Sommaire

I / L'Homme est la conquête spatiale


II / Les défis technologiques
A - Propulsions
B - Production d'énergie
C - Les besoins de l'Homme

III / Les projets Mars dans l'avenir
A - Les différents projets des agences spatiales
B - Les conditions marsiennes
C - Les limittes budgétaires

Conclusion

Introduction


L’un des premiers désirs de l’homme est de conquérir de nouvelles terres. Depuis plus d'un siècle, il a voulu explorer l'espace. Aujourd'hui son but ultime est de poser ses deux pieds sur Mars. La planète rouge est une destination phare car grâce aux rovers d’exploration nous savons qu'elle contient de l’eau et peut donc permettre la vie. Les robots d'exploration ne sont pas capables de tous analyser. Une présence humaine est donc indispensable pour poursuivre les recherches. L’homme est allé sur la Lune, mais est il possible de l'envoyer sur Mars ? Nous verrons dans un premier temps comment l’Homme a conquis l'espace puis quels sont les défis technologiques que doivent relever les ingénieurs pour conquérir Mars. Enfin nous étudierons les projets Mars dans l’avenir.



I / La conquête spatiale


Parler d’une éventuelle conquête de Mars ne serait pas envisageable sans aborder l’histoire de la conquête spatiale. Avant de se pencher sur la question martienne, les hommes ont imaginé, innové, et exploré un monde hostile à l’humanité. Enfin si aujourd’hui il est possible qu’un homme pose le pied sur Mars, c’est parce que l’homme est allé sur la Lune. Certes ceci lui procure des certitudes d’un point de vue technique, mais avant tout d’un point de vue psychologique. Nous commencerons donc par raconter les débuts de la conquête spatiale et son contexte pour s’attarder plus longuement sur l'exploration de la lune, une étude indispensable pour comprendre pourquoi et comment l’homme entreprend de marcher sur la « planète rouge ».

La conquête spatiale est apparue dans un contexte de Guerre Froide opposant les États-Unis d'Amérique et l'Union des républiques socialistes soviétiques. L'exploration du cosmos devient alors la scène d'une bataille technologique entre les deux géants de cette deuxième moitié du 20ème siècle. Cette course aux étoiles a conduit l'Homme à s’inscrire personnellement dans la découverte du monde qui nous entoure. Le 4 octobre 1957, le premier satellite artificiel, Spoutnik 1, est positionné en orbite autour de la terre. C'est le début officiel de la conquête spatiale. Aujourd'hui la Station Spatiale Internationale gravite autour de la Terre et des Hommes l’occupent en permanence. C'est donc un peu plus d'un demi-siècle qui s'est écoulé depuis le commencement de l'ère spatiale la fusée a évolué avec le temps pour permettre à l'Homme de mieux connaître le monde qui nous entoure.

En 1957, l'URSS décide donc d'envoyer le premier satellite conçu et propulsé par l'Homme, Spoutnik 1. Le seul objectif de cette mission est de recevoir un signal sonore envoyé depuis l'espace par Spoutnik 1. Il est le symbole que l’on est capable d’envoyer et de recevoir un signal radio depuis l’espace, outil indispensable aux missions habitées dans le futur.

Ondes emisent par Sputnik :

Pleine lune

Source de l'image


Un mois après Spoutnik 1, le 3 novembre 1957, l'engin spatial Spoutnik 2 amène le premier être vivant en orbite autour de la Terre. Il s'agit de Laïka, une chienne du programme spatial soviétique, qui mourut 7 heures après le décollage probablement à cause d'une surchauffe due à une défaillance du système de régulation de température. L'engin Spoutnik 2 resta en orbite autour de la Terre pendant environ 160 jours.

Durant cette mission du programme spatial soviétique, les États-Unis lancèrent leur premier satellite artificiel, Explorer 1, et rentrèrent dans la «course à l'espace». Le président américain, Eisenhower, décide par un décret en date du 29 juillet 1958 la création d'une agence spatiale civile : la NASA acronyme de National Aeronautics and Space Administration. Le programme Mercury est officiellement lancé le 7 octobre 1958 et ses objectifs sont de placer un homme en orbite autour de la Terre, d'étudier les effets de l'impesanteur sur le corps humain et de mettre au point un système de récupération fiable du vaisseau spatial et de son équipage.

Le 10 décembre 1959, le gouvernement Russe annonce qu'il va envoyer un homme dans l'espace, en orbite terrestre. Ce programme est le programme Vostok et va voir le premier homme dans l'espace le12 avril 1961. C'est le premier programme de vols habités de l'Union Soviétique. Lors de la mission Vostok 1, Youri Gagarine fut le premier homme dans l'espace, c'est à dire a plus de 100km au-dessus de la Terre. Il fut aussi le premier Homme à rentrer en orbite terrestre. Par cet exploit l'URSS montre sa supériorité technique et technologique par rapport aux États-Unis. Cinq autres missions avec équipage ont eu lieu avant que le programme Voskhod ne prenne la suite des missions de vol habité soviétique en 1964.

Mercury-Redstone 3 est la première mission spatiale américaine habitée, lancée dans le cadre du programme Mercury, le 5 mai 1961 à l'aide d'une fusée Redstone, avec à son bord l'astronaute Alan Shepard. Ce dernier est le premier Américain à se rendre dans l'espace, il effectue une trajectoire balistique avec une apogée à 187km d'altitude. Le programme Mercury s'achève en 1963 après plusieurs missions habitées. Il est alors remplacé par le programme Gemini.

Le projet d’emmener des hommes sur Mars peut paraître invraisemblable, irréaliste voire fantasque. Mais il ne faut pas oublier que ce n’est pas la première fois qu’un homme posera le pied sur un autre sol que celui de la Terre. Imaginez-vous un mercredi 12 février de l’année 1962, jour où vous entendez un discours du président de la plus grande force mondiale disant que des hommes seront sur la lune avant la fin de la décennie. Imaginez-vous alors le sentiment de milliers de personne à cet instant, cela leur paraissait impossible. Et pourtant, le 20 juillet 1969 à 20h56, un homme a fait un petit pas sur la lune.
Nous allons donc voir le matériel et les techniques nécessaires à un voyage de longue durée dans l’espace. En effet, ces missions qui se sont déroulées il y a pourtant plus de 40 ans, sont nos seules certitudes quant à la conquête d’un objet céleste étranger à la Terre.


Discours de John F. Kennedy : "We choose to go to the Moon"

Discours entier


Le 12 septembre 1962, le président américain J. F. Kennedy prononce donc un discours à Houston où il annonce que les États-Unis enverront des hommes sur la Lune avant la fin de la décennie. Une phrase de ce discours est restée célèbre : « We choose to go to the Moon. We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard, because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills, because that challenge is one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and one which we intend to win, and the others, too. ». Phrase que l'on peut traduire en français par : « Nous choisissions d'aller sur la Lune. Nous choisissions d'aller sur la Lune au cours de cette décennie et d'accomplir d'autres choses encore, non pas parce que c'est facile, mais parce que c'est difficile. Parce que cet objectif servira à organiser et à offrir le meilleur de notre énergie et de notre savoir-faire, parce que c'est le défi que nous sommes prêt à relever, celui que nous refusons de remettre à plus tard, celui que nous avons la ferme intention de remporter, tout comme les autres. » La NASA lance alors le programme Gemini qui précédera et préparera le programme Apollo (celui qui enverra des astronautes sur la Lune). Lors des missions Gemini, la NASA apprend à maitriser les sorties extravéhiculaires et les manœuvres orbitales comme les rendez-vous orbitals, manœuvres indispensables à un voyage spatial habité de longue durée.

