Aller sur Mars, c'est bien. Mais comment en repartir ?

Aux yeux des ingénieurs de la NASA, Mars ressemble à une plante carnivore de l’espace.

La planète nous envoûte avec ses promesses de grandes découvertes scientifiques, mais dès l’atterrissage, la gravité et le rude climat local s’occupent de nous coincer sur place.

Rentrer n’est pas une option. S’il y a une seule leçon à retenir du film « Seul sur Mars » concernant l’exploration spatiale dans le monde réel, c’est que l’opinion publique s’opposera au fait de dépenser des milliards de dollars pour que des astronautes se retrouvent coincés sur une autre planète. Ce qui fait sans aucun doute du voyage retour la partie la plus importante de tout projet de la NASA sur la planète rouge.

Le véhicule d’ascension que la NASA devra construire pour remplir cette mission, le Mars Ascent Vehicle (MAV), représente un véritable défi d’ingénierie. Avec le plein de carburant, il est trop lourd pour décoller de la Terre et se poser sans danger sur Mars.

Le véhicule devra plutôt être préassemblé puis envoyé sur la planète rouge plusieurs années avant l’arrivée des astronautes, et fabriquer son propre carburant en le pompant dans la mince atmosphère martienne.

Et après ? Le MAV doit être suffisamment résistant pour rester entièrement opérationnel malgré les assauts des gigantesques tempêtes de poussière et des éprouvantes radiations UV. Après le décollage, le véhicule, de configuration exiguë, devra subvenir aux besoins des astronautes pendant plusieurs jours, alors qu’ils manœuvrent en direction du vaisseau en orbite qui aura le rôle final de les ramener sur Terre.

Le MAV sera une mission dans la mission : la mise en orbite d’un vaisseau spatial habité au départ de d’une autre planète. Le tout, du premier coup.

UNE CARGAISON BIEN REMPLIE

Une mission sur Mars constituerait la première caravane de l’espace de l’humanité. Pas moins de cinq vaisseaux différents pourraient être nécessaires pour transporter les astronautes et leur cargaison vers la planète rouge.

Une partie de cette cargaison peut être divisée en petits composants, puis rassemblée par les astronautes dès leur arrivée. Ce n’est pas le cas du MAV. « Personne n’aimerait se retrouver sur Mars à essayer de monter des moteurs, en combinaison spatiale, avec des moufles aux mains et dans un environnement poussiéreux », a déclaré Michelle Rucker, ingénieure système au Johnson Space Center de la NASA.

Dans le jargon de la NASA, le MAV serait donc « le plus gros élément indivisible de charge utile » de la mission, avec un poids estimé à 18 tonnes. A ce jour, le plus gros objet jamais envoyé sur la surface martienne est le rover d’une tonne Curiosity.

Poser un objet sur Mars, et en particulier un objet de plusieurs tonnes, est bien plus difficile que de le faire atterrir sur Terre. Ici, la capsule n’a qu’à se laisser tomber du ciel, laissant l’atmosphère ralentir sa vitesse de descente.

Sur Mars, où l’air est cent fois plus épais que sur Terre, « il y a juste ce qu’il faut d’atmosphère pour nous embêter, mais pas assez pour pouvoir en tirer parti », explique Rucker. En d’autres termes, l’atmosphère brûlera la capsule, mais ne fera rien pour la ralentir.

Par conséquent, la NASA développe actuellement des technologies telles que le ralentisseur supersonique aérodynamique gonflable, un énorme bouclier conique gonflable qui servirait également de système de freinage.

Le bouclier se déploierait dès l’entrée dans l’atmosphère martienne et permettrait de ralentir l’atterrisseur, le faisant passer d’une vitesse hypersonique à une vitesse supersonique. Au tour ensuite des moteurs-fusées de contrôler un atterrissage en douceur.

Voici les calculs qu’aurait faits l’astronaute Mark Watney pour s’assurer que tout fonctionne bien : l’atterrissage consommera cinq à sept tonnes de carburant. Au moment du décollage de la surface martienne, le MAV aura besoin de 33 tonnes de carburant pour se libérer de l’attraction de la planète, traverser son atmosphère et placer les astronautes et leur cargaison en orbite en toute sécurité pour le rendez-vous et l’amarrage avec leur véhicule de retour sur Terre. Cela fait trop à envoyer en avance. Le carburant devra être produit sur Mars.

VIVRE DE LA TERRE

Pour que les expéditions sur la planète rouge aient ne serait-ce qu’une infime chance de réussir, leurs membres devront vivre de la terre martienne.

Produire le carburant sur Mars permet à la NASA de réduire de plusieurs tonnes la masse de charge utile initiale. De plus, après la fin de la première mission, l’équipement peut être laissé sur Mars en tant que structure de base à partir de laquelle s’étendront les installations de production de carburant, mais aussi d’eau et d’air pour les explorateurs à venir.

