Seule planète, en dehors de la Terre, potentiellement habitable (bien que très inhospitalière) du système solaire, Mars a depuis des siècles fasciné les hommes et enflammé l’imaginaire collectif. La Science-fiction a évidemment fait de Mars l’un de ses thèmes centraux, d’abord avec Wells, qui imagina à la fin du XIXème siècle une effrayante invasion de la Terre par des extraterrestres venus de Mars, puis viendra Arthur Clarke (l’inoubliable auteur de 2001 : odyssée de l’espace), avec « Les sables de Mars » et bien sûr Ray Bradbury, avec ses foisonnantes « Chroniques martiennes », écrites juste après la Seconde guerre mondiale. Dans cette grande saga, Bradbury dépeint la conquête et la colonisation de Mars, à partir de 2030, et imagine la confrontation des colons terriens et d’une brillante mais fragile civilisation martienne…
Mais si la littérature et le cinéma n’ont cessé, depuis plus d’un siècle, d’imaginer une invasion de la Terre par d’hypothétiques martiens et de prévoir une colonisation de Mars par les humains, les extraordinaires progrès réalisés dans le domaine des technologies spatiales depuis le premier pas de l’homme sur la lune il y a près d’un demi-siècle rendent aujourd’hui réalisable cette nouvelle odyssée de l’espace vers la planète rouge.
Fin septembre 2016, lors du 67e congrès international d'astronautique de Guadalajara, Elon Musk a présenté dans les grandes lignes son projet. Celui-ci repose sur l'ITS (Interplanetary Transport System), un système de transport comportant deux versions : la première composée d’un étage principal surmonté du véhicule habité et la seconde destinée au transport de fret.
Les trois idées maîtresses d'Elon Musk consistent à tout réutiliser, (fusées, navettes et citernes), à ravitailler ses navettes en orbite – de manière à pouvoir envoyer une centaine de personnes sur Mars par vol et enfin à assurer la production de combustible sur Mars, de façon à réduire drastiquement le poids des navettes et les coûts de chaque vol. En appliquant ces trois principes de base, Elon Musk pense pouvoir proposer aux premiers colons un ticket à 500 000 dollars, coût qui pourrait descendre à terme à 100 000 dollars, avec la multiplication des navettes martiennes.
Concrètement, Elon Musk envisage de constituer une flotte de vaisseaux (habités et cargo) autour de la Terre. Puis, lorsque la conjonction entre Mars et la Terre sera optimale, le convoi entamera sa croisière à 100.800 km/h. Les navettes, qui se seront posées verticalement, pourront retourner sur Terre pour un nouveau chargement. SpaceX table sur 12 à 15 trajets pour chacune d'entre elles et jusqu'à 100 pour les vaisseaux-citernes.
Il est important de comprendre que le projet défendu par Elon Musk ne relève pas de l’exploration scientifique, mais bien de la colonisation et de l’installation permanente de bases, puis de véritables villes sur Mars. Selon Elon Musk, les progrès des technologies spatiales permettront une industrialisation des vols vers Mars et rendent envisageable une colonie martienne d’environ un million de personnes à l’horizon du XXIIème siècle…
Aujourd’hui, SpaceX, sans remettre en cause son objectif de conquête de Mars, a revu à la baisse la taille de son lanceur et le niveau de ses performances. La nouvelle version de sa Big Falcon Rocket pèse 4 400 tonnes au décollage, fait 100 mètres de haut, comporte toujours un étage principal mais d'un diamètre de 9 mètres (contre 12 mètres initialement) et utilise non plus 42 moteurs Raptor (utilisant du méthane et de l’oxygène liquides) mais 31.
Le vaisseau lui-même mesurera environ 48 mètres et pèsera 1200 tonnes au total avec le plein. La partie supérieure sera réservée à la charge utile, l’équivalent du contenu d’un Airbus A380. L’habitacle est conçu pour accueillir 40 cabines et 100 membres d'équipage, ainsi qu'un abri anti-radiation solaire, un centre de divertissement et des parties communes.
S’appuyant sur le succès du premier vol historique de sa Falcon Heavy, le 6 février dernier, un lanceur de nouvelle génération propulsé par 27 moteurs et capable d’une poussée de 2.500 tonnes au décollage, Elon Musk a réaffirmé le 11 mars dernier que les premiers vols tests pourront être réalisés dès le premier semestre de 2019 et qu’il garde l’objectif ambitieux d’envoyer les premiers hommes sur Mars dès 2024, après deux missions inhabitées qui déposeraient sur la Planète rouge l'infrastructure de survie nécessaire aux premiers arrivants.
