Exploration spatiale - le blog de Pierre Brisson

Tout le monde a bien conscience que le Starship n’est pas encore prêt pour aller sur Mars avec des passagers à bord. Cependant, avec les progrès spectaculaires réalisés lors du second test de vol orbital en date du 18 novembre 2023, on peut tenter l’hypothèse d’un tel vol « habité » en 2033. Je vous présente les étapes qui, selon moi, pourraient le permettre.

Pour bien suivre le calendrier aujourd’hui possible, il faut avoir en tête les contraintes : (1) le départ vers Mars n’est possible que pendant des périodes ou « fenêtres » de lancements, d’un mois tous les 26 mois ; (2) la durée du voyage est d’au moins 6 mois dans chaque sens avec les moyens actuels de propulsion (chimique) et (3) la durée obligatoire d’un séjour sur Mars est de 18 mois. Périodes et durées sont imposées par la mécanique céleste et il serait illusoire de prétendre y échapper car il ne suffit pas de passer d’une orbite à l’autre après avoir parcouru environ 500 millions de km mais il faut y parvenir quand la planète visée s’y trouve. Or Mars orbite plus lentement que la Terre autour du Soleil (26,5 à 22 km/s contre 29,8 km/s) et la longueur de l’orbite de Mars est beaucoup plus grande que celle de la Terre. (1429 millions de km contre 940 millions de km). On peut « déborder » un peu (fenêtre entre-ouverte ou juste- fermée) mais très vite la consommation en énergie ou la durée du voyage deviennent absolument rédhibitoires. Parcourir la trajectoire optimum (dite de Hohmann), correspondant à une consommation minimum d’énergie (on arrive à une vitesse quasi nulle à proximité de la planète, apoapside de l’ellipse de trajectoire) pour une charge maximum, prend un peu plus de 8 mois. Mais en dépensant plus d’énergie dans une proportion acceptable, on peut réduire ce temps à 6 mois. Dans ce cas le séjour sur Mars est allongé jusqu’à 18 mois (au lieu de 16). Il en résulte une contrainte incontournable aujourd’hui : un vaisseau parti de la Terre au mois « n », arrivera sur Mars au moins n+6, repartira vers la Terre à n+6+18=24 et reviendra en orbite terrestre à n+6+18+6=30 tandis que le vol suivant depuis la Terre devra partir impérativement de la Terre à n+26 soit 4 mois avant n+30.

Les prochaines fenêtres de départ à partir de la Terre sont : novembre 2024, janvier 2027, avril 2029, juin 2031, août 2033, octobre 2035, décembre 2037.

La fenêtre de novembre 2024 peut sembler a priori trop proche pour un départ mais ce serait une erreur de ne pas en profiter. On pourrait le faire avec deux vols robotiques, un de starship et l’autre « classique ». Le test de vol orbital du Starship prototype n’a pas encore réussi mais nous n’en sommes pas loin et je pense que ce sera le cas dans le courant de l’année qui vient, fin d’année 2023 ou début d’année 2024. S’il réussit ne serait-ce que dans l’été 2024, un starship pourrait être envoyé dans la direction de Mars en novembre de la même année. Il serait miraculeux qu’il puisse se poser à la surface de Mars mais le lancement vers Mars ne serait qu’un test de type « trial and error », comme aime en faire Elon Musk. Ces tests n’ont pas pour but d’atteindre le but ultime (en l’occurrence le retour sur Terre après s’être posé sur Mars) ou même le but intermédiaire (se poser sur Mars) mais de voir précisément les diverses améliorations, corrections qui peuvent être apportées au prototype avant de s’engager trop loin dans une mauvaise piste. Novembre 2024 serait l’occasion de tester l’injection sur trajectoire interplanétaire, les corrections d’attitude du vaisseau à longues distances et peut-être aussi le remplissage des réservoirs du Starship en orbite (si les starships-tankers sont prêts). Si par chance il parvenait jusqu’à l’orbite martienne (en mai 2025) et, mieux encore, allait jusqu’à la surface de Mars, on pourrait en tirer des enseignements pour l’atterrissage sur la Lune et bien sûr (pour plus tard) sur Mars. Il est exclu toutefois de tenter de revenir sur Terre avec ce premier vol interplanétaire de starship puisque le vaisseau ne disposera pas des ergols nécessaires pour le faire.

Simultanément, en novembre 24, puisque l’objectif de la série de lancements est de se poser sur Mars, un vol robotique classique, c’est-à-dire comparable sinon identique à ceux des missions Curiosity et Perseverance, pourrait partir vers Mars avec toutes les chances de succès considérant l’expérience déjà acquise par la NASA, pour y préparer les vols de starships suivants (robotiques et habités) qui auraient, eux, contrairement au premier, une vraie chance d’atterrir. Ce vol classique serait lancé par un Falcon Heavy ou par un Atlas V de l’armée américaine. La capsule d’atterrissage aurait à son bord un engin de type rover avec le même châssis que Curiosity ou Perseverance, la même source d’énergie (un RTG au dioxyde de plutonium), la même caméra, mais il serait dédié à l’examen précis du futur terrain d’atterrissage et peut-être équipé d’une lame de bulldozer pour rejeter, au-delà d’une certaine circonférence, les pierres qui pourraient nuire à la stabilité du starship (et qui ne seraient pas trop massives donc « déplaçables » !). Ce serait l’occasion de tester le comportement d’engins de chantier sur Mars (on se rappelle que la sonde InSight a été incapable d’enfoncer le thermomètre HP3 de la DLR dans le sol !). Le rover serait aussi porteur d’un hélicoptère de reconnaissance, un peu plus puissant que l’Ingenuity de Perseverance, équipé d’une caméra et d’un radar, pour évaluer la densité du sous-sol immédiat et éventuellement changer de site d’atterrissage s’il s’avère qu’un autre site serait préférable à quelques centaines de mètres ou quelques petits km et pour cartographier aussi précisément que possible le site pour faciliter la TRN (Terrain Relative Navigation). On pourrait y joindre des balises, que planterait le rover, qui préciseraient le lieu choisi et qui seraient activées lors de l’arrivée du starship suivant (qui ne pourra être, comme le premier, que robotique).

