Mars: une opportunité unique pour l’exploration spatiale

Les Terriens sont ingrats. Beaucoup considèrent la planète Mars comme une terre hostile et lointaine qu’il vaudrait mieux, de ce fait, ignorer. Ils ont tort. Ils devraient au contraire voir que c’est exactement le tremplin dont l’humanité a besoin pour, un jour, pouvoir prendre son envol dans l’espace profond. Ils devraient donc rendre grâce à la nature qui l’a placée là, telle qu’elle est, à l’endroit où elle est.

Les avantages fondamentaux qu’offre Mars pour nous êtres humains, par rapport aux autres planètes du système solaire et par rapport aux planètes d’autres systèmes qui ne présenteraient pas la même configuration que notre couple Terre/Mars, sont liés à la masse et à la distance. Plus précisément, ce sont d’une part, le rapport de masses entre les deux planètes et la masse de Mars en absolu ; d’autre part, la distance de Mars à la Terre et la distance de Mars au Soleil.

Je développerai cette semaine les avantages donnés par la masse.

Pour mémoire, Mars a une masse relativement petite, un dixième de celle de la Terre, pour un diamètre égal à la moitié de celui de la Terre (donc à peu près la même densité) mais une surface égale à la totalité des terres émergées de notre planète. Cette faible masse n’est pas « normale ». Compte tenu de l’homogénéité probable du disque protoplanétaire, Mars aurait pu avoir la même masse que la Terre ou que Vénus. Elle aurait même dû avoir cette masse si, comme nous l’a démontré brillamment l’astrophysicien Alessandro Morbidelli (théorie du « grand tack » c’est-à-dire du « grand rebroussement »), Jupiter, formée au-delà de la ligne de glace, n’était pas venue faire une incursion dans cette région du système solaire interne (en-deçà de la Ceinture d’astéroïdes) alors qu’il était encore en formation (avec un certain retard par rapport aux géantes gazeuses).

Par chance, Saturne étant entrée en résonnance avec elle, stoppa sa descente vers le Soleil et l’entraina pour repartir de concert dans le système externe (au-delà de la Ceinture d’astéroïdes). Les dommages causés par l’incursion étaient cependant déjà énormes, la plus grosse partie de la matière de la Ceinture d’astéroïdes chamboulée, dispersée, absorbée, absorbée, la plus grosse partie de la matière qui aurait pu permettre de créer une planète Mars de la taille de la Terre. Cependant, Jupiter n’était pas descendue suffisamment longtemps dans cette région pour en absorber toute la matière, et par chance elle y était restée suffisamment longtemps pour que ce qui resta de matière put s’accréter par gravité en une planète nettement moins massive que la Terre, mais nettement plus massive que la Lune, ce qui était exactement ce dont nous aurions besoin plus tard.

En effet, cette masse de Mars implique une pesanteur au sol d’à peu près un tiers de celle que nous avons sur Terre (0,38 g) et une vitesse de libération de 5,03 km/s (contre 11,2 km/s pour la Terre).

Les conséquences en astronautique sont que :

1. Le poids de l’éventuel Starship qui se posera sur Mars presque à vide d’ergols ne sera que de 100 tonnes pour une masse maximum de quelques 300 tonnes (soit 100 tonnes de structures, 50 tonnes d’ergols résiduels, 150 tonnes de charge utile)
2. Le poids au départ de Mars, une fois fait le plein d’ergols, sera de 370 tonnes pour une masse de 1400 tonnes (100 tonnes de structure, 1200 tonnes d’ergols, 100 tonnes de charge utile).

Ce poids est à comparer à celui du Starship avec son lanceur, SuperHeavy, au départ de la Terre, 4000 tonnes (soit pour la structure, 200 tonnes pour le SuperHeavy et 100 tonnes pour le Starship, et pour les ergols, 3400 tonnes pour le SuperHeavy et 150 tonnes pour le Starship – en attendant de faire le plein en orbite – plus 150 tonnes de charges utile). Il est à comparer aussi au poids au départ de la Terre des 538 tonnes de la version la plus lourde d’un Falcon-9 chargé ou encore des 780 tonnes d’une Ariane-5.

On voit bien que les difficultés pour se poser puis repartir d’une planète « Mars-hypothétique » de la masse de la Terre seraient incomparables aux difficultés à surmonter pour décoller de la Terre. Par analogie, vouloir se poser sur le sol non-préparé d’une telle planète et surtout vouloir en repartir poseraient des problèmes quasi insurmontables. En ne considérant que le décollage, il faudrait disposer sur place d’un lanceur équivalent au SuperHeavy qu’il aurait fallu avoir pu apporter sur Mars aussi bien que les ergols nécessaires pour l’alimenter (ou du laboratoire capable de les produire à partir des ressources locales en quantité suffisante et avec la rapidité suffisante).

C’est donc d’une machine bien plus puissante que le Starship-intégré (à son SuperHeavy) dont on aurait besoin au départ de la Terre. Or, le test de décollage pour vol-orbital du Starship-intégré a amplement démontré que nous avions atteint le maximum de ce qu’il était possible de tenter avec nos moyens de propulsion actuels. Nous ne pouvons donc aujourd’hui espérer mener de missions habitées sur notre planète « Mars-réelle » que parce qu’elle a une masse beaucoup plus petite que celle de la Terre. Pour poursuivre le raisonnement, toute mission en surface de Vénus (ou planète de même masse), outre le fait qu’on ne pourrait y descendre en raison de la pression atmosphérique en surface (90 bars) et de la température (450°) serait totalement exclue car on ne pourrait plus en repartir du simple fait de la gravité. Toute mission sur une « superterre » (par définition de masse supérieure à la Terre) serait a fortiori également de ce fait, totalement exclue.

