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La colonisation de Mars
Du rêve à la réalité (I) Le World Space Congress qui organise les conférences du COSPAR (Committee on Space Research) et de l’IAF (International Astronautical Federation) ainsi que programme Innovative Advanced Concepts (NIAC) de la NASA ont déjà posé les premiers jalons de l'exploration de la Lune, de Mars et des astéroïdes et leur exploitation à des fins scientifiques. Mais si la Lune est déjà un objectif difficile à atteindre dans tous les sens du terme, comme on dit Mars c'est une autre affaire car envisager un voyage vers la planète Rouge soulève immédiatement plusieurs problèmes majeurs dans l'esprit des spécialistes. En 1973, à la fin du programme Apollo, Wernher von Braun alors chargé par la NASA des programmes spatiaux à long terme déclara à un journaliste "d'ici 10 ans, nous pourrions déposer un homme sur Mars" - soit dès 1985 - mais à condition de disposer des ressources nécessaires, à savoir d'un budget au moins équivalent au programme Apollo et d'une fusée Saturn V à moteur atomique pour disposer d'une puissance suffisante. En fait il en eut l'idée dès 1953 dans son livre "Project Mars : A Technical Tale". Bien entendu, les aléas de la politique américaine ne lui ont jamais permis de concrétiser son projet. Un demi-siècle plus tard rien n'a changé, et pour cause. Explications. Mission à haut risque 1. La distance Mars n'est pas la porte d'à côté. En effet, lors des oppositions idéales, notre plus proche voisine se situe tout de même à 55.8 millions de km soit 0.373 UA de la Terre. Si nous voulons tirer avantage de cette proximité toute reative, compte tenu des positions et des vitesses différentes de Mars et de la Terre, comme on le voit ci-dessous à droite, il faut prendre en compte que pendant le voyage Mars se déplaçera sur son orbite à une vitesse moyenne de 24 km/s soit 86400 km/h. Par comparaison, lors de son passage au périhélie en 1986, la comète de Halley se déplaça à 54 km/s et la sonde Giotto est tout de même parvenue à la rattraper comme d'autres sondes spatiales le firent avec d'autres comètes. La prouesse technique est donc à la portée des ingénieurs en astronautique.
En examinant les configurations planétaires d'un point de vue héliocentrique et sachant que Mars se situe en moyenne à 227.9 millions de kilomètres du Soleil, même en déterminant la trajectoire la plus courte pour y arriver depuis la Terre (ou la Lune) il faut tout de même parcourir... 490 millions de kilomètres, soit environ 1300 fois la distance qui nous sépare de la Lune ! Avec la technologie actuelle des propulseurs cryogéniques LOX ou à énergie nucléaire thermique, le voyage durerait entre 6 et 9 mois pour un séjour de plusieurs mois, par exemple 6 mois, le temps nécessaire pour attendre la prochaine fenêtre de lancement vers la Terre. Cela posera déjà des problèmes de logistique car on ne peut pas embarquer tous les moyens de survie qu'on souhaiterait du fait que chaque kilo embarqué est une charge pour la fusée et autant de masse à extraite de l'attraction terrestre. Ensuite il faut compter au moins 240 jours soit près de 8 mois pour le retour. Au total, entre le décollage et l'atterrissage sur Terre, une mission martienne durera entre 20 mois minimum et 3 ans. Un vaisseau spatial de cette classe comme le MTV ou MAGTV (Mars Artificial Gravity Transfer Vehicle) présenté ci-dessous à droite reviendrait à 1 milliard de dollars. Par comparaison, chaque vol de la fusée Saturn V coûta 430 millions de dollars (en 1967) soit 3.4 milliards de dollars actualisés (en 2021) et 17 fois plus en développement. Peut-on voyager plus vite et pour moins cher ? Certainement mais pas tout de suite. Sans considérer des idées chimériques, avec un moteur électromagnétique comme l'EmDrive (mais aux performances remises en questions) on pourrait atteindre Mars en 70 jours. On pourrait faire le voyage en 45 jours comme le proposent Emmanuel Duplay et ses collègues de l'Université McGill de Montréal, au Canada, grâce à une propulsion laser thermique de 100 MW (cf. E.Duplay et al., 2022). On pourrait même atteindre Mars en 39 jours avec un propulseur magnéto-plasmique VASIMR comme l'envisagent les ingénieurs de la société Ad Astra Rocket avec le sponsor de la NASA. Enfin, Philip Lubin de l'Université de Californie à Santa Barbara propose une solution électromagnétique relativiste (le système DEEP IN) permettant d'atteindre Mars en... 3 jours pour un vaissseau de 100 kg ! Mais les difficultés sont nombreuses et notamment la question des impacts potentiels de météorites. A lire : Vasimr, moteur magnétoplasmique à impulsion spécifique variable Un moteur à plasma fabriqué par Ad Astra Rocket
Mais compte tenu des difficultés techniques voire légales liées au système d'alimentation (surtout avec un propulseur nucléaire) et la question de la sécurité, nous devrons probablement attendre quelques générations pour assister au premier vol d'essai d'une fusée VASIMR embarquant un équipage. Le vol express vers Mars n'est donc pas envisageable avant longtemps. Même le toujours très optimiste Elon Musk très impliqué dans la technologie électrique des véhicules n'envisage pas une fusée EmDrive avant 2060 et nous savons aujourd'hui que cette technologie est probablement un leurre et qu'il faudra s'orienter vers d'autres solutions. 2. Le budget Après les longues décennies de sommeil qui suivirent le débarquement de l'homme sur la Lune, les Chinois ont annoncé qu'ils allaient lancer un programme spatial d'exploration de la Lune à partir de 2017. Peu après, l'ESA déclara qu'elle envisageait également de poser des hommes sur la Lune en 2024 et sur Mars en 2033. En parallèle, les Russes continuent leurs missions spatiales et conduisent des expériences de longues durées simulant un vol spatial vers Mars pour mieux comprendre les risques éventuels d'une telle mission et la manière de les gérer. Quant aux Etats-Unis, cela débuta avec l'ancien président George H.W. Bush (senior) et sa fameuse "Space Exploration Initiative" (SEI). A sa demande, en 1989, sous la direction de Robert Zubrin, fondateur de la Mars Society, la NASA publia une étude intitulée "Report of the 90 Days Study of Human Exploration of the Moon and Mars" (rapport qu'elle republia en décembre 1999). Dans ce rapport on apprend qu'une mission vers Mars reviendrait à "450 milliards de dollars" de l'époque soit 918 milliards de dollars actualisés ! En lisant ce montant, le plus élevé depuis la Seconde guerre mondiale pour un seul programme, les membres du Congrès furent littéralement choqués et refusèrent de le financer. Peu après, Zubrin proposa à la NASA d'envisager une approche plus directe avec une seule mission habitée vers Mars lancée par une fusée assemblée et qui décollerait depuis la Terre. Les astronautes resteraient sur la planète Rouge durant un an et demi, le temps de conduire des programmes de recherches approfondis jusqu'à ce qu'une nouvelle fenêtre de lancement se présente pour revenir sur Terre. Zubrin forma une équipe de 12 spécialistes pour étudier la question. Mais faute de financement, dès 1992 Dan Goldin, l'administrateur de la NASA déclara que l'exploration spatiale au-delà de l'orbite terrestre était abandonnée au profit "d'une stratégie [de sondes spatiales] plus rapides, meilleures et moins chères", au grand dam de l'administration Bush qui essuya un revers de plus.