En janvier 2027, on n’aura peut-être pas encore été sur la Lune dans le cadre du programme Artemis 3 puisqu’on parle de plus en plus d’un report de date de 2025 à 2027 mais le Starship aura surement fait des progrès. Le site d’atterrissage sur Mars étant reconnu et préparé autant que possible, un deuxième vol robotique de starship pourrait donc partir vers Mars. On pourrait profiter de ce vol, qui cette fois devrait atterrir avec succès, pour envoyer sur Mars des engins de chantier pour améliorer au mieux la surface d’atterrissage et apporter toutes sortes d’équipements ou matériaux utiles pour la future mission habitée (pas trop fragiles* car ils resteront plusieurs années sans entretien dans un environnement très dur). Mais surtout on apportera une installation de production et de stockage d’ergols (méthane et oxygène) indispensable pour le retour sur Terre (ISPP/ISRU**), accompagnée de son réacteur à fission nucléaire, indispensable comme source d’énergie. En même temps, comme il n’y aura pas de passagers et donc une capacité d’emport de masse importante, on pourra prévoir d’embarquer un stock d’ergols en complément de celui qu’on pourra produire sur Mars au cas où ce dernier ne serait pas suffisant pour tester le retour robotique pour la Terre en janvier 2029 (atterrissage sur Terre en juillet 2029). Bien sûr les équipements nécessaires à la production d’ergols et à leur stockage seront prioritaires sur les autres équipements puisque la preuve de la faisabilité (1) du redécollage de Mars, (2) du fonctionnement du starship après 18 mois d’immobilisation et (3) de l’EDL au retour sur Terre, seront prioritaires avant de tenter le premier vol habité. Ceci n’exclut pas que l’on envoie aussi un laboratoire biologique pour étudier avec le plus grand soin la possibilité d’une vie martienne en surface ou dans le proche sous-sol. Ce sera utile pour la Science et nécessaire pour rassurer les personnes qui pensent toujours à la possibilité d’une vie martienne et qui sont préoccupées par la protection planétaire (« forward » and « backward »).

*Il est à noter que les équipements en métaux oxydables apportés sur Mars, ne rouilleront pas puisque l’atmosphère martienne ne contient pas d’oxygène libre (mais il faudra les protéger autant que possible de la poussière). On choisira pour ces premiers équipements des éléments solides et peu sensibles au climat particulier de Mars. Pourquoi pas des plaques d’aciers qui assemblées pourraient servir comme bouclier d’appui lors d’un redécollage de starship.

**In Situ Resources Utilization, principe que Robert Zubrin a le premier préconisé, dans les années 1990, considérant que la réduction du volume et de la masse à apporter sur Mars que cela permettrait pour revenir sur Terre et auparavant pour vivre sur Mars, serait la meilleure solution pour permettre l’avènement des missions habitées. L’ISPP, In Situ Propellant Production, déjà mentionnée, est un cas particulier d’ISRU.

En avril 2029 il sera exclu de lancer un vol habité depuis la Terre puisqu’on n’aura pas pu vérifier la faisabilité du remplissage des réservoirs sur Mars, ni le redécollage de Mars, ni l’EDL sur Terre d’un starship de retour de Mars (vitesse plus élevée que pour revenir de la Lune et donc tensions mécaniques et thermiques dans l’atmosphère plus fortes, notamment pour les tuiles de protection thermique). On utilisera donc la fenêtre d’avril 2029 pour un troisième vol robotique qui servira à tester une seconde fois la production, le stockage et le réapprovisionnement en ergols. NB : Entre le départ de Mars vers la Terre du « vol 2027 » et l’arrivée sur Mars en octobre 2028 du « vol 2029 », les laboratoires de production auront théoriquement continué à « tourner » et ils continueront à le faire pendant les 18 mois du séjour sur Mars du vol 2029. On continuera l’étude biologique du sol de Mars en fonction des résultats obtenus après le vol précédent.

En juin 2031, lors de la quatrième fenêtre de lancements, on aura eu un test complet de mission, celle de 2027 terminée en juillet 2029. Mais le test d’avril 2029 ne sera pas complet (retour sur Terre), puisqu’il n’atterrira qu’en Octobre 2031. Il sera donc tout à fait improbable qu’on lance la première mission habitée en juin 31. On voudra vérifier que tout fonctionne bien une seconde fois. Ce serait plus « raisonnable ». On attendra donc la fenêtre de lancements d’août 2033 pour partir enfin avec un équipage à bord. On arrivera sur Mars en février 2034 ! On prendra alors toutes les précautions nécessaires en matière de microbiologie pour réduire au maximum l’impact terrestre sur l’environnement martien et l’impact martien sur les terriens qui devront vivre sur Mars 18 mois et qui ensuite reviendront sur Terre.

Lors de la fenêtre de lancements suivante, en octobre 2035, on ne lancera pas de deuxième vol habité mais un cinquième vol robotique car on voudra avoir attendu le retour du premier vol habité sur Terre en février 36, et examiné l’état de santé des premiers astronautes, pour décider ce deuxième vol habité. Le deuxième vol habité ne pourra donc être lancé que lors de la fenêtre de tirs suivante, c’est-à-dire décembre 2037.

A la lecture de ce calendrier, certains diront que je suis trop optimiste car je ne prends pas en compte la résolution des problèmes autres que ceux de l’astronautique pure (propulsion, décollage, atterrissage, contrôle du vaisseau), comme celui de la source d’énergie à bord du vaisseau spatial ou celui de la protection contre les radiations à l’intérieur. Ils ne sont certes pas négligeables mais je pense que l’essentiel est que le Starship puisse se poser sur Mars et revenir sur Terre.

Pour la source d’énergie, les études semblent ne pas avoir été poussées très loin chez SpaceX. Les premières illustrations ont montré de grandes ailes de papillon encadrant le Starship. C’était très joli mais pas forcément réaliste (comme l’a fait remarquer Pierre-André Haldi à l’occasion d’un autre article). C’est sûrement un problème dont on reparlera mais il faut voir que pour les vols robotiques les besoins en énergie seront moins importants que pour les vols habités puisque la viabilisation interne du vaisseau ne sera pas encore nécessaire. Cela laisse un peu de temps pour trouver la bonne solution. Par ailleurs la protection contre les radiations pendant le vol, surtout les 2% de radiations cosmiques de type HZE (ions de numéro atomique élevé), reste un problème qu’il convient de continuer à travailler.

