Le détail du projet d’Elon Musk et de SpaceX pour aller sur Mars

Voyageur en apesanteur devant Mars
Ce sera peut-être vous ?

Voici davantange de détails sur les annonces d’Elon Musk lors de sa conférence du 27 septembre 2016.

SpaceX: objectif Mars

Cette conférence est une présentation de l’architecture des projets de la société SpaceX concernant la planète Mars, pour l’instant son activité principale est le ravitaillement de la station spatiale internationale grâce à sa navette Dragon et la mise en orbite de satellites avec son lanceur Falcon 9 mais son nouvel objectif est de rendre la planète rouge accessible à une grande partie de l’humanité pour une installation durable et ce dans un délai d’une dizaine d’années.

Vidéo complète de la conférence

Selon Elon Musk nous sommes aujourd’hui nous face à un choix déterminant: soit nous nous limitons à notre planète et nous prenons le risque que l’humanité s’y éteigne entièrement suite à une catastrophe majeure, soit nous devenons une espèce multiplanétaire et nous préparons une alternative à la Terre sur un autre astre. L’objectif de SpaceX est d’organiser une migration en masse vers Mars afin d’y fonder une ville auto-suffisante qui ne soit pas juste un avant-poste mais le germe une civilisation autonome dans un monde neuf.

Pourquoi Mars (et pas ailleurs ?)

On peut légitiment se poser la question, parmi tous les astres du système solaire pourquoi choisir Mars ? Qu’est-ce qui en fait la planète sur laquelle la colonisation humaine a le plus de chance de succès ? Pour comprendre ce choix, ayons d’abord une vue d’ensemble grâce à une reproduction du système solaire où les astres sont représenté à l’échelle réelle.

Système solaire et ses astres à l'échelle de taille
Les astres du système solaire à échelle de taille réelle (SpaceX)

Nous sommes sur le troisième petit caillou à partir de la gauche et l’objectif est d’aller sur le quatrième petit caillou qui correspond à Mars. Juste après on peut aussi voir Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune ainsi que Pluton et ses amis (les planètes naines).

Le soleil et les planètes
Les astres du système solaire dans l’ordre de distance au Soleil (SpaceX)

Notre voisine immédiate est Vénus, il s’agit littéralement d’un bain d’acide surchauffé à haute pression, la température en surface y de plusieurs centaines de degrés Celsius, la pression est près de 100 fois plus élevée que sur Terre et écrase tout, son épaisse atmosphère est parcourue de nuages d’acide sulfurique qui libèrent régulièrement des pluies, son environnement particulièrement hostile ne ressemble donc en rien à la Terre, et les difficultés pour s’y installer son quasi insurmontables.

Juste avant Venus il y a Mercure, c’est une petite planète sans atmosphère qui présente toujours la même face surchauffée au Soleil pendant que l’autre face est plongée dans une obscurité glaciale et sans fin. Les conditions y sont proches de la Lune mais en moins favorables.

Mercure et Venus sont particulièrement inhospotalière, pluton (tout comme les autres planètes naines) est aux confins du système solaire (le voyage durerait des années) et le Soleil n’est qu’un point dans son ciel à peine plus lumineux que les autres étoiles (sa lumière ne constitue qu’une maigre source d’énergie).

Les autres planètes sont des géantes gazeuses qui ne peuvent nous accueillir à leur surface mais elles possèdent des lunes dignes d’intéret, certaines avec une atmosphère, d’autres avec des océans recouverts pars une surface de glace mais elles restent très éloignées et pour l’instant la durée du voyage reste trop importante (pour avoir un ordre de grandeur, il a fallu sept ans à la sonde Cassini-Huyghens pour rejoindre Saturne !)

On pourrait aussi envisager d’aller sur notre voisine la Lune, le voyage ne durerait que quelques jours et consommerait moins de carburant par certains aspect ce serait peut-être encore plus compliqué que de s’installer sur Mars, la Lune est plus petite qu’une planète, elle n’a pas d’atmosphère, elle ne dispose pas d’autant de ressources ques Mars, et il n’y a pas d’alternance de jour et de nuit (chacune des faces est soit continuellement éclairée soit toujours dans l’obscurité). Il sans doute possible de s’établir sur la Lune mais les conditions ne sont favorable à l’établissement d’une civilisation autarcique.

Comparaison Terre-Mars

En réalité Mars et La Terre sont des planètes qui, par de nombreux aspects, sont assez proches, il est même difficile de croire à quel point la Mars primitive ressemblait à la Terre et si nous étions capable de la réchauffer elle retrouverait une épaisse atmosphère et des océans d’eau liquide. L

Mars est environs une fois et demi plus loin du Soleil que la Terre et son ensoleillement, bien que plus faible, reste suffisant pour exploiter l’énergie solaire. Elle reçoit moins de chaleur mais on peut envisager d’y provoquer un certain réchauffement.