Les hommes qui s'illustreront dans ces vols sont pour certains des vétérans du programme Mercury (Virgil Grissom, Gordon Cooper et Walter Schirra) et les recrues d'une nouvelle vague formée par la NASA : Neil Armstrong, Edwin Aldrin, Franck Borman, James Lovell pour les plus célèbres. Les vaisseaux spatiaux, lancés à faible intervalle de temps, ont pour mission de se rejoindre en orbite, et les astronautes (deux par vol) expérimentent les sorties extra-véhiculaires. La technique de vol de longue durée (plus de 13 jours pour Gemini VII) est également mise au point.

En 1944, le scientifique Allemand Wernher von Braun, qui avait mis au point les fusées V2, dont plusieurs centaines bombardèrent l'Angleterre et le nord de l'Europe à la fin de la seconde guerre mondiale, affirmait avoir acquis les techniques de lancement d'une fusée à trois étages capable d'atteindre la Lune.

Un nombre très important de tests ont été effectués par la NASA pour déterminer quel serait le type de matériel capable de mener à bien la mission lunaire, et ce n'est qu'assez tard que la solution préconisée par Wernher von Braun a été adoptée, tout au moins en ce qui concerne le lanceur : la solution définitive correspond à la fusée Saturn V, ci-contre.

Schéma Saturn V

Source de l'image
Cette fusée est haute de 111 mètres, pour une masse de 2700 tonnes. Elle emporte trois hommes, avec leur matériel d'exploration lunaire.

Il faut une puissance extrême pour satelliser une masse aussi importante que celle du véhicule spatial Apollo. Satelliser, cela veut dire arracher partiellement à l'attraction terrestre, et faires faire à la fusée, sans l'aide d'une énergie supplémentaire, le tour de la Terre : il faut qu'en très peu de temps la fusée atteigne la vitesse de 5,8 kilomètres par seconde. D'où la nécessité d'emporter une grande masse de carburant (qui sera consommée très rapidement), d'où une taille de fusée importante. Dès qu'un réservoir de carburant est vide, il ne sert plus à rien, et au contraire, il alourdit inutilement la fusée. D'où la nécessité de s'en séparer. C'est le cas des deux premiers étages du lanceur Saturn V, qui sont largués avant même la satellisation complète du vaisseau Apollo.

Le premier étage du lanceur, qui mesure 45 mètres de haut, est composé de deux énormes réservoirs, l'un de kérosène, l'autre d'oxygène liquide, le second servant à assurer la combustion du premier. Ces deux "ergols" alimentent cinq moteurs gigantesques (photo ci-dessous).

Le second étage, haut de trente mètres, est lui aussi composé de deux réservoirs d'oxygène et d'hydrogène liquides et de cinq moteurs, plus petits que ceux du premier étage.

Le troisième étage, haut de douze mètres environ ne comporte qu'un seul moteur, le même que ceux qui équipent le deuxième étage. Ce moteur sert à la mise en orbite finale et à l'injection du vaisseau sur la trajectoire Terre-Lune. Il peut être allumé et éteint plusieurs fois.

Au-dessus du troisième étage, on arrive au vaisseau Apollo proprement dit. Il est composé de trois éléments principaux, qui seront les seuls à faire l'intégralité du voyage vers la Lune :

  • le module de service, abrite le moteur qui servira aux corrections de trajectoire Terre-Lune, au ralentissement du vaisseau à l'approche de la Lune, et à la mise en place du vaisseau dans la trajectoire de rentrée dans l'atmosphère terrestre; Il embarque en outre tous les systèmes de production d'énergie, d'eau et de chauffage (les piles à combustibles) de la fusée ;
  • le module de commande où vont séjourner les astronautes pendant tout le voyage aller-retour ;
  • le module lunaire qui seul se pose sur la Lune.


Enfin, le dernier élément est la tour de sauvetage, qui permet d'extraire le module de commande de l'ensemble lanceur + vaisseau dans les minutes qui suivent immédiatement le lancement, en cas de problème.

Observons à présent le déroulement d’une mission Apollo type. Le lanceur est placé sur son aire de lancement 36 heures avant le décollage. Les astronautes, équipés de leurs combinaisons spatiales, pénètrent dans le module de commande du vaisseau Apollo entre 3 et 6 heures avant le lancement. Le compte à rebours est déjà commencé. Les réservoirs sont mis sous pression, en alimentation constante, de façon à assurer un maximum de remplissage au moment du lancement.

Saturn V lors du décollage

Source de l'image
Six secondes avant le lancement proprement dit, les moteurs du premier étage sont mis à feu. Tous les systèmes de liaison et d'alimentation sont automatiquement déconnectés du lanceur, et la fusée décolle.

Si la vitesse paraît lente au départ, elle augmente très vite. Moins de trois minutes après le lancement, le premier étage, vide de ses ergols, est largué : il retombe dans l'Atlantique. Puis le second étage est mis à feu. Il est utilisé entre six et dix minutes en fonction de l'objectif de satellisation à atteindre.
En moins de quatorze minutes, la taille de la fusée est passée de 111 à 36 mètres. Le vaisseau Apollo est d'ores et déjà dans l'espace, il ne reste plus qu'à assurer sa satellisation, ce qui sera fait par la mise à feu du moteur du troisième étage, qui propulse la fusée à une vitesse de 5,8 kilomètres par seconde.


Séparation des modules d'une fusée


Site original de la vidéo


À ce moment, la fusée et l'équipage font une pause : le moteur est coupé, le vaisseau effectue une orbite terrestre, pendant laquelle tous les systèmes internes sont contrôlés, aussi bien par l'équipage que par les équipes de contrôleurs, au centre de contrôle des vols spatiaux habités de Houston.

Une fois tous les contrôles effectués, la fusée est orientée face à la Lune, le moteur du S-IV B est rallumé, pour accomplir sur une trajectoire translunaire. La vitesse atteint alors 11 kilomètres par seconde. Puis le moteur est éteint.

Vient alors une phase très importante du vol : l'assemblage dans l'espace de l'ensemble module de service-module de commande avec le module lunaire. Au lancement, le module lunaire (LEM), est installé derrière le module de service, bien à l'abri dans une coiffe de protection.

Lorsque le vaisseau est en route pour la Lune, la coiffe protégeant le LEM est larguée. L'ensemble module de service-module de commande avance lentement, puis effectue un demi-tour complet, de façon à se mettre face au LEM. Puis il s'approche du LEM, jusqu'à faire coïncider les pièces de jonction des deux appareils, LEM et module de commande. Une fois la capture effectuée, l'ensemble module de service-module de commande-LEM recule, pour s'extraire définitivement.

Une fois cette opération effectuée, l'ensemble du vaisseau Apollo est ré-orienté sur la Lune, une très légère poussée est effectuée, et le voyage Terre-Lune peut réellement commencer. Parallèlement, le moteur du troisième étage, qui ne sert plus à rien, est remis à feu à distance et réorienté vers la Lune. Il finira sa course en s'écrasant, quelques jours plus tard.

A mi-parcours, soit environ quarante-huit heures après le lancement, l'ordinateur de bord compare la route suivie par le vaisseau et la route à suivre, définie mathématiquement. Eventuellement une correction de trajectoire doit être effectuée. Le moteur du module de service est mis à feu quelques secondes pour assurer un vol parfait jusqu'à la Lune.