Les moteurs du MAV peuvent être alimentés en méthane et oxygène liquide. Tous les ingrédients nécessaires à la fabrication de ce carburant (le carbone, l’hydrogène et l’oxygène) existent sur la planète rouge, il suffit de savoir où chercher.

En théorie, on peut extraire de l’oxygène à partir de l’atmosphère martienne, composée de 95 % de dioxyde de carbone (CO2), ainsi qu’à partir de l’eau liquide et gelée (H2O) enterrée sous la surface. On peut mélanger les restes de carbone et d’hydrogène pour fabriquer du méthane liquide.

Devoir forer pour trouver de l’eau ajouterait cependant un élément d’incertitude indésirable à une mission déjà très difficile. L’extraction et le traitement sont des activités bien plus complexes que le fait de simplement utiliser l’atmosphère martienne. « L’autre problème de la production de carburant à partir d’eau sous-terraine est que cela obligerait à atterrir sur un lieu où la présence d’eau ne fait aucun doute », explique Racker. Si on a besoin de creuser mais « qu’on atterrit à un endroit qui s’avère être un sol rocheux, alors on a tout perdu », continue-t-elle.

Si l’hydrogène ne peut pas être extrait de l’eau martienne, le plan B serait d’envoyer une cargaison d’hydrogène sur Mars comme source de matière première de fabrication du méthane. Pour une mission initiale cependant, il n’en est pas question. Bien que l’hydrogène soit léger, il doit être transporté dans des immenses cuves de stockage, lesquelles occuperaient un espace considérable et précieux.

« Nous avons un projet d’atterrisseur avec une sorte de plate-forme sur le dessus », déclare Tara Polsgrove, ingénieure en aérospatiale au centre de vol spatial Marshall de la NASA. « Pour le moment, le MAV occupe pratiquement toute l’espace sur cette plate-forme. Il ne reste pas beaucoup de place pour une cuve d’hydrogène. »

Les ingénieurs de la NASA pourraient placer les réserves d’hydrogènes dans le MAV en l’agrandissant dans le sens de la hauteur plutôt que dans la largeur. Toutefois, augmenter la taille de l’engin spatial est un scénario qu’il est préférable d’éviter. Ils craignent qu’un véhicule trop grand présente un plus grand risque de basculer après l’atterrissage.

De plus, Rucker ajoute qu’un MAV plus grand ajouterait une difficulté physique supplémentaire aux astronautes. Si l’un ou plusieurs d’entre eux se retrouve immobilisé, le fait de devoir monter une longue échelle serait malvenu. Garantir un accès facile doit être une priorité principale.

Le projet tel qu’il existe pour le moment prévoit d’envoyer un véhicule d’ascension entièrement chargé de méthane liquide et équipé d’une usine de chimie qui produirait de l’oxygène liquide à partir de l’atmosphère martienne.

Ce processus devrait prendre un à deux ans. Une fois les cuves du MAV pleines, l’équipage humain serait envoyé sur Mars dans la certitude d’y trouver un véhicule avec le plein de carburant pour les ramener dans l’espace.

Mais les ingénieurs de la NASA ne sont pas près de crier « Mission accomplie ! ». « L’un de nos défis est l’utilisation de carburants cryogéniques, » confie Rucker. « Lorsqu’on fabrique du carburant sur Mars, il faut être capable de le garder au frais pendant les quelques années qui précèdent son utilisation sans qu’il ne s’évapore. »

« Nous avons des carburants, mais pour l’instant aucune de nos valves n’est parfaitement étanche », ajoute Polsgrove. « Il faut y penser, c’est pourquoi nous donnons la priorité au développement technologique dans le domaine des valves à faible niveau de fuite. »

Plus généralement, les ingénieurs craignent que le temps ne joue pas en leur faveur. Il faudra un à deux ans pour que le MAV produise son carburant. L’équipage humain fera ensuite un voyage de 200 à 350 jours vers Mars, suivi d’une exploration de la planète rouge d’une durée pouvant aller jusqu’à 500 jours.

Faites le calcul : le MAV devra rester opérationnel et paré au décollage pour tout au plus quatre ans après s’être posé sur Mars. « Il sera resté dans l’environnement martien », explique Rucker. « Il aura été posé dans la poussière. En proie à d’intenses radiations UV. A quoi ressemblent vos meubles de jardin après avoir passé si longtemps à l’extérieur ? Et encore, ça, c’est sur Terre, où la protection est considérablement meilleure que là-bas. »

ENFILEZ VOTRE COMBINAISON !

Parmi les nombreux paramètres à prendre en compte dans la conception du MAV, l’un des plus importants est celui de l’habit des astronautes.

