Comment nous mourrons sur Mars : résoudre les problèmes des futurs voyages sur Mars

Établir une présence humaine permanente sur la planète rouge sera risqué, mais les chercheurs trouvent des solutions qui maintiendront les futurs résidents en vie assez longtemps pour mourir paisiblement. Voici comment cela pourrait arriver.

Réunis dans une salle commune, les personnes en deuil disent adieu au corps de leur géologue pionnier, mort d'un anévrisme cérébral. Le service commémoratif de la base martienne rend hommage à un autre colon, mais célèbre également une étape importante pour l'humanité : le 23 juin 2034, elle est devenue la première personne à mourir de causes naturelles sur Mars.

Après le service, tandis que les personnes en deuil se dirigent vers le bosquet public qui sert de cimetière sans tombe, une paire de techniciens déshabille le corps et le déplace dans une pièce entourée de cosses en acier inoxydable. Ce sont des digesteurs de tissus. Les techniciens transfèrent le corps dans une capsule vide et scellent le couvercle. Bientôt, il se remplit d'eau additionnée d'hydroxyde de potassium, une base caustique. Ensuite, la dosette est chauffée à 300° Fahrenheit et pressurisée à 70 psi.

Après environ 12 heures d'hydrolyse alcaline de cuisson sous pression, la gousse se vide avec un whoosh automatisé, ne laissant que les os. Le bouillon est acheminé vers le digesteur anaérobie de la colonie, où les micro-organismes décomposent les déchets biodégradables pour produire du méthane qui alimentera les engins spatiaux et autres véhicules. Le liquide restant devient un engrais avec les os, qui sont séchés à la chaleur et broyés en une poudre riche en azote et en minéraux. L'azote est un composant clé de la chlorophylle, ce qui en fait un ajout précieux à l'engrais utilisé pour faire pousser les cultures martiennes. Tous les solides restants sont transférés dans des bacs à compost pour éventuellement former des matériaux de construction tels que des murs, des planches de terrasse et des panneaux de particules. Chaque molécule est réutilisée. Il n'y a pas de décharges sur Mars. Mourir sur Mars signifie vivre sur Mars, et que notre espèce a maîtrisé les dangers que pose la planète rouge. Les dangers - le voyage dans l'espace, l'atterrissage périlleux et les réalités brutales de la vie sur une planète extraterrestre - sont formidables. Et plus les gens restent longtemps sur Mars, plus les défis augmentent.

Inébranlables, les ingénieurs d'aujourd'hui développent des solutions qui pourraient conduire demain à des funérailles martiennes. Et les premiers humains pourraient atterrir dès 2029, si SpaceX peut tenir son ambitieux calendrier pour s'installer sur Mars. "C'est une chose très dure, dangereuse et difficile, pas pour les âmes sensibles. Il y a de fortes chances que vous mourriez", a déclaré le fondateur de SpaceX, Elon Musk, lors d'une conférence en septembre 2020. "Ça va être dur, mais ce sera plutôt glorieux si ça marche."

Faire fonctionner les choses sur Mars signifiera concevoir une génération de nouveaux équipements, engins spatiaux, atterrisseurs et infrastructures pour fournir et soutenir les résidents permanents sur un monde extraterrestre. À partir du moment où le vaisseau spatial quittera la Terre, chaque étape de la colonisation sera définie par l'ingénierie destinée à permettre aux colons de vivre pleinement leur vie sur Mars.

Chaque hublot est un symbole de défi humain obstiné et de biocentrisme. Pourquoi emmener l'espèce aussi loin sans lui donner la capacité de voir, de ses propres yeux, où elle va ? C'est aussi un signe de fragilité psychologique de l'être humain. Regarder quelque chose, n'importe quoi, au-delà des limites des cloisons du vaisseau spatial est un soulagement bienvenu pour l'esprit ainsi que pour les yeux. Le programme de recherche sur l'homme de la NASA considère "l'isolement et le confinement" comme l'une des principales menaces pour la santé humaine pendant les vols spatiaux de longue durée. Se rendre sur Mars nécessite un voyage d'environ 35 millions de miles, ce qui représente au moins six mois sur un navire probablement à l'étroit et enrégimenté.

