La Conquête de Mars Diamètre a l’équateur :
La Conquête de Mars
Diamètre a l’équateur : 6794km Durée de rotation : 24 h 37 min 22.6 secondes Durée de révolution : 686.98 jours Température moyenne : -53°C Composition de l’atmosphère : -gaz carbonique: 95,3% -azote: 2,7% -argon: 1,6% -oxygène: 0,15% -vapeur d'eau: 0,03% Satellites : Phobos et Deimos |
Sommaire :
Problématique : La Conquête de Mars par l’Homme. Pourquoi ? Comment ?
Introduction
I) Les sondes : elles nous permettent de découvrir Mars, mais sont elles aussi efficaces que l’Homme ?
II) Quels sont les contraintes d’un voyage habité vers Mars ?
III) Les réponses apportée à ces contraintes
Introduction :
Quand le système solaire s'est formé, Mars et la Terre étaient comme deux sœurs jumelles. Mais de ce lointain passé, seule Mars a gardé des traces. Sur les hauts plateaux de son hémisphère Sud, dans des terrains vieux de plusieurs milliards d'années, la planète rouge conserve son histoire. L'histoire du système solaire. Et par la même occasion, la nôtre.
Il y a très longtemps, l'eau a coulé sur Mars, nous en sommes presque certains. L'atmosphère était alors plus dense, et la planète plus chaude. Maintenant, l'atmosphère est si ténue, et Mars tellement glacé que l'eau liquide n'existe plus à sa surface.
Mars est, hormis la Terre, la seule planète susceptible d’avoir accueillit la vie, de plus c’est une des rares planètes, en raison de sa proximité avec la Terre et de ses conditions météorologiques, où des sondes peuvent atteindre sa surface pour effectuer des relevés géologiques.
Quelle est l'origine de la vie ? Si Mars était semblable à la Terre dans sa lointaine jeunesse, la vie est-elle aussi apparue sur cette planète ?
C’est pour répondre à ces questions que l’Homme part à la conquête de la planète rouge.
I) Les sondes : elles nous permettent de découvrir Mars, mais sont-elles aussi efficaces que l’Homme ?
Nom de la sonde |
Pays concerné |
Année |
Objectif atteint ? |
Mars 1 |
Ancienne URSS |
1962 |
Echec |
Mariner 4 |
USA |
1964 |
Succès |
Mariner 6 |
USA |
1969 |
Succès |
Mariner 7 |
USA |
1969 |
Succès |
Mariner 9 |
USA |
1971 |
Succès |
Mars 2 |
Ancienne URSS |
1971 |
Demi-succès |
Mars 3 |
Ancienne URSS |
1971 |
Demi-succès |
Mars 4 |
Ancienne URSS |
1973 |
Echec |
Mars 5 |
Ancienne URSS |
1973 |
Succès |
Mars 6 |
Ancienne URSS |
1973 |
Demi-succès |
Mars 7 |
Ancienne URSS |
1973 |
Echec |
Viking 1 |
USA |
1975 |
Succès |
Viking 2 |
USA |
1975 |
Succès |
Phobos 1 |
Ancienne URSS |
1988 |
Echec |
Phobos 2 |
Ancienne URSS |
1988 |
Demi-succès |
Mars Observer |
USA |
1992 |
Echec |
Mars 96 |
Russie |
1996 |
Echec |
Mars Global Surveyor |
USA |
1996 |
Succès |
Mars Pathfinder |
USA |
1996 |
Succès |
Mars Climate Orbiter |
USA |
1998 |
Echec |
Mars Polar Lander |
USA |
1999 |
Echec |
Mars Odyssey |
USA |
2001 |
Succès |
Mars Express - Beagle 2 |
Europe |
2003 |
Demi-succès |
Mars Exploration Rover - MER A |
USA |
2003 |
Succès |
Mars Exploration Rover - MER B |
USA |
2003 |
Succès |
Nozomi |
Japon |
2003 |
Succès |
Mars Reconnaissance Orbiter |
USA |
2006 |
Succès |
Le projet Viking :
Il s’agit de deux sondes, chacune composées d’un orbiteur et d’un atterrisseur, lancées vers Mars grâce au lanceur TITAN III E américain en août et septembre 1975. Elles se mettent en orbite martienne durant l’été 76 et y lâche leur atterrisseur malgré quelques problèmes techniques pour le Viking Lander 2, sans conséquences importantes.
L’objectif de ses deux sondes est assez simple, les orbiteurs chargés de deux caméras haute-résolution, d’un spectromètre infrarouge et d’un radiomètre prennent des centaines de photos et effectuent des relevés réguliers sur la composition de l’atmosphère, la température et l’inertie thermique de la planète.
Les atterrisseurs quant à eux posés dans « Chryse Planitia » et « Utopia planitia » possèdent un ensemble d’instrument météorologique capable de mesurer la pression, la température, la vitesse et la direction des vents ainsi que l’activité sismique. Ils possèdent également un spectromètre a fluorescence capable de déterminer la composition du sol, un instrument capable de déterminer la composition de l'atmosphère martienne et la présence de matière organique dans le sol ainsi que des expériences biologiques visant à déceler une trace de vie sur Mars. Les Viking 1 et 2 fonctionnèrent pendant respectivement 6 et 4 ans.