Elle a une atmosphère peu dense (une centaine de fois moins que la Terre) composée essentiellement de dioxyde de carbone avec un peu de diazote et d’argon. Elle ne présente qu’une protection relative contre les rayons cosmiques, le vent solaire et les rayons ultraviolet mais mieux vaut une faible protection que pas de protection du tout ! Par ailleurs on pourrait l’exploiter, une fois comprimé cet air martien pourrair être utilisé pour faire pousser des plantes, le dioxyde de carbone peut également figurer parmi les réactifs de cartaines synthèses chimique (en particulier celle du méthane par la réaction de Sabatier).

Sa gravité est environ 3 fois plus faible que sur Terre ce qui par conséquent permettrait à un être humain de pousser ou soulever des charges plus lourdes que sur Terre et de se déplacer plus facilement.

La durée du jour y étant presque le même que sur Terre (presque 24 heures) il serait possible d’y garder le même ryhtme biologique et de conserver les mêmes phases de veille et de sommeil .

Des volontaires pour aller sur Mars ?

Actuellement il y a 7 milliards de personnes sur Terre et zéro sur Mars…Il y a donc encore un gigantesque espace de libre à occupper. Un énorme travail d’exploration a été réalisé par la NASA et les autres agences spatiales pour cartographier la surface martienne, trouver des endroits où aterrir, déterminer la composition exacte de l’atmosphère et du sol, détecter la glace etc.. et ces informations seront précieuses pour préparer notre arrivée sur la planète rouge mais avant de batir une ville martienne il faut lui trouver des habitants.

Diagramme de Venn des volontaires actuels pour un départ vers Mars
Diagramme de Venn, situation actuelle (SpaceX)

Si nous observons un diagramme de Venn nous voyons qu’il n’y a pas d’intersection entre le groupe des gens qui veulent aller sur Mars et le groupe de ceux qui ont les moyens de se payer un tel voyage tout simplement car il n’y a pas d’offre pour un tel voyage.

Diagramme de Venn des volontaires pour Mars avec les technologies utilisées actuellement
Diagramme de Venn tenant compte des technologies actuelles (SpaceX)

Si l’on considère les technologies actuelles on peut estimer, en étant optimiste, que le voyage vers Mars reviendrait à environ 10 milliards de dollars par personne alors que par comparaison le programme Apollo a un coût estimé de 100 à 200 milliards de dollars actuel pour envoyer 12 astronautes sur la Lune il ne coûtera donc pas plus cher d’aller sur Mars que d’aller sur la Lune mais ce n’est pas suffisant… Dans ces conditions les cercles du digramme de Venn ne sont que tangents, on ne peut pas espérer obtenir une intersection et créer une civilisation auto-suffisante sur Mars tant que le prix d’un voyage sera de 10 milliards de dollars par personne. On a donc besoin de rapprocher ces cercles en abaissant le coût par trajet et faire en sort qu’il soit équivalent au prix moyen d’une maison aux USA soit environ 200 000 dollars.

Diagramme de Venn des personnes des volontaire pour un départ vers Mars avec le projet SpaceX
Diagramme de Venn d’après les projection du projet SpaceX (SpaceX)

Dans ces conditions la proportion de personnes sur Terre souhaitant aller sur Mars sera encore faible mais parmi elles certaines auront les moyens de se payer le voyage. Si quelqu’un veut vraiment partir et fait preuve d’une vraie motivation alors il pourra faire des sacrifices qui lui permettrons de réunir la somme nécessaire.

Réduire le coût d’un voyage vers Mars

Le problème est donc de diviser le coût du voyage vers Mars d’un facteur 50 000 ! Ce ne sera pas simple, si l’on est pessimiste on peut même dire que cela semble virtuellement impossible mais on peut y arriver en jouant sur quatre facteurs essentiels: utiliser des lanceurs et navettes entièrement réutilisables, arriver à ravitailler une navette en orbite, produire du propergol sur Mars et pour finir trouver le propergol le plus efficace.

