L'homme sur Mars

Les contraintes d'un voyage vers Mars

Une mission humaine vers Mars pose de nombreux problèmes. On ne peut pas en effet prévoir, dans l'état actuel de nos connaissances, les effets sur un organisme humain d'un vol aussi prolongé que le vol vers Mars. 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, ce record étant détenu par le cosmonaute Valeri Poliakof à bord de la station spatiale Mir. Cela indique certes que l'homme doit pouvoir supporter sans trop de dommage 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 années dans l'espace ?

Gravité zéro !

Le mal de 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. C'est l'oreille interne, grâce aux otolithes, (de petites particules de calcium qui se déplacent librement sous l'effet de la gravité et dont la position est connue par l'interaction avec des cils) et aux canaux semi-circulaires, qui nous permet de positionner la verticale et de ressentir les mouvements de notre corps. En apesanteur, l'oreille interne ne fonctionne plus correctement. Les signaux qui proviennent des yeux et des canaux semi-circulaires indiquent au cerveau que la tête vient de tourner. Mais les otolithes ne donnent pas confirmation, car leur action dépend de la gravité. 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 (SMS ou Space Motion Sickness). Ainsi, pendant les toutes premières heures de la mission, les astronautes peuvent très bien ne pas être à même de réaliser certaines tâches qui demandent de la concentration et une bonne forme physique.

Le mal de l'espace est en général temporaire et l'homme s'adapte plus ou moins rapidement à son nouvel environnement (les symptômes commencent par s'intensifier au bout de quelques heures pour disparaître généralement en deux jours). De plus, au bout de plusieurs vols de longue durée, le mal de l'espace a tendance à diminuer d'intensité. Mais on a mentionné des cas ou il réapparaît pendant une mission de longue durée. Enfin, le mal de l'espace ne semble toucher que la moitié environ des astronautes. Il est important de noter ici qu'il existe une grande variabilité dans la tolérance d'un individu aux conditions régnant dans l'espace. Même remarque en ce qui concerne la réadaptation à l'environnement terrestre, une fois la mission terminée...

Lors du retour sur Terre, les astronautes ont du mal à maintenir une posture correcte, surtout avec les yeux fermés. Les effets semblent être proportionnels à la durée de la mission. Dans les cas les plus graves, les astronautes ressentent des vertiges lorsqu'ils tournent sur eux mêmes ou pendant des mouvements rapides de la tête. Certains vomissent même dès qu'ils bougent un peu trop la tête. Ces effets sont assez inquiétants. Que va-t-il se passer lorsque les astronautes vont débarquer à la surface de Mars et retrouver une certaine gravité, après un an en apesanteur ? Il se pourrait bien que pendant quelques jours, les premiers martiens ne puissent rien faire d'autre que rester couché, en attendant que cessent les désagréables symptômes d'une réacclimatation à la gravité. Pour eux, il serait bien trop dangereux de conduire un rover ou de manier du matériel fragile et sensible. Combien de temps faudra-t-il attendre avant qu'ils ne puissent travailler efficacement ? Quelles sont les mesures qui permettraient de lutter contre ce problème ? Autant de questions pour lesquelles nous n'avons pas vraiment de réponse et qui devront être prises en compte avant de lancer l'homme vers Mars.

Fragilisation des os

L'un des effets les plus fâcheux de l'apesanteur concerne les os. Sous gravité zéro, la colonne vertébrale grandit (les astronautes gagnent quelques centimètres). Le calcium et certains sels minéraux (phosphore) quittent les os (ostéoporose) et ceux ci se fragilisent considérablement (surtout les os qui portent le poids du corps). Par exemple, la quantité de calcium présente dans l'urine des astronautes qui ont participé à la mission Skylab avait augmenté de 60 à 100 %, ce qui représentait une perte moyenne de presque 0,5 % par mois. Les niveaux élevés d'acide urique, de calcium, de phosphore et de potassium dans l'urine peuvent aussi 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. Pendant un vol spatial, un problème de ce genre pourrait compromettre la mission, d'où l'importance d'avoir à bord un astronaute ayant des compétences en chirurgie et possédant le matériel approprié. Une nourriture riche en calcium, des exercices physiques quotidiens intenses et réguliers, ou le port de pantalons spéciaux (pantalons pingouins) faisant travailler tous les muscles permettent de lutter contre cette décalcification des os.