Finalement, en 1996 sous l'administration Clinton, le National Science and Technology Council de la Maison Blanche publia un rapport sur la Stratégie Spatiale Nationale des Etats-Unis dans lequel le chapitre sur l'exploration humaine de l'espace au-delà de l'orbite terrestre fut remarqué... par son absence. Pour le président Clinton la question était entendue, une mission habitée vers Mars était trop chère et à la place, les Etats-Unis se contenteraient d'envoyer des sondes robotisées sur la planète Rouge. Ce qu'ils ont réalisés. Mais alors que la NASA ne pouvait compter que sur une poignée de navettes et continuait d'assembler la station ISS en collaboration avec l'Europe et la Russie, début 2004, à la veille de sa réélection le président Bush, Jr relança l'aventure spatiale avec le programme Constellation dont l'objectif était de construire une base permanente sur la Lune en 2015 qui pourrait servir de base de lancement à une future mission vers Mars. Toutefois beaucoup de spécialistes de la NASA, s'ils applaudirent l'initiative, considéraient que compte-tenu du savoir-faire américain et du budget ce projet était purement démagogique et irréaliste. L'agence américaine n'avait plus l'expertise des ingénieurs du programme Apollo; la plupart étaient pensionnés et les jeunes responsables, même férus sur le plan théorique, n'ont jamais travaillé sur un aussi ambitieux projet, ni même personne. D'ailleurs, l'échéance de ce programme fut rapidement reportée à 2020. Puis, suite aux nouvelles élections, en 2010 le président Barack Obama présenta sa vision de l'exploration spatiale et du rôle de la NASA déclarant notamment :"vers le milieu des années 2030 je crois que nous pourrons envoyer des humains en orbite autour de Mars et les faire revenir en toute sécurité sur Terre, et un atterrissage sur Mars suivra et je pense que je serai là pour le voir." Mais au fil des législatures, il fallait bien se rendre à l'évidence que rien ne serait prêt pour 2030 car aucun gouvernement ni aucune entreprise n'avait les ressources pour conduire un programme aussi ambitieux. En effet, si nous avons en théorie les connaissances requises pour déposer des hommes sur Mars, encore faut-il le budget pour pouvoir développer et tester les prototypes. Or la NASA n'a pas cet argent. L'ingénieur en aéronautique William H. Gerstenmaier, administrateur associé de la NASA et responsable des vols spatiaux habités et des missions opérationnelles (direction HEOMD) le confirma publiquement le 12 juillet 2017 au cours du meeting de l'AIAA (American Institute for Aeronautics and Astronautics) : "Je ne peux pas mettre une date sur [le débarquement de] l'homme sur Mars, et la raison en est vraiment qu'en augmentant le budget de 2% [par an] nous ne pouvons pas disposer des systèmes de surface. De plus l'entrée, la descente et l'atterrissage représentent un énorme défi." Si cela semblait aller de soi, c'est un sujet que les officiels de la NASA ont largement passé sous silence, du moins en public. La réalité est que la fusée SLS et le vaisseau Orion ont coûté très cher et la NASA n'a pas assez d'argent pour concevoir l'atterrisseur martien ou le vaisseau qui ramenera l'équipage. A lire: Moon to Mars, A Journey to Inspire, Innovate, and Discover Le rapport de la NASA présenté au Président Bush Jr en 2004 (PDF de 2.2 MB)
Dans la situation économique actuelle que connaissent les Etats-Unis, comme à l'époque du président Bush, Sr le projet de mission vers Mars a de fortes chances d'être bloqué par le Congrès pour une question purement financière. Le président Bush avait oublié le prix d'un tel projet; comme nous l'avons dit, selon les experts, déposer des hommes sur Mars coûterait entre 800 et 1000 milliards de dollars. Par comparaison, le programme Apollo ne "coûta que" 73 milliards de dollars... Un seul vol habité vers Mars coûtera dix fois plus cher que tout le programme Apollo ! En effet, il faut tenir compte de la sécurité et des conditions de survie et on ne peut pas se permettre un "Apollo 13" non plus ! Non seulement la sécurité doit être garantie au cours du vol, mais également durant les phases d'atterrissage, durant toute la durée de l'exploration (entre 30 jours et un an et demi) et durant le retour. On y reviendra. L'homme est de loin plus efficace qu'une machine mais il est aussi beaucoup plus fragile et il n'est pas question de tomber malade, d'être intoxiqué par les poussières ou irradié par le rayonnement solaire à 200 millions de km de la Terre. Un montant de 800 milliards de dollars est une somme qu’aucun consortium ne pourrait supporter sans la répartir sur des centaines de grands partenaires ou la ventiler sur plus d'une génération. Ce genre de planification à très long terme est démagogique et tout à fait irréaliste dans l'état actuel des choses. Proposer comme le fit le président Bush, Jr une mission habitée vers Mars de 30 jours dans moins de 30 ans est une utopie et seul l'avenir jugera de l'intérêt de tels investissements. Non pas qu'ils soient inutiles, car si nous prenons l'exemple du programme Apollo il a permis de faire vivre durant plus