L'homme sur Mars

Les missions habitées

Mars Project

Les projets de vols habités vers Mars ont été très nombreux dans la foulée des missions Apollo et du débarquement des premiers hommes sur notre satellite, de 1961 à 1975. Le premier scénario technique de voyage vers la planète rouge (Mars Project) fut mis au point en 1952 par Wernher von Braun, le père des fusées allemandes V2. Son scénario faisait intervenir un train de dix vaisseaux spatiaux assemblés en orbite terrestre, chacun pouvant transporter 7 hommes. Après un voyage de neuf mois, cinquante astronautes atterrissaient sur la planète rouge pour y rester 15 mois, avant d'entreprendre le voyage de retour. Durée totale de la mission : 3 ans. Dix ans plus tard, Wernher von Braun présentera une version réduite de ce projet, basé sur l'utilisation du moteur nucléaire NERVA.

Dans cette nouvelle version, deux vaisseaux de 85 mètres devaient être assemblés en orbite terrestre. La construction de chacun d'entre eux nécessitait le tir de six fusées Saturne V (le lanceur des missions Apollo). Le vaisseau était composé d'un corps central flanqué de deux accélérateurs nucléaires de chaque côté et d'un moteur principal, nucléaire lui aussi. Six hommes pouvaient prendre place dans chaque vaisseau. Après le lancement (prévu le 12 novembre 1981), les vaisseaux étaient reliés entre eux et animés d'un lent mouvement de rotation, de manière à recréer la pesanteur terrestre. Le voyage vers Mars devait durer 9 mois. Une fois en vue de la planète rouge, les vaisseaux se mettaient en orbite, libéraient une flottille de robots automatiques, un module d'excursion martien et un module d'atterrissage pouvant transporter 3 hommes vers la surface martienne (les trois autres, moins chanceux, restaient en orbite). Après seulement trois mois d'études, il fallait repartir vers la Terre. Les explorateurs auraient été de retour 21 mois après leur départ. Les principaux challenges techniques consistaient à mettre au point un moteur nucléaire (projet NERVA) et à travailler avec de l'hydrogène liquide. Il est en effet très difficile de maintenir l'hydrogène à l'état liquide et d'empêcher son évaporation sans mettre en œuvre des installations cryogéniques lourdes.

NERVA, un moteur nucléaire

Le principe de fonctionnement d'un moteur chimique de fusée est bien connu. C'est celui de l'action réaction : le fait de projeter un objet dans une direction nous pousse dans la direction opposée. Ainsi, 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 se mouvoir dans la direction opposée à l'éjection. Sans rentrer dans les détails, on peut utiliser pour alimenter les moteurs soit des composés solides (comme les boosters latéraux d'Ariane 5), soit des composés liquides (comme le premier étage des fusées Delta II, qui fonctionne avec du kérosène et de l'oxygène liquide). Un moteur à poudre est plus simple à mettre en œuvre qu'un moteur fonctionnant avec des liquides. 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.

Les américains ont déjà tenté de mettre au point un moteur thermonucléaire, avec le projet NERVA (Nuclear Engine Rocket Vehicle Applications). Pour cela, un centre d'essai avait été crée dans le Nevada, à Jackass Flat. Avant que le programme ne soit abandonné en 1972 (à cause d'une réduction du budget consacré au spatial), les équipes de recherche avaient pu obtenir des résultats positifs, en particulier le test au banc d'essai d'un réacteur expérimental qui a fournit pendant une demi heure 33,7 tonnes de poussée. Quand il a été arrêté, le projet avait déjà coûté plusieurs milliards de dollars.

Des projets à la pelle !

Le projet de Wernher von Braun n'était pas le seul, et bien d'autres ont été mis au point, du moins sur le papier. La société General Electric prévoyait l'envoi de huit astronautes (400 jours à 460 jours de voyage, 1 mois sur Mars) avec un vaisseau combinant moteur nucléaire pour quitter l'orbite terrestre, propulsion électrique (moteur à ion) pour le voyage Terre-Mars et propulsion chimique à poudre pour l'atterrissage et de décollage de Mars. North American Rockwell proposa un navire spatial emportant de 9 à 12 hommes et basé sur les missions Apollo. On peut aussi mentionner le projet Deimos de Douglas qui mettait en œuvre un énorme booster d'un seul étage (29,5 mètres de hauteur), ceinturé par 8 réservoirs largables. L'ensemble était surmonté d'un véhicule martien qui permettait de recevoir six hommes. Ce véhicule était lui même composé d'un module d'exploration martien (MEM) et d'une capsule de rentrée pour le retour sur Terre. Le lancement aurait du avoir lieu le 9 mai 1986. Trois hommes seulement devaient atterrir sur Mars à l'aide du MEM, les trois autres restants en orbite. L'exploration proprement dite devait débuter le 28 décembre 1986 et se prolonger pendant 30 à 200 jours. Lors du retour, le module de retour décollait pour rejoindre l'orbiter à une altitude de 540 km. Après un voyage de 330 jours, les six explorateurs retrouvaient la Terre. Le grand avantage du projet Deimos, c'est que la plus grande partie du matériel est réutilisable, ce qui permet de diminuer fortement les coûts. Ainsi, à part les huit réservoirs d'hydrogène qui sont largués au fur et à mesure de la mission et de la partie inférieure du MEM qui sert de plate-forme de tir pour le module de retour, on récupère entièrement le booster. Celui ci joue par ailleurs plusieurs rôles. Il sert de lanceur terrestre, d'orbiteur, d'étage de retour pour le trajet Mars - Terre et de module de rentrée terrestre. Le principal inconvénient du projet Deimos était la masse énorme à porter en orbite terrestre au départ de la mission (4350 tonnes).