Atrophie musculaire

Sur Terre, les muscles maintiennent leur fonction, leur masse et leur force en s'opposant en permanence à la gravité terrestre. En apesanteur, certains muscles ne servent plus à rien (n'ayant plus rien à supporter), et commencent à s'atrophier. L'atrophie musculaire réduit l'habilité, la force, la locomotion et le maintien d'une posture correcte. C'est également la source de douleurs musculaires et ligamentaires. Les effets peuvent persister plusieurs semaines ou même quelques mois après le retour sur Terre. 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. On observe une incapacité des astronautes à rester dans la position 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. C'est pourquoi les cosmonautes de la station Mir qui rentrent sur Terre sont transportés dans une position assise dès qu'ils sortent de leur Soyouz. Ils ne pourraient pas supporter d'être debout (intolérance orthostatique).

Une fois sur Mars, les astronautes retrouveront certes une gravité, mais elle sera bien plus faible que la gravité terrestre. La gravité martienne ne vaut qu'un tiers de la gravité terrestre, et un homme de 60 kg ne pèse plus que 19 kg sur Mars, le poids d'un enfant qui possède néanmoins la force physique d'un adulte. On pourrait penser que cette baisse de la gravité est plutôt un avantage. Mais il ne faut pas oublier qu'à moins que le vaisseau ne soit équipé d'un système de pesanteur artificiel, les astronautes viennent de passer de nombreux mois sous pesanteur zéro. Et le retour à une gravité, même aussi faible que la gravité martienne, sera très dur ! Ce sera malheureusement le moment ou l'activité physique sera particulièrement intense, car il s'agira d'assembler la future base martienne. Le moindre mouvement demandera un effort de volonté et la fragilité des os pourra causer des fractures mal venues.

Action sur le système cardio-vasculaire

Sur Terre, la gravité force le sang à s'accumuler dans la partie inférieure du corps. Les battements du cœur, la contraction de certains muscles des jambes et les valvules situées au niveau des veines contrarient ce phénomène. En apesanteur, ces mécanismes disparaissent, et on observe alors une redistribution de la masse sanguine. Une importante quantité de sang (1,5 à 2 litres) quitte les membres inférieurs pour s'accumuler au niveau de la partie supérieure du corps (région céphalique, thoracique et cervicale). Les astronautes ont l'impression d'avoir des jambes de poulet alors que l'afflux brusque de sang au niveau de la tête se traduit par une sensation de bien être. L'organisme humain va interpréter cette irrigation importante de la partie supérieure du corps comme une augmentation du volume sanguin. Effectivement, les oreillettes du cœur, qui comportent des capteurs sensibles au changement de volume (des volorécepteurs), vont se dilater. Les volorécepteurs, excités par la dilatation des oreillettes, vont diminuer en retour la sécrétion de l'hormone antidiurétique (ADH) par l'hypophyse. Il y aura alors une élimination urinaire massive (fuite d'eau et de sels minéraux) et une diminution de la sensation de soif. Si l'état d'apesanteur ne modifie pas de manière critique le rythme cardiaque et la tension artérielle, et si la perte liquidienne dont nous venons de parler constitue l'une des adaptations à la microgravité, il n'en reste pas moins que l'appareil cardio-vasculaire fonctionne dans des conditions anormales pendant le vol spatial.

Une fois revenu sur Terre, certains effets se font ressentir, même si l'appareil cardio-vasculaire finira par retrouver des conditions normales de fonctionnement. Le cœur bat plus vite, pour compenser la diminution de volume sanguin. Le sang s'accumule de nouveau dans la partie inférieure du corps et quitte le cerveau, ce qui conduit à des faiblesses et même des évanouissements dans la position debout (instabilité orthostatique). De nouveau, il faudra répondre à certaines questions : l'intolérance orthostatique posera-t-elle un problème une fois sur Mars, dans les premiers temps de la mission ? Des combinaisons anti-G (identiques à celles utilisées par les pilotes de chasse pour empêcher le sang de quitter la tête pendant les manœuvres à haut facteur de charge) seront-elles nécessaires ? Le système cardio-vasculaire retrouvera-t-il une activité normale lors du retour sur Terre, après un voyage de 2 à 3 ans ?

Diminution du nombre de globules rouges

La diminution du volume sanguin en apesanteur est également accompagnée par une diminution du nombre de globules rouges, une sorte d'anémie spatiale (10 à 15 % de globules rouges en moins et même plus suivant la durée de la mission). Après le retour sur Terre, il faut de 6 à 8 semaines pour retrouver une situation normale. Ce type d'anémie ne compromet pas la santé ou les performances d'un équipage. Mais associée à une diminution du volume sanguin, cette situation présente des risques dans le cas de blessures ou d'hémorragie pendant le vol. Nous ne savons également rien des phénomènes qui peuvent affecter l'érythropoïèse (la formation des globules rouges) pendant un voyage de longue durée. Le vaisseau spatial devra comporter des réserves de sang et l'équipage devra être capable de réaliser des transfusions sanguines. L'étude d'un substitut sanguin pour pallier à des pertes importantes pourrait aussi être nécessaire.