Mars Pathfinder :
La mission Mars Pathfinder fut lancée par la NASA grâce à une fusée Delta II un mois après le lancement du Mars Global Surveyor. La sonde de 870kg développé par les Etats-Unis était constituée d’un atterrisseur et d’un petit robot doté de six roues qui mesurait 65 cm de long, 48 de large, et 30 de haut et pesant à peine 10,6kg, appelé « Sojourner ». L’atterrisseur se posa sur le sol martien, dans la région de Ares Vallis, et déploya le Sojourner le 4 juillet 1997. Ce robot, capable de se déplacer (à une vitesse de 1 centimètre par seconde) et d’éviter les obstacles de manière autonome, transmettait les informations vers la Terre via l’atterrisseur. Il effectua 15 analyses chimiques des roches et du sol et il prit 550 photos durant 83 jours.
L’atterrisseur quant à lui effectua de nombreux relevé météorologiques et pris 16 500 photographies.
Suite à une défaillance de batterie, l’atterrisseur cessa de fonctionner, coupant la liaison avec le Sojourner. Malgré tout, l’atterrisseur et le robot ont fonctionné plus longtemps que prévu.
Mars Odyssey :
Mars Odyssey est une sonde américaine lancée le 7 avril 2001 par une fusée Delta II. Elle atteignit Mars le 24 octobre 2001 embarquant à son bord le spectro-imageur Thermal Emission Imaging System (acronyme : THEMIS), un spectromètre à rayons gamma, deux spectromètres à neutrons et le MARIE (Martian Radiation Environment Experiment).
Les deux objectifs majeurs de la mission était de faire une cartographie minérale et chimique de la surface martienne, notamment grâce au THEMIS et aux spectromètres, (C’est cette cartographie qui a permit de déterminer l’abondance de l’eau sous forme de glaces dans le proche sous-sol.) et d’enregistrer en continue les radiations pendant le voyage Terre-Mars et dans l’atmosphère martienne dans le but de prévoir les doses de radiations que recevront les futurs martiens.
Pendant la mission scientifique, qui durera 917 jours, la sonde servira aussi de relais radio pour les atterrisseurs et les orbiteurs qui partiront en 2003. Après cette période, la sonde servira toujours de relais radio pendant 457 jours supplémentaires, ce qui fait une mission d'une durée totale de 1374 jours. Pendant cette deuxième phase, les études scientifiques pourront toujours fonctionner selon les ressources disponibles.
Mars Express - Beagle 2 :
Mars express est un orbiteur européen lancé le 9 novembre 2005 en direction de Mars avec son atterrisseur Beagle 2 par le lanceur Soyouz Fregat. Il s’agit d’une sonde de 1120kg dont la moitié de sa masse au lancement est réservée au carburant. Mars Express large son atterrisseur après 7 mois de trajet et se met ensuite en orbite autour de la planète rouge pour une mission de deux années martiennes soit 1374 jours.
L’orbiteur ne possède pas moins de sept instruments scientifiques qui représentent une masse de 116kg, ces instruments sont : trois spectromètres, une antenne radar, un capteur de particules, une caméra 3D haute résolution, et une expérience de radioscience. Ces instruments de mesures servent à déterminer avec une grande précision la composition minéralogique de la surface, la composition de l’atmosphère et la répartition des gaz dans celle-ci, la présence d’eau dans le sous-sol et enfin l’effet du vent solaire sur l’atmosphère martienne.
La caméra cartographie les zones étudiées par les instruments de mesures.
Beagle 2 quant à lui était de conception très simple, l’atterrisseur possédait un bras articulé qui aurait du être déployé après l’atterrissage. Il comportait une paire d'appareils photos, un microscope, des spectromètres, une perforeuse pour prélever des échantillons de roche et un système d'éclairage. Un spectromètre de masse devait permettre de mesurer les proportions des différents isotopes de carbone. Le carbone étant supposé être à la base de toute vie, ces analyses auraient pu révéler si l'échantillon contenait les restes d'organismes vivants. Mais suite à un problème d'origine inconnu, Beagle 2 n'a plus donné signe d'activité et la mission fut un échec.
Mars Exploration Rover :
Mars Exploration Rover (A et B) sont deux missions de la NASA. Elles consistent à lancer deux sondes vers Mars par des fusées Delta II les 10 juin et 8 juillet 2003.
Chacune des deux sondes, MER-A (baptisée Spirit) et MER-B (baptisée Opportunity) à une masse de 1063kg (dont 50kg de carburant) et est composée d’un atterrisseur et d’un robot (rover) à 6 roues de 174kg.
Chaque robot possède un ordinateur capable de gérer les déplacements (les robots peuvent également être piloter depuis la terre), 9 caméras ainsi qu’un mât portant des instruments de navigation et scientifiques, notamment 3 caméras et un spectromètre thermique, et un bras articulé capable d’effectuer des relevés sur la nature des roches.
Spirit a atterri sans problème le 4 janvier 2004 et a commencé son exploration, envoyant les premières images couleurs en haute définition de la Planète Rouge. Le rover Opportunity s'est également posé en douceur le 25 janvier 2004 dans un petit cratère de Meridiani Planum. C'est dans cette zone que les roches étudiées ont révélé la présence d'eau liquide salée dans le passé.
La distance parcourue jusqu'à maintenant par chacun des deux rovers est supérieure à 6km, 50 000 clichés ont été pris.