d'une décennie des centaines de milliers de familles de travailleurs d'Alabama, du Texas et de Floride. Mais encore faut-il avoir les moyens de soutenir un tel projet et d'assumer les risques. Etant donné que les gouvernements changent tous les 4 ou 8 ans aux Etats-Unis, leur stratégie à long terme est incertaine et il est peu probable qu'ils tiennent leurs engagements. Face à ces incertitudes, plus d'un experts considéraient donc vers 2010 qu'il n'y aurait probablement pas de mission habitée vers Mars à l'échéance de 2035 envisagée par Barack Obama. Ce sont-ils trompés ? C'est ce que nous allons examiner. Face à ce constat et plutôt que de simplement avouer l'impuissance de la NASA à mener à bien le projet présidentiel avec le budget alloué, à la place des programmes démagogiques antérieurs Gerstenmaier proposa au Conseil consultatif de la NASA un scénario plus réaliste articulé autour de deux projets : le "Deep Space Gateway" (DSG) et le "Deep Space Transport" (DST), c'est-à-dire une station spatiale avancée dans l’espace cislunaire (jusqu'à l'orbite de la Lune) et une fusée lourde interplanétaire. Comme Gertsenmaier l'explique dans son rapport "NASA's Plan for Human Exploration Beyond Low Earth Orbit" publié en 2017, la passerelle "Deep Space Gateway" et le système de transport DST ont pour objectif de "mener un effort de développement afin de porter la présence humaine plus loin dans le système solaire grâce à un programme de vols spatiaux humains et robotiques durables." Ce programme compte également sur des partenariats internationaux avec des universités et des industriels. Pour y parvenir, Gerstenmaier proposa un plan en 5 phases qui s'étendra jusqu'au delà de 2045. A lire : NASA's Plan for Human Exploration Beyond Low Earth Orbit (PDF), 2017
En résumé, comme illustré ci-dessus, la première phase ou Phase 0 consiste à utiliser dès à présent la station ISS comme laboratoire de recherche et de test pour étudier les défis des missions d'exploration et mieux déterminer quelles sont les ressources disponibles sur la Lune. Au cours de la Phase 1 qui sera opérationnelle au début des années 2020, la NASA entreprendra des missions cislunaires dans le but d'établir une passerelle vers l’espace profond (DSG). La NASA testera notamment durant de courtes périodes un module d'habitation afin de démontrer qu'il est possible de vivre dans l'espace profond. A partir de 2021, la NASA explorera quelques astéroïdes et ramènera en 2016 un grand fragment jusqu'à l'orbite cislunaire. La Phase 2 sera développée vers 2025 et verra la construction du système de transport vers l'espace profond (DST) et un upgrade majeur de la fusée SLS (block 2) vers 2028 afin qu'elle puisse effectuer des vols vers l'espace profond. Viendront ensuite les vols d'essais. Enfin, dans les années 2030 débuteront les Phases 3 et 4 au cours desquelles la NASA utilisera le DST pour des missions vers Mars, d'abord des missions orbitales préparatoires et robotisées (Phase 4a) vers le satellite Phobos ou Deimos vers 2033 et ensuite (Phase 4b) le débarquement d'astronautes à la surface de Mars avec leur habitat et une rover d'exploration. La Phase 4b débutera vers 2035 et s'étendra au-delà de 2045. En lisant ce rapport, on constate que sur les 13 principaux projets repris dans les Phases 1 et 2 dont certains modules sont indispensables pour la Phase 4 (le débarquement sur Mars et le retour des astronautes), seuls deux étaient suffisamment financés (la production et l'utilisation des ressources ainsi que le SLS et Orion), tous les autres ne l'étant que partiellement. Le coût annuel des projets préliminaires représente déjà un investissement de 3 à 4 milliards de dollars par année fiscale et un total qui dépassa 18 milliards de dollars en 2016 et 23 milliards de dollars en 2018 sans compter les Phases 3 et 4. Compte tenu de l'inflation, par rapport à 2016 le budget de l'HEOMD devrait être multiplié par deux vers 2035 et par trois en 2045. Mais à ce jour, la NASA n'aborde pas encore le sujet de l'exploration habitée de Mars dans ses pages web destinées au public et ce ne sera pas le cas avant 2030 ou 2035. 3. Une mission de courte ou de longue durée Envoyer une mission habitée sur Mars présente une autre difficulté, celle de décupler l'infrastructure du programme d'exploration lunaire ou le programme robotisé d'exploration de la planète Rouge et donc le budget, sans même parler des risques (voir plus bas). Pour conduire une telle mission à bon terme, les ingénieurs savent qu'ils doivent utiliser des moyens révolutionnaires et disproportionnés pour lesquels ils n'ont aucune expérience si ce n'est à petite échelle. En fait, il ne suffit pas d'appliquer un facteur multiplicatif pour se dire que tout ira bien. Par exemple, si un rover Curiosity et un vaisseau habité pénètrent tous deux dans la tenue atmosphère de Mars à 125 km d'altitude à ~5.8 km/s soit Mach 4.7, le premier pèse 900 kg alors que le second pèse 30 tonnes, ce qui ne va pas amortir sa chute un peu plus de 6 minutes plus tard (Cursiosity toucha le sol de Mars après une chute contrôlée qui dura 392 secondes).