Les jours de nausées rongeantes de zéro-G peuvent fusionner, séparés uniquement par des lumières intérieures se rapprochant du cycle solaire de la Terre. Les passagers sont occupés par une routine quotidienne d'exercices, de corvées et de contrôles médicaux, qui visent tous à se maintenir, ainsi que leurs compagnons, en bonne forme physique et mentale. Le corps humain est conçu autour de la gravité. Il s'agit essentiellement d'un récipient de fluide sous pression, et la gravité attire ces fluides jusqu'à nos pieds. Mais dans l'espace, ce fluide s'écoule librement dans le haut du corps, augmentant suffisamment la pression artérielle dans le crâne pour faire gonfler la tête, endommager la vision et réduire les capacités cognitives.

Les médecins terrestres combattent les déséquilibres de pression avec des chambres à pression négative du bas du corps (LBNP) qui attirent les fluides corporels vers les jambes. Les cosmonautes se sont attachés à des machines similaires à la fin des années 1970 pour se préparer à des atterrissages à haute vitesse, craignant des pannes de courant lorsque les fluides corporels se recalibraient sous une gravité intense, mais ils étaient inconfortables et prenaient trop de temps à mettre en place.

Une version mise à jour du LBNP pourrait bientôt retourner dans l'espace. En décembre 2019, Alan Hargens, PhD, physiologiste spatial à l'Université de Californie à San Diego, a publié un article dans la revue Aerospace Medicine and Human Performance décrivant sa conception d'une combinaison mobile LBNP. "Cela fonctionne comme un aspirateur qui aspire un objet du sol", explique Hargens. "Mais dans ce cas, vous aspirez le corps d'une personne jusqu'à sa taille, et elle est enfermée dans la chambre avec une sorte de jupe de kayak."

Le voyage vers Mars exposerait les voyageurs (et leur équipement électronique) à six à neuf mois de rayonnement cosmique s'ils ne sont pas protégés. La dose annuelle moyenne de rayonnement cosmique sur Terre s'élève à 0,33 millisieverts (mSv), et un scanner médical délivre entre 2 et 10 mSv de rayonnement par scan. Le rover Curiosity a allumé son détecteur de rayonnement pendant le voyage vers Mars et a mesuré en moyenne 1,8 mSv par jour. En utilisant ces données, le Southwest Research Institute a calculé qu'un voyage sur Mars exposerait les voyageurs à 330 mSv. Mille mSv augmentent le risque de cancer mortel de 5 % ; La limite de la NASA pour les astronautes est aujourd'hui de 3 %. Tout vaisseau spatial se dirigeant vers la planète rouge doit disposer de boucliers anti-rayonnement robustes, et les chercheurs proposent de nouvelles approches.

Armure légère → Le poids est le principal obstacle à la protection des engins spatiaux contre les radiations, mais les progrès de la science des matériaux ont rendu un bouclier physique plus attrayant. Par exemple, une étude de 2020 a révélé que le polymère de silicium perhydropolysilaxane rarement utilisé est un bon absorbeur de rayons X, de rayonnement gamma et de neutrons. Une autre étude de la NASA de 2020 a révélé que le mélange de poudre de métal oxydé (rouille) dans un polymère, puis son incorporation dans des revêtements couramment utilisés aide à repousser les particules chargées tout en ajoutant un poids minimal.

Toile d'araignée chargée → Une solution élégante au rayonnement pourrait venir en déployant une grande structure légère en gaze qui est chargée à une tension négative élevée pour repousser tous les ions entrants chargés positivement. Ce bouclier électrostatique protège contre les tempêtes de protons causées par des explosions du soleil appelées éjections de masse coronale, et ne peut être déployé que lors de ces événements alors que le navire s'appuie sur un autre système pour sa protection quotidienne.