Il s’agit d’abord de savoir si le Starship peut bel et bien effectuer son vol orbital. Pour le reste, on verra, pas à pas. Ce qui m’ennuie le plus c’est que j’aurai 90 ans en 2034 !

Illustration de titre: atterrissage (ou décollage!) du Starship sur Mars. Crédit SpaceX

liens:

https://www.gao.gov/products/gao-24-106256

http://clea-astro.eu/archives/cahiers-clairaut/CLEA_CahiersClairaut_127_07.pdf

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Index L’appel de Mars 23 12 06

Cet index reprend l’intégralité des articles publiés dans le cadre de la plateforme letemps.ch

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59 réponses

  1. Combien on aimerait qu’un tel calendrier puisse se concrétiser! Malheureusement, il y a assez peu de chances que ce soit le cas. Comme justement mentionné à la fin de l’article, il y a encore BEAUCOUP de problèmes et questions techniques difficiles à régler avant de voir un Starship habité s’élancer vers Mars. D’ici déjà que le Starship soit simplement certifié pour des vols avec équipage, il va se passer encore pas mal de temps (il ne suffira pas d’un ou deux vols sans explosion du « booster » ou du vaisseau lui-même pour cela). Il n’y a qu’à voir les retards qui s’accumulent pour « simplement » le retour d’astronautes sur la Lune, à quelques jours de voyage seulement de la Terre seulement et un exploit qui a déjà été réalisé il y a plus d’un demi-siècle (!), pour comprendre de manière réaliste qu’espérer déjà voir des êtres humains débarquer sur Mars en 2033 relève plus d’un rêve « science-fictionnesque » que d’une réelle possibilité, fort malheureusement. Il y a longtemps que j’ai abandonné l’espoir de voir un tel exploit se réaliser de mon vivant (je suis né en janvier 1946); si je peux déjà au moins revoir des astronaute marcher (et rouler) sur la Lune, je serai déjà content. Ce qui a caractérisée l’astronautique depuis la fin des années 1970, c’est que tous les calendriers avancés, même ceux qui paraissaient les plus réalistes, se sont révélés beaucoup trop optimistes (je rappelle encore une fois ici que lors de la première présentation au Mexique de son projet de vaisseau martien, Elon Musk avait annoncé une première mission vers Mars de celui-ci … pour 2022!).

    1. Je suis bien d’accord avec vous on est très loin d’y aller et d’en revenir !
      Hors concernant la lune il y a là aussi beaucoup de problèmes à résoudre il faut déjà être certain qu’il est à même de revenir sur Terre de son orbite ! Quant aux ravitaillements en orbite ? Et se poser sur la lune avec u’e telle masse ?

      1. Le test de retour sur Terre se fera au début 2024 avec le troisième test de vol orbital.
        .
        Les ravitaillements en orbite se feront dès que le test de vol orbital aura été positif.
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        Il s’agit de poser sur la Lune 120 tonnes (masse sèche), disons 100 tonnes de plus pour prendre en compte les ergols nécessaires pour remonter en orbite lunaire, quatre hommes et quelques équipements. Il ne faut pas oublier que la force gravitationnelle de la masse lunaire en surface n’est que de 0,16g. Le poids à poser sur la Lune ne sera donc que de 35 tonnes (pour 220 tonnes de masse), ce qui ne semble pas rédhibitoire.

  2. Merci Monsieur Brisson pour cette analyse très poussée. Il ne fait aucun doute que le Starship présente un très grand intérêt pour les vols interplanétaires automatiques. Mais pour des vols habités, il n’est pas exact que l’essentiel se résume à ce qu’il puisse se poser et revenir : les questions de l’énergie et des radiations sont de même importance. A quoi sert de planifier l’envoi d’hommes privés de l’une et exposée au risque mortel des autres ?

    Il est donc inquiétant de constater que, comme vous le notez justement, les études correspondantes chez Space X ne semblent pas avoir été poussées très loin. Indolence qui, si elle était confirmée, ne pourrait s’expliquer que de deux façons : soit Space X s’est rendu compte que le problème n’est pas soluble dans le concept Starship, soit il n’a en réalité jamais vraiment cru à l’usage de ce lanceur pour envoyer des hommes sur Mars (soit les deux).

    Pour un système espéré opérationnel dans 9 ans, il devient en tout cas urgent que Space X clarifie ces deux points.

    Un calendrier aussi rapproché pose enfin la question de son financement. Le coût prévisible est énorme. Certes, Elon Musk est riche, mais tout de même. Et d’ici là, Space X devra avoir aussi absorbé les dépenses colossales de l’HLS Artémis, vendu à un prix sans rapport au coût réel.

  3. Jean-François Clervoy, avec qui j’ai eu la chance de discuter, milite pour une première mission habitée comprenant 2 vaisseaux indépendants (et même si possible de conception différente pour éviter le risque de panne identique sur chacun), et qui partiraient en même temps.
    Les équipages de ces vaisseaux pourraient communiquer entre eux par radio sans retard et surtout se secourir mutuellement, car les risques restent très élevés malgré les essais robotiques précédents. Qu’en pensez-vous ?
    Par ailleurs pourquoi n’envisagez-vous pas une première mission habitée vers Mars purement orbitale, sans atterrissage ? Comme pour la Lune, avec Apollo 8, 9, 10 qui ont précédé Apollo 11. Les astronautes pourraient de plus télécommander des robots sur Mars en temps réel.
    Merci en tout cas pour vos explications, et en vous souhaitant de tenir bon jusqu’en 2034, voire au-delà !

