Si le Starship de SpaceX peut voler, Mars sera à notre portée

La capacité du Starship que SpaceX est en train de finaliser nous permet d’envisager la faisabilité de l’installation de l’homme sur Mars.

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SpaceX SN8 Flight BY Ron Frasier (CC BY 2.0)

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Si le Starship de SpaceX peut voler, Mars sera à notre portée

Publié le 14 février 2023
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La capacité du Starship que SpaceX est en train de finaliser1 nous permet d’envisager la faisabilité de l’installation de l’Homme sur Mars. En effet ce vaisseau spatial pourra déposer sur le sol de la planète plusieurs dizaines de personnes ou cent tonnes d’équipements dans un volume viabilisé de 1100 m3.

La progression satisfaisante du processus de réalisation du Starship nous permet d’envisager d’apporter sur Mars les équipements nécessaires à la caractérisation précise de l’eau martienne, nécessaires à son extraction (puisqu’elle se présente sous forme de glace sous un mort-terrain d’épaisseur à définir mais qui ne devrait pas dépasser quelques mètres), nécessaires à son transport et nécessaires à son utilisation, comme nous l’avons vu la semaine dernière.

 

Les défis de Mars

Comme chacun peut le comprendre la solution à ces problèmes de l’eau est vitale non seulement pour la vie à long terme mais aussi pour la réussite d’une mission habitée puisqu’au-delà du recyclage de l’eau pour les besoins humains (qui devrait atteindre au moins 80 %), les Hommes auront besoin d’eau pour obtenir l’hydrogène nécessaire à la production des ergols pour pouvoir revenir sur Terre (dans le cadre d’une réaction de Sabatier pour obtenir du méthane et de l’oxygène, après hydrolyse de l’eau).

J’ai évoqué ce problème de l’eau la semaine dernière mais dans l’étude à laquelle je me référais et à laquelle je me réfère encore aujourd’hui, les auteurs mentionnent tout ce qu’il conviendra de faire également pendant les toutes premières missions et que permettent d’envisager le Starship avec ses capacités de transport extraordinaires. Au moyen d’une première mission entièrement robotisée, il s’agit de tester les technologies essentielles, de bien vérifier l’habitabilité biologique de la planète, de prospecter les ressources locales nécessaires à la vie, donc celles qui permettront de déterminer l’implantation de la base, de prépositionner des équipements ou des ressources utiles qu’on ne pourra pas obtenir immédiatement du sol martien, et commencer à édifier quelques infrastructures utilisables par la suite (car pendant longtemps on reviendra au même endroit afin de ne pas gâcher le capital physique accumulé).

Tester les technologies essentielles c’est d’abord mesurer les doses et l’intensité de doses des radiations solaires et cosmiques au niveau du sol à l’endroit où l’on veut implanter la Base. On peut même imaginer évaluer le degré de protection contre ces mêmes radiations, procuré par le régolithe en fonction de la profondeur puisqu’on procédera à des forages. En cas de besoin, on pourrait même en déduire la prévision d’implantation de certains locaux sous le gisement de glace pour bénéficier d’une protection particulière.

Lors de cette première mission robotisée pourrait également être testée une production expérimentale de végétaux comestibles, de façon limitée puisque l’Homme ne pourra intervenir en direct. Mais cela serait suffisant pour tester l’alimentation en eau (par hydroponie), l’alimentation en gaz respirables, les quantités de lumière qu’il convient d’ajouter à la lumière naturelle, les réglages nécessaires de la température, la protection contre les radiations, la protection contre les micrométéorites sur une surface en verre (ou altuglas, ou autres semblables), l’effet de la gravité sur la croissance, l’adéquation du support matériel utilisé pour l’ISRU, l’efficacité des protections sanitaires contre les maladies phytosanitaires.

Il faudra également tester les techniques à utiliser pour la construction : possibilité réelle d’excavation, effet de la poussière sur les équipements (utilisation d’équipements ou de produits annulant les effets de l’électricité statique), possibilité réelle de l’hydratation pour créer du duricrete et capacités mécaniques de ce « béton martien », protection contre les micrométéorites (exposition de plaques de matériau permettant de mesurer et d’enregistrer la masse et la vitesse donc l’énergie des particules reçues).