La vitesse acquise va diminuer progressivement, le vaisseau étant toujours légèrement soumis à l'attraction terrestre, jusqu'à ce qu'il rentre dans le champ de gravitation lunaire. A ce moment, la vitesse va augmenter de nouveau. S'approchant de la Lune, le vaisseau devra se retourner, afin d'allumer à nouveau le moteur dans le sens contraire au déplacement, de façon à freiner sa vitesse et se laisser "attraper" par la force de gravitation lunaire. La mise en orbite lunaire est assurée, plus par les lois de la mécanique céleste que par la technologie humaine.

Vue de la Terre depuis la lune

Source de l'image
L'heure de la descente sur la Lune, environ trois jours et demi après le lancement, est arrivée. Deux astronautes, le commandant de bord et le pilote du LEM, rejoignent le module lunaire par le tunnel d'accès qui le relie au module de service. Le troisième astronaute, pilote du module de commande reste à bord : il tournera en orbite pendant les activités lunaires de ses compagnons.

Le LEM est mis en fonction, puis est séparé du module de service : la descente vers la Lune commence. En quelques heures, le sol lunaire est atteint, après que le LEM ait réduit sa vitesse de 3800 kilomètres heures à quelques mètres secondes. Une fois sur le sol lunaire, la première tâche des astronautes consiste, avec l'aide des contrôleurs de Houston, à vérifier l'ensemble des systèmes, afin de s'assurer de leur capacité à faire re-décoller le LEM. Pendant quelques heures (Apollo XI) ou quelques jours (Apollo XVII), les astronautes vont explorer la très faible portion de Lune qui entoure leur point d'alunissage.

Puis vient le moment de quitter la Lune. Le LEM est composé de deux parties :
  • l'étage de descente, avec un moteur de freinage, dont le rôle est de ralentir l'appareil et de le poser en douceur sur la Lune, et des soutes contenant tous les appareils nécessaires à des expériences sur la Lune ;
  • l'étage de remontée, avec un moteur permettant le décollage, et l'habitacle des deux astronautes.


Schéma du module d'alunissage



Bien évidemment, l'étage de descente est destiné à rester sur la Lune au moment du départ. Le lancement est assuré par l'explosion des boulons reliant les deux étages, et la mise à feu du moteur de remontée. La propulsion n'est évidemment pas comparable à celle de la fusée tout entière au moment du départ de la Terre :
  • l'attraction, six fois moindre sur la Lune, pose beaucoup moins de problème ;
  • le poids de l'engin à satelliser n'a aucun rapport avec celui de la fusée Saturn V et du vaisseau Apollo.
En quelques heures, le LEM est en vue du module de commande, qui attendait patiemment. Le rendez-vous en orbite, principe de base des missions lunaires américaines, est effectués, les deux vaisseaux se rapprochent et s'accouplent. Les astronautes passent alors dans le module de commande, et l'étage de remontée du LEM est largué en orbite lunaire. L'ensemble module de service - module de commande effectue alors une ou deux révolutions orbitales, et après mise à feu du moteur du module de service, prend le chemin de la Terre.

Trois jours plus tard, après une éventuelle correction de trajectoire à mi-parcours, le vaisseau est tout proche de la Terre. Seul va rentrer dans l'atmosphère terrestre le module de commande, petite capsule conique qui abrite les astronautes. Le moteur du module de service est mis à feu une dernière fois, pour placer le module de commande exactement dans le couloir de rentrée. Puis il est largué, et le module de commande est livré à son sort. Il pénètre dans l'atmosphère à une vitesse très élevée, et est freiné naturellement. Le frottement de l'air provoque un échauffement intense de la capsule, protégée par un bouclier thermique.

A huit kilomètres d'altitude, les parachutes sont déployés, et la capsule amerrit dans l'océan Pacifique. Les astronautes sont récupérés par hélicoptère, qui les ramène à bord d'un porte-avions. La mission est terminée.

Les connaissances acquises pour la conquête de la Lune sont donc à prendre en compte dans le cadre d’une futur mission habitée vers Mars. Evidemment la distance séparant la Terre de Mars est 150 fois plus grande que celle séparant la Terre de la Lune cependant des similitudes existent entre les deux projets. En effet les rendez-vous orbitals seront une technique indispensable à un voyage vers Mars. Or ces types de manœuvres ont été inventés, et utilisés pour la conquête de la Lune. On peut noter également que si des hommes veulent poser le pied sur Mars, cela ne se réalisera pas sans un module de descente vers Mars donc un équivalent du LEM des missions sur la lune. Encore une fois cette technologie ayant vu le jour lors du projet lunaire servira pour un éventuel projet martien.

Il faut préciser que si voyage vers mars il devait y avoir ; alors il durerait au minimum 6 mois. Donc un équipage humain serait confiné dans un espace clos pendant 6 mois tout en devant s’entraider et se soutenir. Le choix de l’équipage devient alors une priorité car les astronautes devront s’entendre, savoir cohabiter et collaborer sans quoi cela pourrait causer de graves problèmes.

Pour conclure, l’histoire de la conquête spatiale nous montre que l’Homme a dû tout inventer et a dû repousser ses limites pour avancer et faire de nouvelles découvertes. L’arrivée de l’homme sur la Lune a même démontré qu’un être humain pouvait se rendre sur un autre astre et revenir vivant. L’Homme sur Mars n’est donc pas un projet impossible, mais il reste tout de même des limites technologiques et humaines.Ces questions essentielles doivent être résolues avant le quelconque début de voyage vers la « planète rouge ».

Paysage martien

Source de l'image
Écrit par Vincent BOYER


II / Les défis technologiques


La course à l’espace nous a permis de marcher 12 fois sur la Lune et 45 ans plus tard nous n’avons pas relevé tous les défis technologiques pour effectuer une mission habitée sur Mars. Nous devons donc mettre au point des moyens de propulsions, des systèmes de production d’énergie et résoudre les potentiels problèmes dus à une présence humaine.


A / Propulsion


Pour atteindre Mars (et revenir sur Terre) les ingénieurs en aérospatiales doivent relevés deux défis :
- S'échapper des forces attractives de la Terre et de Mars ;
- Faire un voyage interplanétaire.


1 / Les forces attractives de la Terre et de Mars


C’est la partie du voyage qui consomme le plus d’. Le vaisseau doit se soustraire à la gravité terrestre et martienne.

Étude de la force de :

Sous forme de vidéo :


Pendant le lancement l’accélération de la fusée suit la seconde loi de Newton :



Sous forme de texte :

On peut calculer la force qu’applique la Terre sur une fusée avec la relation :

Formule 1 : Force de gravitation


Avec F la force, G la constante de gravitation, ma et mb les masses respectives des objets a et b et d la distance séparant ces deux objets.