    1. « Par ailleurs pourquoi n’envisagez-vous pas une première mission habitée vers Mars purement orbitale, sans atterrissage ? Comme pour la Lune, avec Apollo 8, 9, 10 qui ont précédé Apollo 11. », le problème n’est pas du tout le même; On va et revient de la Lune en quelques jours seulement. Le voyage vers Mars, comme le souligne Monsieur Brisson, prendra de l’ordre de 30 mois au total. Il ne serait pas rationnel d’exposer des astronautes aux dangers d’un tel voyage, radiations en particulier, « juste » pour observer la planète rouge depuis une orbite. D’autant plus qu’ils seraient dans ce cas plus exposés aux radiations que s’ils avaient passé environ 18 mois sur les 30 sur le sol de la planète, qui offre quand même une certaine protection (plus que dans l’espace en tout cas). Mais cela suppose que TOUTES les phases d’une telle mission aient été dûment testées avant de la tenter avec un équipage. Et un seul test réussi ne suffira pas pour avoir une assurance de survie de l’équipage à une telle odyssée. Raison pour laquelle, comme indiqué dans mon commentaire plus haut, je ne crois (malheureusement) absolument pas au réalisme du calendrier décrit dans le blog de ce jour.
      P.S: Bien que j’aie coché la case correspondante, je ne reçois aucune notification lorsqu’un nouveau commentaire est publié. Suis-je le seul dans ce cas?

    2. Sur le vol (habité) multiple, je suis d’accord avec vous. Voir d’ailleurs mon article du 5 juin 2021. Le vol multiple aurait pour avantage (1) de permettre la mise en fonction d’un dispositif créant une gravité artificielle par mise en rotation de deux (ou trois) vaisseaux; (2) de créer une redondance qui serait un facteur de sécurité. NB: mon article portait sur le calendrier des vols, pas sur le « détail » de leur constitution.
      .
      Je suis opposé à un vol habité sans atterrissage sur Mars pour deux raisons: (1) séjour en apesanteur trop long; (2) exposition continue aux radiations les plus dures (HZE de GCR), trop longues. Il est pour moi impératif que l’équipage se pose sur Mars pour retrouver une certaine gravité (hypothèse vol avec un seul vaisseau) et surtout qu’il puisse « digérer » la dose de radiations reçue pendant 6 mois. L’effet des radiations est cumulatif. En surface de Mars, l’homme pourra se protéger avec du régolithe et/ou de la glace d’eau.

  4. Oui Monsieur Brisson votre analyse est tres seduisante et en effet le voyage vers la planete Mars pourrait se faire comme vous le decrivez (dans le meilleur des cas).
    .
    mais j ai une question: au total combien de fois starship devra t il faire « le plein » pour un aller retour ?

    1. La question du nombre de vols de starship-tanker n’est pas encore clarifiée. Les hypothèses varient. Ce pourrait être quatre ou cinq. Mais attention, les ergols ainsi embarqués ne seraient suffisant que pour un vol aller (injection sur orbite interplanétaire, corrections de trajectoires et EDL – Entry Descent landing – sur Mars). Le plan d’Elon Musk, sur le modèle théorique proposé par Robert Zubrin, est de produire sur Mars les ergols de retour, selon la réaction de Sabatier, avec apport d’hydrogène provenant de la glace d’eau. On aurait besoin de beaucoup moins d’ergols puisque la gravité martienne est beaucoup plus faible que la gravité terrestre et qu’on aurait à faire décoller que le starship, sans son SuperHeavy.

          1. Je ne comprends pas votre question. Tous les pleins en orbite seront faits avec des starship-tankers. Il y aura une noria d’approvisionnements jusqu’à ce que le plein soit effectif. Quant un starship-tanker aura vidé son réservoir d’ergols dans celui du starship-vaisseau-interplanétaire, il redescendra sur Terre pour se recharger en ergols et remonter ensuite apporter sa contribution complémentaire au plein. Entre temps un ou deux autres starship-tankers aura fait de même.

    2. @ Niogret

      Il n’y a pas à ce jour de chiffre communiqué par Space X.

      Le seul chiffre connu est celui aujourd’hui pris en compte par les autorités américaines pour le Starship HLS d’Artémis III : 16 remplissages pour l’aller Terre-Lune.

      Ce chiffre est proche de celui cité en son temps par Bezos : 20. Avec le recul, il semble qu’il n’avait finalement pas si tort. S’il est confirmé, il y a un vrai problème pour Mars. Il ne sert à rien de se voiler la face.

      Source : Cour de comptes américaine sur la base du dernier rapport de la NASA.

      1. Il n’y a, certes, pas de chiffres communiqués par SpaceX. Cependant on sait que la capacité des réservoirs du Starship (vaisseau) est de 1200 tonnes et que la capacité d’emport d’un starship depuis la Terre jusqu’à l’orbite de parking est supérieure à 100 tonnes (qui est la masse que l’on devrait pouvoir déposer sur le sol de Mars).
        Il en résulte que le nombre de vols de starship-tankers devrait être inférieur à 12 et à mon avis inférieur à 10 (plutôt 7 ou 8).

  5. ah oui je vois. Mais toutefois il va falloir installer sur MARS le systeme permettant de mettre en pratique la reaction de Sabatier: ne serait il pas plus facile juste pour le premier voyage de poser prealablement des reservoirs de carburant-comburant permettant aux astronautes de faire eux meme le plein?

    1. A moins de multiplier ces vols de « pré-ravitaillement » (chacun n’apportant qu’une petite fraction des ergols nécessaires), si un engin peut apporter sur Mars le carburant nécessaire au retour, cela veut par définition dire qu’il serait possible d’avoir un seul engin contenant suffisamment de carburant pour faire l’aller-retour, … donc ce serait encore mieux que de se ravitailler sur Mars (à. ceci près qu’on pourrait envisager que l’engin habité puisse emporter une charge utile éventuellement un peu plus importante si le ravitaillement a lieu sur Mars, une partie de cette charge utile restant ensuite sur la planète rouge pour alléger le plus possible l’engin pour le retour).
      Un point qui n’a pas été abordé il me semble ici est celui du stockage sur une longue durée des ergols cryogéniques (méthane, oxygène). Un article publié récemment calculait qu’avec les techniques de stockage actuellement disponibles, une bonne partie (si ce n’est la totalité) du méthane stocké s’évaporerait en cours de vol, avant d’arriver sur Mars (dans l’hypothèse d’un voyage de 6 mois). J’avoue ne pas avoir les données nécessaires pour vérifier ce point, mais il mérite considération; les lanceurs sont en effet ravitaillés en ergols au sol sur Terre jusqu’à la dernière seconde avant l’envol pour compenser l’évaporation qui se produit dans les réservoirs (c’est surtout valable pour l’hydrogène, mais aussi ,même si c’est dans une mesure un peu moindre, pour le méthane).