Il faudra encore bien s’assurer de la viabilité pour l’Homme de la surface de Mars sur le plan biologique. Il s’agit de tester les techniques de transformation chimiques des sels de perchlorates en matières sans effets négatifs pour la vie et les techniques de protection des zones débarrassées de ces sels (donc du transport par le vent avec la poussière). Il s’agit aussi de vérifier qu’il n’y a pas sur Mars de molécules organiques qui pourraient être dommageables à la vie humaine. Rappelons-nous que les prions, par exemple, sont des molécules dont on ne soupçonnait pas l’existence avant 1982. Je veux dire qu’il serait intéressant de constater par exemple que la production de nourriture dans les conditions martiennes n’entraîne pas des malformations de protéines (du fait des radiations ?) qui pourraient avoir des conséquences aussi néfastes que les prions sur Terre. En dehors de cela, on n’aura évidemment pas épuisé le sujet de la vie sur Mars et autant on ne risque probablement pas de rencontrer de vie martienne en surface du fait de la forte irradiation subie depuis très longtemps, autant on ne connaît rien de ce qui peut « exister » en sous-sol (même si les émissions de méthane sont extrêmement faibles).

Il faudra enfin tester la production d’ergols à partir de l’atmosphère martienne. On pourra tenter une hydrolyse de la glace martienne (mais on pourrait au tout début de l’implantation de l’Homme, utiliser au moins en partie de l’eau importée de la Terre) et surtout de la production de méthane à partir de l’atmosphère martienne et de l’eau (réaction de Sabatier). Le test requerra une pompe, des filtres, des réactifs (nickel ou ruthénium), un peu d’énergie (RTG ou Kilopower ?), des réservoirs, des capteurs… et un peu de plomberie !

Simultanément, pendant la première mission robotisée, il faudra explorer les environs du site choisi a priori pour l’installation de la base à partir des orbiteurs. Outre la vérification des propriétés du gisement de glace comme développé la semaine dernière cette exploration minutieuse à l’aide de rovers et de drones hélicoptères servira à procéder à une étude géologique précise pour savoir de quelles autres ressources minérales on pourra disposer (fer, silice, alumine, phosphates, souffre, bore, etc.). Il faudra faire une étude géomorphologique du sol (avec radars) pour déterminer la surface d’atterrissage optimale pour le premier vaisseau habité. On pourra aussi déblayer le site choisi comme future  plateforme d’atterrissage à l’aide d’un rover équipé d’une lame de bulldozer embarqué dans les soutes d’un des deux starships robotisés, aplanir le sol et monter des remblais de protection pour limiter les projections de poussière et pierres sur les premières installations lors des atterrissages suivants.

 

L’implantation sur Mars

Lorsque l’on aura bien repéré et analysé le site d’atterrissage et le site de l’implantation de la Base (aussi proche que possible mais avec une distance de sécurité d’au moins un km), on pourra prépositionner les équipements qui seront utiles pour les vols suivants (habités). Il s’agit notamment des engins de construction ; de traitement des matériaux martiens (pour l’extraction, la production de duricrete, de briques) ; de capteurs d’énergie (un réacteur à fission non activé, de panneaux solaires emballés) ; des éléments de structure de la serre (je vote pour un Biopod d’Interstellar Lab) qui pourront être montés ou activés dès l’arrivée des premiers hommes ; d’autres produits qui ne souffriront pas du temps restant avant cette mission habitée (y compris du sel, du sucre mais aussi des réactifs divers ou compléments pour l’industrie du verre, comme le bore, ou de l’acier, comme le carbone), et bien sûr des protections antiradiations dont on aura toujours besoin que ce soit dans la construction ou pour porter sur soi (veste et casque d’Astrorad). On pourra encore commencer à produire quelques infrastructures dans la mesure de disponibilités d’équipements robotisés capable de les réaliser et de temps pour le faire. Dans tous les cas, on veillera à la polyvalence et à la modularité des éléments ou des outils utilisés. Un élément quelconque doit pouvoir servir à autant d’objets que possible « afin de maximiser la flexibilité opérationnelle et d’optimiser l’allocation des masses qui seront transportées depuis la Terre » comme le disent les auteurs.

Ensuite un des deux starships, vidé de sa charge utile, pourra repartir vers la Terre, si l’on a pu produire suffisamment d’ergols pour son vol de retour au cours des 18 mois passé sur Mars. Ce n’est pas l’hypothèse retenue par les auteurs de l’étude sur laquelle je me fonde, car ils estiment sans doute que les premiers équipements embarqués ne permettront pas la production d’ergols en quantité suffisante de façon entièrement robotisée. Ce serait pourtant intéressant de le tenter pour tester la rentrée dans l’atmosphère terrestre à la vitesse impliquée par un retour de Mars (plus élevée que lorsqu’on vient de la Lune). Il faudra en effet vérifier la bonne capacité de résistance du revêtement de tuiles thermiques avant que des Hommes voyagent à bord (et après un atterrissage sur / suivi d’un décollage de Mars). Je pense personnellement que comme le préconise Robert Zubrin on pourra faire fonctionner la réaction de Sabatier par moyens robotiques et stocker suffisamment de méthane et d’oxygène pour revenir sur Terre sans équipage, surtout que le vaisseau restera présent pendant 18 mois sur Mars avant de pouvoir repartir (sauf urgence, voir ci-dessous) ce qui donne le temps de produire une quantité non négligeable d’ergols.

