Exploration spatiale - le blog de Pierre Brisson

La capacité du Starship que SpaceX est en train de finaliser* nous permet d’envisager la faisabilité de l’installation de l’homme sur Mars. En effet ce vaisseau spatial pourra déposer sur le sol de la planète plusieurs dizaines de personnes ou cent tonnes d’équipements dans un volume viabilisé de 1100 m3.

*même s’« il ne faut pas vendre la peau de l’Ours », on peut maintenant évoquer avec un indice de confiance élevé, la probabilité qu’il puisse voler.

La progression satisfaisante du processus de réalisation du Starship nous permet d’envisager d’apporter sur Mars les équipements nécessaires à la caractérisation précise de l’eau martienne, nécessaires à son extraction (puisqu’elle se présente sous forme de glace sous un mort-terrain d’épaisseur à définir mais qui ne devrait pas dépasser quelques mètres), nécessaires à son transport et nécessaires à son utilisation, comme nous l’avons vu la semaine dernière.

Comme chacun peut le comprendre la solution à ces problèmes de l’eau est vitale non seulement pour la vie à long terme mais aussi pour la réussite d’une mission habitée puisqu’au-delà du recyclage de l’eau pour les besoins humains (qui devrait atteindre un pourcentage d’au moins 80%), les hommes auront besoin d’eau pour obtenir l’hydrogène nécessaire à la production des ergols pour pouvoir revenir sur Terre (dans le cadre d’une réaction de Sabatier pour obtenir du méthane et de l’oxygène, après électrolyse de l’eau).

J’ai évoqué ce problème de l’eau la semaine dernière mais dans l’étude à laquelle je me référais et à laquelle je me réfère encore aujourd’hui, les auteurs mentionnent tout ce qu’il conviendra de faire également pendant les toutes premières missions et que permettent d’envisager le Starship avec ses capacités de transport extraordinaires. Il s’agit au moyen d’une première mission entièrement robotisée, de tester les technologies essentielles, de bien vérifier l’habitabilité biologique de la planète, de prospecter les ressources locales nécessaires à la vie, donc celles qui permettront de déterminer l’implantation de la base, de prépositionner des équipements ou des ressources utiles qu’on ne pourra pas obtenir immédiatement du sol martien, et commencer à édifier quelques infrastructures utilisables par la suite (car pendant longtemps on reviendra au même endroit afin de ne pas gâcher le capital physique accumulé).

Tester les technologies essentielles, c’est d’abord mesurer les doses et l’intensité de dose des radiations solaires et cosmiques au niveau du sol à l’endroit où l’on veut implanter la Base. On peut même imaginer évaluer le degré de protection contre ces mêmes radiations, procuré par le régolithe en fonction de la profondeur, puisqu’on procédera à des forages. En cas de besoin, on pourrait même en déduire la prévision d’implantation de certains locaux sous le gisement de glace pour bénéficier d’une protection particulière.

On pourrait également tester lors de cette première mission robotisée, une production expérimentale de végétaux comestibles, de façon limitée puisque l’homme ne pourra intervenir en direct. Mais cela serait suffisant pour tester l’alimentation en eau (par hydroponie), l’alimentation en gaz respirables, les quantités de lumière qu’il convient d’ajouter à la lumière naturelle, les réglages nécessaires de la température, la protection contre les radiations, la protection contre les micrométéorites sur une surface en verre (ou altuglas, ou autres semblables), l’effet de la gravité sur la croissance, l’adéquation du support matériel utilisé pour l’ISRU, l’efficacité des protections sanitaires contre les maladies phytosanitaires.

Il faudra également tester les techniques que l’on utilisera pour la construction. Possibilité réelle d’excavation, effet de la poussière sur les équipements (utilisation d’équipements ou de produits annulant les effets de l’électricité statique), possibilité réelle de l’hydratation pour créer du duricrete et capacités mécaniques de ce « béton martien », protection contre les micrométéorites (exposition de plaques de matériau permettant de mesurer et d’enregistrer la masse et la vitesse donc l’énergie des particules reçues).