Application concrète :

Ariane V a une masse d’environ 750 tonnes. À Kourou elle se situe à 6 371 km du centre de la Terre, qui a une masse de 5,972x1024 kg.
G = 6.67x10-11 N.m2.kg-2.
La force qui attire Ariane vers la Terre (soit son poids) vaut :

Calcul 1 : Force d'attraction entre Ariane V et la Terre


La fusée doit donc fournir une poussée au moins supérieure à la force d’attraction de la Terre pour décoller. En fait Ariane V a une poussée maximale de 14 400 kN (soit environ deux fois son poids). Mais pour arracher ses 750 tonnes Ariane V à besoin de plus de 700 tonnes d’ergols.
Le problème est similaire sur Mars. Mais pour comprendre pourquoi il faut tant d’énergie pour effectuer un décollage il faut comprendre la seconde loi de Newton :
« L'altération du mouvement est proportionnelle à la force qui lui est imprimée ; et cette altération se fait en ligne droite dans la direction de la force »
On peut la résumer avec l’équation :

Formule 2 : Deuxième loi de Newton


Où Fi désigne une force extérieure i exercée sur l'objet, m sa masse, et a son accélération.
Les forces en jeux sont la poussée, le poids et la résistance de l'air. Dans le cas d’une fusée pendant son décollage on obtient un vecteur qui tire la fusée vers le haut (avec une force d’environ 7 040 kN pour Ariane V).

Étudions les moyens de propulsions capables de produire de telles forces.

2 / Les moyens de propulsion

A / Les boosters ou EAP (étage d’accélération à poudre) :

Ils sont composés d’ergols solides (Voir Figure 1). Dans ces propulseurs nous trouvons une gomme ou poudre constituée d’un ergol combustible et d’un ergol comburant (l’ensemble est appelé propergol solide). D'autres composants sont ajoutés dans des proportions inférieures :
  • un liant ;
  • un agent de réticulation ;
  • un catalyseur qui favorise la réaction chimique ;
  • éventuellement un régulateur de combustion.

Le bloc de poudre est percé en un canal. Ce dernier est de géométrie variable (Étoile, rond, etc.) pour garder une surface constante donc une poussée constante. Ce canal sert de chambre de combustion. L'allumeur met le feu au mélange sur une extrémité du canal et la combustion se propage immédiatement sur tout le long. Il s'élargit progressivement au fur et à mesure de la combustion. Le propergol brûle avec une vitesse prévisible en produisant des gaz de combustion qui sont expulsés par la tuyère. La dimension de celle-ci est calculée de manière à résister à la pression dans la chambre de combustion (qui avoisine les 70 bars) tout en produisant la poussée attendue. Les plus récents modèles de tuyères sont orientables pour permettre de corriger la trajectoire du lanceur.
L’avantage de ces propulseurs chimiques est qu’ils sont extrêmement puissants. Ils fournissent 90% de la poussée d’une fusée au décollage soit environ 11 700 kN sur Ariane V. En revanche la combustion ne peut être arrêtée que par une destruction de l’engin. La masse de propergols embarqués est importante, de l’ordre de 650 tonnes, pour seulement quatre minutes de poussée. Il serait donc difficile de les employer comme propulsion pour atteindre Mars. Pour évaluer leur efficacité les scientifiques résonnent en Isp : impulsion spécifique. C’est une grandeur utilisée pour mesurer l'efficacité de moteurs à réaction et des moteurs-fusées.

Explication de l’Isp par Christophe MAGNIERE, qui travaille chez SAFRAN-HERAKLES (interview réalisée le 02/01/2015):






B / Les moteurs à ergols liquides :

Figure 2 : Représentation du moteur Vulcain d'Ariane V

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Un moteur à propergol liquide est toujours plus compliqué que les boosters car les liquides utilisés sont, la plupart du temps, à des températures très basses ce qui rend difficile leur stockage.
Le comburant et le carburant peuvent être sous deux formes : cryogénique ou stockable. Un ergol liquide cryogénique a par définition une température inférieure à 123 K (-150°C). Par exemple l’hydrogène (combustible) et l’oxygène (comburant) sont tous deux des ergols cryogéniques. Leurs températures de stockage à pression atmosphérique sont respectivement de 21 K (-252°C) et 91 K (-182°C). Ceci pose des problèmes lors du stockage. Les réservoirs doivent être isolés et constamment remplis car les ergols s’évaporent. Ils sont en fait à leur température d'ébulition. Les ergols non cryogéniques sont ceux qui sont liquides à 25°C. Voici les combinaisons les plus courantes d’ergols liquides :

  • -kérosène ;
  • Oxygène-Hydrazine ;
  • Peroxyde d'azote-kérosène ;
  • Acide nitrique-kérosène ;
  • Peroxyde d'azote-Hydrazine ;
  • ;
  • C-Stoff-T-Stoff.

Explication du terme C-Stoff-T-Stoff par Julien GENESTE :




Hormis ces différences au niveau du stockage, les moteurs fonctionnent de manière similaire. Les ergols sont amenés dans la chambre de combustion ou ils brûlent en produisant des gaz avec une grande vitesse d’éjection (2 à 3 km/s, voir Figure 2).
L’avantage de ce moteur est son efficacité. Il a une Isp de 434 secondes. On peut donc constater que ce moteur est déjà plus performant que les boosters. Mais il n’est pourtant pas très puissant, capable de ne fournir que 1118 N de poussée. Soit 10% de la poussée nécessaire pour sortir de l’atmosphère (sur Ariane V).
Nous voilà donc en orbite terrestre ou martienne. Le vaisseau est en train d’être assemblé ainsi que vérifié. Après tout il doit parcourir encore 55 millions de kilomètres !

La propulsion de voyage :


Nous voici quelques mois plus tard, notre vaisseau interplanétaire est prêt à partir. Mais comment lui fournir une poussée pour parcourir 55 Mkm. Il y a plusieurs scénarios possibles.
Les ingénieurs utilisent l'effet de fronde gravitationnelle. Aujourd’hui c’est le moyen le plus simple de rejoindre une destination lointaine. La sonde Rosetta l'a utilisée pour arriver jusqu’à sa destination. Le but est de se servir de l’attraction de corps célestes pour acquérir de l'énergie cinétique. Mais cette méthode peut demander jusqu’à 10 mois de voyage comme ça a été le cas pour Curiosity. En effet il est impossible d’emprunter le chemin le plus direct (Voir Figure 3).

Figure 3 : Système de fronde gravitationnelle

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Figure 4 : Schéma d'un moteur plasmique

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Des moteurs qui accélèrent les (voir Figure 4) ! Les chercheurs travaillent sur ces moteurs depuis 1960. La NASA a mis au point dès 1998 un moteur plasma qui équipe Deep Space 1. Comment peut-on accélérer des ions et ainsi créer une poussée ? Le xénon (un gaz noble) est chauffé à haute température grâce à un générateur électromagnétique. Il se transforme en plasma. Le plasma ainsi produit est un mélange d’ions et d’électrons. Ensuite il y a deux méthodes utilisées pour accélérer les ions. La première consiste à placer deux grilles en vis-à-vis, qui forment un champ électrique. Accélérés, les ions sont éjectés à travers la grille (Méthode de la sonde Deep Space 1, voir Figure 5).

Figure 5 : Deep Space 1, NASA

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La seconde méthode (pourtant imaginée en 1910) a recours à des aimants pour créer un champ magnétique, qui accélère les particules à des vitesses pouvant atteindre 100 km/s là où une propulsion chimique ne dépasse pas 3 km/s. La poussée reste très faible seulement quelques newtons. Mais 3 à 4 fois plus qu’un moteur à grille, malheureusement des millions de fois moins qu’une propulsion chimique. Suffisant pour propulser une sonde (comme la prouvé l’ESA en 2004 avec Smart 1) mais insuffisant pour les vols habités. Mais tout espoir n’est pas perdu. En effet : « Il faudrait simplement un facteur 100 » dit Stéphane Mazouffre, chargé de recherche, travaillant sur la physique des plasmas et sur les propulseurs du même nom. « Si on y met les moyens, on peut espérer développer un moteur de 100 N de poussée, […] en assemblant des modules de 5 à 10 N.»