On trouve enfin des projets encore plus extravagants. Dès 1975, la NASA avait prévu l'installation en orbite terrestre basse (LEO, Low Earth Orbit) de stations spatiales, puis, cinq ans plus tard, de véritables bases capables d'accueillir cent personnes. La deuxième étape prévoyait l'occupation de la Lune avec une base pouvant accueillir 6 personnes en 1978 et 28 en 1980. Au début des années 80, une mission pilotée devait partir pour Mars pour entreprendre l'installation d'une base temporaire (12 puis 48 hommes), qui finissait par devenir permanente.

Tous les projets concernant l'envoi d'homme sur Mars ont été abandonnés. Après le succès de la conquête lunaire, le budget accordé au domaine spatial a sévèrement diminué. La situation politique avait changé, la guerre froide touchait à sa fin et c'était le début d'une collaboration timide entre Américains et Soviétiques. Une mission humaine vers Mars posait aussi de nombreux problèmes techniques (comme nous l'avons vu avec la propulsion nucléaire) et le manque de crédit n'arrangeait rien à l'affaire. Enfin, avec l'explosion de Challenger en 1986 et les affres de la gestion de la station spatiale américaine, le projet d'exploration martienne allait être mis en sommeil. Du moins en apparence ...

Mars Underground

Nous sommes dans les années 1980. Les dix ans qui viennent de s'écouler depuis le programme Apollo et l'atterrissage de l'homme sur la Lune ont vu s'écrouler tous les rêves d'exploration du système solaire par l'homme lui même. Apollo 17 et son équipage sont revenus le 19 décembre 1972. Le dernier véhicule Apollo décolle le 15 juillet 1975, mais son objectif n'est pas la surface grise de notre satellite. Il s'arrêtera en orbite basse terrestre pour un rendez vous avec un Soyouz russe. Entre Apollo 17 et Apollo 18, il n'y a eu que les quatre vols de Skylab en 1973. Les missions Voyager 1 et 2 sont parties vers les géantes gazeuses à l'autre bout du système solaire, mais les sondes n'arriveront pas à destination avant bien longtemps. C'est donc une période norme, et l'activité spatiale est comme endormie.

C'est dans ce contexte qu'une trentaine d'étudiants (dont Chris Mc Kay et Carol Stocker) décident de voir s'il n'y a pas quelque chose de passionnant à faire. Après mûre réflexion, ils commencent à monter un séminaire sur la terraformation de la planète Mars. Bien vite, ils se rendent compte que c'est un sujet énorme, tant du point de vue scientifique que des données qu'il faut rassembler pour travailler sérieusement et éviter autre chose que des spéculations de science fiction. Avant de pouvoir changer le visage de Mars, il faut bien mieux la connaître. Et pour cela, il sera nécessaire d'y envoyer des hommes. Le groupe de passionnés, qui se prénomme lui même Mars Underground, se penche donc vers les missions habitées à destination de la planète rouge. De la à organiser une conférence sur ce thème, il n'y a qu'un pas. Malgré les apparences (une conférence touchant un sujet important organisé par des étudiants, pfff !), les premières demandes de participation commencent à affluer. La première conférence "The Case Of Mars" se tiendra à Boulder, dans le Colorado, en avril 1981. C'est une petite conférence, 100 personnes tout au plus, mais les sujets débattus sont déjà d'envergure : modes de propulsion, systèmes de survie, utilisation des ressources et profils de mission.

Trois ans plus tard, en 1984, a lieu la deuxième conférence. Les résultats seront présentés à la NASA. Robert Zubrin, le père de Mars Direct, y participe. Les conférences continuent ainsi leur chemin, au rythme d'une tous les trois ans. Pour "The Case of Mars III", en 1987, le mouvement s'accélère. Carl Sagan intervient comme conférencier devant plus d'un millier de personnes, et la presse internationale est bien représentée. Lors de la quatrième conférence en 1990, Zubrin présentera les principales idées du scénario de Mars Direct. Il finira par écrire un livre en 1996, qu'il intitulera "The Case of Mars" en l'honneur du travail accompli par le petit groupe d'étudiants.

Au final, le bilan est incroyable et la série de conférence est un véritable succès. Il ne fait aucun doute qu'elles ont joué un rôle non négligeable dans l'annonce faite par Georges Bush en 1989 de repartir vers la Lune et d'envoyer les premiers humains vers Mars (Space Exploration Initiative). La société martienne, fondé le 13 août 1998 devant 700 personnes par Robert Zubrin, sort elle aussi tout droit de Mars Underground.