Nozomi :
Nozomi est la première sonde japonaise lancée en direction de la planète Mars le 4 juillet 1998 du centre spatial Kagoshima. D’un poids total de 541 kg (dont 285 kg de carburant) la sonde mesure 0,58 mètres de haut et 1,6 de large. Elle comporte une antenne parabolique sur sa face avant et des panneaux solaires collés sur les côtés. La sonde Nozomi emporte avec elle 14 instruments scientifiques d'un poids de 33 kg. Nozomi devait atteindre Mars en Octobre 1999 mais un problème de propulsion a retardé de 4ans son arrivée. En effet, la sonde n’a atteint Mars qu’en novembre 2003 ! La mission de la sonde consiste : à étudier la haute atmosphère de Mars et son interaction avec les vents solaires, à étudier le champ magnétique de la planète, à photographier la surface de la planète et de ses deux lunes, et enfin à détecter un éventuel anneau de poussière sur l'orbite de la lune Phobos. La sonde enverra également des ondes de hautes fréquences pour tenter de détecter des traces d'eau ou de glace dans le sous-sol martien et servira de plate-forme de test pour un certain nombre de technologies qui seront utilisées lors de prochaines missions interplanétaires japonaises.
Mars Reconnaissance Orbiter :
Mars Reconnaissance Orbiter est la plus grande sonde jamais envoyé vers Mars. Il s’agit d’un Orbiteur américain de 2180kg (avec carburant, 1187kg d'hydrazine) mesurant 6,5 mètres de haut pour 13,6 mètres de large lancé avec succès, le vendredi 12 août 2005. Cette sonde à pour objectifs d’explorer les reliefs de la surface martienne avec une précision sans précédent, cartographier les minéraux (en particulier ceux qui se forment en présence d'eau), détecter des poches d'eau ou de glace dans le sous-sol, étudier la distribution de l'eau et de la poussière dans l'atmosphère, et enfin obtenir des relevés météorologiques quotidiens. Elle permettra également de sélectionner d'éventuels sites d'atterrissages pour de futures missions, elle fera office de relais à haut débit pour les futures sondes présentes à la surface de Mars et elle remplacera Mars Global Surveyor comme plate-forme principale d'observation de la planète Mars. Pour accomplir sa mission, Mars Reconnaissance Orbiter est dotée de trois démonstrateurs technologiques et de six instruments scientifiques de dernière génération dont : une caméra-téléscope (le plus grand jamais utilisé dans une mission spatial), une caméra de contexte pouvant couvrir jusqu'à 40 km de largeur, avec une résolution de 8 mètres par pixel, et un spectromètre travaillant dans l'infrarouge et la lumière visible. Il produira des cartes détaillées de la minéralogie de la surface martienne. Cet instrument a une résolution de 18 mètres, à une distance orbitale de 300 km.
Elle possède aussi une antenne grand gain de 3 mètres de diamètre et deux antennes à faible gain. Pour alimenter la sonde, 200m² de panneaux solaires haut-rendement (capables de convertir plus de 26% de l'énergie du Soleil en électricité) sont nécessaires.
Au cours de ses deux premières années de fonctionnement, MRO est sensé envoyer 4.25 téraoctets d'information, soit plus de données que toutes les missions martiennes combinées.
Conclusion :
Même si les sondes envoyée sur Mars nous ont apportés de nombreuses informations sur le relief, sur la composition de l’atmosphère et sur la composition minéralogique en surface de cette planète. Nous ne pouvons faire que des hypothèses sur la présence d’eau liquide ou de glaces sur Mars, en effet les spectromètre des sondes en orbite ont détecter la présence d’eau sous la surface mais ils sont incapables d’en évaluer la quantité.
Les robots atterrisseurs, bien moins efficaces que les orbiteurs n’ont pu effectuer que quelques dizaines d’analyses des roches et sols et les plus performants d’entre eux n’ont une autonomie que de 100 mètres par jour martien (24h 37min). De plus, leur capacité à ce déplacer de manière autonome est plus que limité, en effet le rover Opportunity s’est enliser dans une congère de poussière épaisse d’à peine 30cm, il fallut plus de 5 semaines aux techniciens de la NASA pour l’en sortir en commande manuelle. S’ajoute le fait qu’après quelques années, de chargement-déchargement, les batteries de ces rovers ne délivrent plus un courant électrique suffisant pour permettre le fonctionnement de ces robots. Enfin, nous savons tous que la capacité d’un ordinateur réagir face à une situation imprévue est quasi inexistante. C’est pourquoi la NASA projette d’envoyer dans l’avenir des astronautes sur Mars.
II) Quelles sont les contraintes d'un voyage habité vers Mars ?
Une mission humaine vers Mars pose de nombreux problèmes. On ne peut pas en effet prévoir, les effets sur un être humain lors d'un vol aussi prolongé. En moyenne, un aller simple vers Mars prend entre 6 à 9 mois. L'homme n'a pas séjourné plus de 14 mois dans l'espace. Cela indique que l'homme doit pouvoir supporter sans trop de dommages un voyage vers Mars, mais cela ne nous donne aucune indication sur ce qu'il risque de subir et d'éprouver une fois à la surface de la planète rouge. Que savons nous finalement d'un vol prolongé en absence de pesanteur, des conditions de travail à la surface de Mars et de la capacité des astronautes à supporter un retour à la gravité terrestre après un séjour de plusieurs mois dans l'espace ?
L'élément le plus important à prendre en compte lors d'un vol spatial n'est autre que l'apesanteur. L'absence de pesanteur a d'abord un effet important sur le sens de l'équilibre. En apesanteur, l'oreille interne ne fonctionne plus correctement. Les signaux qui proviennent des yeux et de l’oreille interne ne correspondent pas. Les astronautes ressentent alors différents symptômes : cela va du mal de tête au vomissement avec nausées, en passant par une étrange et désagréable sensation de désorientation. C'est le fameux mal de l'espace.