Bulle Invisible → Si un champ magnétique protège la Terre des radiations spatiales, pourquoi ne pas en apporter un pour le voyage sur Mars ? La NASA a parrainé des années de recherche sur cette technologie. La plus prometteuse, une conception appelée Magnetospheric Dipolar Torus (MDT), comprend un énorme aimant annulaire supraconducteur qui produit un champ magnétique pour repousser la plupart des formes de rayonnement cosmique. Une bobine de compensation avec un courant de mouvement opposé dévie le champ du navire lui-même. Les recherches en cours pour la NASA se dirigent vers un prototype MDT à petite échelle pour les tests.

Atterrir sur Mars est notoirement difficile. L'atmosphère est 100 fois moins dense que celle de la Terre, le sol souvent obscurci par la poussière et le terrain jonché de rochers, de cratères et de pentes. Et "[Mars] a suffisamment d'atmosphère pour être vraiment ennuyeuse et pas assez pour être aussi utile que nous le souhaiterions", déclare Matt Kuhns, qui était ingénieur en chef chez Masten Space Systems au moment de cette interview.

Au fil des ans, les agences spatiales ont utilisé une combinaison d'armures de protection, de parachutes à perte de vitesse, de grues célestes de dernière minute et de cocons d'atterrissage rebondissants pour livrer des rovers et des atterrisseurs à la surface de la planète. L'atterrissage direct et propulsif décrit ci-dessus - notamment utilisé par le Starship de SpaceX, qui est actuellement en cours de construction et de test dans le sud du Texas - pourrait fournir une alternative relativement sûre. Se poser avec précision sera essentiel pour établir une présence permanente sur Mars, car une cadence régulière de fusées de livraison devra atterrir à proximité et non sur l'infrastructure de la colonie.

Heureusement, les humains ont déjà marqué d'impressionnantes cibles interplanétaires. Le 18 février 2021, le rover Mars Perseverance de la NASA a pris des photos du sol tout en parachutant dans l'atmosphère et a fait correspondre ce qu'il a vu à une carte embarquée réalisée par le Mars Reconnaissance Orbiter. Ce système a permis au rover d'atterrir dans une zone de 82 000 pieds carrés de large, un peu plus grande qu'un terrain de football, ce qui en fait l'atterrissage sur Mars le plus précis jamais réalisé.

Le vaisseau spatial doit également s'assurer que le point d'atterrissage est exempt de dangers. En octobre 2020, Blue Origin a lancé une capsule transportant le dispositif d'atterrissage extraterrestre de nouvelle génération de la NASA, le Safe and Precise Landing – Integrated Capabilities Evolution (SPLICE). Quatre miles au-dessus des broussailles de l'ouest du Texas, SPLICE a filmé et comparé des images 3D à une carte, puis a ajusté automatiquement l'atterrisseur pour rester sur la cible et confirmer que le terrain était exempt d'obstacles.

Pour le plus grand plaisir des fans de science-fiction pulp des années 1950, les rétrofusées sont devenues la méthode préférée d'atterrissage des engins spatiaux. Mais sur Mars, ces panaches déchireront de profondes entailles dans le terrain en dessous, exactement là où l'atterrisseur vise à se poser, explique Matt Kuhns, qui était ingénieur en chef chez Masten Space Systems au moment de l'interview. En partenariat avec le bureau Innovative Advanced Concepts de la NASA, Masten (qui fait maintenant partie d'Astrobotic) a développé une solution possible appelée Instant Landing Pad qui ajoute une surface plane à un cratère à la demande.

COMMENT ÇA FONCTIONNE

1→ A quelques centaines de mètres au-dessus de la surface de Mars, l'atterrisseur plane.

2 → Les pastilles d'aluminium sont introduites dans la tuyère d'échappement du moteur, où elles fondent partiellement et sont projetées sur la surface.

3 → Les plombs forment une couche à la surface de l'emplacement d'atterrissage, qui durcit presque immédiatement en une coquille de moins d'un pouce d'épaisseur. "Une fois que vous avez posé la première couche, le reste devrait pouvoir s'accumuler assez facilement", déclare Kuhns.

4 → Après avoir déployé le spray pendant 15 secondes jusqu'à cinq fois, l'atterrisseur se pose sur la surface propre et stable sous la puissance de ses moteurs principaux.