Affaiblissement du système immunitaire

Les globules blancs, responsables de la défense de l'organisme, sont également touchés lors d'un vol spatial. Le système immunitaire voit effectivement une diminution très nette du nombre et des fonctions (réactivité, prolifération dans le cas d'une attaque) des lymphocytes T, une variété de globules blancs impliqués dans l'immunité à médiation cellulaire. Ce phénomène devient préoccupant s'il y a le moindre risque d'infections. En apesanteur, les bactéries, les virus ou les champignons microscopiques flottent bien plus longtemps dans l'air que dans un environnement soumis à une gravité (artificielle ou non). Des filtres devront être utilisés autant que possible pour purifier l'air. Pour l'instant, aucune infection aggravée par une baisse des capacités du système immunitaire ne s'est produite en vol. Mais le risque existe. La sensibilité à des infections pendant le voyage vers Mars et les risques encourus lors du retour sur Terre ne sont pas à prendre à la légère. Notons que là aussi, la situation est réversible une fois revenu sur Terre et le système immunitaire retrouve son état normal.

Action sur le système respiratoire

L'étude des effets de l'apesanteur sur le système respiratoire constituait l'un des thèmes abordé lors de l'expérience Neurolab emporté par la navette spatiale américaine Columbia en avril 1998. Sur Terre, lors d'une inspiration, le volume qui pénètre dans la partie supérieure du poumon est deux fois plus élevé que celui qui pénètre dans la partie inférieure. En apesanteur, on n'observe rien de tel, et la respiration est homogène. C'est la même chose pour la quantité de sang capillaire qui irrigue les poumons. Le volume pulmonaire (en rapport avec la concentration des gaz présents dans le sang) diminue, le mécanisme respiratoire faisant intervenir de manière plus importante l'abdomen.

Gravité artificielle : la solution finale à tous vos problèmes ?

La seule manière connue de rétablir un semblant de gravité dans un vaisseau spatial est de le maintenir en rotation autour d'un axe. Cette idée a été émise (comme beaucoup d'autres) par Tsiolkovski, le pionner russe de l'astronautique.

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. La gravité jouera aussi un rôle en plaquant les particules qui flottent dans l'air (en particulier les germes microbiens).

Cependant, sa mise en œuvre n'éliminera pas certains problèmes psychologiques et physiologiques. Le danger des radiations sera toujours présent. Les forces de Coriolis qui apparaîtront dans le vaisseau en rotation pourront causer des désorientations, par action sur le système vestibulaire dont nous avons déjà parlé. 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).

Danger : radiations !

Dans l'espace, les astronautes pourraient être exposés à des rayonnements particulièrement dangereux. Les risques de cette exposition sont nombreux : mutations, cancers, diminution de la durée de la vie, cataracte. Pour la suite de la discussion, nous exprimerons les doses de radiation en utilisant le REM, une unité couramment utilisée aux Etats-Unis. En Europe, nous utilisons plutôt le Sievert, 1 Sievert étant égal à 100 rems.

Dans la navette spatiale ou dans la future station spatiale internationale, l'équipage est soumis à un rayonnement de 30 millirems par jour (l'équivalent de deux radiographies de la poitrine par jour). Par comparaison, une personne vivant dans une région au niveau de la mer reçoit seulement 100 à 150 millirems par an (soit 1% du rayonnement en orbite). La dose approche les 200 à 300 millirems pour une personne vivant en altitude, dans une région montagneuse par exemple. Le rayonnement que l'on reçoit de manière naturelle sur Terre provient de la radioactivité des roches et des particules secondaires issues de l'interaction du rayonnement cosmique avec la matière. Notez ici que ce rayonnement naturel joue un rôle bénéfique en stimulant les mécanismes de réparation dont le corps dispose pour lutter contre les effets destructeurs des radiations.