Le bouclier thermique d'un lander mesure 5 m de diamètre alors que celui d'un vaisseau habité mesurera 25 m de diamètre. Là où un parachute de quelques mètres de diamètre suffit à ralentir un atterrisseur de 2 tonnes sous 10 km d'altitude, il faudra un parachute de 50 m de diamètre pour soutenir 30 tonnes dans une atmosphère raréfiée. Et encore, l'accélération sera encore trop élevée (> 1000 km/h à 10 km d'altitude contre ~400 km/h pour les rovers) et il faudra installer de puissantes rétrofusées ou trouver un autre moyen pour faire atterrir en douceur le vaisseau habité qui devrait parcourir les 20 derniers mètres à la vitesse verticale maximale de 0.75 m/s (équivalente à celles des rovers). Si on peut fairer atterrir un robot en le plaçant dans un ballon de protection qui rebondira comme un balle magique sur la surface de Mars, cette méthode n'est pas adaptée au transport d'être vivants pour lesquels un atterrissage en douceur est obligatoire. Enfin, si on peut perdre un robot sans pleurer sur son sort, il est exclu de mettre en danger l'équipage autrement que ce qui est strictement nécessaire dans le cadre d'une mission spatiale. Les missions vers Mars (mais c'est valable pour tous les engins volants) ont démontré que c'est la phase d'atterrissage qui est la plus risquée et qu'il faudra donc encore plus soigner pour garantir son succès. On reviendra sur les risques d'une telle mission. En plus, il faut définir avant le démarrage du projet s'il s'agit d'une mission sur Mars de quelques jours (certainement pas) ou si l'équipage devra vivre sur Mars pendant une longue période (par exemple 6 mois). Pour une mission de quelques jours l'équipage peut emporter dans son vaisseau spatial un module d'atterrissage et son habitation. Il peut même vivre quelques jours dans son habitacle d'atterrissage à la manière des équipages Apollo sur la Lune. Mais pour un séjour de plusieurs mois, il faudra soigner l'espace vital et disposer de suffisamment de moyens de survie car l'isolement si loin de la Terre et la promiscuité peuvent devenir des problèmes majeurs sur le plan psychologique (cf. le mal de l'espace) sans parler que les détritus produits par 3 à 6 membres d'équipage vont s'accumuler même si on peut en recycler une partie. Pour un séjour prolongé on ne peut pas se permettre de demander à l'équipage d'assurer le voyage vers Mars avec tous les risques qu'il comprend et en plus de fabriquer les modules d'habitation et de travail et de réaliser les travaux lourds de terrassement avant de commencer leur mission. Il faudra choisir entre des explorateurs et des bâtisseurs. Étant des explorateurs, il faut absolument que toute l'infrastructure soit disponible et opérationnelle le jour où l'équipage posera les pieds sur Mars. Il faut donc embarquer toute l'infrastructure - habitations et modules de travail - sous formes de modules préfabriqués et déjà montés (voire pliable ou gonflables) dans le vaisseau spatial et ensuite préparer le site d'atterrissage avant le débarquement des explorateurs. Bien sûr, on peut toujours s'abstenir de la deuxième phase et chercher un site d'atterrissage suffisamment intéressant et peu accidenté voire abrité pour y installer les modules d'habitations et de travail sans devoir s'occuper de travaux de terrassement.
Extrait du film "Planète Rouge" d'Antony Hoffman (2000). Aujourd'hui aucun scénario n'est arrêté si ce n'est que l'équipe devra rester sur Mars plusieurs mois en attendant la prochaine fenêtre de lancement. A long terme, c'est-à-dire au-delà de 2030 ou 2040, dans l'éventualité d'un débarquement en deux phases, on peut envisager de confier le travail de terrassement et de construction à des robots bâtisseurs et autre imprimantes géantes, un autre défi à part entière pour les ingénieurs, en croisant les doigts pour ne jamais se trouver dans le scénario catastrophe du film "Planète Rouge" où la base construite par l'équipage précédent fut totalement détruite par une tempête. En effet, si dans un caisson d'isolement il suffit d'appuyer sur le bouton d'urgence pour mettre fin au calvaire de l'expérience et si à bord d'ISS il est possible en quelques jours et quelques mois selon l'état des projets en cours d'envoyer une mission d'urgence récupérer l'équipage, en cas de problème sur Mars personne ne viendra secourir l'équipage. 4. La fusée Du fait que la NASA ni aucune agence spatiale n'a suffisamment d'argent pour financer seule dans un délai de 10 à 15 ans la construction d'un vaisseau lourd habité capable d'effectuer un aller-retour vers Mars, voyons ce que nous propose le secteur privé. Depuis 1999, la société XCOR développe différents moteurs LOX (XR-5H25), LOX-kérosène (XR-5K18) et LOX-méthane (XR-5M15) pouvant propulser des fusées lourdes jusqu'à l'orbite lunaire et même jusque Mars. Il ne s'agit encore que de prototypes et de contrats très limités avec la NASA mais les résultats sont encourageants et les développements se poursuivent. Actuellement leur moteur XR-5M15 présenté ci-dessous à gauche offre une poussée atteignant 33 kN, ce qui reste faible quand on sait qu'un seul moteur de fusée lunaire ou martienne est généralement 10 fois plus puissant. Et il faut coupler au moins 10 moteurs-fusées de 310 kN chacun pour atteindre la Lune et 3-4 fois plus pour atteindre Mars. La société SpaceX d'Elon Musk est la plus avancée dans ce domaine. En 2016, Elon Musk annonça dans ses "shared plans" (plans partagés) qu'il envisageait un débarquement sur Mars dans les années 2020 grâce au développement d'une super fusée ITS (Interplanetary Transport System) équipée de 42 moteurs Raptor SL offrant ensemble une poussée au niveau de la mer de 128.1 MN (3050 kN ou 310 tonnes par réacteur) contre 34 MN pour les 11 moteurs de la fusée Saturn V et une impulsion spécifique de 334 secondes. La science-fiction semblait se rapprocher de la réalité. Mais cela représentait un budget de plusieurs dizaines de milliards de dollars qu'aucun investisseur ne semblait prêt à payer si ce n'est une centaine de touristes fortunés impatients d'embarquer pour Mars.
Mais depuis que la NASA avoua qu'elle n'avait pas le budget pour organiser une mission habitée vers Mars, Elon Musk a revu son ambition à la baisse et révisé ses plans. Le 22 juillet 2017, il publia sur Twitter : "Un véhicule de 9 m de diamètre correspond à nos usines existantes..." Or, le modèle interplanétaire ITS original avait un diamètre de 12 m. Cette réduction d'échelle suggère qu'Elon Musk réduira le nombre de moteurs de 42 à 21. Un tel lanceur sera également 2 fois plus léger que le modèle original. Mais pas plus que la NASA, Elon Musk n'a pas les moyens d'envoyer une mission habitée vers Mars. Il ne fait plus aucun doute que le sujet sera évoqué lors des prochaines conférences de l'"International Astronautical Conference". Avec un diamètre de 9 m, la future fusée de SpaceX est plus imposante que la "petite" fusée Falcon 9 de 3.7 m de diamètre. Mais cela reste toujours plus petit que l'énorme Saturn V de 10 m de diamètre qui permit aux astronautes d'atteindre la Lune. Cela permet aussi à SpaceX et à la NASA de conserver leurs bâtiments existants sans devoir investir dans de nouvelles constructions. Concrètement, la NASA pourrait fabriquer ce type de fusée dans ses installations de Michoud en Louisiane, avec un minimum de rénovations. De son côté, Dennis Muilenburg, directeur de Boeing, déclara en 2016 à Chicago au cours d'un exposition consacrée à l'innovation qu'il était convaincu "que la première personne qui mettra le pied sur Mars le fera grâce à une fusée Boeing", son intention étant clairement de devancer son concurrent SpaceX en proposant à terme des voyages touristiques vers Mars à environ 100000$ par personne. Il n'est interdit à personne de rêver ! Boeing travaille effectivement en collaboration avec la NASA sur la construction du lanceur lourd SLS et comme SpaceX, les deux entreprises furent sélectionnées par la NASA pour transporter les astronautes à bord de la station ISS et les ramener sur Terre. Toutefois il y a encore un pas de géant à franchir pour atteindre Mars.