Il faudra encore, bien s’assurer de la viabilité pour l’homme, de la surface de Mars sur le plan biologique. Il s’agit de tester les techniques de transformation chimiques des sels de perchlorates en matières sans effets négatifs pour la vie et les techniques de protection des zones débarrassées de ces sels (donc du transport par le vent avec la poussière). Il s’agit aussi de vérifier qu’il n’y a pas sur Mars de molécules organiques qui pourraient être dommageables à la vie humaine. Rappelons-nous que les prions, par exemple, sont des molécules dont on ne soupçonnait pas l’existence avant 1982. Je veux dire qu’il serait intéressant de constater par exemple que la production de nourriture dans les conditions martiennes n’entraîne pas des malformations de protéines (du fait des radiations ?) qui pourraient avoir des conséquences aussi néfastes que les prions sur Terre. En dehors de cela, on n’aura évidemment pas épuisé le sujet de la vie sur Mars et autant on ne risque probablement pas de rencontrer de vie martienne en surface du fait de la forte irradiation subie depuis très longtemps, autant on ne connaît rien de ce qui peut « exister » en sous-sol (même si les émissions de méthane sont extrêmement faibles).

Il faudra enfin tester la production d’ergols à partir de l’atmosphère martienne. On pourra tenter une hydrolyse de la glace martienne (mais on pourrait au tout début de l’implantation de l’homme, utiliser au moins en partie de l’eau importée de la Terre) et surtout de la production de méthane à partir de l’atmosphère martienne et de l’eau (réaction de Sabatier). Le test requerra une pompe, des filtres, des réactifs (nickel ou ruthénium), un peu d’énergie (RTG ou Kilopower ?), des réservoirs, des capteurs…et « un peu » de plomberie !

Simultanément, pendant la première mission robotisée, il faudra explorer les environs du site choisi a priori pour l’installation de la base à partir des orbiteurs. Cette exploration minutieuse à l’aide de rovers et de drones hélicoptères servira, outre la vérification des propriétés du gisement de glace comme développé la semaine dernière, à procéder à une étude géologique précise pour savoir de quelles autres ressources minérales on pourra disposer (fer, silice, alumine, phosphates, souffre, bore, etc…). Il faudra faire une étude géomorphologique du sol (avec radars) pour déterminer la surface d’atterrissage optimale pour le premier vaisseau habité. On pourra aussi déblayer le site choisi comme future « plateforme d’atterrissage » à l’aide d’un rover équipé d’une lame de bulldozer embarqué dans les soutes d’un des deux starships robotisés, aplanir le sol et monter des remblais de protection pour limiter les projections de poussière et pierres sur les premières installations lors des atterrissages suivants.

Lorsque l’on aura bien repéré et analysé le site d’atterrissage et le site de l’implantation de la Base (aussi proche que possible mais avec une distance de sécurité d’au moins un km), on pourra prépositionner les équipements qui seront utiles pour les vols suivants (habités). Il s’agit notamment des engins de construction ; de traitement des matériaux martiens (pour l’extraction, la production de duricrete, de briques) ; de capteurs d’énergie (un réacteur à fission non activé, de panneaux solaires emballés) ; des éléments de structure de la serre (je vote pour un Biopod d’Interstellar Lab) qui pourront être montés ou activés dès l’arrivée des premiers hommes ; d’autres produits qui ne souffriront pas du temps restant avant cette mission habitée (y compris du sel, du sucre mais aussi des réactifs divers ou compléments pour l’industrie du verre, comme le bore, ou de l’acier, comme le carbone), et bien sûr des protections antiradiations dont on aura toujours besoin que ce soit dans la construction ou pour porter sur soi (veste et casque d’Astrorad). On pourra encore commencer à produire quelques infrastructures dans la mesure de disponibilités d’équipements robotisés capable de les réaliser et de temps pour le faire. Dans tous les cas, on veillera à la polyvalence et à la modularité des éléments ou des outils utilisés. Un élément quelconque doit pouvoir servir à autant d’objets que possible « afin de maximiser la flexibilité opérationnelle et d’optimiser l’allocation des masses qui seront transportées depuis la Terre » comme le disent les auteurs.