A partir de quelle dose les effets néfastes commencent-ils à apparaître ? 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 (il existe effectivement une large plage de tolérance entre les individus). Si la dose dépasse les 300 rems, plus aucune personne n'échappe aux symptômes. La mortalité apparaît également à ce niveau. 50 % des personnes meurent à 450 rems, 80 % à 600 rems. Une dose de 1000 rems est toujours létale. Ces effets sont ceux que l'on peut observer lorsqu'un individu est exposé brièvement à une forte dose de radiations. A part les cas extrêmes, 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 : celui de développer dans les années qui suivent un cancer. Les particules énergétiques peuvent effectivement toucher l'ADN et réveiller un oncogène, qui conduira à un cancer. Pour une dose de 100 rems, on estime en général que le risque de développer un cancer fatal dans les 30 ans est de 1,8 %.

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.

En moyenne, un voyage vers Mars de 2 à 3 ans soumettrait l'équipage à un rayonnement de 50 rems, augmentant ainsi la probabilité de mourir d'un cancer d'un petit %. A la surface de Mars, la dose sera de 9 rems par an (6 rems par an pour les habitations enfouies sous le régolite martien), soit une moyenne de 7,5 rems.

Rayons cosmiques et éruptions solaires

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 qui entourent la Terre, les particules émises par le Soleil (vent et éruptions solaires) et les particules des rayons cosmiques.

La Terre est entourée de deux champs magnétiques circulaires (les ceintures de Van Allen) qui 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 (les particules les plus énergétiques se rencontrent entre 3000 à 4000 km d'altitude), alors que la ceinture extérieure héberge plutôt des électrons (les particules les plus énergétiques se rencontrent à 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 élégante 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. Les éruptions solaires libèrent une quantité de particules très énergétiques (de 40 à 500 méga-électron volts), en particulier des protons, qui peuvent tuer un équipage très rapidement. Une éruption solaire peut en effet délivrer plusieurs centaines de rems dans un intervalle de quelques heures. Il est donc impératif de détecter très rapidement ce type d'évènement. La distance importante qui va séparer le vaisseau spatial de la Terre et le délai des communications ne permettront peut être pas au contrôle de mission de donner l'alerte à temps (dans le pire des cas, il faut donner l'alerte en 30 minutes !). 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.

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 (plusieurs gigaélectron-volts) sont les plus dangereuses. 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 (20 à 50 rems par an, soit 35 rems en moyenne). 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). Une des manifestations les plus spectaculaires du bombardement par les rayons cosmiques est le phénomène de flash lumineux, observé pour la première fois par Aldrin lors de la mission Apollo 11. Lorsque des particules frappent leur rétine, les astronautes voient des éclairs lumineux, même les yeux fermés. Aldrin a ainsi noté un éclair par minute.

Moyens de protection

Pour protéger l'équipage contre des doses de radiations excessives, 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, peut être considéré comme 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 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. C'est une autre paire de manche pour arrêter les rayons cosmiques, qui sont beaucoup plus énergétiques. Pour stopper les particules cosmiques, il faut employer des boucliers épais de plusieurs mètres. C'est une solution impossible à mettre en œuvre dans notre cas, pour un simple problème de poids et de coût. De plus, même avec l'aide de boucliers, des particules secondaires sont émises au contact de la surface protectrice, ce qui diminue de beaucoup 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 de la future base martienne sous d'épaisses couches de régolite assurera une protection efficace contre les particules énergétiques du rayonnement cosmique. Pour les sorties extra véhiculaires, les astronautes devront emporter des dosimètres.

Les facteurs humains : Freud sur Mars !

Un environnement sans changement, pauvre en stimulus, conduit à court terme à l'ennui et à toutes sortes de manifestations qui comptent parmi les plus destructrices qui soit pour la cohésion et l'intégrité d'un équipage. La monotonie entraîne dans un premier temps des problèmes de mémoire et de concentration. L'isolement dans un milieu clos a ensuite des effets plus graves au delà de 30 jours, comme l'on montré de multiples études dans le domaine du spatial ou dans des environnements bien particuliers (bases en Antarctique, sous marins) :

  • Baisse d'énergie et diminution des capacités intellectuelles.
  • Baisse de la productivité et des compétences.
  • Augmentation de l'hostilité envers les collèges et les supérieurs, irritabilité.
  • Fatigue, anxiété, repli sur soi, état dépressif, diminution de l'efficacité des communications.
  • Comportements impulsifs, réactions psychophysiologique et psychosomatique.