Bref, actuellement la NASA est la seule entreprise qui ait concrétisé son intention de poser des hommes sur Mars dans le cadre d'une collaboration internationale, y compris avec les universités et le secteur privé mais son budget dépendant du bon vouloir politique la contraint à étaler son programme sur plusieurs décennies et il n'est même pas certain que le secteur privé suivra. Bref, soyons clair, personne n'a les moyens d'envoyer des astronautes vers Mars avant au moins une génération. 5. Les modules d'habitations et la survie sur Mars Même en imaginant qu'une mission vers Mars se concrétiserait vers 2045, on constate que les modules d'habitations martiens ne sont que des prototypes virtuels ou des maquettes protégées par du métal. Or les spécialistes savent pertinemment bien que ce type de "blindage" sera insuffisant pour protéger les astronautes sur Mars. Au sol, Mars reçoit 2 à 3 fois plus de rayonnements que la Lune ou qu'un astronaute d'ISS réalisant une sortie extra-véhiculaire (EVA) et toute irradiation prolongée d'un astronaute peut réduire sa durée de vie entre 5 et 15 ans. Il est donc exclu que l'équipage pose les pieds sur Mars sans garantir qu'il sera en sécurité. Pour un séjour prolongé, il leur faudra des habitats similaires à ceux des modules de la station ISS mais mieux protégés contre les rayonnements et repenser l'agencement des quartiers puisqu'ils travailleront au sol sous l'effet de la gravité. Il n'empêche que sous 0.38 g, les astronautes devront faire des exercices et s'entraîner dans une petite centrifugeuse pour éviter toute perte de densité osseuse et de masse musculaire. Lors dela première mission sur Mars, les astronautes auront pour mission d'installer des instruments de mesure et récolter des échantillons pour analyse. On ne pourra pas leur demander d'effectuer des travaux de terrassement que des machines peuvent très bien réaliser. Tout le matériel devra donc être emporté, ce qui pose également un problème de volume et de charge utile. Étant donné que la fusée ne pourra pas emporter toutes les denrées et matières premières nécessaires pour toute la durée de la mission, il faudra malgré tout que les astronautes fabriquent sur place leur moyens de survie comme des serres hydroponiques ou même en pleine terre, qu'ils recyclent l'eau et les déchets et veillent à fabriquer suffisamment d'eau et d'oxygène pour toute la durée de leur séjour. Les expériences conduites à bord de la station ISS et en laboratoire ont montré qu'il existe de nombreuses manières efficaces d'y parvenir. Par exemple, quelques dizaines de kilos de laitues peuvent aisement fabriquer tout l'oxygène dont les astronautes auront besoin. Quant aux combinaisons spatiales indispensables pour les EVA, le choix du modèle n'est pas encore arrêté. Il y a le modèle classique et encombrant de la NASA rempli d'air sous pression et la "Biosuit" du MIT beaucoup plus ajustée au corps et souple qui à l'avantage de résoudre un gros problème, celui d'une fuite dans la combinaison pressurisée. En effet, un simple morceau de scotch permet d'obstruer la fuite d'une Biosuit alors qu'une fuite dans une combinaison spatiale classique ne peut pas être colmatée et représente un accident majeur pouvant rapidement mettre la vie de l'astronaute en danger. A
voir : SpaceX Interplanetary Transport System,
SpaceX, 2016
6. Le retour Aussi étonnant que cela soit, aucun des projets présentés n'évoque le retour de l'équipage, les Américains allant jusqu'à sous-entendre qu'ils feront comme les premiers colons qui sont partis à la conquête de l'Ouest. Mais ils oublient de préciser que dans ce cas précis les aventuriers avaient un ticket sans retour ! Seul SpaceX avait proposé un atterrisseur dérivé de la capsule Red Dragon 2 présenté ci-dessus mais annula son développement en 2017 au profit d'un vaisseau spatial de plus grande taille et polyvalent constitué d'une navette qui serait placée au sommet de la fusée martienne (le booster) à la place du module de commande (voir schéma ci-dessus). Mais étant donné qu'Elon Musk révisa son ambition à la baisse, ce projet de navette est également postposé sinon abandonné. Il faut enfin rappeler à la NASA, à l'ESA et Ruscosmos (RFSA) que plus d'un tiers des vaisseaux spatiaux ont manqué leur cible ou se sont écrasés sur Mars. Certes, il s'agissait de robots et les ingénieurs ont appris beaucoup choses grâce aux données télémétriques récoltées durant la descente des engins qui ont pu toucher le sol. Ceci dit, ce n'est pas très rassurant même si nous savons qu'une telle mission ne sera pas sans risques. Voyons justement quels sont les risques d'une mission habitée vers Mars. Une mission habitée vers Mars présente beaucoup plus de risques qu'une mission en orbite basse à bord d'ISS (cf. l'article sur le mal de l'espace) ou qu'une mission habitée vers la Lune. En effet, compte tenu des distances à parcourir et de la durée du séjour, il existe plusieurs risques majeurs auxquels seront confrontés les astronautes : - L'énergie : si on s'éloigne du Soleil au-delà de l'orbite terrestre, la puissance développée par des panneaux solaires est insuffisante pour alimenter un vaisseau habité pendant un an. Seule la puissance d'une pile à combustible ou d'un réacteur nucléaire pourrait convenir à ce type de mission. Il faut donc que les ingénieurs s'assurent de pouvoir alimenter un vaisseau spatial habité durant tout le voyage. Cela comprend non seulement les quartiers de vie et tous les appareils mais également les éventuelles serres de cultures sans oublier une alimentation portative pour les habitats martiens et les véhicules de surface. Il faut que cette "pile" soit suffisamment compacte et par trop lourde pour être embarquée dans une fusée sachant qu'elle sera assemblée et décollera depuis la Terre.