      1. Pour l’HLS Artemis III, la NASA prévoit 10 % de pertes d’ergols dues au ravitaillement orbital et à la durée du transfert Terre-Lune (3 jours).

        Source : Cour des comptes américaine.

        1. SI une perte de 10% est déjà prévue pour une mission de quelques jours, on voit le problème pour un stockage devant s’étaler sur plusieurs mois! J’ai bien peur que les calculs que je mentionnais plus haut soient finalement assez réalistes, ce qui compromettrait grandement la faisabilité d’une mission de plusieurs mois à destination de Mars. L’alimentation en ergols (y compris la question du transfert de ceux-ci en orbite) pour un voyage d’un telle durée ainsi que la production d’énergie à bord me semblent être des points très critiques sur lesquels j’aimerais bien que SpaceX fournisse plus ‘information.

        2. Le problème du boil-off est connu et il faudra bien sûr le traiter. Mais il est trop tôt pour en faire un problème majeur. Ce qui compte maintenant c’est démontrer que la mise sur orbite et le remplissage des réservoirs avec les starship-tankers sont possibles. Chaque chose en son temps.
          .
          Je vous signale (voir lien ci-dessous) une réflexion sur le sujet que je trouve intéressante. En ce qui concerne le Starship, il faudrait savoir à quel moment on a le plus de pertes (sans doute lors du remplissage) et s’il est possible d’améliorer l’isolation. Une méthode « active » comme mentionnée dans la discussion sur Stack exchange que je vous envoie, semble probable. Evidemment elle requière de l’énergie.
          lien:

          Par ailleurs, l’institut de recherche allemand IFAM a montré récemment comment conserver l’hydrogène dans un matériau solide, le powerpaste. Il suffit d’ajouter de l’eau à ce matériau pour libérer l’hydrogène. On pourrait peut-être mener une recherche sur le moyen de conserver aussi le méthane par une méthode chimique du même genre (ou utiliser l’hydrogène stocké dans son powerpaste).

          1. Il existe les clathrates, hydrates de méthane, qui contiennent près de 170 m3 de méthane par m3 de clathrate. Ils sont stables sous 35 bars à 0 °C. On envisage maintenant cela pour le transport du CH4 à la place du GNL.

          2. Et bien voilà une solution! Merci beaucoup Monsieur de Reyff.
            Comme quoi, avant de dire « non c’est impossible », il faut réfléchir, chercher ce qui existe et, si la solution n’existe pas encore, voir comment on peut en trouver une, ou simplement tourner la difficulté.
            Un esprit créateur est un esprit positif. Je suis certain que beaucoup d’ingénieurs en aéronautique ont dit à Elon Musk que son principe de « récupérable et réutilisable » était irréaliste…avant qu’il ait démontré qu’il était possible.

          3. Je n’ai jamais dit qu’il y avait des impossibilités « définitives », juste souligné qu’il existe des problèmes dont il faut sérieusement se préoccuper, et le plus vite sera le mieux (en s’y attaquant trop tard, on risque de se trouver face à des impasses, ayant pris par ailleurs des options incompatibles avec les éventuelles solutions). Le propre du métier d’ingénieur (particulièrement en analyse de risque/sécurité, un de mes domaines de spécialité à l’EPFL, avec l’énergie) est de chercher à anticiper les problèmes afin d’éviter l’écueil que je signalais plus haut, qui peut conduire à des catastrophes dans certains domaines et certains cas. Pour ce qui est par exemple e l’alimentation en énergie d’un vaisseau martien habité, j’ai réalisé une analyse (dont Monsieur Brisson a eu connaissance) assez fouillée et chiffrée (car sans chiffres, tout est toujours possible!) des possibilités que l’on peut raisonnablement envisager, qui montre que des solutions potentielles existent mais que la conception du Starship n’est pas très favorable pour les mettre en oeuvre. L’attitude « tout va (ou, va aller!) très bien Madame la Marquise », sans base analytique un peu approfondie, n’est pas celle de la démarche scientifique, pour laquelle au contraire le doute et la remise en question doivent en permanence rester à l’esprit; c’est ainsi que l’on peut progresser sans risquer d’aller dans le mur!

          4. @M. de Reyff. Je ne suis pas un grand spécialiste de ce genre de composés, mais pour ce que j’en sais la formation et l’extraction à partir des clathrates sont des phénomènes TRES lents. Je ne vois pas bien comment on pourrait assurer les hauts débits nécessaires pour alimenter un moteur-fusée en recourant à ce genre de stockage. Idem pour le re-remplissage des réservoirs en orbite. Si le recours à ce type de composé se révélait néanmoins envisageable, la technique que j’ai plusieurs fois préconisées ici des réservoirs « interchangeables » plutôt qu’à remplir, me semblerait alors une solution nettement plus pratique et réaliste. Malheureusement, là encore la conception « monolithique » du Starship s’y prêterait très mal.

    2. Il ne faut pas oublier que (1) la capacité d’emport d’un starship jusqu’à l’orbite basse terrestre est de 150 tonnes et que (2) nous aurons besoin de 340 tonnes d’ergols pour revenir de Mars. Il faudrait donc trois chargements d’ergols à apporter sur Mars (l’excédent permettrait de couvrir la marge d’évaporation).
      Le problème est que les départs sur Mars ne sont possibles que tous les 26 mois et que la capacité d’emport d’un starship jusqu’à la surface de Mars est de 100 tonnes. Il y a donc quatre solutions:
      soit envoyer quatre vaisseaux en même temps vers Mars, dont trois chargés d’ergols,
      soit envoyer trois vaisseaux chargés d’ergols lors de la fenêtre « n » et un autre vaisseau destiné à revenir sur Terre, à la fenêtre « n+1 »,
      soit envoyer deux vaisseaux en même temps lors de la fenêtre « n » l’un des deux contenant 100 tonnes d’ergols avec dans le deuxième, un laboratoire pouvant produire sur Mars 280 tonnes d’ergols par réaction de Sabatier,
      soit envoyer un vaisseau à la fenêtre « n » équipé d’un laboratoire Sabatier capable de produire 340 tonnes d’ergols et envoyer à « n+1 » un vaisseau « sec » mais habité, après avoir vérifié que les 340 tonnes d’ergols ont été produits (plus une marge pour couvrir l’évaporation). Ce dernier vaisseau étant aussi équipé d’un laboratoire Sabatier par sécurité.
      La plus raisonnable est la quatrième solution. On n’envoie sur Mars un vaisseau destiné à revenir sur Terre que si l’on a constaté que la quantité d’ergols nécessaire pour revenir a bien été produite et correctement stockée.