Le mal de l'espace est en général temporaire et l'homme s'adapte plus ou moins rapidement. De plus, au bout de plusieurs vols de longue durée, le mal de l'espace a tendance à diminuer d'intensité et ne semble toucher que la moitié des astronautes.
Autre le mal de l’espace, l'un des effets les plus fâcheux de l'apesanteur concerne les os. Sous gravité zéro, le calcium et certains sels minéraux quittent les os et ceux ci se fragilisent considérablement. Ils y a donc élimination de ces sels dans l’urine et ceci peut conduire à l'apparition de calculs rénaux. Extrêmement douloureux, ils peuvent rapidement devenir incapacitants. Dans les cas les plus graves, ils aboutissent à un blocage de l'urètre, ce qui nécessite alors une intervention chirurgicale.. Une nourriture riche en calcium, des exercices physiques quotidiens intenses et réguliers, faisant travailler tous les muscles permettent de lutter contre cette décalcification des os.
En apesanteur, certains muscles, notamment ceux de l’appareil locomoteur, ne servent plus à rien et commencent à s'atrophier. Cette atrophie musculaire est la source de douleurs musculaires et ligamentaires qui gênent les déplacements. Les effets peuvent persister plusieurs semaines ou même quelques mois après le retour sur Terre. Tout comme pour la décalcification des os, des exercices physiques (tapis de courses, vélo, appareils de musculation) intenses et quotidiens permettent de lutter contre l'atrophie musculaire, sans cependant la stopper complètement.
Le principal problème avec l'atrophie musculaire concerne le retour sur Terre. En effet, les astronautes sont incapables de rester debout. Les muscles des jambes, qui normalement contribuent à la circulation du flux sanguin vers la tête, n'ont plus assez de force pour jouer leur rôle à cela s’ajoute le fait qu’après un voyage en apesanteur aussi long, la quantité de sang présente dans l’organisme est entre 20 à 25% plus faible. En effet en apesanteur la gravité ne concentre plus le sang dans les membres inférieurs, il y a donc un important afflux dans les membres supérieurs, considéré comme anormal, il sera éliminé par l’organisme. Une diminution du nombre de globules rouges est associée à cette diminution du volume sanguin. Pour limiter les risques en cas d’hémorragies, le vaisseau spatial devra comporter des réserves de sang et l'équipage devra être capable de réaliser des transfusions sanguines.
Une fois sur Mars, le retour à une gravité, même aussi faible que la gravité martienne, sera très dur.
2) Les rayonnements
a) Leur origine
Les rayonnements du milieu interstellaire peuvent être de nature corpusculaire (électrons, protons, noyaux lourds) ou photonique (rayons gamma, X, ultraviolet, infrarouge, visible ou radio). Les trois principales sources de radiations sont les ceintures de Van Allen (deux champs magnétiques circulaires) qui entourent la Terre, les particules émises par le Soleil (vent et éruptions solaires) et les particules des rayons cosmiques.
Les ceintures de Van Allen offrent un avantage et un inconvénient. D'un côté, les deux ceintures stoppent une bonne partie du rayonnement qui baigne le milieu interplanétaire. D'un autre côté, elles sont radioactives et l'homme sera très certainement obligé de les traverser pour partir vers Mars. La ceinture interne est riche en protons (entre 3000 à 4000 km d'altitude), alors que la ceinture extérieure héberge plutôt des électrons ( 20 000 km d'altitude). Les ceintures de Van Allen ne posent pas de problèmes pour les vols qui se déroulent à une altitude inférieure à 500 km. Par contre, leur traversée dans le cas d'un voyage vers Mars devra se faire rapidement, pour éviter que les astronautes ne soient exposés à des doses massives de rayonnements ionisants. Une solution consisterait à quitter la Terre depuis les pôles, mais le bilan énergétique de la mission serait sans aucun doute trop important pour que cette option soit retenue.
Le Soleil émet en permanence dans l'espace un flux de particules (le vent solaire) qui doivent être prises en compte. Mais le principal danger provient des éruptions solaires, des phénomènes très brefs qui ne durent en général que quelques heures et qui se produisent à la surface du Soleil, lors de sursauts d'activités. Durant ces éruptions, le soleil libère de grandes quantités de particules très énergétiques, en particulier des protons.
Le rayonnement cosmique comprend surtout des protons énergétiques et des atomes très lourds (des métaux comme le fer ou le nickel, des actinides). Ces particules très lourdes et très énergétiques sont les plus dangereuses pour l’équipage. Contrairement aux éruptions solaires, le rayonnement cosmique est constant. L'équipage est ainsi exposé à des doses très petites, mais de manière continue pendant toute la durée du vol. La dose reçue dépend en fait de l'activité solaire. Lorsque celle-ci est à son minimum, le rayonnement cosmique est plus important (effectivement, l'activité magnétique du Soleil protége le système solaire contre les rayons cosmiques de l'espace interstellaire).
b) Les effets sur l’Homme
Les principaux risques pour l’équipage sont liés aux éruptions solaires. En effet une éruption solaire peut délivrer plusieurs centaines de rems dans un intervalle de quelques heures. Il est donc impératif de détecter très rapidement ce type d'évènement. Le vaisseau devra être équipé d'un télescope X pour observer le Soleil. Une éruption solaire pourrait cependant très bien se déclencher dans une région inobservable par l'équipage du vaisseau. La mise en place de satellites d'observation autour du Soleil, dont les résultats seraient communiqués en temps réel au vaisseau, sera sans doute indispensable.