Ensuite un des deux starships, vidé de sa charge utile, pourra repartir vers la Terre, si l’on a pu produire suffisamment d’ergols pour son vol de retour au cours des 18 mois passé sur Mars. Ce n’est pas l’hypothèse retenue par les auteurs de l’étude sur laquelle je me fonde, car ils estiment sans doute que les premiers équipements embarqués ne permettront pas la production d’ergols en quantité suffisante de façon entièrement robotisée. Ce serait pourtant intéressant de le tenter pour tester la rentrée dans l’atmosphère terrestre à la vitesse impliquée par un retour de Mars (plus élevée que lorsqu’on vient de la Lune). Il faudra en effet vérifier la bonne capacité de résistance du revêtement de tuiles thermiques avant que des hommes voyagent à bord (et après un atterrissage sur / suivi d’un décollage de Mars). Je pense personnellement qu’on pourra, comme le préconise Robert Zubrin, faire fonctionner la réaction de Sabatier par moyens robotiques et stocker suffisamment de méthane et d’oxygène pour revenir sur Terre sans équipage, surtout que le vaisseau restera présent pendant 18 mois sur Mars avant de pouvoir repartir (sauf urgence, voir ci-dessous) ce qui donne le temps de produire une quantité non négligeable d’ergols.

Au cas où l’on n’aurait pas totalement confiance dans le fonctionnement des équipements robotisés pour la méthanation, ou s’ils ne fonctionnaient pas une fois sur place, on pourrait du moins envisager d’extraire de la glace, de l’électrolyser et de stocker l’hydrogène (même s’il y aura des fuites, il en restera toujours un peu) et l’oxygène en quantité suffisante, toujours par moyens robotiques, avant l’arrivée de l’homme (32 mois après l’arrivée des vaisseaux robotisés sur Mars). Cela servirait toujours !

NB : on pourrait tenter de sauver une partie de l’hydrogène sous forme de « powerpaste » en le mélangeant à de l’hydrure de magnésium comme l’a démontré possible l’institut de recherche allemand IFAM. Dans le cas d’échec de la méthanation, ou si les réservoirs du starship ne peuvent être remplis ou bien si l’électrolyse échouait, les deux vaisseaux resteraient sur le sol de Mars comme l’envisagent de toute façon les auteurs de l’étude. Ils serviraient alors d’annexes à l’habitat ou d’ateliers aux astronautes de la mission suivante habitée. Leurs équipements intégrés seraient également bienvenus pour ces hommes puisqu’ils fourniraient une redondance. In fine l’ensemble des vaisseaux sera une source de matériaux.

Ces premières missions robotisées seront donc capitales pour décider ou non de nous établir sur Mars. Nous approchons de « l’heure de vérité » car je suis certain que si le Starship peut voler, atterrir et repartir avec des ergols produits par ISRU, Elon Musk trouvera un moyen pour aller sur Mars. Et si les tests de vie sur Mars nous « donnent le feu vert », il est certain que des hommes prendront le risque du voyage puis de l’isolement, puis de la vie avec des ressources limitées, pour décider de s’installer sur la planète pour la durée d’une mission (30 mois tout de même entre départ et retour sur Terre) puis pour plus longtemps. Je connais suffisamment (indirectement) Elon Musk et je connais suffisamment les Américains pour n’avoir aucun doute là-dessus. Et probablement quelques Européens prendront aussi le risque de les accompagner (puisque l’ESA a décidé que l’aventure était pour les cow-boys). Le déclencheur de tout cela sera le parcours par le Starship de sa première orbite autour de la Terre, prévue pour cette année. Un événement très encourageant a eut lieu ce 09 février avec la mise à feu statique réussie du SuperHeavy Booster 7. Faire fonctionner ensemble les 31 moteurs était un énorme défi. Une étape importante a donc été franchie. Nous vivons une époque formidable !

Illustration de titre : magnifique vue d’artiste d’un Starship atterrissant sur (ou décollant de) Mars. (SpaceX Illustration).