Ce moteur a un avantage non négligeable : il fonctionne avec peu de matière première. Mais hélas la poussée produite est faible malgré la vitesse d’éjection des particules à 100 km/s. En revanche tout espoir n’est pas perdu pour ce moteur : On peut imaginer une fusée dotée d’un étage chimique pour le décollage et d’un étage électrique pour la poussée de croisière.

Figure 6 : Schéma d'un moteur magnétoplasmadynamique

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Un autre moteur du même type est en lice : le moteur magnétoplasmadynamique (Voir Figure 6) qui utilise une tuyère magnétique pour accélérer la matière. Une cathode est placée en position axiale, alors que l’anode est constituée par la paroi de la tuyère. Ce dispositif permet d’ioniser le plasma en formant un arc électrique entre les électrodes. Ensuite on créer un champ magnétique qui interagit avec le courant électrique pour induire des forces électromagnétiques propulsives, selon le
Ces moteurs sont adaptés à des applications de grande taille comme les missions habitées. Le problème est que, actuellement, nous sommes ni capables de produire autant d’énergie dans l’espace ni d’en stocker de si grande quantité d’énergie électrique ! On pourrait utiliser un réacteur nucléaire pour ça mais il faudrait une surface considérable pour les échangeurs thermiques chargés de refroidir le réacteur comme le reconnait Elisa Cliquet-Moreno, spécialiste des systèmes de propulsions au CNES. Mais ces moteurs ont des Isp qui atteignent les 10 000 secondes, donc très efficace pour des voyages de très longues distances.

Il existe d'autres solutions qui sont encore sur le banc d’essai.

La solution nucléaire : la propulsion nucléaire pulsée.

L’idée serait de faire exploser successivement les bombes, avec quelques secondes d’intervalle, contre une plaque métallique qui avec un système d’amortisseur transmettrait l’énergie libérée par l’explosion au vaisseau. Cependant une loi de 1963 a mis fin au projet en interdisant tout essai nucléaire dans l’atmosphère et dans l’espace (le Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires, signé le 5 août 1963 à Moscou peu de temps après la crise de Cuba, porte sur l'interdiction des essais d'armes nucléaires dans l'atmosphère, dans l'espace extra-atmosphérique et sous l'eau).

Figure 7 : Propulsion nucléaire : méthode thermique

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Mais la solution nucléaire n’a pas dit son dernier mot en abandonnant le système de propulsion pulsée pour une propulsion thermique.

Le projet consiste à faire fonctionner un réacteur nucléaire et faire passer en son centre un gaz liquéfié comme de l’hydrogène. La vaporisation instantanée du gaz sous l’effet de la chaleur (voir Figure 7) intense du réacteur permettrait grâce à la multiplication du volume d’atteindre des vitesses d’éjections 2 à 3 fois supérieure à celle d’une méthode chimique. Toutefois ceci reste inférieur à la vitesse d’éjection des moteurs ioniques.
L’avantage est qu’il faut une petite quantité d’ergols et que les vitesses pouvant être atteintes sont favorables pour un voyage habité vers Mars. Pour une fois le problème n’est pas technique : « Le frein à la propulsion nucléaire est à la fois environnemental et politique » estime Elisa Cliquet-Moreno. Mais tout espoir n’est pas perdu car la NASA a consacré 1 milliard de dollars à ce projet. Les deux solutions nucléaires seraient viables pour un voyage interplanétaire.

La NASA a en parallèle travaillé sur un projet de voile solaire (voir Figure 8). Autrefois science-fiction, aujourd’hui réalité !

La voile solaire utilise l’énergie des photons émis par le soleil ou toute autre étoile pour faire avancer le vaisseau. Le principe est d’utiliser la réflexion des photons sur la voile qui exerce alors une pression sur la voile. Cette pression engendrera une poussée comme le vent dans une voile.
Les avantages sont énormes. En effet pas besoin d’ergols, pas besoin de moteur qui risque de tombé en panne, tout peut se faire depuis la terre avec l’utilisation d’un laser comme source de photons.
Mais malheureusement l’intensité lumineuse décroit avec le carré de la distance. Et pour l’heure aucun laser n’est capable de produire une telle intensité et précision sur de telle distance. De plus la poussée produite est très faible.
La NASA a déjà mis au point un démonstrateur de 1200m² qui ne dépasse pas 30kg et développant une pousser de 0.01 newtons. Le projet a pris fin en 2014. La poussée reste tout de même très faible rendant impossible l’utilisation d’une voile solaire pour un voyage de 55 millions de kilomètres.

Figure 8 : Voile solaire Cosmos 1

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Figure 9 : Image de synthèse représentant une annihilation d'antihydrogène dans le détecteur ATHENA au CERN en 2002

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Dans un futur bien plus lointain, l’antimatière (voir Figure 9) ! Un moteur qui fonctionne grâce à l’énergie libérée lors de l’annihilation de particules et d’antiparticules. En effet l’antimatière est l’opposer de la matière. Chacune des particules que nous connaissons ont un reflet identique mais de charge opposée. La rencontre entre les particules et antiparticules formerait une spectaculaire énergie sous forme de photons qui seraient, en théorie éjecté à la vitesse de la lumière. Pourquoi est-ce le meilleur système de propulsion ? C’est le meilleure car si on respecte la formule d’Einstein E = mc² on a, avec l’annihilation de 1g d’antimatière, autant d’énergie que celle libérée par la fission de 5kg de plutonium !

Le frein à ce procédé est le prix ! Il faut plusieurs centaines de millions d’euro et une énergie colossale pour produire quelques milligrammes d’antimatière. L’avantage c’est qu’il faudrait seulement 10 milligrammes d’antimatière pour aller sur Mars. Mais le projet n’a pour le moment pas dépassé le stade du papier.

En conclusion, pour le moment nous ne sommes pas capables, avec les moyens de propulsions actuelles de faire un voyage habité sur Mars. Mais des technologies prometteuses sont sur le point de voir le jour.

Outre le voyage qui durera 6 mois, une fois arrivé sur Mars, il faut encore que nos pionniers créent de l’énergie !

B / La production d’énergie



1 / La solution nucléaire :



Sur une station martienne, la production d'énergie est indispensable. Pour explorer Mars ils auront besoin d’énergie électrique pour faire fonctionner les rovers, les appareils d’analyses ainsi que toute leur base. De plus l’électricité permet de produire de l’eau, de l’oxygène et de la nourriture. Comment pouvons-nous créer autant d’énergie ? Nous verrons les différentes solutions mises au point depuis le début de la conquête spatiale.


Figure 11 : Stirling Radioisotope Generator (SRG), NASA

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Figure 10 : Robot exploreur de Mars : Curiosity

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Figure 12 : Courbe comparative de l'efficacité du SRG et MMRTG

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Un petit réacteur nucléaire classique suffirait (du même type que ceux utilisés dans les sous-marins nucléaires). Ce dernier pourrait être acheminé vers Mars, puis éloigné du campement. Voici (Figure 10) un prototype réalisé par la NASA. L'idée est de faire chauffer une des deux extrémités d'un thermocouple grâce à la présence d'un radio-isotope, ce qui induit un courant de l’ordre de 115 W pour le SRG (Stirling Radioisotope Genetator, voir Figure 11). Dans le vide spatial il est capable de fournir près de 115.8 W puis à 101.4 W après 14 ans d’utilisation. Sur Mars le SRG sera capable de fournir 103.3 W et 89.6 W après 14 ans d’utilisation. La différence constatée entre le vide spatiale et Mars est due à la différence de température. En effet plus la différence de température entre le thermocouple et le milieu ambiant est grande plus sa production d’énergie électrique est grande. La perte de rendement après 14 ans d’utilisation est due à la diminution de la quantité de plutonium 238 (La durée de vie du plutonium 238 est 87 ans) mais au vieillissement des thermocouples.