Le programme SEI

Le 20 juillet 1989, devant le National Air and Space Museum à Washinghon, le président américain George Bush, accompagné de Michael Collins, Buzz Aldrin et Neil Armstrong s'apprête à annoncer un nouveau départ vers l'espace, histoire de fêter dignement l'anniversaire de la mission Apollo 11. C'est le programme SEI (Space Exploration Initiative).

"First for the coming decade, for the 1990s, Space Station Freedom, our critical next step in our space endeavours. And next, for the next century, back to the moon, back to the future, and this time back to stay. And a journey to tomorrow, a journey to another planet, a nammed mission to Mars. Each mission should and will lay groundwork for the next".

On le voit, le dialogue est bien aussi excitant que celui prononcé par Kennedy en 1961. L'atterrissage de l'homme sur la Lune a été un exploit absolument incroyable, et son récit n'en finit pas de nous fasciner. Malheureusement, suite à cela, aucune base permanente n'a été installée sur notre satellite et l'homme a du se contenter de l'orbite basse comme résidence spatiale. Le message de Bush est clair. Il s'agit de retourner sur la Lune, cette fois pour y rester, avant d'envoyer des hommes sur Mars. Il n'y a pas cependant obligation de réaliser cet exploit dans une décennie, et aucune limite de temps n'est d'ailleurs donnée. Il s'agit juste d'une description des principales étapes devant conduire l'homme sur Mars et au delà.

Immédiatement, une équipe de la NASA va tenter de savoir si le programme ambitieux de Bush peut être réalisé. Trois mois plus tard, un rapport intitulé "Report of the 90-Day Study on Human Exploration of the Moon and Mars" sort des presses. Il sera connu sous le nom plus court de "The 90 Day Report". D'après ce rapport, pour envoyer des hommes sur Mars, il faudra y mettre les moyens et construire une gigantesque infrastructure. La taille de la station spatiale devra d'abord être triplée pour l'équiper avec une foule de nouveaux bâtiments : hangars de construction, dépôts cryogéniques, docks. Ensuite, l'immense usine spatiale servira à assembler des vaisseaux qui réaliseront le trajet Terre - Lune. Une base lunaire pourra alors être installée sur la Lune. Avec les structures en orbite terrestre, elle servira à l'assemblage d'un monstre de métal, un vaisseau spatial géant qui transportera un équipage vers sa destination finale, Mars. Le vaisseau martien devra utiliser des technologies totalement différentes de celles des vaisseaux trans-lunaires. En fait, ce nouvel espoir de conquête de la planète Mars n'est qu'une remise au goût du jour du projet de Wernher Von Braun, avec sa flotte de vaisseaux énormes assemblés en orbite basse terrestre.

Le voyage vers la planète rouge durera 18 mois, et le vaisseau restera seulement 1 mois en orbite. Quelques hommes seulement parmi tout l'équipage descendront vers la surface rouillée de la planète pour y rester environ deux semaines, juste le temps de planter un drapeau et de laisser quelques empreintes dans la poussière martienne. Le 90 Day Report ne chiffrait pas une mission de ce type, en terme de coût. Mais d'après les estimations des experts en 1989, une telle mission nécessitait trente années d'effort et quelques 450 milliards de dollars. Le chiffre est énorme, et il devient vite scandaleux. La décision du Congrès américain ne se fait pas attendre et tout ce qui touche au programme SEI devient rapidement tabou.

Si on le regarde en face, le projet SEI n'est finalement rien d'autre qu'une absurdité. Ce n'est pas le coût de la mission qui pose problème, mais bien sa nature même. Comme nous le verrons bientôt, il est possible de faire bien mieux pour beaucoup moins cher. Une mission martienne simple, robuste, de faible coût et indépendante d'autres projets (station spatiale, usine orbitale, base lunaire) est possible. Si une telle dérive a pu avoir lieu, c'est avant tout parce que les différents membres de la NASA ont essayé de plaire à tout le monde, en insérant le plus de chose possible dans une mission afin de monter un véritable monstre, au lieu d'essayer de trouver une solution simple, économique, robuste et crédible. Le programme SEI permettait en outre de justifier quantité de programmes en cours, comme la station spatiale.

Un autre scénario : Mars Direct

Il existe une alternative intelligente à l'affreux projet de Bush, et nous la devons à Robert Zubrin, un ingénieur travaillant dans le domaine du spatial. Celui ci a affirmé en 1991 qu'il était possible d'envoyer des hommes sur Mars pour un coût oscillant entre 30 et 50 milliards de dollars (la moitié du budget d'Apollo), soit 8 fois moins que les premières estimations de la NASA. Nommé Mars Direct, cette mission est présentée avec beaucoup de talent dans l'ouvrage de Zubrin, The Case Of Mars. Comme nous allons le voir, Zubrin est un homme qui a plus d'une bonne idée dans son sac.