Au cas où l’on n’aurait pas totalement confiance dans le fonctionnement des équipements robotisés pour la méthanation ou s’ils ne fonctionnaient pas une fois sur place on pourrait du moins envisager d’extraire de la glace, de l’électrolyser et de stocker l’hydrogène (même s’il y aura des fuites, il en restera toujours un peu) et l’oxygène en quantité suffisante, toujours par moyens robotiques, avant l’arrivée de l’homme (32 mois après l’arrivée des vaisseaux robotisés sur Mars). Cela servirait toujours !

NB : on pourrait tenter de sauver une partie de l’hydrogène sous forme de « powerpaste » en le mélangeant à de l’hydrure de magnésium comme l’a démontré possible l’institut de recherche allemand IFAM. Dans le cas d’échec de la méthanation, ou si les réservoirs du starship ne peuvent être remplis ou bien si l’hydrolyse échouait, les deux vaisseaux resteraient sur le sol de Mars comme l’envisagent de toute façon les auteurs de l’étude. Ils serviraient alors d’annexes à l’habitat ou d’ateliers aux astronautes de la mission suivante habitée. Leurs équipements intégrés seraient également bienvenus pour ces Hommes puisqu’ils fourniraient une redondance. In fine l’ensemble des vaisseaux sera une source de matériaux.

Ces premières missions robotisées seront donc capitales pour décider ou non de nous établir sur Mars. Nous approchons de « l’heure de vérité » car je suis certain que si le Starship peut voler, atterrir et repartir avec des ergols produits par ISRU, Elon Musk trouvera un moyen pour aller sur Mars. Et si les tests de vie sur Mars nous « donnent le feu vert », il est certain que des Hommes prendront le risque du voyage puis de l’isolement, puis de la vie avec des ressources limitées, pour décider de s’installer sur la planète pour la durée d’une mission (30 mois tout de même entre départ et retour sur Terre) puis pour plus longtemps. Je connais suffisamment (indirectement) Elon Musk et je connais suffisamment les Américains pour n’avoir aucun doute là-dessus. Et probablement quelques Européens prendront aussi le risque de les accompagner (puisque l’ESA a décidé que l’aventure était pour les cow-boys). Le déclencheur de tout cela sera le parcours par le Starship de sa première orbite autour de la Terre, prévue pour cette année. Un événement très encourageant a au lieu ce 9 février avec la mise à feu statique réussie du SuperHeavy Booster 7. Faire fonctionner ensemble les 31 moteurs était un énorme défi. Une étape importante a donc été franchie. Nous vivons une époque formidable !

Article de référence :

Mission Architecture Using the SpaceX Starship Vehicle to Enable a Sustained Human Presence on Mars (Architecture de mission utilisant le Starship de SpaceX pour rendre possible une présence humaine durable sur Mars). Lien : https://doi.org/10.1089/space.2020.0058

Publication en septembre 22 dans New Space, revue scientifique du groupe Mary Ann Liebert. Les 19 auteurs sont membres d’organisation et d’universités américaines de premier plan :

NASA Ames Research Center (dont l’auteure principale Jennifer Heldmann); Bechtel Corp.; NASA Kennedy Space Center; Honeybee Robotics; Purdue University; Planetary Science Institute, Tucson; United States Geological Survey…et Margarita Marinova, Docteure en Sciences planétaires du CalTech, ancienne de SpaceX où elle était « Senior Mars Development Officer » (que je mets en exergue parce qu’elle est auteure en second…et que je la connais pour avoir longuement discuté avec elle en compagnie de Richard Heidmann, fondateur de l’Association Planète Mars – France, sur introduction de Robert Zubrin).

Sur le web

  1. même s’il ne faut pas vendre la peau de l’Ours, on peut maintenant évoquer avec un indice de confiance élevé la probabilité qu’il puisse voler.
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  • Le texte contient au moins deux fois les termes « hydrolyse de l’eau » pour désigner l’action de décomposer l’eau martienne au moyen de l’électricité. Le chimiste que je reste a sursauté : en effet, le terme « hydrolyse » signifie étymologiquement « décomposition par l’eau ». Et on ne voit pas bien comment décomposer de l’eau au moyen d’eau… En réalité, l’article initial auquel se réfère le présent article parle d’électrolyse de l’eau (electrolysis) et pas d’hydrolyse.

    • Vous avez tout à fait raison. J’aurais dû faire une relecture plus attentive! Mais je pense que tout le monde aura compris. J’ai corrigé sur mon blog. Merci!