 

Article de référence :

Mission Architecture Using the SpaceX Starship Vehicle to Enable a Sustained Human Presence on Mars (Architecture de mission utilisant le Starship de SpaceX pour rendre possible une présence humaine durable sur Mars). Lien : https://doi.org/10.1089/space.2020.0058

Publication en septembre 22 dans New Space, revue scientifique du groupe Mary Ann Liebert. Les 19 auteurs sont membres d’organisation et d’universités américaines de premier plan :

NASA Ames Research Center (dont l’auteure principale Jennifer Heldmann); Bechtel Corp.; NASA Kennedy Space Center; Honeybee Robotics; Purdue University; Planetary Science Institute, Tucson; United States Geological Survey…et Margarita Marinova, Docteure en Sciences planétaires du CalTech, ancienne de SpaceX où elle était « Senior Mars Development Officer » (que je mets en exergue parce qu’elle est auteure en second…et que je la connais pour avoir longuement discuté avec elle en compagnie de Richard Heidmann, fondateur de l’Association Planète Mars – France, sur introduction de Robert Zubrin).

15 réponses

  1. Bonjour Monsieur Brisson
    31 moteurs de la Super Heavy ont fonctionné parfaitement. SpaceX a confirmé que cela suffisait à permettre le décollage du StarShip… Donc attendons la suite avec impatience ! Et si les moteurs du Starship étaient améliorés… Nous irions beaucoup plus vite ! Amicalement Jean-Philippe https://korii.slate.fr/tech/espace-reacteur-detonation-rotative-nasa-revolutionnaire-fusee-test-records-poussee-duree

    1. Bonjour Monsieur Verselin.
      Effectivement j’ai suivi et admiré l’exploit. Je le mentionne d’ailleurs en fin d’article. Je me réjouis que cette étape ait été franchie car ce n’était pas évident.
      Reste à démontrer que les 31 moteurs peuvent fonctionner ensemble sur la durée nécessaire à la mise sur orbite.

  2. A propos du « SI » du titre, il ne suffit pas que le Starship puisse « voler ». je pense qu’il le fera et peut-être même qu’il pourra « voler » jusqu’à la Lune. Le fait qu’il n’y ait pas eu d’explosion lors de l’essai statique des 33 moteurs du Super Heavy le 9 février dernier est de ce point de vue encourageant; avec un bémol cependant, l’essai n’a duré que quelques secondes et déjà à ce stade 2 moteurs sur les 33 n’ont pas fonctionné correctement. On ne peut donc encore être totalement rassuré. Mais même si tout va bien de ce côté « propulsion », aller sur Mars sera une autre histoire. J’ai déjà souligné ici, entre autres, le problème de l’alimentation en énergie, une question cruciale à laquelle je n’ai trouvé jusqu’ici aucune réponse (et personne n’a pu m’en donner une qui soit convaincante). Attendons donc la suite pour voir, avec espoir mais sans trop s’enthousiasmer, ni extrapoler, prématurément

    1. Un point encore, le super lanceur N1 soviétique de l’époque de la conquête de la Lune, avec ses 30 moteurs au premier étage, n’a pas connu de problème lors d’essais statiques, il n’en a d’ailleurs pas été effectué pour l’étage complet, mais bien peu après le décollage, généralement plus d’une minute après celui-ci (et non seulement quelques secondes), lors de vols réels, et cela à quatre reprises! L’explosion de ce lanceur à proximité de son pas de tir a provoqué des dégâts considérables (y compris des pertes de vie humaine) et a dans plusieurs cas été initiée par la perte d’un ou deux moteurs. Donc, je le répète, prudence à ce stade dans les conclusions à tirer de l’essai du Super Heavy du 9 février, même si heureusement les moteurs ont fait des progrès depuis la fin des années 60, début des années 70 (et SpaceX n’est pas non plus l’OKB-1 de l’époque soviétique).