Mais ce n’est pas le seul système nucléaire. En effet il existe aussi le MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) actuellement utilisé par Curiosity. Il est capable de fournir 125 W dans le vide spatial et 123 W sur Mars. Comme le résume le graphique (Figure 12)
On peut donc constater que le MMRTG est plus efficace sur Mars (d’où son choix pour la mission Curiosity). Mais en étudiant les caractéristiques générales, on peut constater que le système le plus efficace est le SRG (Figure 13).

Figure 13 : Tableau comparatif des méthodes nucléaires

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2 / La solution solaire :



L’énergie solaire peut être exploitée de différentes manières.

La plupart de nos satellites artificiels actuels fonctionnent grâce à l'utilisation de panneaux photovoltaïques (Figure 14). Mais Mars reçoit deux fois moins d’énergie solaire que la Terre. Ce qui réduit considérablement la production. Leur rendement est encore diminué à cause des conditions climatiques martiennes. En effet sur Mars il y a des tempêtes qui peuvent durer jusqu'à plusieurs semaines rendant très faible la production d’énergie. Le rendement intrinsèque d'un panneau photovoltaïque est d'environ 15%. Le rendement en situation martienne sera alors très faible avec de plus un encombrement et une masse à transporter non négligeables.

Figure 14 : Panneaux solaires de la sonde Rosetta

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3 / Un four solaire :



L'idée du four solaire (Figure 15) est très intéressante, car on peut atteindre des températures importantes sans consommer de ressources locales. On pourrait ainsi réaliser des fontes de matériaux comme du verre, du minerai de fer, de cuivre, etc. Le principe est de construire un réflecteur parabolique qui fait converger la lumière du soleil vers un foyer. Ou on place le matériau à faire fondre. Le réflecteur doit être d'une grande dimension, typiquement 10 à 20 mètres d'envergure. Pour éviter de repositionner le réflecteur (et donc le four) en direction du soleil, on peut utiliser un grand miroir plat orientable (voire une ferme de petits mirroirs) qui va rediriger l'énergie du soleil vers le réflecteur. La source de chaleur peut être transformée en énergie électrique au moyen de turbines-alternateurs, de thermocouples ou d'un système Stirling.

Figure 15 : Four solaires de Mont-Louis dans les Pyrénées

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Le problème de ces énergies solaires est qu’elles dépendent toutes du soleil. Or sur Mars le soleil fournit bien moins d’énergie que sur Terre. N'oublions pas que Mars est sujette à des tempêtes de plusieurs semaines, ce qui réduirait à néant la production d’énergie grâce au soleil.

4 / La solution biomasse :



La présence de l’homme implique qu’il y aura production de déchets potentiellement recyclables. Par exemple, on peut récupérer du méthane grâce à la dégradation de certains déchets organiques. Néanmoins, il s'agit là de l'exploitation d'une énergie secondaire qui dérive de l'énergie solaire utilisée par les plantes, avec d'importants déchets qu'il faut prendre en compte. Le rendement n'est donc pas très bon. Une voie prometteuse sur Terre consiste à produire du méthane et de l'oxygène à l'aide d'algues vertes microscopiques élevées en culture. Cette technologie pourrait s'avérer très intéressante sur Mars également.

Explication vidéo de la Biomasse :


5 / La solution Éolienne :



Avec une pression de 6 à 10 mbars, Mars ne semble pas être un endroit où l'énergie éolienne soit très efficace. Le vent peut atteindre des vitesses de 300km/h, mais de façons assez rares ne permettant pas un apport d’énergie fiable. Cependant, la gravité martienne est le tier de la gravité terrestre, ce qui représente un avantage non négligeable pour la conception des éoliennes. En effet, la puissance de ces dernières varie proportionnellement au carré du diamètre des pales. Or, ce même diamètre est limité par le poids et la résistance du matériau. Autrement dit, on peut construire sur Mars des éoliennes 3 fois plus grandes que sur Terre, donc 9 fois plus efficaces à pression égale. Mais la pression étant 130 fois moindre sur Mars, on aboutit finalement à une puissance environ 15 fois moindre à vent égal. C'est donc beaucoup moins efficace que sur Terre, mais ce n'est pas négligeable. En multipliant les éoliennes, on peut obtenir une puissance intéressante, surtout si le soleil venait à faire défaut.

Explication vidéo de l'Éolien :


Contrairement à la problématique de la propulsion nous serions, à ce jour, capable de produire de l’énergie sur Mars. La solution nucléaire reste tout de même très privilégiée pour sa simplicité. Elle serait capable de fournir de l’énergie pendant 87 ans. Les solutions solaires sont très peu efficaces dues au manque de soleil. Les éoliennes sont envisageables pour une petite base. La biomasse sera probablement la meilleure solution sur le long terme preuve en est la Terre ! Il faudrait donc prévoir une énergie le temps que les premiers déchets verts s’accumulent.

C / L’Homme



C’est sans doute le point qui complique le plus la mission. Dans l’espace il y a beaucoup d’élément qui sont susceptibles de tuer un homme. Observons lesquelles et les défis que relèvent les ingénieures pour protéger les hommes.

1 / L’espace un danger pour l’homme



L’espace est un endroit hostile pour l’homme. Durant les vols habités la NASA a réalisé des études pour lister les potentiels problèmes liés à un séjour de plusieurs mois dans l’espace. La NASA a classé ces risques comme suit :
  • l'ostéoporose, incluant un risque accéléré de perte et de fracture osseuse, une réparation osseuse altérée, etc. ;
  • les atteintes cardio-vasculaires avec troubles du rythme cardiaque et diminution des fonctions cardio-vasculaires ;
  • les risques immunologiques et infectieux dont dysfonctionnement immunitaire, allergies et auto-immunité, modification des interactions entre les microbes et l'hôte ;
  • les altérations des muscles soient réduction de la masse, de la force et de l'endurance musculaire, susceptibilité accrue aux lésions musculaires ;
  • les problèmes d'adaptation sensorielle et motrice comme la diminution des capacités pour la réalisation de tâches opérationnelles durant le vol, cinétose ;
  • les problèmes d'ordre nutritionnel, nutrition inadaptée, etc ;
  • les problèmes comportementaux et liés au facteur humain, mauvaise adaptation psychologique, problèmes neuro-comportementaux, inadéquation entre les capacités cognitives de l'équipage et les tâches demandées ; manque de sommeil et désorganisation des rythmes circadiens ;
  • problèmes liés aux rayonnements spatiaux, carcinogénèse, risques sur le système nerveux central, risques tissulaires chroniques et dégénératifs, etc ;
  • et les risques environnementaux, contamination de l'air et de l'eau ; maintien d'une atmosphère acceptable, d'une eau potable, d'un équilibre thermique dans les parties habitables et gestion des déchets.