  • Mais pourquoi donc aller sur mars ? Pour répondre à la question : y a-t-il ou y a-t-il eu de la vie sur Mars ? C’est tout. En dehors de ça, aucun intérêt d’aller sur une planète encore plus inhospitalière que le centre de l’Antarctique. Coloniser Mars est un projet sans intérêt. Y faire quelques expéditions à but purement scientifique est presque absurde. Mieux vaut attendre que les robots soient au point pour faire le boulot, et nous rapporter des échantillons de sol martien divers et variés.
    La combinaison pour vivre sur Mars n’a pas encore été mise au point. N’oublions pas que l’eau bout à 4° sur Mars (en fonction de la pression). Sans parler des poussières, des radiations, de la température, de l’isolement. C’est tout simplement un enfer.

    -1
    • Je vois bien que le voyage vers Mars ne vous tente pas. Mais n’en dégoutez pas les autres.
      Il y aura peut-être plus de tranquillité à vivre sur Mars qu’à rester sur Terre au sein des turbulences qui s’annoncent.
      Par ailleurs, pour ce qui est de la recherche, il y a un gros problème, c’est le décalage de temps entre les deux planètes. Ce décalage est de 2 à 22 minutes compte tenu de la finitude de la vitesse de la lumière (et selon la position respective des planètes). Il faut donc programmer nos machines, observer ce qu’elles ont fait (retour de 2 à 22 minutes) puis reprogrammer, attendre le résultat, etc… C’est long et fastidieux. C’est pour cela qu’il n’est pas nécessaire que des hommes aillent sur la Lune pour l’explorer (pratiquement pas de décalage de temps) mais très utile que des hommes aillent sur Mars pour y commander leur robot en direct (partout sur la planète, à partir d’une seule base).
      Pour ce qui est de la pression atmosphérique, de la température, des radiations, de l’isolement, merci mais les personnes qui s’intéressent au sujet y ont déjà pensé. Et figurez-vous qu’ils ont réponse à tout. Mais je ne vais pas développer ici car ce n’est pas le sujet. Lisez mon blog.

    • Est-ce que, en lançant le programme Apollo, Kennedy pensait qu’il en sortirait la couverture de survie ou la couche culotte, pour prendre 2 exemples vraiment de ce qui est sorti du programme spatial américain ? On peut en douter.
      Est-ce que, dans les années 50/60, il y avait des personnes qui se demandaient à quoi ça servait, cette histoire d’aller dans l’espace, alors qu’il y avait tellement de problèmes à régler sur Terre ? Sûrement.
      Et pourtant…

  • Je veux juste poser une question américaine; how much?

    -1
    • La question ne devrait jamais être « how much » car on devrait toujours évaluer une dépense en fonction des richesses qu’elle peut créer.
      Si Mars devient à notre portée, il y aura des investissements, au delà de ce qui sera nécessaire pour construire des starships. Et s’il y a une demande pour utiliser ces starships et les infrastructures qu’ils pourront permettre de construire sur Mars, quel intérêt cela aura-t-il de savoir de quels montants auront été les investissements? En effet nous aurons en face des dépenses des recettes et en faisant la différence entre les deux, des profits. Donc nul empêchement pour l’économie de continuer à fonctionner dans ce domaine de l’exploration spatiale et dans d’autres puisque les conditions difficiles prévalant sur Mars auront forcé l’innovation dont nous aurons des retombées sur Terre (et qu’entre temps des personnes auront été payées, sur Terre, pour construire sur Mars).

  • Je ne considère pas le starship comme le vaisseau adapté pour aller vers Mars. En revanche le starship va permettre la mise en orbite de masses considérables et par conséquent la construction en orbite de vaisseaux ou de bases infiniment plus grands avec des moyens de propulsion qui restent à mettre au point. La lune me semble un objectif infiniment plus réaliste dans un premier temps mais Musk doit d’abord étendre sa fortune avec Starlink pour financer tout ça!

  • La question ne devrait jamais être « how much » car on devrait toujours évaluer une dépense en fonction des richesses qu’elle peut créer.
    Si Mars devient à notre portée, il y aura des investissements, au delà de ce qui sera nécessaire pour construire des starships. Et s’il y a une demande pour utiliser ces starships et les infrastructures qu’ils pourront permettre de construire sur Mars, quel intérêt cela aura-t-il de savoir de quels montants auront été les investissements? En effet nous aurons en face des dépenses des recettes et en faisant la différence entre les deux, des profits. Donc nul empêchement pour l’économie de continuer à fonctionner dans ce domaine de l’exploration spatiale et dans d’autres puisque les conditions difficiles prévalant sur Mars auront forcé l’innovation dont nous aurons des retombées sur Terre (et qu’entre temps des personnes auront été payées, sur Terre, pour construire sur Mars).

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