Une éruption solaire rend un rayonnement de fond déjà mauvais sur la surface martienne - environ 38 fois celui de la Terre - encore plus dangereux.

Pour cette raison, les premiers Martiens vivront probablement dans des bunkers souterrains. "Nous devrons prendre des précautions, comme mettre un mètre ou deux de terre au-dessus des colonies", déclare Bruce Jakosky, PhD, professeur de sciences géologiques à l'Université du Colorado et chercheur principal de l'orbiteur Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN), qui étudie le climat de la planète. "L'eau peut également fournir une protection, on pourrait donc construire des habitats recouverts de réservoirs d'eau." Des deux, utiliser de la saleté a plus de sens. Même si les molécules d'hydrogène bloquent efficacement les radiations, elles se propagent dans l'eau. Pour cette raison, il faut environ 14 pieds d'eau pour réduire la pénétration du rayonnement gamma à des niveaux sûrs, par opposition à seulement quelques centimètres de sol martien dans un sac ou cuit en briques.

La détection des tempêtes solaires entrantes est aussi essentielle pour sauver des vies qu'un système d'alerte aux tornades sur Terre. Une éjection importante pourrait apporter une dose de rayonnement qui peut tuer en quelques minutes, et l'accumulation de rayonnement provenant de nombreuses petites tempêtes peut causer des problèmes de santé à long terme, y compris le cancer. Les prévisions météorologiques spatiales martiennes locales nécessitent que leurs propres satellites et stations au sol travaillent ensemble, l'un mesurant les particules frappant la planète et l'autre détectant combien atteignent la surface et à quelle vitesse ils se déplacent. Plus la vitesse est élevée, plus les dégâts sont importants. Lors d'une mauvaise tempête, les Martiens pourraient se retirer dans des chambres souterraines protégées par d'épaisses couches de terre ou d'eau, dit Jakosky. Ceux pris à la surface doivent s'abriter sur place.

L'atmosphère est constituée à 95 % de dioxyde de carbone irrespirable. Les températures sont plus froides, entre 70° et -200° Fahrenheit, par rapport aux 116° à -114° Fahrenheit de la Terre. Heureusement, les colons profiteront de douches chaudes car la vapeur est omniprésente dans une base nucléaire. Contrairement à la Terre, il n'y a pas de débat sur la politique énergétique ici : la NASA, SpaceX et la China National Space Administration reconnaissent que seule l'énergie nucléaire est suffisamment fiable et efficace pour une colonie martienne en herbe.

La différence de température à travers la planète - chaude à l'équateur et froide aux pôles - provoque d'énormes systèmes de basse pression et des fronts polaires, entraînant des tempêtes de vent saisonnières. La mince atmosphère de Mars prive le vent de sa force réelle, même à la vitesse d'un ouragan. Mais les fines particules de surface qui tourbillonnent dans ces rafales créent des tempêtes de poussière qui peuvent envelopper une grande partie de la planète.

Cette poussière est dangereuse, et pas seulement parce qu'elle obscurcit les vues et obstrue les machines. Des rovers et des satellites ont détecté des concentrations de perchlorates toxiques - un sel si réactif qu'il est utilisé sur Terre pour fabriquer du propulseur de fusée - sur la surface martienne qui serait balayée par le vent. "Ceux-ci constituent également un danger pour la santé humaine car ils bloquent l'absorption d'iode par votre thyroïde en cas d'ingestion", déclare Tanya Harrison, PhD, collaboratrice de l'équipe scientifique sur plusieurs rovers martiens de la NASA et responsable des programmes scientifiques de Planet Federal à Washington, DC "Et nous ne connaissons pas la distribution et la concentration mondiales de perchlorates [sur Mars]".

Au moment où les gens atteindront Mars, le temps sera moins mystérieux. Le dernier rover martien de la NASA, Perseverance, est arrivé en 2021 avec une suite de capteurs météorologiques appelés Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA) pour enregistrer les changements dans les niveaux de poussière, la vitesse du vent, la pression atmosphérique, l'humidité relative, la température de l'air, la température du sol et le rayonnement.