Une fois l'enthousiasme du départ passé, la monotonie va s'installer avec son cortège de difficultés et de frictions. La vie à bord d'un vaisseau spatial à destination de Mars ne sera pas vraiment une partie de plaisir : confinement, absence d'intimité, risque permanent de dangers, isolation sociale, obligation de supporter les systèmes de survie (régénération de l'eau à partir des urines par exemple), mauvaise adéquation des plages de travail et de repos, sommeil perturbé ou pénible, état d'apesanteur (ou conditions désorientantes d'un environnement en perpétuelle rotation si le voyage s'effectue en pesanteur artificielle). L'isolation peut même conduire à des états très dangereux comme des comportements déviants, des excès de violence ou pire. Des procédures devront être mises en place pour faire face à ces problèmes typiquement humains. Le voyage vers la planète rouge pose aussi une inconnue de taille. L'homme, pour l'instant, ne s'est pas éloigné de plus de 380 000 km de la Terre lors des missions vers la Lune. Pour atteindre Mars, il faudra aller mille fois plus loin. Qui sait ce qui peut se passer lorsque la Terre ne sera plus qu'un petit point lumineux (personne, car c'est une situation impossible a recréer sur Terre) ? L'effacement progressif du globe bleu de notre planète marquera l'instant fatidique ou l'équipage se sentira véritablement livré à lui-même.

Les Russes ont particulièrement bien étudié les problèmes psychologiques d'un vol spatial. Depuis le centre de contrôle des missions à Moscou (FCC ou Flight Control Center), un groupe de support psychologique communique avec les cosmonautes et surveille leurs différents comportements au cours d'un vol en orbite. Ce groupe a bien entendu pour mission de remonter le moral des membres d'équipages par différents moyens (mise en place de liaison vidéo avec la famille ou des amis restés sur Terre) et de prodiguer différents conseils, mais son rôle majeur est de détecter les désordres émotionnels et les conflits qui peuvent prendre naissance à tout moment, en surveillant presque en permanence l'équipage. Le problème, c'est que cette surveillance elle même est source de stress ! Les cosmonautes s'inquiétaient dès les premiers signes de l'apparition d'un conflit. Ils ne pouvaient pas montrer le moindre manque de satisfaction ou le plus petit signe de friction avec une autre personne, sous peine de subir des remontrances et d'être brimé une fois le retour sur Terre !

Une telle surveillance avec ses effets néfastes sera bien entendu à proscrire pour un vol Terre - Mars. Cependant, il sera indispensable de mettre en place un support psychologique. Avec un voyage vers Mars, on change véritablement de dimension. Les modules Apollo n'ont mis que trois jours pour effectuer le voyage vers la Lune, et le retour était possible en permanence. A l'inverse, un voyage vers Mars dure plusieurs années et en cas de problèmes, un retour immédiat est impossible. L'assistance de la Terre sera fortement limitée par le délai de transmission des ondes radios (10 à 20 minutes). Il sera alors bien difficile de mettre en place une assistance psychologique efficace. Les membres de l'équipage seront livrés à eux mêmes, ils ne pourront compter ni sur un retour, ni sur des secours. Un système expert situé à bord du vaisseau pourra procéder à des examens de l'état de santé psychique. Il sera souhaitable qu'un membre de l'équipage possède des connaissances en psychologie et en psychiatrie. Des faux problèmes techniques pourront être créés, de manière à ressouder l'équipage. Il sera aussi possible de détourner l'agressivité de l'équipage en faisant jouer le rôle de bouc émissaire à un membre du contrôle de mission.

La sélection des membres d'équipages sera particulièrement rude. Les astronautes seront d'abord triés sur leur état de santé et leur résistance physique, mais la santé psychique sera aussi un critère de sélection particulièrement important. Des candidats instables du point de vue émotionnel, présentant des risques d'un point de vue psychiatrique ou avec une faible compatibilité sociale (un point essentiel pour l'intégration dans un groupe et un bon comportement en son sein) seront écartés. Ainsi, les affinités des uns avec les autres compteront beaucoup dans la constitution des équipages finaux. L'équipage pourra être constitué d'un nombre impair de personnes, histoire de pouvoir toujours prendre une décision à la majorité. D'autres se prononcent pour un équipage pair (4 ou 6 personnes). Il parait inconcevable que la première mission humaine vers une autre planète ne comporte pas de femmes. De plus, les éléments féminins ont un effet modérateur en cas de tensions. Les membres de l'équipage connaîtront une vie affective et sexuelle, mais les avis divergent sur la question de savoir si l'on choisira des couples déjà constitués ou non.