Disons-le tout net, même si le projet de conquête de Mars défendu par Elon Musk ne se heurte pas à des difficultés technologiques insurmontables, le calendrier présenté et défendu par le fondateur de Space X paraît totalement irréaliste, si l’on considère les nombreux défis techniques qui restent à relever, ainsi que le coût global de ce projet, qui sera sans doute beaucoup plus important que prévu.
Un autre projet, Mars One. Ce projet a été lancé en 2013 par Bas Lansdorp, un ingénieur néerlandais. Fin 2016, Mars One a réussi à lever 10 millions de dollars à la bourse de Francfort pour la sélection, en 2018, des 24 candidats destinés à devenir les premiers astronautes à fouler le sol martien. Dans sa nouvelle feuille de route, Mars One prévoit d’effectuer en 2022 sa première mission de démonstration sans pilote. Viendrait ensuite, entre 2026 et 2029, l’envoi vers Mars de deux satellites de communication et de Rovers chargés d’acheminer l’ensemble du matériel de survie indispensable aux premiers astronautes martiens. Le premier vol humain vers Mars, d’une durée de sept mois, aurait lieu en 2031, pour un atterrissage historique sur la planète rouge prévue en 2032.
Reste que, même si ce projet Mars One semble plus prudent et un peu plus réaliste que le projet ITS de Musk, la communauté scientifique doute fortement, dans son ensemble, que Mars one soit en mesure d’envoyer des hommes sur Mars dans moins de 15 ans.
La NASA travaille depuis des décennies sur l’élaboration d’une mission développement de quatre vaisseaux qui sont assemblés en orbite et sont lancés vers Mars en 3 vols distincts : en premier lieu, un vaisseau destiné au transfert Terre-Mars et retour de l'équipage ; ensuite, un vaisseau équipé d'un étage de descente pour atteindre le sol martien, qui sert d'habitat à l'équipage sur Mars ; en troisième lieu, un vaisseau et un lanceur, équipés d'un étage de descente pour atteindre le sol martien, qui permet de remonter l'équipage du sol martien jusqu'en orbite martienne ; enfin, dernière étape, un petit vaisseau qui permet à l'équipage arrivé à proximité de la Terre de revenir sur le sol terrestre.
Le premier défi à relever pour aller sur Mars est la distance. La planète rouge se trouve en moyenne à 220 millions de km de notre Terre et même en utilisant les conjonctions astronomiques qui rapprochent Mars et la Terre tous les 26 mois, il faut, avec les technologies de propulsion actuelles, entre 180 et 260 jours, soit six à huit mois et demi pour rallier Mars. Dans ce scenario de conjonction, considéré comme le plus probable par tous les spécialistes, une mission martienne se composerait donc d’un voyage aller d’au moins six mois, d’un séjour sur Mars d’au moins dix-huit mois et d’un retour vers la Terre de six mois, soit une durée totale de deux ans et demi.
Il faut bien comprendre que, dans le cadre actuel permis par les technologies disponibles, il faudra plus d’un an pour les premiers astronautes qui iront sur Mars pour accomplir ce premier vol spatial aller-retour. Or, un vol d’une telle durée aura des conséquences physiologiques et psychologiques considérables, même sur des astronautes triés sur le volet et particulièrement entraînés.
Il y aura tout d’abord des conséquences importantes en matière de fragilisation osseuse, de perte de masse musculaire et des perturbations cardio-vasculaires. Certes, des exercices intensifs et une discipline de vie rigoureuse au cours du vol pourront en partie pallier ces effets néfastes mais les organismes de ces astronautes n’en seront pas moins soumis à très rude épreuve… S’ajoutent à cela des effets psychologiques liés à l’enfermement et au confinement dans un espace restreint pendant une très longue durée. Il faudra évidemment à ces astronautes des nerfs d’acier et un équilibre personnel parfait pour supporter aussi longtemps ces conditions particulièrement stressantes.
Mais le principal danger qui pèserait sur ces astronautes, à l’exception évidemment d’une défaillance technique majeure qui entraînerait la destruction du vaisseau, a été longtemps sous-estimé : il s’agit de l’exposition prolongée à un niveau élevé de radiations. En effet, selon plusieurs études, les astronautes seraient exposés, sur les trois ans et demi d’une mission complète (voyages compris), à au moins 662 millisieverts (mSv) au total, soit environ 190 millisieverts par an, soit presque dix fois la dose maximale annuelle autorisée aux Etats-Unis dans l'industrie nucléaire… La Nasa estime pour sa part qu'un astronaute ne peut pas être exposé à plus de 1 000 mSv durant toute sa carrière, sous peine d’augmenter dangereusement ses risques de cancer.
Rappelons également qu’en 2013, des chercheurs de la Nasa ont analysé le niveau de radiation régnant à bord du Mars Science Laboratory (MSL), qui transportait le robot martien américain Curiosity lors du vol de la Terre à Mars entre novembre 2011 et août 2012. Cette étude a montré que cette exposition aux radiations correspondrait à celle d’un scanner complet du corps tous les cinq jours et dépasserait, sans avancées technologiques significatives dans la protection, les limites admissibles pour un être humain.