"Nous aurons en fait InSight, Perseverance et Curiosity fonctionnant en même temps sur Mars", déclare Don Banfield, PhD, de l'Université Cornell, chercheur principal pour plusieurs capteurs MEDA. "Bien qu'ils soient tous assez éloignés les uns des autres sur Mars, la comparaison des résultats de chacun d'eux sera similaire à la façon dont on peut apprendre en regardant la météo à Miami, New York et Tokyo." (L'atterrisseur InSight de la NASA s'est depuis arrêté en raison d'une accumulation de poussière.)

Malgré la flotte de sondes intrépides de la NASA, il existe peu d'informations équivalentes disponibles pour juger du risque d'une autre bizarrerie extraterrestre : la gravité sur Mars est d'environ 38 % de celle sur Terre. "Nous n'avons pas passé beaucoup de temps sur la gravité fractionnaire", déclare Alan Hargens, physiologiste de l'espace à l'UCSD. "Nous ne l'avons fait que sur la Lune, qui représente un sixième de notre gravité, et seulement pendant quelques jours. Nous ne savons vraiment pas dans quelle mesure nous nous adapterons."

Des études ont montré que la microgravité peut modifier la forme du cerveau, des muscles, des intestins et des cellules cardiaques individuelles. Un effet encore plus étrange pourrait se cacher, car les chercheurs de 2020 ont découvert des modèles de changements dans les génomes des vers nématodes qui étaient allés dans l'espace. Ces changements génétiques comprenaient une diminution de l'épaisseur des filaments épais musculaires, ce qui pourrait aider à expliquer pourquoi les astronautes perdent de la masse musculaire dans l'espace. Les dispositions du cytosquelette des vers ont également évolué pour être plus courtes et plus grosses que les vers qui n'avaient pas voyagé dans l'espace.

Quelques années après leur arrivée, les structures souterraines dans lesquelles les Martiens vivaient pour la première fois ont été remplacées par des habitats autonomes qui semblent avoir été construits par des guêpes géantes.

Des bras robotiques impriment en 3D les habitations martiennes brun vermeil en appliquant un matériau de construction humide - un mélange de fibres de basalte renforcées et d'acide polylactique provenant des bioréacteurs alimentés par les déchets - en couches à durcissement rapide. Les cylindres sont une forme idéale pour un récipient sous pression car leurs surfaces courbes peuvent résister à des pressions plus élevées. Ils offrent également le plus d'espace intérieur. Chacun des bâtiments, à l'abri des éléments et reliés entre eux par des tunnels souterrains, est divisé en étages avec des pièces de taille confortable.

Chaque structure est à double coque en matière thermoplastique. L'espace entre les murs intérieurs et extérieurs sert de puits de lumière, apportant les rayons naturels de la pointe de la structure aux autres étages à travers les fenêtres des murs intérieurs. Un toit clair rempli d'eau baigne une salle de sport d'un doux soleil. Le but n'est pas de construire un sous-marin utilitaire à la surface de Mars, mais une maison confortable.

L'avant-garde d'une main-d'œuvre martienne automatisée prend déjà forme aujourd'hui. La NASA organise une compétition annuelle de robotique minière au Kennedy Space Center depuis une décennie, menant à une pléthore de projets possibles. Dans le passé, le développement se concentrait sur des robots miniers autonomes uniques et ultra-capables. Le concept phare actuel est une flotte de petits robots, chacun conçu pour se déplacer sur des roues à chenilles et aller chercher de petites portions de glace. L'avantage d'un essaim est que certains peuvent s'effondrer et l'exploitation minière vivifiante se poursuivra.