Une autonomie presque complète

A cause des distances parcourues et du délai de communication entre Mars et la Terre, l'autonomie du vaisseau spatial devra être presque totale. Le vaisseau spatial devra sans doute posséder un système écologique autosuffisant, ou plus simplement des procédés de recyclage de l'eau et des déchets humains pour économiser l'eau, l'oxygène et les rations alimentaires. Tout sera retraité : urine et excréments. L'équipage devra accepter ce recyclage global et y être préparé. Il va de soit que les appareils devront fonctionner avec un haut niveau de sécurité. Seront-ils aussi efficaces que les distilles des Fremens de Dune ?

L'équipage devra avoir à sa disposition un matériel médical de dernier cri, et un membre au moins devra posséder des compétences en médecine et dans le domaine dentaire, peut être même en chirurgie. La consultation d'un médecin terrestre sera bien entendu toujours possible (télémédecine), mais pour parer au pire, les compétences devront d'abord être présentes dans le vaisseau. L'équipage devra aussi être préparé à tous les éventualités, y compris la pire : la mort. Bien entendu, la meilleure médecine reste toujours la prévention, et les futurs martiens auront fait l'objet de sélections rigoureuses, ou la condition physique et la santé joueront un grand rôle.

Toujours plus vite !!!

Nous venons de le voir, un voyage martien ne sera pas vraiment une croisière de tout repos pour l'équipage. Il existe cependant un moyen de rendre le trajet plus agréable et moins dangereux : c'est d'aller plus vite. Le voyage ne prendrait alors que quelques mois, et l'importance de nombreux problèmes biomédicaux diminueraient d'importance. Nos données actuelles, pour une durée de voyage assez courte, pourraient même être suffisantes, sans que l'on soit obligé de s'investir dans des recherches plus poussées. Pour aller plus vite, le vaisseau spatial devra être équipé de systèmes de propulsions bien plus puissants que ceux actuellement employés (réacteur nucléaire, moteur ionique, voile solaire). C'est une toute autre histoire, que j'ai pour l'instant décidé de laisser de côté. Malgré tout, pour les impatients, j'ai brossé un rapide portrait des différents TGV martiens dans la colonne de droite ...

Pour en savoir plus :

Go ! Chroniques martiennes : Mars en trois mois, ou carrément en 15 jours !
Go ! Les expérimentations concernant les prochaines missions habitées de la mission Mars Surveyor 2001, en particulier l'expérience MECA et DART (identification des effets indésirables de la poussière martienne) et l'expérience MARIE (étude des radiations à la surface de Mars).
Go ! Liste de liens concernant L'homme sur Mars (page de bibliographie).

Eruptions à la surface du Soleil

Lors de colères brèves mais violentes, les éruptions solaires, notre étoile peut cracher dans l'espace des torrents de particules très énergétiques et dangereuses pour l'homme. Au cours d'un voyage vers Mars, l'équipage devra être capable d'anticiper ces éruptions et de s'en protéger efficacement (Crédit photo : droits réservés).

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Une base martienne est progressivement enterrée sous une épaisse couche de régolite martien. La faible atmosphère martienne et les champs magnétiques locaux n'apportent effectivement pas une protection suffisante contre les rayons cosmiques et les éruptions solaires (Crédit photo : Carter Emmart).

Mir

La station Mir et la future station spatiale internationale pourraient servir de laboratoires pour comprendre les effets de l'apesanteur sur un organisme humain, préparant ainsi en orbite basse le voyage vers Mars (Crédit photo : NASA).

Antarctique

L'établissement d'une base permanente en Antarctique ou en Arctique constitue sans aucun doute une étape nécessaire avant d'aller sur Mars. L'échec du projet Biosphère nous a rappelé combien il est difficile de faire vivre un petit groupe d'individus en vase clos (Crédit photo : droits réservés).

Gravité artificielle

En pivotant autour de ses deux imposants panneaux solaires, ce vaisseau est capable de créer une gravité artificielle pour l'équipage. Il est possible de faire varier le niveau de la gravité en jouant sur la vitesse de rotation ou la longueur du segment mobile (Crédit photo : droits réservés).