Dans le scénario classique, la lune constituait une étape intermédiaire pour le voyage vers Mars. Elle permettait de repartir avec des vaisseaux beaucoup plus gros qui n'avaient pas à s'affranchir de la gravité terrestre. Mais l'utilisation de la Lune comme avant poste avait un coût : 100 milliards de dollars ! Il faut donc abandonner l'étape lunaire. Abandonné lui aussi, l'assemblage des vaisseaux en orbite terrestre. Le problème de l'utilité de la Station Spatiale Internationale dans les voyages vers Mars se pose alors. On comprend que certaines personnes ayant des intérêts assez forts dans la Station Spatiale ne soient pas enchantées de la voir disparaître ainsi des plans de missions habitées vers Mars.

Le coût de la mission est encore abaissé par une standardisation maximale. Le même type de module est utilisé pour le trajet entre la Terre et Mars et comme espace habitable une fois sur place. Un même lanceur doit acheminer le fret et les hommes. Il est en effet inutile de gaspiller de l'argent dans la mise en œuvre de technologies différentes au sein d'un même projet. Rappelons que dans le programme SEI, les vaisseaux spatiaux utilisés à destination de la Lune et de Mars étaient différents, tout comme les technologies de propulsion ou les différents véhicules d'excursion.

Enfin, une mission martienne qui n'a aucun autre but que d'enfoncer un drapeau dans le sol ne sert à rien. Dans le programme SEI, le voyage vers Mars durait environ 1,5 ans (600 jours) alors que le séjour à la surface de la planète rouge se comptait en jours (30 au total). Un explorateur ne passait donc que 5 % de la durée totale de la mission sur Mars. Imaginons maintenant qu'au moment de l'atterrissage, les conditions météorologiques soient défavorables. Il faut alors se rendre à l'évidence : l'atterrissage n'est pas possible. Et comme la durée accordée à l'exploration de Mars est minime, il est bien possible que l'équipage soit obligé de repartir sans avoir touché une seule fois le sol martien ! Mars Direct dure environ 900 jours, plus précisement 360 pour le voyage aller-retour et 550 sur Mars. L'homme passe donc une année et demie sur Mars ! Un séjour qui promet de nombreuses découvertes et qui rentabilise complètement les sommes investies dans un tel projet.

La mission du programme SEI et Mars Direct sont également différentes sur un point : la configuration des planètes dans le profil de la mission. La mission SEI profitait d'une configuration d'opposition, et la mission était donc plus courte que celle de Mars Direct (qui profite d'une situation de conjonction). Une durée de séjour moins importante dans l'espace semble diminuer les risques encourus par l'équipage (rayons cosmiques, éruption solaire). Mais ce que l'on oublie couramment, c'est qu'un lancement en opposition oblige le vaisseau à se rapprocher du Soleil et à effectuer un petit détour par le système solaire interne (un survol de vénus est même prévu pour profiter de son assistance gravitationnelle). C'est le genre de détour qui n'est pas vraiment sans risque pour l'équipage ! Pour plaisanter, les navigateurs surnomment d'ailleurs le survol de Vénus "fryby" à la place de "flyby", indiquant ainsi que les membres d'équipage risquent bien de sortir rôti de leur petite croisière vénusienne. De plus, comme l'équipage d'une mission type SEI passe presque tout son temps dans l'espace, les risques sont en fait plus grand, contrairement aux apparences. Mars Direct dure peut être plus longtemps (300 jours de plus en moyenne), mais l'équipage reste quand même une année et demie sur Mars !

Un des principaux points forts du scénario de Zubrin est basé sur la fabrication in-situ d'eau, d'air et de carburant à partir des ressources martiennes (sol, atmosphère). L'autonomie de la base martienne serait totale, puisque l'équipage fabriquerait également sa propre nourriture (dans des serres par exemple).

Enfin, Zubrin propose à la fin de son ouvrage que la mission Mars Direct soit réalisée non pas par une organisation gouvernementale comme la NASA, mais par des industries privées. Et ce pour réduire les dépenses et les gaspillages inévitables lors de la mise en œuvre de pratiques gouvernementales. Les Etats-Unis offriraient un super prix de 20 milliards de dollars à l'organisme privé qui réussirait l'atterrissage sur Mars d'un équipage en le ramenant vivant après la mission. Des prix supplémentaires sont offerts pour le franchissement d'étapes clés (atterrissage d'un ERV, fabrication d'une certaine quantité de carburant à la surface de Mars, etc). Un organisme privé, avec une gestion très stricte des coûts et du temps, pourrait réaliser une partie du projet (ou tenter le super prix) en empochant un bénéfice non négligeable. En conclusion, Mars Direct ne coûte pas cher, utilise des technologies actuelles et n'est pas dépendante de technologies qui restent du domaine de l'imaginaire. C'est un scénario qui permettrait de gagner 20 ans dans l'histoire de l'exploration de la planète Mars !