Masten Space Systems a proposé à un moment donné une approche à volume plus élevé, qui capturerait les éjectas glacés des explosions de fusées dans un petit dôme. "Nous pourrions récolter des centaines de tonnes de glace d'eau en très peu de temps", explique Kuhns. "Le petit dôme accumule essentiellement la pression afin que vous puissiez obtenir l'excavation profonde, puis capture également tous les volatils." Avec l'air et l'eau pris en compte, la prochaine étape consiste à cultiver des aliments dans des installations hydroponiques similaires à celles de la Terre. L'eau devrait être désinfectée avant utilisation, et le sol nécessite "un assainissement des impuretés connues, comme les sels et les perchlorates", explique Stephen Hoffman, PhD, ingénieur système qui travaille au Johnson Space Center avec l'équipe d'architecture de Mars de la NASA. Les agriculteurs martiens auraient également besoin d'ajouter des nutriments au sol.

Les recherches menées par le Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBE), une collaboration de la NASA avec plusieurs universités pour créer la technologie sous-jacente permettant de créer un établissement humain autonome et sans déchets sur Mars, révèlent la véritable portée du défi. Les chercheurs de CUBE étudient les microbes qui peuvent produire des nutriments à partir de terres toxiques, utilisent la nanotechnologie pour améliorer la production de molécules complexes dans les cellules vivantes et conçoivent des serres optimisées pour les espaces exigus et restreints.

Les techniciens pourraient cloner des cellules animales pour fabriquer de la viande cultivée en laboratoire afin de compléter un régime principalement végétalien. Une startup israélienne de technologie alimentaire, Aleph Farms, a cultivé de la viande dans l'espace pour la première fois lors d'une expérience en 2020 sur la Station spatiale internationale (ISS). Manger de la viande pendant les vacances pourrait devenir une tradition martienne.

Et si, pour une raison quelconque, les fusées ralentissent ou arrêtent les livraisons, les colons devront fabriquer leurs propres médicaments, vêtements, outils, vitamines et carburant pour fusées. La fabrication additive, qui utilise des matériaux communs pour construire un nombre presque infini de produits avec une seule machine, pourrait aider. Il est courant pour les usines haut de gamme et les garages d'amateurs d'avoir des imprimantes 3D ; il y a deux imprimantes 3D financées par la NASA sur l'ISS qui produisent des pièces depuis 2014 et 2016. Un médecin de l'espace pourrait fabriquer des médicaments spécifiques à la demande à partir d'un inventaire d'ingrédients de base.

L'ampleur de cette production in situ sera stupéfiante si la colonie doit vraiment être considérée comme autosuffisante. Elon Musk a déclaré que pour atteindre la pleine durabilité, il fallait envoyer environ 1 million de personnes vivre sur la planète. C'est plus qu'une colonie ou même une ville ; à ce moment-là, Mars deviendra sa propre entité politique.

A cette phase de son développement, la notion de risque technologique évolue. La machinerie qui a maintenu l'humanité en vie a été perfectionnée mais pourrait introduire des menaces sociétales. "Un petit nombre d'humains spécifiques contrôleront les éléments fondamentaux de la vie : l'air, l'eau, la lumière, les systèmes hydroponiques", a écrit le Dr Bleddyn Bowen, professeur de relations internationales à l'Université de Leicester, sur le blog Spacewatch Global en octobre 2020. "Les citoyens des habitats spatiaux… devront subordonner leurs libertés individuelles aux besoins purs de la capacité de la technologie à maintenir la vie."

Lorsque la géologue a décidé de finir sa vie sur Mars, elle a accepté ces sacrifices personnels, tout comme elle s'est résignée au digesteur de tissus. Ses restes ne trouveraient jamais ici un lieu de repos permanent, mais son rôle de scientifique-pionnière ne sera jamais oublié. Peut-être que ceux qui restent à l'aise sur Terre ne comprendraient pas tout à fait, mais pour elle, Mars est devenu plus qu'une mission. C'était une nouvelle vie, et pas seulement pour elle-même.

Note de l'éditeur : en raison d'une erreur d'édition, une version précédente de cet article répertoriait de manière incorrecte les références professionnelles de Matthew Kuhns. Nous avons mis à jour l'article et regrettons l'erreur.

Joe Pappalardo est un écrivain collaborateur de Popular Mechanics et auteur du nouveau livre, Spaceport Earth: The Reinvention of Spaceflight.

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