- Les rayonnements : dans l'espace ou sur Mars, les astronautes comme les machines sont exposés à des rayonnemnents électromagnétiques et corpuscules d'origine solaire et cosmique très énergétiques. La surface de Mars est exposée à une dose de rayonnement variant entre 0.2 Sv/an dans les plaines nordiques à 0.3 Sv/an dans Valles Marineris et dans la région du pôle Sud. Un instrument embarqué à bord du rover Curiosity a montré que la dose de rayonnement reçue par un astronaute faisant l'aller-retour Terre-Mars serait d'environ 0.66 Sv; cela équivaut à recevoir la dose d'un scanner du corps entier tous les 5 ou 6 jours soit 10000 fois la dose maximale de sécurité ! Rappelons qu'une dose de 1 sievert augmente le risque de cancer mortel de 5.5%. Par comparaison, la dose moyenne de rayonnement reçue quotidiennement par une personne vivant sur Terre est de 10 microsieverts (0.00001 Sv). Qui a vraiment envie d'aller sur Mars en sachant qu'il sera irradié avec peut-être des conséquences mortelles à la clé ? Personne, car l'Aventure martienne n'est pas synonyme d'inconscience ou de sacrifice ! En aucun cas l'équipage ne doit être exposé à ces rayonnements plus que nécessaire, c'est-à-dire le moins longtemps possible et jamais durant les éruptions solaires où les flux cosmiques intenses. Il faut donc protéger le vaisseau spatial au moyen de plaques métalliques (ou d'un volume d'eau ou de couches de polyuréthane suffisamment épaisses) pour absorber ces rayonnements ou idéalement au moyen d'un puissant champ magnétique. Si un blindage métallique est envisageable dans les quartiers réservés au logement du personnel, à grande échelle c'est bien trop encombrant et massif. Même chose pour une couche de protection remplie d'eau dont le volume serait bien trop important. La seconde solution ferait appel à des aimants à supraconducteurs qu'on placerait autour des zones habitées du vaisseau spatial afin de générer un champ magnétique permanent de protection. Si en théorie ça fonctionne, nous sommes encore loin de pouvoir appliquer ce concept à un vaisseau spatial. Etant donné que le voyage durera entre 6 et 9 mois, les ingénieurs doivent développer des technologies innovantes pour protéger les occupants du vaisseau spatial et les modules d'habitations sur Mars aussi bien que sur Terre, limitant l'exposition des astronautes aux rayonnements à l'équivalent de quelques dizaines de radiographies au maximum. Arrivés à destination, les astronautes devraient habiter dans des abris souterrains les mettant ainsi à l'abri des rayonnements nocifs. Dans une étude publiée dans la revue "Space Weather" en 2022, une équipe de chercheurs de l'UCLA, du MIT, de l'Institut des sciences et technologies Skolkovo de Moscou et du GFZ Potsdam a étudié en détails les effets des rayonnements en combinant des modèles géophysiques de rayonnement corpusculaire avec des modèles des effets d'une exposition aux rayonnements sur les humains et sur les engins spatiaux au cours d'une mission habitée vers Mars.
Les chercheurs donnent des indications précises sur la manière dont une future mission vers Mars devrait se dérouler dans le temps. Avec un blindage suffisamment efficace sur le vaisseau spatial, une mission habitée vers Mars devrait durer moins de 4 ans pour assurer la sécurité des astronautes, en particulier pour éviter qu'ils soient exposés à des niveaux de rayonnement dangereusement élevés, dont la majorité proviendrait de l'extérieur du système solaire. Pour diminuer le risque d'irradiation, la mission devrait être lancée depuis la Terre pendant le maximum du cycle solaire, moment où l'activité solaire est à son paroxysme. En effet, les particules les plus dangereuses des étoiles et des galaxies sont alors déviées par l'augmentation de l'activité solaire. Comme nous l'avons expliqué, en séjournant 6 mois sur Mars, il serait possible de réaliser une mission en moins de 2 ans et donc de rester dans la période de sécurité. Selon Yuri Shprits, géophysicien à l'UCLA et coauteur de l'article, "Cette étude montre que si le rayonnement spatial impose des limitations strictes sur le poids du vaisseau spatial et le moment du lancement, et qu'il présente des difficultés technologiques pour les missions humaines vers Mars, une telle mission est viable." - Les systèmes de survie : l'eau, la nourriture et l'oxygène sont des éléments vitaux pour l'équipage. Il est impératif que durant tout le vol et le séjour sur Mars, l'équipage puisse bénéficier des réserves nécessaires ou alternativement dispose d'un système de recyclage fiable ou d'un écoystème clos artificiel grâce auquel il pourra produire l'eau, la nourriture et l'oxygène dont il aura besoin. Et il n'est pas question que ces systèmes tombent en panne, soient pollués ou contaminés comme ce fut le cas lors de la première expérience Biosphère dans le désert d'Arizona ou lors des tests d'isolement réalisés en Russie dans les années 1960. - L'apesanteur : les missions lunaires et à bord des stations orbitales ont montré que tous les astronautes ont présenté des problèmes physiques et physiologiques dont une atrophie musculaire, une ostéroporose, des problèmes cardiovasculaires et des pertes d'acuité visuelle (cf. le mal de l'espace). On peut réduire ces symptômes de manière spécifique grâce notamment à des blindages plus performants, le port de lunettes anti-UV et des entraînements physiques quotidiens. Reste un problème à résoudre, celui de l'hypertension intracrânienne de déficience visuelle (VIIP) qui risque d'entraîner une paralysie à long terme et pour laquelle il n'existe actuellement aucun remède. - Les germes : en raison du confinement, de l'activité humaine et de l'humidité qui règne dans un vaisseau spatial, le milieu n'est pas stérile et des bactéries indésirables se développent naturellement. Avec une population microbienne qui peut doubler en quelques heures avec une durée de vie qui peut dépasser un mois sur des biofilms (des communautés microbiennes qui adhèrent aux surfaces), ces passagers clandestins prolifèrent rapidement. Ils peuvent former des moisissures qui finissent par envahir tous les quartiers et même par recouvrir les câbles et les filtres à air d'un biofilm capable de les désagréger. Ces bactéries peuvent également subir des mutations et même des croisements indésirables face auxquels l'équipage n'aura peut être aucun moyen de défense. De plus, lorsque les astronautes se poseront sur Mars, il est essentiel que le matériel soit stérile afin qu'aucun spore ne contamine la planète Rouge. - L'environnement martien : lorsque l'équipage se sera posé sur Mars, il devra affronter les rigueurs de l'environnement martien. En deux mots c'est pire que l'Antarctique en hiver. Mars est aussi hostile que le vide de l'espace, la poussière toxique et abrasive en plus, sans parler des éventuelles tempêtes de sable qui peuvent durer un mois. Non seulement les astronautes y resteront plusieurs mois mais le matériel devra aussi résister aux rayonnements, au froid intense et aux effets de la poussière qui risque de tout recouvrir et de faire surchauffer certains instruments. S'il existe des procédures pour évacuer la poussière et stériliser les objets, il sera plus difficile d'effectuer des réparations.