Pour donner un ordre d’idée, voici les effets que l'on peut observer lorsqu'un individu est exposé brièvement à une forte dose de radiations : une personne soumise à 75 rems ne présente pas de troubles de santé. Entre 75 et 200 rems, certaines personnes commenceront à présenter des symptômes (vomissements, perte d'appétit, fatigue), alors que d'autres continueront à bien se porter. Si la dose dépasse les 300 rems, plus aucune personne n'échappe aux symptômes, les moins résistants décèdent. 50 % des personnes meurent à 450 rems, 80 % à 600 rems, 100 % à 1000 rems. Il est possible de récupérer après quelques semaines ou quelques mois, le temps pour les systèmes de réparation d'intervenir.
Mais il faut prendre en compte un autre risque : pour une exposition nettement moindre mais prolongée, les particules énergétiques peuvent toucher l'ADN et conduire à des mutations et parfois à un cancer. Dans des cas moins extrêmes, les mutations peuvent entraîner la cataracte.
Les organes les plus sensibles aux radiations sont le système lymphatique, les gonades et la moelle osseuse, suivi des poumons, de la peau, des yeux, des reins et du foie. Le système nerveux central, les os et les muscles sont peu sensibles. Le risque de développer un cancer est un peu plus grand pour les femmes, à cause du cancer du sein.
Dans la navette spatiale ou dans la station spatiale internationale (ISS), l'équipage est soumis à un rayonnement de 30 millirems par jour (l'équivalent de deux radiographies de la poitrine par jour). Par comparaison, sur Terre on reçoit seulement 100 à 300 millirems par an, suivant la latitude et l’altitude (soit 1% du rayonnement en orbite). Ce rayonnement provient de la radioactivité des roches et des particules secondaires issues de l'interaction du rayonnement cosmique avec la matière.
En moyenne, un voyage vers Mars soumettrait l'équipage à un rayonnement de 20 rems par ans (soit environs 60 à 180 fois plus que sur Terre). A la surface de Mars, la dose sera de 9 rems par an (30 à 90 fois plus que sur Terre).
Il ne faut pas pour autant s’affoler, en effet on estime que pour une dose de 100 rems, le risque de développer un cancer fatal dans les 30 ans est de 1,8 %. Donc pour un voyage vers Mars de 2 à 3 ans, même si le rayonnement est environ 60 à 180 fois plus important que sur Terre, la probabilité de développer un cancer fatal n’augmenterai que d’environ 1 %.
3) L’autonomie
A cause des distances parcourues et du délai de communication entre Mars et la Terre, l'autonomie du vaisseau spatial devra être presque totale. C’est pourquoi, l’Homme doit être capable d’assurer sa survie au sein de systèmes fermés, que ce soit pour des voyages de longue durée ou, surtout, pour des stations permanentes, comme par exemple pour une future base martienne.
Pour des raisons de volume et de masse, et donc de coûts, il n’est pas question d’exporter de la Terre la totalité de l’oxygène, de l’eau et des aliments nécessaires à un très long voyage de plusieurs spationautes dans l’espace.
Il s’agit donc de reconstituer artificiellement dans un espace réduit, en conditions contrôlées et avec des constantes de temps très rapides, le cycle de la matière tel qu’il existe sur la Terre et dans son atmosphère.
Cependant, Contrairement à ce qui se passe dans un écosystème naturel dont la stabilité est assurée par un grand nombre de populations interagissant par des rétroactions et s’autorégulant, l’approche envisagée dans les écosystèmes clos artificiels consiste à réduire au minimum le nombre d’étapes nécessaires au cycle de la matière et à dimensionner et contrôler ces compartiments pour
leur imposer un fonctionnement compatible avec les objectifs recherchés.
III) Les réponses apportées à ces contraintes.
1) Comment limiter les contraintes liées l’apesanteur.
Il existe deux manières connues de rétablir un semblant de gravité dans un vaisseau spatial, soit en maintenant le vaisseau en rotation autour d'un axe soit en accélérant constamment. Cette dernière méthode ne peut être utilisé ni avec des moteurs chimiques conventionnel ni avec des voiles-solaires, par contre, elle est facile à mettre en place avec des moteurs atomiques, à plasma et surtout à ion. Il est clair que l'établissement d'une gravité artificielle combiné à la pratique d'exercice physique permettra de combattre les principaux inconvénients d'un vol de longue durée dans l'espace. Elle ne devra pas forcément être égale à la gravité terrestre. Pendant la dernière partie du voyage, elle pourra être progressivement amenée à 1/3 de la gravité terrestre, pour simuler les conditions à la surface de Mars. L'adaptation à l'environnement martien sera alors facilitée.
Cependant, sa mise en œuvre n'éliminera pas certains problèmes psychologiques et physiologiques. Le danger des radiations sera toujours présent.
Dans le cas de la première méthode, les forces de Coriolis qui apparaîtront dans le vaisseau en rotation pourront causer des désorientations. Si un membre d'équipage marche latéralement à la rotation, deux forces s'appliqueront à son corps, ce qui amplifiera le problème. Il faudra apprendre à vivre dans un milieu en perpétuelle rotation et savoir se déplacer avec, contre ou perpendiculairement à la rotation, sans compter le problème du passage entre des régions mobiles et des régions fixes ! Il semble cependant que plus les parties mobiles sont loin de l'axe autour duquel elles tournent, plus les problèmes diminuent d'importance. Mais dans ce domaine, de nombreuses expérimentations restent à faire. Il faudra par exemple déterminer très précisément les caractéristiques de la gravité artificielle (niveau de gravité, période de rotation, durée dans le temps.