      1. Oui Pierre Brisson vous avez raison ; il faut en effet tenir compte de tous ces parametres ce qui n est pas simple d autant que des incidents peuvent survenir en cours de route un peu comme apollo 13 donc la aussi il faut reflechir a ce pb.

        Dites moi … seriez vous partant ?

        1. au juste quelle masse d ergols faut il pour decoller juste le starship et son equipage de MARS ? parce que finalement on pourrait deposer juste cette quantite d ergols sur Mars et le starship ferait le plein en orbite Martienne ou nous aurions satellise des tankers.non ou je me trompe ?

          1. Il ne faut pas oublier que c’est la montée en orbite qui est la partie la plus consommatrice d’énergie du voyage (sortir du puits de gravité planétaire).
            Il faudrait 150 tonnes d’ergols pour monter en orbite martienne basse depuis la surface de la planète. voir :
            Par ailleurs, le docking dans l’espace avec un tanker n’est pas une manœuvre qui me semble évidente, surtout si on doit la mener sans aucune assistance au sol, avec les seuls moyens disponible à bord du starship.

        2. Si je vous dis que je serais partant cela ne m’engagerait pas à grand chose car on ne me le proposera surement pas. Mais quand-même, oui, je serais volontiers partant.
          .
          D’un côté ce ne serait pas une mauvaise chose d’envoyer des séniors en raison des radiations qui affecteraient d’avantage l’espérance de vie des plus jeunes. Cependant il faudrait aussi que les seniors soient en suffisamment bonne santé pour résister aux contraintes physiques imposées par le voyage. Je pense que les astronautes les plus probables pour un premier voyage seront des hommes dans la force de l’âge et ayant accumulé suffisamment d’expérience, disons de 45 à 55 ans. Pour maintenir l’équilibre et une vie sociale normale, il faudrait aussi que des femmes soient du voyage. Là le choix de l’âge est plus difficile car passer l’étape de la ménopause est assez perturbant pour beaucoup. Donc peut-être des femmes de 35 à 40 ans et de 50 à 55 ans. En tout cas les premières femmes prendront un risque de stérilité en raison des radiations et il vaudra mieux qu’elles aient déjà eu leur(s) enfants(s) avant de partir pour Mars.

          1. plutot que faire le docking dans l espace en orbite on pourrait avoir recours a un arrimage avec un module propulseur mis auparavant en orbite ?
            .
            par docking vous entendez arrimage ou bien translation d ergols ?

          2. Le docking est bien l’accouplage de deux vaisseaux de telle sorte qu’ils puissent fonctionner ensemble. Cela n’implique pas que la manœuvre de transfert d’ergols puisse ensuite réussir.

          3. C’est une bonne question de Niogret.

            Où peut-on postuler ?

            Je suis moi aussi un senior dont une diminution de l’espérance de vie serait moins significative que pour un (encore plus) jeune. Mais, si le voyage pourrait se montrer très demandeur physiquement, pour un senior qui commence à ressentir des problèmes articulaires, le séjour sur une planète à plus faible gravité serait plus agréable que sur la Terre. On pourrait y travailler plus en se fatiguant moins.
            Je pense qu’un senior qui voudrait s’expatrier sur Mars devrait prendre un aller simple. Il faudra donc, en plus, prévoir un croque-mort dans l’équipage.

  6. Oui PIERRE- ANDRE vous avez raison:il va y avoir des problemes d evaporation non pas au niveau des reservoirs mais au niveau de la « plomberie » des electrovannes … etc ; c est ennuyeux! encore que sur Mars il fait froid !

      1. Pierre, on parle bien de sources d’énergie pour produire du ergol sur Mars, peut-être sur le long terme.
        Éventuellement plus « simple » à mettre en oeuvre que du Nuke (bien que contraintes).

  7. @M. Haldi
    Les clathrates sont de la matière solide, stable sous basse pression et température proche de 0 °C.
    Votre idée d’échange de réservoirs est très bonne. Ici on échangerait des « boîtes » vides contre des pleines de matière solide. Ensuite les clathrates se décomposent à la demande « in situ » pour dégager du CH4, en élevant un peu la température et/ou en abaissant la pression.

    1. Merci Monsieur de Reyff pour votre réponse. Je pense en effet que l’échange de « boîtes vides » contre des « boîtes pleines » ( 🙂 ) serait, comme j’ai déjà eu l’occasion de l’écrire ici, une solution beaucoup plus sûre et praticable que le remplissage de réservoirs en orbite … surtout s’agissant le cas échéant de matière solide (mais serait-il possible d’en extraire le gaz à un « rythme » compatible avec les débits requis d’alimentation des moteurs?). Mais, de nouveau et de toute façon, la conception du Starship se prête assez mal à une solution de ce genre. C’est un des défauts de cette conception, son manque de souplesse et d’adaptabilité, en plus de rendre très difficile d’envisager des « plans B » dans les différentes phases de mission en cas de dysfonctionnements graves. Je le répète une fois encore, heureusement comme l’expérience l’a montré que les véhicules Apollo n’avaient pas été conçus de cette manière (accident d’Apollo 13); la navette spatiale, de conception également « monolithique » comme le Starship, par contre …

      1. Je vois ici une analogie avec les futures voitures électriques (VEL) avec pile à combustible. Cette dernière alimentera à la demande une petite batterie-tampon qui fournira l’électricité au moteur ou, mieux, aux 4 moteurs électriques du VEL.
        Dans le cas d’un véhicule spatial, à partir du stock solide on remplira à la demande en CH4 gazeux un réservoir-tampon qui alimentera les moteurs.

        1. Excellente idée.
          Comme il faudra absolument conserver le maximum d’ergols embarqués (et non renouvelables dans l’espace) la meilleure solution sera de les conserver sous forme solide et de ne les liquéfier que lorsque le besoin se présentera.
          Dans le cas du powerpaste, le stock d’eau fournira avant utilisation une bonne protection contre les radiations solaires (protons contre protons).