Mars Direct en détails

Un vaisseau automatique est lancé en premier, par une fusée de la classe Saturne V ou Energia. Il comprend un module de retour à deux étages (ERV, Earth Return Vehicle) dont les moteurs fonctionnent en utilisant le mélange méthane/oxygène, une usine chimique destinée à la fabrication du carburant, 6 tonnes d'hydrogène, un petit réacteur nucléaire pour la production d'énergie (de 50 kW à 100 kW) qui sera déposé loin de la base par un petit camion télécommandé et deux robots explorateurs. Les petits robots explorateurs serviront à caractériser complètement le site d'atterrissage avant l'arrivée de l'équipage, qui arrivera alors en terrain connu. Parmi le matériel déposé à la surface de Mars, on trouvera aussi une balise radio analogue au dispositif ILS qui sert d'aide à l'atterrissage aux avions sur les aéroports civils et militaires. Le vaisseau transportant l'équipage sera donc finement guidé vers le site d'atterrissage.

Des compresseurs de l'usine chimique vont d'abord pomper le CO2 de l'atmosphère martienne (qui constitue 95 % de l'atmosphère martienne). Le CO2 va réagir dans un réacteur de Sabatier avec l'hydrogène importé de la Terre pour donner naissance à du méthane et de l'eau, en présence d'un catalyseur (nickel/graphite). L'eau sera ensuite électrolysée pour redonner de l'hydrogène (qui pourra ainsi resservir) et de l'oxygène. Après 10 mois de fonctionnement, les six tonnes d'hydrogène auront donné naissance à 107 tonnes de propergols (méthane/oxygène). La réaction de Sabatier fournit cependant plus de méthane que d'oxygène. Une petite quantité d'oxygène supplémentaire sera produite par la réduction du CO2 atmosphérique (Le CO2 est réduit en donnant du monoxyde de carbone CO et de l'oxygène). Sur les 107 tonnes obtenues, 96 seront réservées à l'ERV et le reste servira à alimenter les moteurs chimiques à haute performance des rovers pressurisés et non pressurisé qui arriveront sur Mars avec l'équipage. Celui ci ne partira d'ailleurs vers Mars que s'il est certain de trouver à son arrivée du carburant en quantité pour le voyage de retour. C'est là un point important de la mission Mars Direct.

Deux ans après, une deuxième fusée décolle, emportant avec elle une équipe de quatre personnes (deux mécaniciens et deux bio-géochimistes, pas de véritable médecin ni de commandant !), un module d'habitation, un rover pressurisé pour les excursions longue distance et un deuxième rover plus petit et non pressurisé pour les déplacements plus courts. Les moteurs des rovers fonctionne, nous l'avons déjà vu, en brûlant du méthane et de l'oxygène. Le rover pressurisé peut emporter avec lui 600 kg de propergols, ce qui lui donne une autonomie de 1000 km. Il sera également capable de fournir une puissance électrique de 50 kW à des nombreuses expérimentations (dispositif de forage, four de laboratoire mobile) qui consomment de fortes quantités de courant. En tout, les 11 tonnes de propergol permettront de parcourir 16 000 km.

Une fois libérée de l'attraction terrestre, le module d'habitation qui héberge aussi l'équipage pendant le voyage est connecté par un câble de 1500 mètres au dernier étage du lanceur. L'ensemble est mis en rotation (1 tour / minute) pour simuler la gravité martienne. Des petites fusées d'appoints identiques à celles qui équipent différentes sondes serviront pour les manœuvres de correction de trajectoire.

Une fois à proximité de Mars, le module d'habitation se libère de son encombrant contrepoids et descend vers la surface martienne. L'atterrissage doit avoir lieu le plus près possible du campement installé par le premier lanceur. Mais si l'atterrissage est raté, le rover pressurisé avec son autonomie importante permettra de rejoindre le camp de base et son précieux ERV. Dans le pire des cas, si la distance entre l'ERV et le site d'atterrissage est trop importante, c'est un second ERV, lancé en même temps que les astronautes, qui assurera leur survie. Pour rejoindre la Terre, il faudra cependant attendre qu'il remplisse ses réservoirs. C'est pourquoi les astronautes disposeront d'une réserve de provisions suffisante pour tenir trois ans à la surface de Mars.

Après 550 jours (le temps pour les planètes de se replacer dans des conditions favorables à un lancement), l'équipage décolle de Mars à bord du module de retour. Cette fois, le voyage retour ne dure que 6 mois. Alors qu'un équipage quitte la surface de Mars, un autre s'apprête à prendre la relève.

Tous les deux ans, une autre fusée part vers Mars avec un module d'habitation occupé par un équipage de 4 astronautes (qui se posera à proximité d'un ERV dont les réservoirs sont remplis) et un nouvel ERV vide qui atterrira plusieurs centaines de kilomètres plus loin, ouvrant ainsi un nouveau site. Deux ans après, notre ERV aura rempli ses réservoirs de propergol et sera prêt à accueillir un autre équipage de 4 personnes. Ainsi, tous les deux ans, l'homme pourra explorer une nouvelle région de la planète rouge. Il est également possible qu'un module d'habitation se pose près d'une base existante. Dans ce cas, les modules d'habitations seront reliés ensemble et une base martienne se constituera peu à peu. D'années en années, elle grossira en englobant de nouveaux modules d'habitations et finira peut être par ressembler à une véritable ville !