Ici nous pouvons parler d'expérience. Actuellement, les landers et les rovers explorant la surface de Mars cessent généralement de fonctionner pour deux raisons : soit ils ont épuisé leur réserve d'énergie soit la poussière a fini par recouvrir leurs panneaux solaires. Ce fut notamment le cas du lander Mars InSight construit par la NASA en collaboration avec l'ESA qui se posa dans le bassin d'Elysium Planitia en novembre 2018 et succomba à la poussière le 21 décembre 2022. Ses panneaux solaires que l'on voit ci-dessous fournissaient 5000 Wh d'électricité chaque jour ou sol martien. Après avoir essuyé plusieurs tempêtes de sable, vers le sol 1230, les panneaux solaires étaient totalement recouverts de plusieurs millimètres de poussière au point qu'ils ne captèrent plus la lumière du Soleil et au sol 1440 les communications furent définitivement interrompues. N'y a-t-il pas moyen de dépoussiérer les sondes spatiales ? La réponse d'Insight est très simple : "Un système comme celui-là aurait augmenté les coûts, la masse et la complexité. Le moyen le plus simple et le plus rentable d'atteindre mes objectifs était d'apporter des panneaux solaires suffisamment grands pour alimenter toute ma mission - ce qu'ils ont fait (et plus encore !). "
Ceci dit, les agences spatiales essaient généralement d'éviter la saison des tempêtes de poussière de la planète Rouge qui coïncide avec l'été dans l'hémisphère sud de Mars et se produit pendant l'automne et l'hiver dans l'hémisphère nord. Il existe donc des zones sur Mars relativement épargnées par les tempêtes de poussière (cf. cette carte) où les sondes spatiales peuvent se poser et où les futurs colons pourraient s'installer. Pour rappel, ces tempêtes de poussière sont accompagnées de vents violents qui, sur le site du lander Viking, avaient atteint 113 km/h. Mais les vents peuvent atteindre 180 km/h à l'équateur. Heureusement, en raison de l'atmosphère extrêmement ténue, la force réelle de ce vent tempétueux ressemble à celle d'une brise terrestre. Comme une année martienne dure environ deux années terrestres, la plupart des landers et rovers, y compris InSight, ont connu plusieurs saisons de tempêtes de poussière. En 2022, le rover Curiosity, qui était dans sa 11e année sur Mars et qui continue de fonctionner, a connu plusieurs saisons de tempêtes de poussière. Le rover a même mesuré la variation de la quantité de poussière accumulée sur ses capteurs et son pont, révélant comment les vents saisonniers et les diables de poussière peuvent nettoyer les robots et prolonger leur durée de vie (cf. A.Vicente-Retortillo et al., 2018). Mais InSight n'a pas eu la chance de subir ce nettoyage naturel par le vent martien et la dernière tempête de sable lui fut fatale. Illustrations à voir : Astro Boys
Si des panneaux solaires surdimensionnés sont la solution la plus sûre et la moins chère, Airbus a étudié la possibilité d'ajouter des systèmes anti-poussière sur le rover de la mission ExoMars (mission annulée suite à la guerre en Ukraine mais dont le rover ExoMars est stocké chez Airbus et dont certaines pièces critiques initialement construites par la Russie, doivent être remplacées). A l'origine la mission ExoMars devait durer 180 sols et n'avait pas besoin de système auto-nettoyant. Mais puisque la date de lancement est reportée en 2028, les ingénieurs ont un peu de temps devant eux et ont décidé de revoir leur approche. ExoMars pourrait par exemple être équipé d'un ou plusieurs accessoires pour se débarrasser de la poussière tels que des brosses, des essuie-glaces y compris électrostatiques, des soufflantes à gaz ou même de panneaux solaires inclinables pour déloger une partie de la poussière. Cela permettrait également d'orienter plus efficacement les panneaux vers le Soleil, ce qui pourrait également présenter certains avantages. Il y a aussi le risque que représente la chute de météorites. Selon une étude publiée en 2013 basée sur une partie des 248 cratères d'impacts récemment formés et photographiés par la caméra HiRISE (High Resolution Imaging Experiment) de la sonde spatiale MRO de la NASA, plus de 200 petits astéroïdes ou morceaux de comètes mesurant moins de 1 ou 2 mètres de diamètre s'écrasent sur Mars chaque année, formant des cratères d'au moins 3.9 mètres de diamètre. De plus, les impacts soulèvent la poussière, créant des zones de souffle notables. Par comparaison, ces météorites sont 10 fois plus petits que la météorite de Tchéliabinsk qui tomba en Russie en 2013 mais l'impact est plus violent sur Mars car l'atmosphère de Mars est très tenue, elle ne ralentit pas leur chute (raison pour laquelle les sondes spatiales sont équipées d'un parachute supersonique et de moteurs orientés vers le sol) et l'ablation est pratiquement nulle.