        2. Je sais en effet que cette technique est étudiée pour les VELs, mais dans le cas des vaisseaux spatiaux on est dans des ordres de grandeur de débits totalement différents. Je ne suis pas sûr que cela soit réalisable avec ce type de stockage, réservoir-tampon ou pas; à voir. Reste aussi la question du re-remplissage des réservoirs, si on ne recourt pas à des réservoirs interchangeables comme je le préconise. A ma connaissance, ce type de stockage n’est d’ailleurs pas (encore?) envisagé par SpaceX.

    1. Mais il n’y aura pas de starship-tanker sur Mars!
      Pour le retour sur Terre, le starship-vaisseau-interplanétaire remplira ses réservoirs avec des ergols produits sur le sol de Mars, à partir de l’atmosphère de CO2 martienne et de la glace d’eau martienne. Par la réaction dite « de Sabatier » on peut obtenir du méthane et de l’oxygène en utilisant ces éléments. C’est ce qu’on appelle l’ISPP (In Situ Propellant Production) qui est une des versions de l’ISRU (In Situ Resources Utilization).

      1. oui ok je ne pensais plus a cela! mille excuses.
        autre petite question: vous dites que l on pourrait associer 3 ou 4 starship pour creer une gravite artificielle: on obtiendrait ainsi un « diametre » de environ 20 metres et donc a combien de tours /minute devrait t on faire tourner cet ensemble sur lui meme ?

          1. Bonjour Monsieur BRISSON,
            La reaction de Sabatier va reclamer des temperatures et des pressions elevees ce qui va necessiter beaucoup d energie et une grosse installation pour produire des dizaines de tonnes de methane… qu il faudra ensuite liquefier.

          2. @niogret: « des dizaines de tonnes de méthane… qu il faudra ensuite liquéfier » … et garder stocké sur une longue durée!
            L’article ci-dessous, un parmi plusieurs autres publiés ces derniers temps allant tous dans le même sens, montre que la question du transvasement et du stockage des ergols nécessaires, ne serait-ce déjà que « simplement » pour le vol vers la Lune, n’est effectivement pas un mince problème et ne peut (et ne doit pas, quand il y a un problème il faut l’empoigner, et cela le plus en amont possible pour éviter de se retrouver dans une impasse) être écarté d’un revers de main comme fait plus haut:
            https://sciencepost.fr/missions-lunaires-du-starship-necessiteront-plus-de-lancements/

          3. L’argument présenté par SciencePost n’est absolument pas convaincant. Je le copie ici:
            Dans le vide spatial, où il n’y a pratiquement pas de pression, les propulseurs cryogéniques, tels que le méthane et l’oxygène liquides (qui alimentent le Starship), peuvent sublimer lentement, c’est-à-dire se transformer directement de l’état liquide à l’état gazeux. Pour éviter ce phénomène, l’idée serait donc de ravitailler progressivement le dépôt en orbite.
            .
            Je ne vois pas pourquoi les réservoirs ne pourraient pas être pressurisés. On pourrait par exemple injecter les ergols dans une poche extensible qui se gonflerait progressivement (à l’intérieur du réservoir de réception) au fur et à mesure de l’arrivée des ergols du starship-tanker.
            Je ne vois pas non plus ce que peut signifier « ravitailler progressivement le dépôt en orbite ».
            .
            Je fais confiance à Elon Musk qui ne voit toujours la nécessité que de 7 ou 8 starship-tankers. Attendons son explication et sa démonstration.

          4. Le problème est qu’il est difficile de transvaser raisonnablement rapidement des ergols cryogéniques en présence d’une contre-pression suffisante (réalisée plutôt par un gaz qu’à l’aide d’une membrane, difficile à imaginer pouvant suffisamment se « gonfler » pour accepter un grand volume d’ergol, d’ailleurs). Mais ce n’est pas la technique que SpaceX avait annoncée. Elle parlait d’un « transfert inertiel » par mise en mouvement du vaisseau et de son tanker connectés par la base. Je n’ai rien vu sur la manière prévue pour empêcher l’ergol ainsi transvasé de se détendre immédiatement en gaz en arrivant dans le réservoir vide du vaisseau. C’est malheureusement un problème général avec SpaceX, bien des annonces faites sont trop peu claires et explicites pour que l’on puisse valablement évaluer leur faisabilité.
            Cela dit, je reconnais que l’article de SciencePost n’est pas très bien rédigé (peut-être un problème de traduction?), mais il y a eu d’autres articles du même genre publiés récemment, et même avant, souvent de sources NASA a priori crédibles, qui vont tous dans le. même sens. Difficile de croire qu’il sont tous écrits pas des incompétents. Quoi qu’il en soit, on devrait avoir quelques indices concrets de faisabilité prochainement en principe, puisqu’il semble que SpaceX prévoit maintenant de procéder prochainement à un premier test de transfert d’ergols en orbite terrestre basse. Donc, « wait and see ».

          5. Exactement, wait and see!
            .
            On peut imaginer plusieurs solutions pour éviter la gazéification des ergols lors du transfert. J’avais lu effectivement qu’on pourrait maintenir la pression avec de l’azote (gaz neutre). Mais rien n’empêche (au contraire) que ce gaz tampon soit séparé de l’ergol par une membrane mobile s’élevant dans le réservoir au fur et à mesure que le volume en dessous de la membrane se remplit ce qui permettrait de passer très progressivement d’un volume très petit à un volume très grand, en maintenant la pression interne.
            .
            Par ailleurs, l’information selon laquelle SpaceX voudrait effectuer très vite (dès le 3ème test de vol orbital) un test de transfert d’ergols dans l’espace conforte mon impression qu’il pourrait lancer un Starship vers Mars en Novembre 2024.