Mars Semi Direct

Les idées de Robert Zubrin sont tellement bonnes qu'elles ont été en parties reprises par la NASA. Un deuxième scénario tiré de Mars Direct a alors vu le jour. Nommé Mars Semi Direct, il a servi de base à la création de la mission de référence de la NASA (Design Reference Mission Study), qui n'a plus grand chose à voir avec le projet SEI. Comme la mission de référence est présentée à part, nous allons nous consacrer ici à Mars Semi Direct.

Dans Mars Semi Direct, la taille de l'équipage augmente et passe de 4 à 6 personnes (ce qui nécessite un lanceur plus lourd). Ensuite, Mars Semi Direct permet de lever un problème important de Mars Direct : la fabrication de carburant à la surface de Mars. Si la première fusée lance vers Mars un module d'habitation identique à celui de Mars Direct, le deuxième tir propulse par contre un orbiteur (qui servira pour le voyage de retour) et un véhicule de remontée (MAV) dont les réservoirs sont vides. L'équipage ne partira donc pas directement de la surface martienne pour rejoindre la Terre (d'où le nom de la mission), mais devra dans un premier temps rejoindre l'orbite basse grâce au MAV, avant de rentrer définitivement chez lui avec l'orbiteur. Le véhicule de remonté (MAV) ne consommera pas beaucoup de propergol, car il doit uniquement rejoindre l'orbite basse. Son carburant est la encore fabriqué sur Mars, mais en bien plus petite quantité que pour Mars Direct (36 tonnes au lieu de 107 tonnes). Admettons maintenant que la technologie de fabrication in-situ de carburant à partir de l'atmosphère martienne ne soit pas valable. Il faudra alors redéfinir entièrement la mission Mars Direct, ce qui n'est pas le cas avec Mars Semi-Direct. On se contentera d'envoyer le MAV avec ses réservoirs pleins (et là, plus de problèmes possibles, sauf en cas de fuite!), quitte à lancer non pas deux mais trois fusées si la capacité d'emport est limitée : une fusée emporte le MAV, une autre l'ERV et la troisième le module d'habitation. Par contre, le rendez vous en orbite martienne qu'impose Mars Semi Direct est une étape cruciale, absente du scénario original de Zubrin.

Mars étape par étape !

Nous allons terminer cette page en jetant un coup d'œil à un autre type de mission habitée vers Mars, qui, contrairement à Mars Direct, fonctionne par étape. L'une des principales leçons du programme Apollo a été de se rendre compte qu'une fois l'objectif d'un projet accompli, son budget est sévèrement diminué, pour finir par être complètement coupé. Après Apollo 11, l'attention et l'intérêt du public pour l'exploration de la lune ont brusquement baissé. Apollo 17 a été la dernière mission vers la Lune, alors qu'il restait trois véhicules complets et prêts à être lancés. Il est hors de question qu'il en soit de même pour l'exploration de Mars, et que le programme martien ne soit rien d'autre qu'une mission "3F" (Flag, Fooprint et Forget It) : on plante un drapeau (souriez pour la photo), on laisse quelques empreintes et on repart bien vite en oubliant de rester ! Certains scientifiques ont donc proposé de découper une mission habitée vers Mars en plusieurs étapes, de manière à éviter les déboires finaux d'Apollo. La première étape consiste (comme Apollo 8) en un survol de Mars par un vaisseau habité. Ce sera peut être l'occasion de ramener des photos aussi spectaculaires que le fameux lever de Terre vu depuis l'orbite lunaire. Pour la deuxième et troisième étape, on atterri sur Deimos puis sur Phobos. On pourra la aussi obtenir de superbes clichés du globe martien vu depuis ses satellites ! Il sera également possible de contrôler depuis les lunes des robots d'exploration martiens, avec un temps de réponse inférieur à une seconde (0,2 secondes pour Deimos), sans commune mesure avec les temps de réponse obtenus depuis la Terre. De plus, seul des robots se déplaceront sur Mars, ce qui évitera une contamination de l'environnement martien par les membres de l'équipage (on comprend l'importance de ce point pour les recherches en exobiologie). Et tout cela sans compter que les lunes de Mars ont un intérêt exceptionnel du point de vue scientifique.

Ensuite, direction Mars ! Le premier atterrissage aurait lieu au niveau des pôles (présence de glace et ensoleillement permanent en été, en dépit de températures très basses), puis au niveau d'une région plus tempéré. A ce moment, on pourrait penser que les missions martiennes sont belles et bien finies, mais il reste encore une étape, qui sert surtout à remotiver les foules, dont l'intérêt pourrait avoir diminué avec le premier pas de l'homme sur Mars. Il s'agit d'atterrir à proximité de Valles Marineris, le magnifique système de canyons martiens. Avec cette dernière étape, ce sera la fin du programme d'exploration martien. Mais, en étant un peu optimiste et pour peu que l'on découvre au cours de ces missions de nombreuses ressources à la surface de la planète (métaux rares, eau), la colonisation pourra avoir lieu, et l'homme restera de manière permanente sur cette future Terre.