En octobre 2016, une autre étude a confirmé le niveau très élevé de radiations de différentes natures, provenant notamment des rayons cosmiques auxquels seraient exposés les astronautes effectuant des missions sur Mars (voir Nature). Selon ces recherches, le rayonnement cosmique intense finirait par altérer le fonctionnement des neurones du cortex préfrontal et pourrait nuire aux capacités cognitives des astronautes.
En décembre 2015, une autre étude a comparé les scans IRM des cerveaux de 27 astronautes avant et après leur mission. Parmi ces astronautes, treize avaient mené une mission spatiale d’environ deux semaines et les quatorze autres avaient vécu six mois au bord de la station spatiale internationale. Les chercheurs ont observé une diminution significative du volume de matière grise dans le cerveau de ces astronautes. Ils ont également constaté que cette diminution était proportionnelle à la durée du séjour de ces astronautes dans l’espace (Voir Nature).
Le problème est qu’il n’y a que deux façons de ramener le niveau de radiations auquel seront exposés les astronautes martiens à un niveau supportable. La première consiste à prévoir dans la partie habitée du vaisseau spatial une zone de protection revêtue d’un blindage spécial atténuant l’intensité de ces radiations. Cette disposition est évidemment prévue dans les différents projets de conquête spatiale de Mars mais elle se heurte à un obstacle redoutable : pour être vraiment efficace, un blindage anti radiation doit être épais, c’est-à-dire lourd. Dans l’état actuel de la technique, une protection suffisante n’est malheureusement pas possible car elle aurait un poids excessif qui entraînerait un coût insupportable en matière de besoins énergétiques pour le lancement et la propulsion du vaisseau spatial.
L’autre façon de réduire significativement l’exposition des astronautes martiens aux radiations pendant le vol consiste à réduire le temps nécessaire pour aller de la Terre à Mars, ce qui suppose l’abandon du mode de propulsion chimique - qui ne serait plus utilisé que dans la phase de lancement de la fusée - et un saut technologique de grande ampleur. Heureusement, en octobre dernier, lors d'une série de tests réalisés au Glenn Research Center de la Nasa, les chercheurs ont pu atteindre une puissance de sortie record pour un propulseur ionique Hall de type X3. Ils sont parvenus à atteindre 5,4 Newtons de poussée contre 3,3 Newtons précédemment, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour que cette propulsion ionique puisse, à l’exception de la phase de lancement, être utilisée dans les voyages interplanétaires.
Ce nouveau type de propulseur ionique d’une très grande efficacité utilise l’effet Hall et un champ magnétique pour piéger les électrons qui servent à ioniser un gaz comme, par exemple, le xénon. Les ions qui sont alors accélérés, produisent une très forte poussée, bien supérieure à celle autorisée par la propulsion chimique.
En mars dernier, L’Agence Spatiale Européenne a pour sa part construit et testé un moteur ionique unique en son genre. Amorcé par du Xenon, puis par un mélange d’oxygène-azote, ce moteur peut ensuite être alimenté directement par différentes molécules présentes dans l’atmosphère. Les scientifiques affirment que ce type de moteur pourrait également fonctionner avec l’atmosphère d’autres planètes. Selon l’ESA, il serait parfaitement possible de récupérer le dioxyde de carbone de Mars, par exemple (Voir ESA).
En matière de propulsion spatiale ultrarapide, une autre voie prometteuse est également développée par Franklin Chang-Diaz, chercheur au MIT. Celui-ci a mis au point un moteur à propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable (le VASIMR). Le principe du moteur VASIRM est d'abord de chauffer du gaz argon à très haute température, ce qui permet d’obtenir un plasma très énergétique qui va être ensuite fortement accéléré, puis éjecté de manière contrôlée, permettant ainsi la propulsion extrêmement rapide du vaisseau spatial.
Avec cette technologie radicalement nouvelle, il suffirait en théorie de seulement 320 kg de d'argon par an, contre 7 tonnes de combustible chimique, pour propulser un vaisseau spatial habité jusqu’à la planète Mars. Grâce à ces nouveaux moteurs révolutionnaires, ionique ou à plasma, la durée d’une mission vers Mars pourrait être ramenée de six mois à un mois et demi, ce qui diminuerait considérablement pour les astronautes les différents risques et effets néfastes inhérents à un vol spatial de très longue durée, à commencer par ceux liés à une exposition à un niveau élevé de radiations.