2) Les moyens de protections face aux rayonnements.
Pour protéger l'équipage, il faudra équiper le vaisseau de blindage, la mince coque métallique extérieure étant bien insuffisante. Cette coque protège quand même l'équipage contre les impacts de micrométéorites. Les particules micrométéoritiques se déplacent à très grande vitesse (de 10 km/s à 270 km/s), mais heureusement, leur masse est en générale très faible (de l'ordre du picogramme), ce qui empêche la perforation de la paroi extérieure du vaisseau lors d'un choc. Le risque de rencontrer un corps possédant une masse et une vitesse suffisante pour percer la coque, même s'il n'est pas nul, est négligeable.
Le blindage représentera un supplément important en poids et sera donc très coûteux. Il aura intérêt à être à la fois efficace et léger. En plus du blindage léger, les réservoirs d'eau ou de carburants offriront certainement une protection supplémentaire. L'équipage pourrait également se relayer pour aller dormir à tour de rôle derrière les boucliers, pour une protection accrue.
Un blindage de quelques centimètres d'épaisseur pourra arrêter une bonne partie des particules issues des éruptions solaires. Pour arrêter les rayons cosmiques, qui sont beaucoup plus énergétiques, il faudrait employer des boucliers épais de plusieurs mètres. C'est une solution impossible à mettre en œuvre en raison du poids et du coût. De plus, même avec l'aide de boucliers, des particules secondaires sont émises au contact de la surface protectrice, ce qui diminue fortement l'efficacité de celle-ci.
Une fois sur Mars, la situation s'améliore un peu. La masse de la planète offre déjà une certaine protection, en éliminant la moitié des particules du rayonnement cosmique. L'atmosphère martienne offre aussi une bonne protection contre les éruptions solaires. Enfin, l'enfouissement d’une future base martienne sous terre assurera une protection efficace contre les particules énergétiques du rayonnement cosmique.
3) Un écosystème artificiel, le Projet MELiSSA.
Le projet MELiSSA (acronyme pour Micro-Ecological Life Support System Alternative, ou en français, option micro-écologique pour un système de support-vie) présente la particularité d’être basé uniquement sur des étapes biologiques faisant principalement appel à des micro-organismes. Dans ce projet, le cycle de la matière a été réduit au minimum puisque cet écosystème artificiel ne comporte que cinq étapes majeures et donc cinq compartiments :
- le compartiment consommateur, où vive les spationautes, qui produit les déchets solides, liquides et gazeux ;
et l’ensemble des compartiments de recyclage :
- le compartiment liquéfacteur, qui transforme les déchets solides et liquides en dioxyde de carbone, acides gras volatils et ammoniaque ;
- le compartiment photohétérotrophe, qui transforme les acides gras volatils et une partie de l’ammoniaque en biomasse consommable ;
- le compartiment nitrificateur, qui permet au besoin de transformer une partie de l’ammoniaque en nitrate pour obtenir une proportion idéalement assimilable de la source d’azote par la photosynthèse ;
- le compartiment photoautotrophe, qui reproduit la nourriture et l’oxygène à partir de dioxyde de carbone, d’eau et de minéraux.
On utilise des plantes supérieures pour équilibrer la ration alimentaire et un micro-organisme photosynthétique (Spirulina) pour la régénération rapide de l’atmosphère avec un meilleur rendement. Cette étape photosynthétique, de même que l’étape photohétérotrophe, nécessite d’avoir recours à l’énergie lumineuse, solaire ou artificielle.
Spirulina platensis peut produire de l’oxygène avec un bon rendement énergétique et présente également des qualités nutritionnelles qui en font un excellent candidat pour la régénération de l’atmosphère d’un écosystème clos artificiel. Il faut pour cela être capable de produire rapidement une grande quantité d’oxygène, donc de pouvoir cultiver le micro-organisme en masse dans des conditions si possible optimales.
L’activation de la croissance et le contrôle de la culture d’un micro-organisme photosynthétique se font dans un bioréacteur éclairé. L’utilisation de ce bioréacteur contrôlé présente avant tout l’avantage de maintenir la stérilité de la culture. On évite ainsi la contamination du réacteur par une autre souche que celle que l’on désire cultiver.
Deux autres paramètres extrêmement variables et donc importants, mais qui sont en général surveillés, sont le pH et la température. En effet, un micro-organisme donné fonctionne de façon optimale dans des limites dépendant le plus souvent des conditions de son milieu naturel de pH et de température, limites assez étroites et fréquemment dépassées.
L’agitation est également un paramètre important, car il faut s’assurer qu’il existe un brassage suffisant des cellules et du milieu de culture de façon à éviter l’existence de gradients de concentration ou de zones peu agitées qui ne fonctionneraient pas de façon optimale dans le réacteur. Au contraire, une agitation trop importante n’est pas forcément supportée par les micro-organismes surtout s’ils sont pluricellulaires comme beaucoup de cyanobactéries ou de micro-algues.
Enfin, il est important de connaître et de contrôler l’intensité lumineuse incidente sur le réacteur, car elle est à la base de la vitesse de
production de la biomasse ou de l’oxygène.
4) La vitesse, un atout majeur
La principale contrainte d’un voyage vers Mars est le temps de trajet. En effet, en augmentant la vitesse, on diminuerait considérablement les risques biomédicaux. C’est pourquoi les scientifiques imaginent depuis les années 60 de nouveaux types de propulsions en aérospatiale.