Je ne sais pas personnellement quand aura lieu la première rencontre historique entre le pied de l'homme et la surface rouillée de notre voisine. Les plus optimistes s'entendent sur une mission habitée dans les années 2010 ou 2020. D'autres ne voient pas l'homme sur Mars avant le milieu du 21ème siècle, et encore. Je n'ai pas de date précise à avancer. Mais une chose est sûre : le plus tôt sera le mieux.

Tous sur Mars !

Pour en savoir plus :

Go ! Les contraintes d'un voyage vers Mars.
Go ! La mission de référence de la NASA.
Go ! Petit guide du voyage vers Mars : les trajectoires interplanétaires.
Go ! Liste de liens concernant L'homme sur Mars (page de bibliographie).

Le moteur NERVA

Dans le cadre du projet NERVA, les américains avaient développé un moteur nucléaire bien plus puissant que les moteurs chimiques conventionnels. Crachant de l'hydrogène brûlant à très haute vitesse, le NERVA aurait permis de réduire la durée d'un voyage vers Mars à quelques mois seulement (Crédit photo : droits réservés).

The Mars Project

En 1952, Wernher von Braun publie "The Mars Project", dans lequel il décrit le premier scénario d'une mission humaine vers Mars (Crédit photo : droits réservés).

Une mission habitée

Les idées de Wernher von Braun seront largement popularisées grâce aux sublimes illustrations de Chesley Bonestell (Crédit photo : Chesley Bonestell).

Assemblage du vaisseau en orbite

Lors de la conférence Case for Mars II qui s'est déroulée à Boulder, dans le Colorado, du 10 au 14 juillet 1984, un scénario ambitieux d'un voyage habité vers Mars a été mis au point (Mars One). La mission utilise les technologies actuelles et une fois sur Mars, elle tirera parti des ressources disponibles sur place pour produire de l'eau, de l'air et du carburant. Dans un premier temps, le vaisseau est assemblé en orbite terrestre, grâce à la station spatiale internationale. Les matériaux sont amenés par la navette spatiale ou via un autre véhicule lourd (Crédit photo : Carter Emmart).

Voyage vers Mars

Au moment du départ, trois vaisseaux identiques quittent l'orbite terrestre et sont injectés vers Mars grâce à deux moteurs identiques à ceux de la navette spatiale (hydrogène/oxygène). Les réservoirs de carburant sont ensuite largués, et trois jours après le départ, les vaisseaux s'assemblent pour former une structure en étoile. L'ensemble se met lentement en rotation (3 rotations par minute), histoire de donner à l'équipage une gravité artificielle. Le faible taux de rotation permet d'éviter les nausées et simule la gravité martienne (1/3 de la gravité terrestre). Sur le dessin, on distingue la structure en forme d'étoile (il faut l'imaginer tournant lentement sur lui même), avec les trois vaisseaux situés à l'extrémité de chaque branche et les tunnels blancs de liaisons. Pour chaque vaisseau, on note le bouclier de protection thermique, les panneaux solaires et les antennes radio, qui restent toujours pointées vers la Terre, quelle que soit la position du vaisseau. Après l'atterrissage des astronautes sur Mars, le vaisseau mère en forme d'étoile peut repartir vers la Terre. Il jouera ainsi le rôle d'une navette et servira à amener une nouvelle équipe vers Mars, après avoir été rechargé. Le même vaisseau est aussi utilisé pour le retour. Deux vaisseaux mères au moins seront nécessaires pour pouvoir amener des hommes sur Mars à chaque opportunité de lancement (Crédit photo : Carter Emmart).

Atterrissage des cargos

Après 6 à 8 mois de voyage, la structure tournante arrive à proximité de la planète rouge. L'équipage de 15 personnes ralenti et stoppe la rotation du vaisseau. Les astronautes grimpent dans les trois landers (5 hommes par lander) et partent vers Mars.  Les landers vont utiliser l'atmosphère martienne pour ralentir (aérofreinage). La forme conique des lander a été spécialement étudiée dans ce but. Elle est dérivée des études effectuées sur les ogives nucléaires ICBM. L'aérofreinage permet d'économiser une grande quantité de carburant et d'effectuer une économie substantielle sur le coût total de la mission. Après avoir ralenti suffisamment, les vaisseaux sortiront temporairement de l'orbite martienne grâce à une manœuvre propulsive, puis atterriront finalement à la surface de Mars. Lors de la descente finale, les engins seront ralentis par des parachutes couplés à 5 rétrofusées. Les vaisseaux rejoignent en fait des cargos non habités qui ont atterri précédemment et qui marquent le site d'atterrissage. Les cargos atterriront sur le côté, alors que les landers habités resteront le nez pointé vers l'espace, en attendant de redécoller à nouveau (Crédit photo : Carter Emmart).