Explication des rayonnements nocifs par Françoise Billebaud, qui travaille à l'Observatoire de Bordeaux :

Interview réalisée le 18/12/14 :

2 / Subvenir aux besoins de l’homme



Dans l'espace comme sur Terre, l'homme a les même besoins essentiels : boire, manger et respirer.

La nourriture est indispensable lors de missions spatiales de longue durée. La place pour les vivres est extrêmement réduites des nutritionnistes étudies les besoins de chaque membre et confectionne un régime individuel. L'anorexie est un trouble fréquent lors des séjours spatiaux. Le déficit calorique peut atteindre 1330 kcal par jours malgré la présence d'une nourriture abondante et équilibré. Ceci peut, à long terme, s'avérer délétère sur l'endurance et les performances. Les facteurs environnement susceptibles d'influer sur l'appétit, la prise alimentaire et la fonction gastro-intestinale durant un vol spatial sont la microgravité, l'exposition aux radiations spatiales et les altérations des cycles nycthéméraux. Cette diminution des apports énergétiques est associée à des apports insuffisants en vitamines et en minéraux. Le taux de vitamines dans le corps diminue de manière significative. Cette modification est accompagnée d'une augmentation des marqueurs urinaires de la résorption osseuse.

Figure 16 : Nourriture dans l'ISS

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Figure 17 : Champs magnétique terrestre qui empêche les rayonnements les plus nocifs de pénétré notre atmosphère

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Un stress oxydatif important, dû aux rayonnements est à considérer. Ils sont atténués sur l'orbite de l'ISS situé sous la ceinture de Van Allen, mais ils ne le seront pas ni pendant le voyage ni pendant le séjour sur Mars. On constate également une baisse de l'hématocrite qui pourrait être dus à un trouble du métabolisme du fer lié à la microgravité. Des suppléments nutritifs peuvent être utilisés pour limiter ces effets mais des recherches sont encore nécessaires. L'apport en macronutriments peut être assuré de façon satisfaisante à bord des vaisseaux, mais un apport adéquat en micronutriments reste un problème à résoudre.
Actuellement pour respirer dans l'espace l'homme utilise des réserves ou des recycleurs. Mais tous deux ne sont pas des sources d'oxygène infinies. Il faudrait savoir comment en créer efficacement. D'une part pour le voyage, d'autre part sur la planète. On sait, actuellement, produire de l'oxygène grâce à de l'eau (électrolyse). Or on sait que Mars possède de l'eau donc à partir du moment où on sera capable de l'extraire on pourra respirer.

D / Conclusion



A ce jour les hommes ne sont pas capables de fouler le sol martien. Tout d’abord nous n’avons pas les technologies de propulsions adéquates pour atteindre la planète rouge. La source d’énergie qui sera utilisée n’est pas en mesure de fournir suffisamment d’énergie pour un séjour d'une durée acceptable. De plus l’homme support mal les séjours de longue durée dans l’espace. D'un de vue technologique les hommes ne sont pas encore prêt à faire un voyage interplanétaire, ni un séjour de longue durée sur Mars. Mais il existe d’autres limites.
Écrit par Julien GENESTE


III / Les projets Mars



A / Les projets des différentes agences spatiales


Il y a plusieurs projets sur mars qui sont en cours :
Le plus connu est « Mars One » qui consistera à emmener des humains sur Mars en 2025 pour fonder un habitat permanent à partir duquel nous pourrons prospérer, apprendre et nous développer. Avant que le premier équipage ne se pose, Mars One aura installé un habitat durable conçu pour recevoir de nouveaux astronautes tous les deux ans. Pour cela, Mars One a un projet précis et réaliste entièrement basé sur des technologies existantes. Le projet est faisable tant sur le plan économique que logistique pour ce qui est de la nourriture il la cultivera dans les Dômes. Suite à des premiers tests l’espérance de vie serait de 68 jours.

Le programme Exo Mars prévoit deux missions à destination de Mars, dans le cadre d’un partenariat ESA/NASA. En 2016, une première mission, pilotée par l’ESA, sera composée d’un orbiteur destiné à étudier la présence de méthane et de gaz, dans l’atmosphère martienne, ainsi que d’un module de démonstration d’entrée, de descente et d’atterrissage (EDM) pour tester les technologies clés nécessaires aux futures missions.

En 2018, une seconde mission pilotée par la NASA, enverra deux rovers sur Mars, fabriqués respectivement par la NASA et l’ESA. Ces rovers voyageront à bord du même module de rentrée et viseront la même destination sur Mars.

Airbus Defence & Space développe actuellement le premier rover européen pour Mars, lequel permettra la démonstration en vol et la qualification in-situ de technologies clés susceptibles de permettre à l’Europe de réaliser ses ambitions, concernant les futures missions d’exploration habitées et robotiques. Les principaux objectifs de la mission sont :

  • L’entrée, la descente et l’atterrissage d’une charge utile conséquente sur la surface de Mars ;
  • La mobilité à la surface de la planète, grâce à un « rover » capable de se déplacer sur plusieurs kilomètres ;
  • L’accès aux sous-couches du sol de la planète, en utilisant une foreuse capable de prélever des échantillons jusqu’à 2 mètres de profondeur ;
  • La navigation automatisée, utilisant des caméras stéréo pour générer une carte 3D du terrain environnant ;
  • La préparation automatisée des échantillons et leur analyse sur place.

Rover de l'ESA construit par EADS

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En parallèle, une charge utile scientifique de pointe devrait permettre d’accomplir d’importants progrès scientifiques.

Le 4 juillet 2014 les chinois ont envoyé un robot sur mars. La Chine prévoit de prélever des échantillons de la surface de la planète Mars d'ici 2030 selon le responsable scientifique du projet chinois des sondes lunaires est annoncé par l'agence Chine Nouvelle. Selon Ouyang Ziyuan, cette mission sur Mars se déroulerait en trois étapes - télédétection, atterrissage en douceur et exploration - et reviendrait sur la Terre après le prélèvement automatisé des échantillons, selon Chine Nouvelle citant ce responsable qui donnait une conférence devant la Société chinoise d'Astronautique. D'ici une vingtaine d'années les astronautes chinois seront en mesure de cultiver des légumes sur Mars et sur la Lune. "C'est une des conséquences de la réussite d'une expérience scientifique préliminaire effectuée à Pékin" a rapporté la presse officielle chinoise. Quatre sortes de légumes ont poussé dans un "dispositif d'écosystème artificiel", un espace de 300 mètres cubes censé permettre aux astronautes de générer leurs propres réserves d'air, d'eau et de nourriture lors de leurs missions. Ce système, qui fait appel à des plantes et à des algues, "est destiné à être utilisé dans des bases extra-terrestres sur la Lune ou sur Mars" a précisé l'agence de presse d'État. Cette expérience a en effet permis la "récolte de légumes frais pour des repas".