Le principe de fonctionnement d'un moteur chimique de fusée est bien connu. Un comburant et un combustible sont mélangés dans une chambre de combustion. Les produits de la réaction sortent avec une très grande vitesse des tuyères, ce qui permet à la fusée de déplacer dans la direction opposée à l'éjection. Sans rentrer dans les détails, on peut utiliser pour alimenter les moteurs soit des composés solides, soit des composés liquides. Un moteur à poudre est plus simple à mettre en œuvre qu'un moteur fonctionnant avec des liquides dont on ne peut cependant pas arrêter la combustion une fois que le moteur est allumé, contrairement aux moteurs alimentés par des liquides qui peuvent être arrêtés après l'allumage et même redémarrés ensuite.
Avec des composés solides, on peut atteindre une vitesse de 3 km/s. Le mélange oxygène/hydrogène, utilisé par exemple pour la navette spatiale, permet d'obtenir des vitesses de l'ordre de 4,5 km/s. Enfin, certains couples comme le mélange oxygène/BeH2 ou fluor/LiH2 permettraient d'atteindre 7 km/s, mais ces composés hautement explosifs ne sont pas utilisés. Pour dépasser ces vitesses et aller encore plus vite, il faut changer de système !
Ainsi, on a pensé à mettre au point des moteurs fonctionnant de manière différente, et en particulier des moteurs thermonucléaires. Ici, l'énergie libérée par une pile atomique sert à chauffer un gaz qui sortira à très haute température de la tuyère. Le choix du gaz est crucial. Plus il est léger, plus il sortira avec une vitesse importante. C'est pourquoi tous les projets de moteurs thermonucléaires utilisent de l'hydrogène. Pour augmenter la vitesse de sortie, on peut aussi jouer sur la température fournie par le réacteur. Avec un réacteur à cœur gazeux, on pourrait atteindre 30 à 70 km/s ! La température de sortie du gaz est tellement élevée que n'importe quel métal utilisé pour confectionner la tuyère ne pourrait résister. Le flux de sortie est alors confiné grâce à des champs magnétiques très puissants.
Un vaisseau équipé d’un moteur nucléaire pourrait théoriquement rallier la planète Mars en quelques mois à peine, un gain de temps déjà appréciable. Mais selon une équipe de chercheurs de l’université israélienne de Ben-Gurion, il serait possible de faire encore mieux. Les scientifiques, dont les travaux ont été publiés dans l’édition de janvier de la revue Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, ont utilisé un élément radioactif bien plus prometteur que l’uranium ou le plutonium pour alimenter le réacteur : l’américium 242.
Le principal avantage de l’américium 242 est sa masse critique. Etant donné que celle-ci est très faible, il faut extrêmement peu de combustible pour que les réactions nucléaires s’enclenchent. Autre caractéristique intéressante : ce corps peut être conditionné sous la forme d’un film extrêmement fin de moins d’un micron d’épaisseur, tout en gardant ses propriétés fissibles. Dans cette configuration, les particules très énergétiques qui résultent de la fission peuvent s’échapper et participer directement à la poussée, ce qui n’est pas le cas des réacteurs classiques : ceux-ci sont en effet conçus de manière à ce que les produits de fission ne puissent pas quitter l’enceinte du réacteur.
Poussés par ses propres déchets radioactifs, un vaisseau à américium battrait tous les records de vitesse. D’après les chercheurs israéliens, il permettrait de boucler le trajet Terre - Mars en un peu moins de 15 jours ! Cependant, ce moteur n’est encore qu’au stade expérimental. Outre la nécessité de produire le précieux combustible en quantité suffisante, les chercheurs se heurtent encore à de nombreux challenges techniques sur la conception du réacteur : réapprovisionnement en combustible, évacuation de la chaleur et surtout protection de l’équipage. Il va de soi que comme tous les moteurs nucléaires, les moteurs à américium ne seraient pas utilisés pour la mise en orbite. Le lancement du vaisseau - ou de ses composants, s’il était assemblé en orbite - serait assuré par une fusée chimique classique ; ce serait seulement une fois dans l’espace interplanétaire que le moteur nucléaire serait mis à feu.
VASIMR, un moteur a plasma
Une équipe du centre Johnson de la NASA travaille depuis quelques années sur un moteur à plasma qui permettrait de réduire à quelques mois un voyage vers la planète rouge. Le plasma est souvent présenté comme le quatrième état de la matière. C'est un milieu gazeux très chaud, que l'on peut comparer à une soupe de particules. Electriquement neutre, le plasma est constitué par des électrons qui baignent librement aux côtés des noyaux atomiques auxquels ils ont été arrachés.L'efficacité d'un moteur dépend notamment de la température du gaz qui s'échappe de la tuyère, et avec le plasma, on atteint des sommets. La température d'un plasma peut atteindre des dizaines de milliers de degrés, voire parfois un million de degrés, là où les moteurs chimiques traditionnels atteignent péniblement les quelques milliers de degrés. Pour confiner cet enfer, les ingénieurs sont contraints à utiliser des champs magnétiques extrêmement puissants, comme pour les moteurs nucléaires, générés par des matériaux supraconducteurs.
Le moteur VASIMR comporte trois cellules magnétiques montées les unes à la suite des autres. La première cellule reçoit de l'hydrogène qui est chauffé violemment par des ondes radio. Excité par le rayonnement radio, l'unique électron de l'atome d'hydrogène se sépare de son noyau et le gaz ionisé se transforme en plasma.
Une deuxième cellule amplifie le processus et permet de porter le plasma à la température et à la densité désirée. La troisième cellule fait office de tuyère magnétique en servant d'exutoire au fluide surchauffé, dont la température atteint alors les 50 000° C.