Déchargement des cargos

Les landers sont d'abord déchargés par une large porte. Ils seront ensuite utilisés comme élément principal de la construction d'une base martienne (Crédit photo : Carter Emmart).

Mise en place des serres

Les cargos sont assemblés nez contre queue pour former la future base martienne. La base est assemblée à une distance de sécurité des vaisseaux qui serviront au retour. Des sas sont installés sur les côtés. Un moteur est enlevé pour permettre l'accès aux serres gonflables situées à l'arrière des modules cargos. Les serres seront indispensables à une base martienne, en fournissant les denrées alimentaires. Des études seront nécessaires pour déterminer les plantes les plus productives et les mieux adaptées aux conditions martiennes. Il faudra déterminer la pression atmosphérique régnant à l'intérieur des serres et la composition de l'air. Les parois transparentes des serres devront filtrer une bonne partie du rayonnement UV qui arrive à la surface de Mars. Des générateurs nucléaires sont placés un peu plus loin (on devine leurs radiateurs bleus). On distingue aussi un module d'extraction atmosphérique qui traite l'atmosphère martienne pour produire de l'air respirable et du carburant, qui servira à alimenter les moteurs des rovers et des vaisseaux servant au retour sur Terre (Crédit photo : Carter Emmart).

Base lunaire

La lune était considérée comme un objectif intermédiaire à atteindre avant d'aller sur Mars dans le programme d'exploration spatial de Georges Bush (SEI). L'étape lunaire devait permettre de tester, dans des conditions proches de Mars, les matériels nécessaires à l'expédition, mais aussi d'évaluer le comportement et les réactions de l'homme pour des missions de longue durée. Les nouveaux projets de missions habitées à destination de la planète rouge ne passent cependant plus notre satellite. Par contre le matériel standard mis en œuvre dans une mission de type Mars Direct pourrait également servir à construire une base martienne (Crédit photo : droits réservés).

Base martienne

Une base martienne de type Mars Direct. On note le module d'habitation en forme de boite de conserve et le véhicule de retour conique. Celui ci a fabriqué son propre carburant à partir de l'atmosphère martienne. De gauche à droite, on note aussi des panneaux solaires (à l'arrière plan), un système de forage pour l'énergie géothermique et la récupération d'eau au niveau du sous sol, un rover pressurisé pour les trajets de longue durée, une serre gonflable, un réacteur nucléaire pour l'alimentation en énergie de la base (en plus des panneaux solaires) et un astronaute qui s'apprête à larguer un ballon atmosphérique (Crédit photo : Robert Murray).

Base martienne

Une autre vision d'une base de type Mars Direct. Le module d'habitation en forme de canette de bière mesure 6 mètres de long pour cinq mètres de haut. Le centre de l'habitation est occupé par un sas circulaire qui sert aussi de refuge pendant les éruptions solaires lors du vol spatial. La paroi du sas est entourée d'une couche d'eau de 10 centimètres d'épaisseur, suffisante pour stopper la plupart des protons émis par le Soleil lors de ses fameuses éruptions. Le module comprend deux étages : l'étage supérieur accueillie les quartiers de l'équipage, alors que l'étage inférieur sert de remise pour le matériel et de garage pour le rover (une rampe permet son déploiement). Chaque membre de l'équipage possède une petite chambre à lui, avec un hublot sur l'extérieur, un lit pliable, un bureau avec une chaise et un espace de rangement. Une salle de bain est commune à l'équipage. On trouve ensuite, dans le sens des aiguilles d'une montre et autour du sas central, le laboratoire avec une connexion au sas central pour le passage des échantillons par un membre de l'équipage en combinaison, une salle de conférence qui sert aussi de librairie et de salle à manger et une infirmerie avec des appareils de musculation (Crédit photo : droits réservés).

Phobos

Le premier pas de l'homme sur Mars pourrait d'abord nécessiter des étapes intermédiaires, comme un atterrissage sur Phobos (Crédit photo : Pat Rawlings).

Atterissage dans Ganges Chasma

Un module d'atterrissage déploie ses parachutes, juste avant son atterrissage dans Ganges Chasma. Compte tenu de l'ambition économique et politique d'une mission humaine vers Mars, ce genre de projet sera international ou ne sera pas (Crédit photo : Pat Rawlings).

Vol au-dessus d'Olympus Mons

Un vaisseau spatial s'apprête à survoler le plus grand volcan du système solaire, Olympus Mons. Il vient de larguer un petit module qui emporte à son bord les premiers martiens. Le premier pas sur Mars sera un grand pas dans l'histoire de l'humanité et marquera une étape décisive de l'exploration du système solaire et de la conquête spatiale (Crédit photo : Pat Rawlings).

Retour a Utopia

Retour sur Utopia. Au cours de son exploration de la planète Mars, l'homme retrouve dans la plaine d'Utopia Planitia la sonde Viking 2. Ce superbe dessin artistique résume bien, à mon avis, les deux aspects d'un voyage humain vers Mars : le rêve et l'utopie (Crédit photo : Pat Rawlings).

 

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