B / Les conditions martiennes



L’atmosphère de Mars est la couche de gaz entourant la planète Mars. La pression au sol de l'atmosphère martienne varie autour 600 Pa (6 mbars) contre 101 325 Pa (1015 mbars) sur Terre. L'atmosphère de mars est composée de 95% de CO2. Sur Mars il y a beaucoup de contrainte car la pesanteur est trois fois moindre que sur Terre (3,7 m.s-2 contre 9.8m.s-2). Les astronomes ne peuvent pas prédire les effets sur l'organisme humain d'un vol spatial aussi prolongé le voyage vers mars durera entre 6 et 9 mois l’homme n'a pas séjourné plus de 14 mois dans l'espace (ce record étant détenu par le cosmonaute Valeri Poliakoff à bord de la station spatiale Mir). Les astronautes vont devoir supporter un retour à la gravité terrestre après un séjour de plusieurs années dans l'espace. Sur Mars la faible gravité aura des conséquences sur l'organisme humain :

  • 1 astronaute sur 2 a le mal de l'espace par l'absence de pesanteur. 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 impesanteur, 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. L'homme s'adapte rapidement à son environnement et le mal de l'espace peut durer de quelques heures à deux jours . De même lors du retour sur Terre avec le classique "Mal de Terre"
  • La fragilisation des 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 de charpente qui portent le poids du corps).
  • Atrophie musculaire sur Terre, les muscles maintiennent leur fonction, leur masse et leur force en s'opposant en permanence à la gravité terrestre. En impesanteur 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
  • Affaiblissement du système immunitaire : ses 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.
  • Danger, radiation dans l'espace, les astronautes pourraient être exposés à des rayonnements particulièrement dangereux. Les risques de cette exposition sont nombreux : mutations, cancers, cataracte.
  • 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.


Les facteurs humains : sur Mars. Un environnement sans changement conduit à court terme à l'ennui et à toutes sortes de manifestations qui comptent parmi les plus destructrices qui soient 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'ont montrées 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 collègues et les supérieurs, irritabilité ;
  • Fatigue, anxiété, repli sur soi, état dépressif, diminution de l'efficacité des communications ;
  • Comportements impulsifs, réactions psychophysiologiques et psychosomatiques.


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'impesanteur (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. L'effacement progressif du globe bleu de notre planète marquera l'instant fatidique où 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. 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.

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. 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).

Vue de la Terre depuis Mars

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C / Les limites budgétaires



La NASA n’a peut-être jamais été aussi près de donner son accord pour la réalisation d’une mission habitée à destination de Mars. Le secteur privé s’est déjà largement emparé du sujet, avec des initiatives intéressantes, comme celles de Dennis Tito et son voyage autour de Mars, du projet Mars one voulant financer par la télé réalité un aller simple de plusieurs volontaires (sans possibilité de retour), ou encore de SpaceX qui veut envoyer des dizaines d’humains sur Mars. Il était temps pour la NASA de reprendre la main. Il serait possible d’envoyer des humains sur Mars à l'horizon 2030. Charles Bolden, l’administrateur de la Nasa, a alors déclaré que malgré une conjoncture économique difficile, les États-Unis sont résolus à franchir de nouvelles frontières dans l'exploration spatiale, et que Mars est l’une d’elles. C'est là que le bât blesse. Le financement d’une telle mission est estimé entre 100 milliards et 200 milliards de dollars selon les options choisies, qu’il s’agisse d’initiatives privées ou publiques. Or, le budget décennal de la NASA, tel qu’il est planifié, ne le permet pas. À titre de comparaison, l'agence spatiale ne reçoit que 0,5 % du budget fédéral, contre 4 % pour le programme «Apollo» de conquête de la Lune, dans les années 1960.

La mission Mars Science Laboratory constituait l'une des missions interplanétaires de la NASA la plus ambitieuse de la décennie. La complexité de la sonde et du rover ainsi que la nécessité de mettre au point de nouvelles technologies spatiales ont entraîné des modifications importantes du concept de départ durant le développement : les dépassements de coût qui en ont résulté ont failli entraîner l'annulation de tout le projet. Le lancement prévu initialement en 2009 a dû être repoussé à la fenêtre de lancement suivante, 26 mois plus tard, en 2011. Le coût total du projet est évalué en 2011 à 2,5 milliards de dollars.
On ne sait pas s'il y a eu une vie sur Mars, mais on veut chercher les signes d'une vie qui aurait pu être là, a ainsi souligné Jack Mustard, professeur de géologie qui a mené les travaux d'étude visant à définir les missions exactes de Mars 2020. Or les instruments de Curiosity ne permettent pas de détecter la vie comme telle. Les scientifiques de la Nasa se sont donc tournés rapidement vers la prochaine étape et le projet Mars 2020 sera la suite logique des travaux menés actuellement sur la planète rouge. Le nouvel engin envoyé dans sept ans devrait reprendre le même châssis à six roues que Curiosity, ce qui réduira les coûts, mais il emmènera des instruments plus perfectionnés. Budget d'1,5 milliard de dollars. La Nasa doit à présent lancer des appels d'offres pour voir exactement quels outils elle installera sur son châssis. Il est toutefois certain que l'agence spatiale américaine embarquera des instruments optiques très précis, dont un microscope, qui associé à d'autres technologies, lui permettra de choisir très précisément des échantillons particulièrement intéressants, de les analyser et de les stocker dans une petite capsule. Si des indices sérieux d'une vie antérieure sont collectés, alors une mission suivante pourra ensuite ramener cette capsule sur la Terre. Les modalités de rapatriement de cette capsule, qui pourra contenir jusqu'à 31 échantillons, restent cependant à définir. L'équipe de 19 scientifiques chargée d'élaborer depuis fin janvier le cadre de cette future mission a compilé un rapport de plus de 150 pages dans lequel elle en précise les contours. Outre la recherche d'éventuelles traces de vie et la collecte d'échantillons, cette mission permettra également de valider certaines technologies utiles pour une exploration humaine ultérieure de la planète rouge. Les Etats-Unis souhaitent envoyer des hommes sur Mars d'ici une vingtaine d'années. Cette mission Mars 2020 a un budget d'environ 1,5 milliard de dollars, auquel il faudra ajouter le coût du lancement, ont précisé les scientifiques. La prochaine mission de la NASA vers Mars se déroulera en novembre prochain, avec l'envoi d'une sonde qui étudiera les effets des éruptions solaires. L'agence spatiale européenne doit quant à elle lancer ExoMars, son propre robot, sur la planète rouge en 2018.

La capsule «Orion» est la capsule qui ramènera les astronautes qui sont en mission sur Mars son coût est d'environ 370 millions de dollars.

Ariane 5 pourrai servir de lanceur comme Ares I et Ares V pour amener les compartiments du vaisseau interplanétaire il faudrait envisager un budget de 25000 Dollars par kilogramme il faudrait envoyer environ 25000 tonnes depuis le sol terrestre il resterait 1024 tonnes en orbite basse ce qui ferait 1024000 kilogrammes et à 25000 dollars le coût serai de 25,6 milliards de dollars environ sans compter le prix des lanceurs qui coûtent entre 10 et 20 million de dollars. La totalité fait une somme considérable pour envoyer une expédition sur mars.
Écrit par Lucas GANTIEZ

Conclusion

Au terme de cette étude, nous avons pu montrer qu’aujourd’hui nous ne sommes pas prêts pour un voyage interplanétaire. Premièrement, nous n’avons pas de technologies suffisantes pour aller, revenir et vivre sur Mars. Ce qui reste un gros point bloquant. Deuxièmement, il y des limites budgétaires et politiques qui freinent cette conquête spatiale. En revanche, les agences spatiales croient en ce projet, puisqu’à ce jour chacune développe des scénarii pour atteindre Mars. Comme par exemple Exo Mars (ESA/NASA), Mars One etc.

Ainsi ce travail a permis de présenter les grandes lignes de la conquête spatiale en exposant les défis technologiques, politiques et budgétaires à prendre en compte pour entrevoir l’espoir de poser un pied sur la planète rouge.