Mais en attendant que ces technologies de propulsion radicalement nouvelles soient complètement maîtrisées, les chercheurs de la Nasa envisagent également de placer les astronautes dans un état de profond sommeil, appelé « hypothermie thérapeutique ». Déjà utilisée en milieu hospitalier, cette technique consiste à abaisser à 10° seulement la température du corps, ce qui plongerait les astronautes dans un état proche de l’hibernation. Ceux-ci seraient alors nourris par voie intraveineuse et leur réveil pourrait être programmé et assuré par l’ordinateur de bord, un scénario qui n’est pas sans rappeler celui imaginé il y a 50 ans par Stanley Kubrick dans son chef-d’œuvre « 2001 : odyssée de l’espace »…
Enfin, si tous ces obstacles liés au lancement et au vol spatial sont surmontés, il faudra également que les astronautes, une fois arrivés sur Mars, soient capables de produire la quasi-totalité de leurs ressources énergétiques, mais également à terme de leurs ressources alimentaires (Comme le fait le héros du film « Seul sur Mars »), de manière à limiter autant que possible la quantité de matériaux et d’énergie à acheminer sur la planète rouge.
Sur ce point, la NASA envisage un scénario dans lequel les astronautes utiliseraient différentes réactions chimiques pour fabriquer, à partir d’hydrogène embarqué et du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère de Mars, plus d’une centaine de tonnes d’un mélange de méthane et d'oxygène, qui seraient utilisés comme carburant par le vaisseau spatial pour le voyage de retour vers la Terre.
Notons également que Mars étant dépourvu de champ magnétique, le niveau de radiations y est beaucoup plus élevé que sur notre Terre, ce qui suppose la construction de bases martiennes enterrées à une profondeur suffisante pour atténuer l’effet de ces rayonnements néfastes. Un défi technologique supplémentaire à relever qui nécessitera sans doute une coopération étroite entre les premiers colons martiens et une multitude de robots polyvalents à haut niveau d’autonomie. Ceux-ci seront d’autant plus indispensables qu’il faudra en moyenne 30 minutes pour qu’un message expédié de Mars vers la Terre reçoive une réponse…
Reste enfin le coût réel d’un vol habité vers Mars et de la réalisation d’une base martienne permanente. Sur ce point crucial, les estimations n’ont cessé d’augmenter au fil des décennies. La NASA a longtemps soutenu qu'une mission habitée vers Mars reviendrait à une centaine de milliards de dollars. Mais en 1989, cette agence spatiale américaine a publié une étude très complète sur l’exploration de la Lune et de Mars (voir NASA) dans laquelle elle évalue à environ 450 milliards de dollars de l’époque, plus de 1000 milliards de dollars actuels, le coût global d’une mission habitée vers Mars. Mais pour certains spécialistes, ce coût serait encore sous-estimé, tant les défis technologiques qui restent à surmonter pour assurer une présence permanente de l’homme sur Mars sont immenses.
Il faut donc regarder la réalité en face : la conquête puis l’éventuelle colonisation de Mars seront des entreprises bien plus périlleuses et coûteuses que les acteurs et industriels concernés veulent bien le dire. Loin des calendriers fantaisistes, relevant essentiellement de la communication, qui sont annoncés à grand renfort d’annonces spectaculaires dans les médias, le premier vol habité vers Mars n’aura probablement pas lieu avant un bon quart de siècle, en raison des obstacles technologiques, économiques et politiques considérables d’une telle entreprise. D’ici là, il faudra recourir à des missions d’exploration de plus en plus poussées de la planète rouge qui reposeront sur une nouvelle génération de robots dotés d’une réelle capacité d’adaptation et d’initiatives, grâce aux progrès de l’intelligence artificielle.
Quant aux coûts faramineux des premiers vols habités vers Mars et de la réalisation d’une base permanente sur cette planète lointaine, ils devront nécessairement être répartis entre l’ensemble des grandes puissances économiques du monde, à commencer bien entendu par celles qui maîtrisent le mieux les technologies spatiales : les États-Unis, l’Europe, la Russie, la Chine et demain sans doute l’Inde et le Japon.
Je reste cependant persuadé que cette conquête de Mars, quelles qu’en soient les difficultés, se fera, même si elle s’étalera sur tout notre siècle et sans doute au-delà. Le destin de l’homme, comme l’ont magistralement illustré de grands visionnaires comme Arthur Clarke, Stanley Kubrick, Isaac Asimov ou le regretté Stephan Hawking, et comme le proclame aujourd’hui à sa manière Elon Musk, est, je le crois fermement, de quitter son berceau originaire pour aller explorer d’autres mondes et y essaimer. Avec la conquête de Mars, c’est donc bien un nouveau chapitre de l’histoire de l’Humanité qui va s’ouvrir et gageons que celui-ci conduira l’homme à se dépasser en regardant toujours plus loin et toujours plus haut vers les étoiles…
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