« Vous avez déjà vu des photos prises à bord de la station spatiale », commente Rucker. « Ils vivent en short et en t-shirt. Lors d’un vol stable dans un gros véhicule, cela suffit. Dans le véhicule d’ascension, il n’y a pas d’échappatoire. Au cas où un trou s’y forme, où que ce soit, il vaut mieux porter une combinaison. »

Mais quel type de combinaison ? Celles que les astronautes auront portées lors de l’exploration de la surface de Mars, appelées combinaison de sortie extravéhiculaire, sont lourdes et encombrantes. Si les astronautes les portent à bord du MAV, les ingénieurs devront augmenter la taille de la cabine.

Ajoutons à cela le fait qu’il y aura de la poussière martienne collée aux combinaisons. Ce n’est pas le genre de souvenir que les astronautes devraient rapporter chez eux sans protocoles de protection planétaire bien définis.

Rucker considère que la meilleure option est de laisser les combinaisons encombrantes sur Mars, où l’expédition suivante pourra les récupérer comme pièces de rechange. A la place, les astronautes sur le départ porteront des combinaisons « d’activité intravéhiculaire » (IVA), ces tenues orange portées par l’équipage de la navette à bord du vaisseau lors du décollage et de la rentrée dans l’atmosphère.

Ces combinaisons IVA sont plus légères et un peu plus flexibles. On peut également les protéger de la poussière martienne en limitant leur exposition à l’environnement extérieur sur Mars. Les astronautes quitteront leur habitat pour s’installer dans un rover par le biais d’un port d’amarrage. Une fois installés dans le rover, ils se changeront dans une combinaison IVA pimpante de propreté pour rejoindre le MAV. L’entrée se fera par un tunnel sous-pression conçu spécialement à cet effet.

Le problème, avec le fait d’apporter un tunnel sur Mars, est qu’il ajoute le poids d’un équipement supplémentaire qui ne sera utilisé qu’une seule fois. Cependant, Rucker pense que le tunnel pourrait avoir d’autres utilités.

« Je le considère comme un équipement loin d’être inutile », dit-elle. « Avec ce tunnel, au lieu d’avoir un grand habitat unique, on peut envisager d’avoir plusieurs habitats plus petits et d’utiliser le tunnel pour les connecter… Ce n’est jamais bien d’ajouter un nouvel élément, mais s’il s’agit d’un élément capable de résoudre beaucoup de problèmes, cela peut être un avantage. »

DIRECTION LA TERRE

Il est enfin l’heure de partir.

L’intérieur du MAV est austère pour minimiser son poids. C’est un taxi spatial sans retour, pas un habitat. En fait, les ingénieurs se posent même la question de ne pas y mettre de sièges. Le cas échéant, les astronautes devront se tenir debout pendant la durée du voyage.

L’ascension propulsée par des fusées durera sept minutes. Mais le voyage ne s’arrête pas là. Les astronautes devront brûler un peu plus de carburant pour se placer en orbite afin de rejoindre le véhicule de retour sur Terre (ERV) pour l’amarrage.

Autrement dit, les astronautes pourraient bien rester à bord du véhicule d’ascension pendant une durée pouvant aller jusqu’à 43 heures, si l’ERV est bien placé sur une orbite d’un sol, c’est-à-dire une orbite elliptique à une altitude allant de 155 à 21 000 miles (250 à 33 700 kilomètres) au-dessus de la surface martienne. Cela reste une question sans réponse pour les porteurs de la mission Mars, commente Rucker.

« Ceux qui s’occupent de la propulsion dans l’espace veulent pouvoir garder cet énorme habitat de transit aussi haut que possible », dit-elle. « Ils souhaitent éviter de replonger dans le puits de gravité martien. Ils aimeraient vraiment rester à cinq ou dix sols, et laisser le véhicule d’ascension les rejoindre. »

Le problème avec cette solution, ajoute Rucker, est qu’un séjour prolongé à bord du MAV requiert des équipements supplémentaires.

« On peut garder sa combinaison, et on peut se passer d’une soupe chaude et d’aller aux toilettes pendant 43 heures, probablement », dit-elle. « Mais lorsqu’on parle de trois jours, cinq jours, voire sept jours, il faut commencer à ajouter tout cela, ce qui va augmenter la taille du véhicule d’ascension. »

Une fois l’amarrage effectué, l’équipage et la cargaison transférés dans le vaisseau qui les ramènera sur Terre, le MAV se détachera et effectuera une ultime manœuvre pour se placer sur une orbite qui ne risque pas d’interférer avec les missions martiennes à venir. Une fin indigne pour un petit engin spatial ayant joué un rôle central dans l’histoire de l’humanité.