Propulsion ionique

Des moteurs à ions similaires à celui de la petite sonde américaine Deep Space 1 pourraient être utilisés lors d'un voyage vers Mars. Ces moteurs, dont la puissance est bien supérieure à celle des moteurs chimiques classiques, consomment des gaz neutres comme le xénon. Les atomes sont ionisés et noyaux atomiques produits (ions chargés positivement) sont séparés des électrons avant d'être accélérés puis éjectés par un champ magnétique, ce qui produit en retour une poussée. En sortie de tuyère et pour éviter qu'ils ne reviennent en arrière, les ions positifs sont neutralisés par un flux d'électrons. Les atomes fêtent ces retrouvailles en émettant une belle lueur bleue. Si un moteur à ions ne consomme que très peu de carburant (ce qui allège considérablement le vaisseau) et s'il peut fonctionner de manière continue, sa poussée est cependant très faible. Un vaisseau propulsé par un moteur ionique met très longtemps à prendre de la vitesse et il ne révèle sa puissance que lors des vols de très longues durées. Jour après jour le vaisseau accélère d'un poil et à terme, il peut atteindre des vitesses stupéfiantes, mais pour des trajets très courts, ce n'est même pas la peine d'y penser. Dans le cas d'un voyage vers Mars, les moteurs ioniques seraient donc surtout utilisés par des vaisseaux cargos inhabités placés sur des trajectoires lentes. Le dessin d'artiste ci-dessus représente l'un de ces vaisseaux cargos, capable de transporter 130 tonnes de fret en 6 mois et demi. Ses moteurs ioniques nécessitent une puissance électrique de 10 mégawatt, fournie par des panneaux solaires ou par un réacteur nucléaire (Crédit photo : Pat Rawlings).

Moteur nucléaire

La mise en œuvre de moyens de propulsion beaucoup plus efficaces que les traditionnels moteurs chimiques permettrait de parcourir plus vite la distance qui sépare la Terre de la planète rouge. En raccourcissant le voyage, on diminue automatiquement l'importance des problèmes liés à l'apesanteur et à l'exposition aux rayons cosmiques, sans compter que l'équipage bénéficie aussi de la possibilité de faire demi-tour rapidement en cas d'incident majeur. Pour ramener la durée du trajet à quelques mois, on pourrait utiliser un moteur nucléaire de type NERVA. Dans un vaisseau de ce type, on réalise la fission de combustible nucléaire (uranium, plutonium) dans un réacteur, la chaleur produite étant utilisée pour chauffer à 2500°C de l'hydrogène qui est ensuite éjecté à haute vitesse dans l'espace. Les vitesses d'éjection atteintes sont trois à cinq fois supérieures à celles d'un moteur chimique classique, ce qui permet de raccourcir considérablement la durée d'un voyage interplanétaire. Seul inconvénient du système, la nécessite de conserver l'hydrogène à l'état liquide (-217°C) à l'aide d'unités cryogéniques qui consomment énormément d'énergie. Heureusement, le réacteur nucléaire est lui-même une source d'énergie bien plus efficace que les traditionnels panneaux solaires. Il peut non seulement servir à refroidir l'hydrogène, mais il est également capable d'alimenter à lui tout seul les principaux systèmes du vaisseau (moteurs, dispositifs de communication, système de gravité artificielle). Ce type de vaisseau représente la solution idéale pour entreprendre un voyage vers la planète Mars, mais l'envoi d'un réacteur nucléaire dans l'espace sera vraisemblablement très mal perçu par l'opinion publique, pour qui la manipulation de l'atome est un sujet tabou. Le système serait pourtant très sûr. Le moteur nucléaire ne serait allumé que durant la phase de croisière entre Mars et la Terre. Lors du décollage proprement dit, assuré par un moteur chimique conventionnel, le réacteur nucléaire serait inerte (Crédit photo : droits réservés).

Moteur à plasma

Autre solution pour aller plus vite : le moteur à plasma. Considéré comme le quatrième état de la matière, le plasma est une soupe extrêmement chaude constituée d'un mélange d'électrons et de noyaux atomiques. Ce milieu gazeux est une telle fournaise qu'il est capable de fondre n'importe quel métal et aucun matériau terrestre ne peut contenir du plasma. Pour le confiner, il faut avoir recours à des champs magnétiques extrêmement puissants. Un moteur à plasma comporte d'abord une chambre ou un gaz (l'hydrogène) est ionisé et transformé en plasma grâce à des micro-ondes identiques à celles des fours que nous utilisons pour réchauffer notre café le matin. Le plasma est ensuite accéléré avant d'être expulsé par une tuyère magnétique dont l'ouverture est réglable. La poussée obtenue permettrait de rejoindre Mars en trois à quatre mois. Le vaisseau utiliserait une trajectoire spirale de 30 jours pour échapper à la Terre avant d'entamer un voyage de 85 jours. La croisière a lieu en deux temps. Dans une première phase, l'équipage subi une accélération continue, ce qui provoque au passage l'apparition d'une gravité artificielle. Celle-ci sera généralement très faible et ses effets risquent d'être négligeables, mais une poussée suffisamment importante pourrait un jour permettre de lutter contre les effets de l'apesanteur. Au beau milieu du parcours, le vaisseau fait demi-tour et continue le trajet en marche arrière. Cette phase de freinage est indispensable pour faire perdre au vaisseau la majorité de la vitesse accumulée pendant la première phase et assurer ainsi sa mise en orbite autour de Mars. On voit que le fonctionnement du moteur à plasma est bien différent de celui des moteurs chimiques conventionnels. Ces derniers assurent une poussée très brève au départ, le vaisseau continuant ensuite sur sa lancée. De son côté, le moteur à plasma exerce une poussée continuelle tout au long du voyage. Il rejoint donc les moteurs des vaisseaux des films de science-fiction, qui sont toujours en permanence allumés ! (Crédit photo : Pat Rawlings).