      1. Bonjour,
        Voir décoller cet ensemble starship et son étage lanceur me tarde.
        Et voir son retour…
        Les essais du style « ça passe ou ça casse » du début ont fait place à des essais plus classiques, le coût et la complexité croissante de l’engin l’expliquent, on ne peut pas sacrifier 33 moteurs, avec les réservoirs et le starship au dessus, juste pour un test.
        De plus la FAA bloquait tout nouvel essai. Pas sûr que ce soit débloqué d’ailleurs.

        Je partage le questionnement sur l’énergie interne nécessaire au voyage vers Mars du starship, il semble qu’une structure externe de production électrique serait bien utile, elle ne pourrait être installée qu’en orbite terrestre puis laissée en orbite martienne, juste avant atterrissage, évidemment ce serait de la masse en plus, limitant la charge utile.
        A moins que SpaceX ne nous sorte une technologie inédite de son chapeau.

        Au décollage de l’ensemble statship et étage, quand il y aura un équipage, je me demande ce qui sera l’équivalent de la fusée sommitale de secours, celle qui permet à une capsule de dégager très vite du lanceur, en cas de problème grave, le starship entier pourra-t-il être considéré comme capable de s’éloigner de son grand lanceur très vite ?
        La question c’est justement la rapidité de l’éloignement et la distance pour être à l’abri d’une pareille boule de feu si le lanceur explose au décollage.
        Bref l’obtention de la certification vol humain pour le starship pourrait être intéressante à étudier.
        Surtout s’il sert aussi pour des vols intercontinentaux avec 100 passagers.
        Toutefois il y a le précédent des navettes, des engins sans grandes possibilités de survie comme on l’a hélas vu.
        Pour les avions de ligne c’est un peu la même chose, la sécurité repose sur la fiabilité de l’appareil lui-même.
        Le starship, une fusée géante visant à la sécurité de vol d’un avion de ligne, un sacré défi !
        Les démêlées de Space X avec la FAA ne sont pas finies… Et il y aura celles des autres pays.
        Une vraie « technologie de rupture » à tous les niveaux ce starship 🙂

        1. @SIBON: « en cas de problème grave, le Starship entier pourra-t-il être considéré comme capable de s’éloigner de son grand lanceur très vite « , c’est en tout cas ce qui est prévu, avec pour cela une certaine « surpuissance » des moteurs du Starship pour permettre effectivement un éloignement rapide du Super Heavy en cas de problème avec celui-ci. Mais sera-ce suffisant … ?
          Pour ce qui est de la qualification du Starship pour l’emport de PASSAGERS (en vol suborbital ou dans l’espace), je partage vos doutes. Il faudrait atteindre le niveau de sécurité que l’on connaît dans l’aviation. Cela me paraît TRES difficile avec un engin comme le Starship (le précédent de la navette spatiale va peser lourd!), … et en tout cas demandera des années et des années de certification pour pouvoir s’appuyer sur un retour d’expérience suffisant. Pas gagné d’avance!

    2. Je remarque que la quasi totalité des commentaires portent sur la faisabilité du Starship alors que ce n’était pas le thème de mon article. C’est dommage.
      Je rappelle que le thème est « que va-t-on faire sur Mars pour y installer l’Homme, s’il fonctionne ». C’est, je trouve, un sujet qui mérite qu’on y réfléchisse.

      1. « Le thème est “que va-t-on faire sur Mars pour y installer l’Homme, s’il (le Starship) fonctionne” « , oui, mais s’agissant donc d’une condition sine qua non, les commentaires sur la faisabilité du vaisseau de SpaceX sont donc ici totalement légitimes. Sinon, pour reprendre une formule qu’affectionnait un de mes anciens professeurs de l’EPFL, on « sculpte le Bon Dieu dans les nuages » :-)! Ou , pour utiliser une autre formule: « Avec des « si », on mettrait Paris en bouteille »!