La puissance du moteur VASIMR est telle qu'elle permettrait à un vaisseau de 100 tonnes de rejoindre Mars en moins de trois mois !
Les chercheurs du centre Johnson de la NASA doivent faire face à de nombreux challenges. La production et le chauffage du plasma est l'un d'eux. L'énergie mise en jeu dans le processus de fabrication du plasma est colossale, et les panneaux solaires, habituellement utilisés pour fabriquer de l'électricité sur les vaisseaux actuels, devront laisser la place à des réacteurs nucléaires embarqués.
D'après les ingénieurs, si le moteur à plasma ne cale pas trop au démarrage, il pourrait être opérationnel pour la prochaine décennie.
Le moteur ionique :
Le principe du moteur ionique repose sur l'ionisation d'un gaz à l'aide d'un courant électrique. Les ions produits par ionisation sont accélérés par un champ électrique et expulsés à très grande vitesse dans une tuyère. Ces moteurs ioniques ont la même architecture que les moteurs chimiques, à part que ce ne sont pas des molécules de gaz qui sont produits, accélérés et éjectés, mais des ions.
Comparé à la propulsion chimique, le moteur ionique est très économique : à puissances égales, un moteur ionique consomme dix fois moins de combustible qu’un moteur-fusée classique à base d’ergols (ce qui allège considérablement le vaisseau). Un peu de gaz xénon et de l’électricité (fournie dans le cas de Smart-1 par les panneaux solaires) suffisent.
Néanmoins, la poussée de ce type de moteur est très limitée, et on ne peut donc pas l’utiliser pour décoller de la Terre et s'arracher à l'attraction terrestre. Mais elle peut être délivrée durant des années (ce qui permet à long terme d’atteindre des vitesses stupéfiantes) tandis que les moteurs chimiques, plus puissants, consomment leurs ergols en seulement quelques minutes.
Dans le cas d'un voyage vers Mars, les moteurs ioniques n’auraient pas le temps d’accélérer suffisamment et le temps de trajet serait alors plus long qu’avec des moteurs chimiques.
Ce type de moteur a été expérimenté la première fois en 1998 sur Deep Space 1, puis sur Smart 1 en 2003.
Moteurs à détonations pulsées :
Les moteurs à détonations pulsées (PDE) semblent prometteurs comme futurs moteurs d’aéronefs. Le principe est simple, on fait détoner dans un tube un mélange explosif qui est aussitôt éjecté à grande vitesse, les ondes de détonation supersoniques consomment le carburant de la manière la plus efficace pour les moteurs à réaction standard. Ces moteurs sont extrêmement simples et légers, car ils ne sont composés que d’un seul ensemble de tubes. La géométrie simplifiée des PDE donne une fausse impression de leur complexité. Le réglage à l’allumage et le mélange air-carburant doivent être coordonnés de façon précise afin de produire une onde de détonation qui descendra dans un tube. La bonne marche dépend de la rapidité de la fréquence d’allumage, augmentant ainsi la difficulté.
La propulsion laser possède un énorme avantage sur les moteurs chimiques actuels. En effet l’énergie nécessaire pour la propulsion est transmise par un laser pulsé de forte puissance depuis un site éloigné (observatoire terrestre, satellite en orbite,…) de ce fait les vaisseaux propulsés par laser n’ont plus besoins d’embarquer des quantités colossales d’ergol. Le laser irradie l’arrière de l’engin, créant un plasma à haute densité qui est utilisé ensuite pour la propulsion. Un des éléments de base du véhicule est un miroir parabolique concave placé à l’arrière qui concentre l’énergie du laser dans la chambre de combustion. Celle-ci est remplie avec de l’air utilisé comme combustible qui, sous l’action du laser, se transforme en plasma et se détend à une vitesse supersonique (de l’ordre de 10 à 20 km/s). La pression à l’intérieur du plasma atteint une dizaine d’atmosphères et des ondes de choc se forment. En l’absence d’air, le laser peut être focalisé sur un combustible solide ; dans ce cas, la propulsion est assurée par l’éjection de matière (c’est ce qu’on appelle l’ablation laser).
La difficulté de l’ablation, c’est le seuil de d’irradiation : en effet, pour un atome d’azote, il faut 120 photons pour extraire un électron, soit un seuil d’irradiation de 1012 W/cm2. Pour aller loin, il faut donc avoir un seuil d’irradiation le plus bas possible. C’est très difficile avec des combustibles liquides ou gazeux. Certes, les expériences montrent que la présence de surfaces solides réduit considérablement le seuil d’irradiation de l’air. Mais, dans ce cas, il faut avoir un matériau susceptible de résister à l’énorme quantité de chaleur produite par le plasma résultant (au minimum 10000°K). L’idée est donc de venir directement ablater le matériau solide qui a un seuil d’irradiation beaucoup plus faible (1000 fois moins que pour les gaz) : la portée du véhicule peut être alors augmentée jusqu’à 100 fois.
Une autre difficulté vient de l’interaction entre le rayon laser et les couches atmosphériques entre le sol et le véaisseau. En effet, les lasers susceptibles d’être utilisés auront une puissance de l’ordre du gigawatt, c’est largement suffisant pour permettre « l’allumage plasma » de l’air. Si on veut donc éviter la formation de plasma dans l’atmosphère le long de la trajectoire (à la fois pour des problèmes d’environnement et d’efficacité de la propagation du rayon laser, vu que le plasma réfléchit la lumière), il faut que le combustible ablaté ait le seuil d’irradiation le plus bas possible.
