devant être emportés lors d’une mission dans l’espace, ou de préparation d’un menu pour astronaute. Rendez-vous sur : www.esa.int/SPECIALS/Education/SEMN3A5KXMF_0.html
  • Le kit pédagogique SSI pour les élèves de 12 à 15 ans comprend des vidéos, des lectures complémentaires et des documents interactifs en ligne concernant la construction de la SSI ainsi que la vie et le travail à bord. Il propose également des activités de classe : rechercher des informations sur l’eau du robinet et la filtrer ; concevoir une salle de bains pour station spatiale ; étudier l’impact de l’environnement sur les matériaux ; concevoir et construire une boîte à gants identique à celle utilisée lors des expériences à bord de la SSI. Rendez-vous sur : www.esa.int/SPECIALS/Education/SEMTBS4KXMF_0.html
  • Pour les élèves âgés de 12 à 18 ans, des DVD éducatifs sur la SSI, réalisés avec l’aide des astronautes européens durant leurs missions à bord de la station, expliquent simplement les concepts de base tels que les effets de l’apesanteur sur le corps humain. Les documents peuvent être téléchargés gratuitement ou commandés en DVD. Rendez-vous sur : www.esa.int/esaHS/SEMZTFYO4HD_education_0.html
  • Les documents pédagogiques de l’ESA sur la SSI incluent également l’outil 3D « Spaceflight challenge I » pour les élèves de l’enseignement secondaire. Il peut être utilisé comme jeu de rôle d’aventure ou constituer un ensemble d’exercices interactifs. Il offre des sujets scientifiques faisant partie des programmes européens qui comprennent des explications scientifiques et des informations complémentaires. Pour télécharger le logiciel ou commander une copie gratuite, rendez-vous sur : www.esa.int/esaHS/SEM3TFYO4HD_education_0.html (outil disponible en français)
  • L’ESA met à disposition des « cours en ligne » pour les élèves de l’enseignement primaire et secondaire et leurs enseignants, qui comprennent des textes, de petites vidéos et des graphiques. Les sujets traités incluent « Vivre dans l’espace », « Radiation », « Gravitation et apesanteur » et « Les insectes dans l’espace ». Rendez-vous sur : www.esa.int/SPECIALS/Lessons_online (en anglais uniquement)
  • Survolez la planète Mars avec Google Mars : www.google.com/mars Voici une sélection des articles sur l’espace parus dans Science in School :

Author(s)

Erin Tranfield a obtenu son doctorat en mai 2007 au département de pathologie et de médecine de laboratoire à l’Université de Colombie-Britannique à Vancouver au Canada. Elle a ensuite étudié les effets de la poussière lunaire sur la physiologie et la pathologie humaines à l’Ames Research Center de la NASA situé à Moffett Field aux États-Unis. Erin travaille actuellement sur la reconstruction tridimensionnelle du fuseau mitotique au moyen de la tomographie électronique haute résolution au sein du laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) basé à Heidelberg en Allemagne.

Erin a participé à la rédaction du rapport de recherche Luna Gaia – a closed loop habitat for the moonw16 réalisé par les étudiants de l’Université Internationale de l’Espace (ISU)w17 en 2006. Elle y enseigne maintenant à temps partiel et tiendra le rôle de présidente du département de science de la vie dans l’espace lors du programme d’études spatiales qui aura lieu sur une période de deux mois durant l’été 2011 à Graz en Autriche.


Review

Les enseignants en sciences se retrouvent parfois face à deux difficultés : rendre la science pertinente aux yeux des élèves et avoir une approche intégrée de la matière. Cette activité offre une solution simple à ces problèmes.

Pour construire l’habitat spatial, les élèves doivent se pencher sur leurs besoins quotidiens, évaluer l’importance de ceux-ci et trouver des solutions possibles (pertinence de la science) en s’appuyant sur leur connaissance des différents domaines de la science (approche intégrée). L’activité étant nouvelle, je pense qu’elle peut susciter beaucoup d’intérêt et d’enthousiasme parmi les élèves. C’est bien sûr un avantage, mais cela nécessite aussi un bon encadrement de l’activité afin qu’elle soit réalisée dans un délai raisonnable.

L’activité peut être mise en place lors de cours intégrés de sciences ou permettre de combiner différentes matières scientifiques. Si tous les élèves n’étudient pas les mêmes matières, des équipes hétérogènes peuvent être formées en fonction des enseignements de chacun. Bien que le but de l’activité soit l’étude des besoins vitaux, elle peut aussi faire l’objet d’un échange sur les aspects culturels et comportementaux qu’engendre la vie à plusieurs dans un espace confiné.

L’activité peut prendre la forme d’un projet plus long et plus poussé, comme une compétition entre plusieurs équipes. Celles-ci devront par exemple respecter plusieurs critères : poids et taille maximum de l’habitat, nombre d’individus pouvant y vivre, durée de la mission. Les autres élèves peuvent désigner l’habitat qui respecte au mieux les critères imposés.


Paul Xuereb, Malta




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