  3. Il faut souhaiter le succès du Starship, c’est l’intérêt de l’astronautique et de l’occident. Mais sa capacité d’emport ne suffira pas à en faire un lanceur adapté aux voyages interplanétaires habités comme on semble le dire ici. Devront s’y ajouter une fiabilité record (qui reste à démontrer), un niveau suffisant d’énergie à bord (que le Starship ne semble pouvoir atteindre comme rappelé ici-même, et en tout cas non expliqué par le constructeur), des autorisations étatiques de vol (aujourd’hui très incertaines pour des équipages laissés 2 ans sans secours, pour qui connaît l’industrie spatiale de l’intérieur), et bien d’autres exigences encore. Dont, si l’on parle de colonisation et donc de grandes quantités, des coût très bas. Assurément promis, mais nullement prouvés. En l’état, on ne voit pas comment le Starship pourrait servir pour des vols habités au delà de l’orbite lunaire, en tout cas avant longtemps.

    Nul dénigrement dans ce qui précède : un simple constat. Peut-être dérangeant, mais que partage la quasi totalité des milieux professionnels (il y a toujours des exceptions). Certes, les experts s’étaient trompés pour la Falcon 9, mais cela ne signifie pas qu’ils se trompent chaque fois. On peut penser qu’ils y ont cette fois regardé de près.

    Egon Musk est un des plus grands industriels du siècle. C’est aussi un monsieur bavard qui aime faire parler de lui. On ne peut pas le suivre sur tout ce qu’il dit et n’étaye pas, ou pas assez. C’est la cas des voyages habités pour Mars.

    1. Je comprends ce que vous écrivez, Monsieur Baland, mais je pense que si le Starship peut voler, personne ne pourra s’opposer à ce qu’il vole. Et s’il vole jusqu’à la Lune, ce qui semble probable une fois qu’il aura démontré qu’il peut effectuer une orbite autour de la Terre, je suis confiant qu’il ira jusqu’à Mars car cette capacité d’emport dont vous parlez me semble tout à fait suffisante pour mener une mission de 30 mois avec un équipage réduit (6 personnes?). Je pense que dans 1100 m3 on peut loger tout le support vie nécessaire (dans la limite elle aussi suffisante de 100 tonnes de masse embarquées). Concernant la source d’énergie pour faire fonctionner ce support vie et les équipements de bord, je suis confiant qu’on trouvera une solution à base de fission nucléaire sinon de panneaux solaire.
      Pour l’instant ce qui compte avant tout c’est le vole orbital. Nous verrons bientôt.

      1. Concernant la question de la production d’énergie (pendant une durée de l’orde de 2×6 mois (!) ne l’oublions pas), on peut bien sûr espérer trouver la solution miracle, mais j’ai appris à être sceptique sur l’aboutissement de projets qui reposent sur une « aide divine » pour réussir! L’espoir réside effectivement dans le recours soit à l’énergie nucléaire, soit à l’énergie solaire (ou une combinaison des deux, mais attention alors aux masses supplémentaires), mais j’ai montré que la conception « monolithique » du Starship se prête très mal, à cette échelle, à l’utilisation de l’une comme de l’autre. Et la question énergétique n’est pas la seule qui va poser problème dans la perspective de vols vers Mars, comme le rappelle ci-dessus Monsieur Baland. On verra; il est vrai qu’Elon Musk arrive souvent à surprendre, mais pour l’instant je reste dubitatif, en tout cas dans les délais annoncés, … et je ne suis de loin pas le seul.

      2. Personne ne peut empêcher Musk de faire des fusées, mais on peut s’opposer à ce qu’elles volent : Tout lancement est soumis à autorisation préalable. Notamment si la sécurité est jugée insuffisante.

    1. Merci Serge,
      Effectivement article intéressant. La soleine pourrait avoir un bel avenir dans les environnements viabilisés éloignés de la Terre. Une remarque: les algues spirulines peuvent aussi servir de base alimentaire (notamment pour les protéines) et elles ont l’avantage d’utiliser le gaz carbonique pour produire de l’oxygène.

  4. je commence a douter de star-ship j’attend son décollage depuis trois-ans…on le promettait pour MARS 2023 on arrive a la mi-avril et la fusée est encore prise dans le ciment…Ou la FAA fait tout en son pouvoir pour nuire a Elon Musk…….

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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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