Voile solaire

Les voiles solaires représentent un dispositif élégant et original de propulsion. Le soleil émet en permanence des photons (particules composant la lumière), que l'on peut utiliser pour faire avancer un vaisseau. Pour profiter du vent solaire, il suffit de déployer des voiles sur lesquelles s'exercera la poussée infime des photons solaires. Lentement mais sûrement, le voilier spatial se mettra à accélérer. L'accélération sera minime au départ mais cumulée sur des dizaines d'années, elle pourra atteindre des valeurs phénoménales. Ce dispositif est extrêmement économique, puisqu'il ne nécessite ni moteur ni réservoirs de carburant (bien que l'on puisse aussi pousser artificiellement ces voiles solaires avec de puissants lasers basés au sol ou dans l'espace). Mais deux challenges restent à résoudre avant de pouvoir sillonner le système solaire à bord de ces papillons célestes. Les voiles devront être taillées dans un matériau à la fois très léger (pour pouvoir bénéficier au maximum de la poussée des photons solaires) et très résistant (pour éviter les déchirures). Ces structures gigantesques et fragiles, dont l'envergure atteindra facilement la centaine de mètres, devront également être déployées grâce à un mécanisme adéquat, qui pourrait facilement constituer un véritable casse tête pour les ingénieurs (Crédit photo : droits réservés).

Bulle magnétique

Si les photons émis par le soleil peuvent propulser des voiles solaires, on peut aussi tirer parti du vent solaire, qui est lui constitué de particules chargées. Pour utiliser ces dernières, il faudra déployer une bulle magnétique. La bulle va dévier les particules du vent solaire en recevant en contrepartie une poussée. La création d'un champ magnétique permet de s'affranchir de l'épineux problème de déploiement des voiles solaires. Une source d'énergie sera cependant requise pour créer et maintenir le champ magnétique porteur. Voyageant à la vitesse phénoménale de 300 à 800 km/s, les particules du vent solaire pourraient transmettre à terme cette vitesse à tout vaisseau doté d'une bulle ou d'un bouclier déflecteur magnétique (qui protégera de surcroît l'équipage des éruptions solaires) (Crédit photo : droits réservés).

La Terre vue de Mars

Ce petit croissant bleu flottant dans l'insondable obscurité de l'espace n'est autre que notre planète. Le 8 mars 2002, à 13h00 GMT, la sonde Mars Global Surveyor a obtenu la première image de la Terre prise depuis l'orbite d'une autre planète du système solaire. Au moment de la prise de vue, la planète rouge était alors à 139 millions de kilomètres de la Terre. L'image initiale, réalisée en noir et blanc, a été colorisée grâce à un cliché du système Terre Lune acquis en 1973 par la sonde Mariner 10. Qui sait comment les hommes réagiront lorsqu'ils verront le monde d'où ils viennent réduit à un simple point bleu perdu dans l'immensité du vide spatial ? (Crédit photo : Malin Space Science Systems/NASA).

Rosetta survolant la planète Mars

Cette image spectaculaire a été prise par la caméra CIVA de la sonde Rosetta, lors de son survol de la planète Mars le 27 février 2007, pour profiter de son assistance gravitationnelle. Le passage rapproché avec Mars a eu lieu à une altitude de 250 kilomètres, ce qui permet de distinguer de nombreux reliefs de la planète rouge. Mais c'est surtout la vision du panneau solaire qui donne à cette image toute sa beauté et sa puissance évocatrice. La vue qu'offre la caméra CIVA est effectivement très similaire à celle qu'un passager, regardant par le hublot d'un avion, a de l'aile de l'appareil qui le transporte. Rosetta nous projette ainsi dans le futur, en nous montrant le spectacle dont pourront jouir les premiers astronautes qui se rendront sur Mars (Crédit photo : ESA).

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