Après le décollage de la Mars-réelle, il sera ensuite beaucoup plus facile de rejoindre l’orbite avant injection interplanétaire vers la Terre, car les astronautes n’auront pas à surmonter l’épreuve de Max-Q, qui représente le pic de dangerosité après que l’on a quitté la surface de la Terre (ou de toute autre planète dotée d’une atmosphère dense). Rappelons que Max-Q est la tension aérodynamique maximum par laquelle on doit passer lorsque la pression atmosphérique est encore suffisamment élevée pour qu’en fonction de la vitesse déjà acquise la densité de l’atmosphère impose les contraintes les plus dures à la structure de la fusée.

Cette tension diminue ensuite rapidement en fonction de la diminution de la pression atmosphérique, fonction elle-même de l’altitude. Dans l’atmosphère martienne, le Max-Q est beaucoup plus faible (pour ne pas dire négligeable) car la pression atmosphérique de départ est déjà très faible (615 pascals au « Datum » i.e. l’équivalent du niveau de la mer chez nous), correspondant à celle que nous avons à quelques 30 km d’altitude au-dessus de la Terre.

C’est à cette altitude que le Starship-orbital a franchi son Max-Q, ce qui a sans doute contribué à sa déstabilisation devenue évidente quelques km plus haut. Lorsque la fusée repartant de Mars atteindra les 21 km d’altitude au-dessus du Datum, soit l’altitude du sommet d’Olympus Mons (le plus haut volcan de la planète) et probablement son Max-Q, la pression atmosphérique ne sera plus que de 30 pascals (trois dixièmes de millibars), clairement presque rien (et de toute façon, il n’aura pas eu besoin de procéder à la manœuvre délicate du largage de son lanceur puisque ce premier étage ne sera pas nécessaire du fait de la gravité plus faible).

Une fois sur Mars, les astronautes devront porter un scaphandre pour toutes leurs activités extérieures et sans doute un gilet plus un casque antiradiations dans les habitats de surface protégés partiellement (comme les dômes transparents que l’on voit dans beaucoup de projets d’habitat), à moins bien sûr qu’ils ne décident de vivre sous une protection épaisse de régolithe ou de roche. Cela tombe bien, car la masse correspondant à ce support-vie (scaphandre équipé) et à cette protection antiradiations (gilet et casque), sera parfaitement adaptée à la capacité musculaire et osseuse des astronautes, et même leur sera bénéfique pour maintenir des tissus osseux et musculaires en bonne condition, alors qu’elle serait totalement insupportable sur une planète de masse, donc de gravité, égale (ou supérieure !) à celle de la Terre.

Pour ce qui est de la recherche, Mars présente aussi deux atouts majeurs résultant de sa masse, donc de sa gravité. Cette masse a en effet permis une activité géologique beaucoup plus poussée qu’en surface de la Lune mais n’a pas permis le développement d’un activité tectonique notable comme sur Terre.

L’activité géologique sur la Mars primitive a permis la transformation géologique par diagénèse et métamorphisme associant l’eau liquide alors que cette évolution liée à l’eau a été quasi nulle sur la Lune puisque notre satellite naturel, de masse trop petite, a très vite été un astre mort. Mars a commencé une histoire géologique semblable à celle de la Terre avec réactivations nombreuses au début, suite à des changements d’inclinaison de son axe de rotation sur son plan de l’écliptique ou à de puissants épisodes volcaniques. Par chance, pour les scientifiques, cette activité s’est ralentie, presque arrêtée, quelques centaines de millions d’années après avoir commencé (vers -3,5 milliards d’années) en même temps que l’atmosphère se raréfiait à l’extrême et que l’eau de surface disparaissait.

Dans le manteau de la planète, une quantité moindre d’eau, elle aussi liée à la masse plus faible donc à la gravité plus faible de Mars par rapport à la Terre, donc à une attractivité moins forte de Mars pour les comètes porteuses de glace, n’a pas permis le développement de mouvements de convexion aussi puissants liés à une croute aussi mince que sur Terre. De ce fait, les mouvements de convexion n’ont pu qu’esquisser une très faible tectonique des plaques (Valles Marineris, ou Isis Planitia ?) ce qui a permis la conservation quasi intégrale d’une surface planétaire très ancienne étendue sur des dizaines de millions de km², alors que sur Terre ces mêmes surfaces témoins des premiers balbutiements de la vie, n’occupent plus aujourd’hui que quelques dizaines de km² en Australie et au Groënland.

Seule note négative, la faible masse de Mars n’a pas permis la création au centre de la planète, d’un noyau métallique ferreux aussi pur et de périphérie aussi nettement délimitée qu’au centre de la Terre, ce qui n’a pas permis une rotation différentielle suffisamment efficace pour générer des champs magnétiques globaux protecteurs (sinon au tout début de l’histoire géologique). Depuis que l’atmosphère s’est appauvrie (vers -4 milliards d’années sauf intermèdes de plus en plus rares), il n’y a plus eu de protection au sol contre les radiations solaires et galactiques. Ces conditions ont été évidemment défavorables à la vie.

En dépit de cette dernière note négative, Mars constitue donc, de par sa masse, un laboratoire optimal pour déduire ce qu’a pu être la surface terrestre la plus ancienne, et un lieu où les conditions gravitationnelles devraient permettre à l’homme de vivre dans des conditions acceptables.

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