Comme sur Terre, même un petit impact ferait de graves dégâts dans une colonie martienne mal protégée. Le risque encouru par les futurs résidents d'une colonie martienne n'est donc pas nul comme le montrent clairement les images ci-dessus de quelques cratères d'impacts récents qui font réfléchir. Les futurs colons martiens ont donc de bonnes raisons de vouloir une atmosphère au-dessus d'eux ! Mais pour cela il faudra attendre l'hypothétique terraforming de Mars (voir page suivante). - Le temps de réponse : dès que les astronautes auront quitté la Terre, ils devront faire preuve d'initiatives et avoir de multiples compétences car toute communication avec la Terre sera différée. Lorsqu'ils se seront posés sur Mars, au point le plus proche de la Terre, à 0.37 UA, il faudra 3 minutes et 7 secondes pour qu'un signal arrive au réseau de poursuite DSN. Mais au plus loin de la Terre, à 2.52 UA, il faudra compter 20 minutes et 57 secondes pour transmettre un message radio à la Terre et dont environ trois quart d'heure pour obtenir la réponse à une question. Qu'il y ait un problème technique, un malade, un accident ou un blessé, les astronautes ne pourront compter que sur eux-mêmes et sur les procédures qu'ils ont apprises ou consulteront sur place. Mieux vaut avoir du sang-froid et garder son calme. Si le contrôle au sol et les spécialistes pourront évidemment les épauler, ce sera toujours en différé.
- Le mental : le fait que l'équipage devra vivre dans un lieu hostile, la plupart du temps confiné dans un habitat exigu dans lequel il est difficile de s'isoler et très loin de la Terre au point de ne même plus l'apercevoir dans le ciel représente un risque psychologique très sérieux dont tous les astronautes ont bien conscience pour l'avoir expérimenté à divers degrés aux cours de leur mission vers la Lune ou à bord d'ISS. Personne ni aucun médecin ne peut garantir que tous les membres d'équipage s'entendront et résisteront au stress d'une telle mission. Il faut juste espérer qu'ils seront suffisamment entraînés pour gérer une telle situation (même si on sait parfaitement qu'aucune simulation ne peut les préparer complètement à ce qu'ils vivront durant leur voyage ou sur Mars), qu'ils seront suffisamment occupés, libres et détendus pour évacuer leur stress. C'est en tous cas le meilleur conseil qu'on puisse leur donner. - Vivre ou mourir : qu'arrivera-t-il si l'équipage subit un accident majeur, qu'il est en détresse et que les astronautes doivent survivre coûte que coûte ? Sur le plan légal, aux Etats-Unis et en Europe, le cannibalisme n'est pas interdit. Nous savons même qu'il est toléré et acceptable lors d'une guerre ou d'un accident aérien par exemple pour sauver la vie des survivants. A ce titre, ceux qui se suicident pour sauver leurs amis sont considérés comme des héros. Et même sur le plan religieux, cette tradition est acceptée.
Dans le roman "The Martian" d'Andy Weir porté au cinéma en 2015 par Ridley Scott sous le titre "Seul sur Mars" avec Matt Damon, le scénariste rappelle que le plan de secours envisage que les membres d'équipage se suicident les un après les autres afin de sauver le dernier survivant. Pour l'heure les agences spatiales n'évoquent pas le sujet pour la simple raison que tout est mis en oeuvre pour que l'équipage revienne sain et sauve. On peut imaginer que le sujet du cannibalisme reviendra sur la table uniquement le jour où l'équipage sera confrontré à son destin. Ses membres auront la lourde tâche de décider ce qui aura lieu de faire pour survivre. Quant au risque de mourir en cours de mission, un accident peut arriver et un ou plusieurs membres d'équipage peuvent mourir. Les procédures existent justement pour éviter de mettre l'équipage en danger mais le risque zéro n'existe pas. Cela fait partie des risques du métier que les astronautes et leur famille assument. Mais ce ne sera jamais une raison suffisante pour qu'un astronaute se porte volontaire pour une mission vers Mars. Ce n'est pas non plus un risque acceptable ni facile à accepter pour un touriste spatial. Or en avril 2021 Elon Musk expliqua à Peter Diamandis, le fondateur et président de la X Prize Foundation pour les découvertes scientifiques que "vous risquez de mourir" au cours de son vol touristique vers Mars. "Aller sur Mars se lit comme cette publicité pour Shackleton allant en Antarctique", déclara Musk. "Vous savez, c'est dangereux, c'est inconfortable, c'est un long voyage, vous pourriez ne pas, vous savez, revenir vivant", dit-il en riant. "Honnêtement, un tas de personnes mourront probablement au début", a-t-il avoué. "Mais c'est une aventure glorieuse, et ce sera une expérience incroyable." Et de conclure en rigolant : "C'est dur de faire de la luge là-bas. Nous n'allons pas faire partir tout le monde. Ce sont uniquement des volontaires." Malgré ce risque, les volontaires prêts à s'envoler pour Mars se comptent par milliers. A
voir : Elon Musk and Peter Diamandis
live, X
Prize, 2021 voir la séquence entre 12:45-13:40 Tels sont les risques prévisibles auxquels peuvent être exposés les astronautes et les futurs touristes de l'espace et que les ingénieurs doivent résoudre avant d'annoncer qu'un tel projet est réaliste. Aujourd'hui, aucune agence spatiale ni aucune entreprise privée n'ont les moyens d'éliminer tous ces risques ni la prétention de garantir que tout se passera bien. Et on ne parle même pas des imprévus car aucun projet de ce type n'est à l'abri d'éventuels impondérables (cf. l'accident d'Apollo XIII). Dans ces conditions, personne ne s'envolera vers Mars en 2026, 2030 ou 2045. Et ceux qui le prétendent ne sont certainement pas les payeurs (dont les assurances) et encore moins les membres de l'équipage qui risqueront leur vie dans cette Aventure. Ceci dit, il y aura toujours des volontaires qui accepteront ces risques et donc la possibilité de mourir durant leur voyage ou leur séjour sur Mars. Mais ce n'est pas une raison suffisante et encore moins éthique pour accepter d'envoyer des astronautes sur Mars ou même des touristes en orbite autour de Mars ni pour accepter d'envisager de sacrifier éventuellement leur vie en cas d'accident grave. A l'inverse de l'Aventure lunaire, on ne peut pas donner à ces aventuriers seulement une chance sur deux de réussir. Bref, décider de lancer une mission habitée vers Mars n'est pas une décision qui se prend à la légère ni même en petit comité. Deuxième partie
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