  8. Il reste bien des problèmes à résoudre aussi bien pour les dates auxquelles nous serons prêts économiquement, scientifiquement que dans le domaine médical, c’est évident. Une meilleure réponse du corps à l’apesanteur aiderait, des progrès face au cancer, à la protection contre les radiations. Mais les avancées obtenues jusqu’ici motivent. Est-ce suffisant? D’où va venir le coup de pied dans le cul qui fera évoluer les sceptiques? du réchauffement climatique? Aller sur la lune pour y transférer le maximum d’industries polluantes, cela va faire hurler certains mais cela vaut mieux que la disparition de l’humanité, non? Hélas, je me sens obligé de suivre monsieur Haldi « voir des êtres humains débarquer sur Mars en 2033 relève plus d’un rêve « science-fictionnesque » ». Bon, ce sera pour plus tard vu que la nécessité n’en apparaît pas encore de façon pressante… du moins aux gens de pouvoir . Mais le rêve est déjà une forme de projet, d’idée forte qui exigera sa réalisation. Vu l’intensité des efforts, ce n’est plus un rêve fou. C’est une simple question de programmation plus ou moins retardée

  9. donc si j ai bien saisi la « chose » il va falloir:
    electrolyser l eau du sous sol (quantite inconnue)
    recuperer l hydrogene libere…
    concentrer les co2 atmospherique martien…
    realiser la reaction de Sabatier dans une installation … non connue
    puis etape de purification
    puis etape de liquefaction
    puis etapes de remplissage des reservoirs.

    Ouf ca va pas etre facile !

    1. Cependant ce systeme presente des avantages:
      1) on produit de l oxygene: ca peut servir.
      2)on va envoyer des quantites de methane dans l atmosphere martienne: ca peut la rechauffer.
      3)on peut produire de l eau liquide:ca peut servir.
      Donc dans l ensemble c est seduisant mais cela va etre long a mettre au point d autant qu il faudra tester la chose in situ avant d envoyer des hommes sur place.
      C est une operation de longue haleine au moins 10 a 20 ans!
      Donc si l on souhaite que des hommes marchent sur Mars dans des delais brefs il faut envoyer vers Mars des tankers pour le carburant retour:pas le choix. VOILA J AI FINI !

      1. Robert Zubrin a réfléchi à cette production locale des ergols depuis le début des années 1990.
        Je ne vois pas sur quelle base vous pouvez dire que cette production ne peut aboutir qu’après une préparation de 10 à 20 ans. On peut comprimer l’atmosphère martienne comme tout autre gaz sans difficultés particulières. L’électrolyse de l’eau se pratiques depuis très longtemps. La réaction de Sabatier date de la fin du 19ème siècle. Elle nécessite très peu d’énergie.

        1. Bonjour Pierre Brisson
          oui je suis d accord 10 a 20 ans je pense avoir exagere mais quand meme toute cette machinerie destinee a etre envoyee sur Mars reste a creer c est quand meme du « boulot » !
          STARSHIP vers Mars en Novembre 2024:cela me plait beaucoup mais avant j attends le prochain vol( avec transfert de carburant en orbite )avec impatience.

  10. voila j’ai un vieux national geographic de 1970 , dans l’euphorie du programme apollo, von braunj et nationhal geographic prévoyaient une arrivée sur mars en 1983 …on en est loin , la programme apollo sur la lune fut brutalement interrompu , on préféra une navette spatiale incapable d’aller vers l’espace profond .je ne veux pas jouer la douche froide mais la moitié des missions spatiales ont échoué vers mars ,20 sur 40 , mars express avec les russes et un rover (ombe à l’eau …. elon musk nous promettait mars en 2016 ..pour 2024…. on en est loin , déjà il faut une fenêtre de tir pour 6 mois de voyage quand mars est proche de la terre plus 6 mois sur place plus 6 mois retour , emporter la carburant et comburant pour le retour ,oxygène , eau , nourriture même si on peut en trouver sur place … la radioactivité aussi ,le froid et tempêtes de sables martiens alors ne rêvons pas trop ….

    1. je me suis trompé , d’après vos dires il faut rester 18 mois sur mars ,un an et demi , c’est long ….cela complique la durée du séjour sur mars , eau , oxygène nourriture ,les tempêtes de sable qui peuvent couvrir toute la planète , le froid ,, les radiations ….

    2. 1) Vous écrivez : « mais la moitié des missions spatiales ont échoué vers Mars ,20 sur 40 »
      Attention, on ne peut mettre dans le même paquet les premiers lancements dont certains échouaient, avec les derniers qui on tous réussi, ni les lancements américains qui très vite ont réussi avec les lancements des russes ou des européens qui le plus souvent ont échoué.
      2) Vous écrivez: « il faut une fenêtre de tir pour 6 mois de voyage quand mars est proche de la terre ».
      Attention, on ne part pas « quand Mars est au plus près de la Terre car on ne va pas sur Mars en ligne droite alors que les planètes restent immobiles. On part sur Mars en projetant où l’on sera au bout du voyage alors que les planètes auront l’une et l’autre changé de position (elles se déplacent à des vitesses différentes sur des orbites de longueurs différentes. On part aussi sur Mars en fonction de l’énergie qu’on va consommer. La meilleure trajectoire est une trajectoire dite « de Hohmann » qui permet le voyage le plus court avec le minimum d’énergie. En gros cela fait partir de la Terre de telle sorte qu’on arrive en orbite de Mars en conjonction du Soleil (en alignement Terre/Soleil/Mars par rapport à la date de départ. Mais quand on part la Terre n’est pas au plus près de Mars (en longitude solaire on est avant Mars). Et quand on arrive, la Terre a dépassé Mars (toujours en longitude solaire).
      La trajectoire est toujours une ellipse car elle est courbée par l’attraction du Soleil sur la masse du vaisseau. Le degré de courbure dépend de la vitesse du vaisseau. On a intérêt sur le plan de la masse d’énergie transportée (et en conséquence négative, de la masse de charge utile transportée) à arriver à proximité de Mars « en bout de course » ou en apoapside de l’ellipse décrite par la trajectoire, de telle sorte qu’on n’ait pas à freiner mais qu’on soit capturé par la force gravitationnelle de la planète.

  11. Bonjour Pierre BRISSON
    J ai eudie vos articles de 2017 concernant le process propose par Robert Zubrin: c est effectivement faisable. le premiere etape sera d aller chercher la glace en profondeur peut etre 1 metre(?) puis de la ramener a l etat liquide ou vapeur puisque la pression sur Mars est faible (sublimation) puis de la condenser et enfin de l electrolyser…

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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