La réutilisabilité est sans doute l’objectif le plus important mais aussi le plus complexe, et le plus difficile à atteindre. C’est déjà un véritable challenge pour les systèmes en orbite terrestre mais pour une navette devant rejoindre une autre planète la difficulté est d’un tout autre ordre. Pour comprendre l’impact de la réutilisabilité sur le prix d’un voyage prenons l’exemple d’un avion de ligne, (mais cela peut s’appliquer en réalité a tout moyen de transport de la voiture au vélo…), si l’on ne l’utilise qu’une seule fois le prix d’un voyage ne peut être réduit en deçà du coût de production mais si l’on réalise des vols fréquents le montant du voyage est divisé d’un facteur correspondant au nombre de vol.s Ainsi, si un avion de 90 millions de dollars avec 180 places n’est utilisé qu’une seule fois chaque voyage coûte 500 000 dollars mais en proposant des vols réguliers le prix peut être abaissé à quelques dizaines de dollars.

La réutilisation des navettes spatiales envoyées vers Mars sera limitée car les configurations favorables (lorsque la distance Terre-Mars est minimale) ne se reproduisent que tous les 26 mois, cela signifie qu’une même navette ne peut être réemployée qu’environ tous les deux ans. Par contre les lanceurs et leurs réservoirs pourraient servir pour plusieurs lancers de navette et amortir une énorme partie du coût du lancer.

Par ailleurs un même lanceur pourraient réapprovisionner plusieurs fois une navette en propergol (carburant et comburant) une fois que celle-ci serait en orbite terrestre afin d’augmenter sa réserve de propergol or avec davantage de propergol la navette peut allez plus vite (voyage plus court) et surtout elle peut transporter une masse plus importante. En accroissant la charge utile expédiée vers la planète rouge on augmente la capacité en voyageur et en matériel et l’on réduit d’autant le coût par personne. D’après Elon Musk ce ravitaillement en orbite permettrait de diminuer le coût du voyage d’un facteur proche de 500. Les navettes pourront être plus grandes, plus puissante et mais la limite de leur poids (et donc de leur taille) sera la puissance des lanceurs plus puissants.

Il serait également absurde d’envisager établir une civilisation sur Mars en envoyant des navettes condamnées à y rester sans retour possible verre la Terre. Les navettes seraient alors à usage unique (pas d’amortissement du coût de production) et le voyage serait alors limité à des personnes n’envisageant aucun retour (pas le droit de changer d’avis, ce qui est profondément anti-commercial !). Il faut se rappeler que l’atmosphère est essentiellement constituée de dioxyde de carbone, et qu’on peut trouver aussi de la glace d’eau dans le sol enfouie à des profondeurs variable, avec ces deux ingrédients on peut produire du dioxygène et du méthane par une réaction chimique simple en utilisant l’énergie solaire.

Trois carburants étaient envisagés par SpaceX pour alimenter les moteurs des navettes martiennes. Il y a tout d’abord le kérosène utilisé pour certaines fusées mais il est nécessaire de lui faire subir un raffinage très poussé à partir d’hydrocarbures absents du sous-sol de Mars qui n’a pas de pétrole (formé à partir de résidus organiques de plantes et de faunes). Ensuite vient l’hydrogène qui est difficile à liquéfier et qui serait compliqué à stocker sur Mars. Par conséquent le méthane est considéré comme le meilleur candidat pour servir de carburant. Afin de de minimiser les coûts le système de propulsion du voyage Terre-Mars sera le même que celui du voyage retour et fonctionnera donc aussi avec du méthane.

Feuille de route de SpaceX pour coloniser Mars

Cette vidéo est une présentation de ce que prévoir SpaceX, il ne s’agit pas d’une vue d’artiste mais d’une simulation basées sur des modèles d’ingénierie spatiale. En résumé, il est prévu que la navette soit placée par en orbite terrestre par un lanceur, ce dernier revient sur Terre rapidement, en une vingtaine de minutes, puis est à nouveau utilisé pour rejoindre la navette avec un réservoir de carburant plein qui permet de remplir celui de cette dernière, cette opération peut être répétée plusieurs fois jusqu’à ce que les réservoirs de la navette soient pleins. La navette entame alors son voyage vers Mars.

Ces départs auront lieu tous les 26 mois mais on peut envisager plusieurs vols à cette occasion, peut être un millier en quelques semaines, lors desquels une flottent de navette permettraient de quitter la Terre en masse pour la planète rouge. Les navettes seront également réutilisées tous les deux ans (de la Terre vers Mars et de Mars vers la Terre), avec une durée de vie d’environ 30 ans, elles pourront donc faire chacune de 12 à 15 voyages.

Les futurs navettes et lanceurs

Navette surmontant de le lanceur du projet SpaceX pour Mars
Vue en coupe du lanceur surmonté de la navette (SpaceX)

Cette navette comprend un compartiment pressurisé pouvant accueillir une centaine de personnes avec leurs bagages, un compartiment non pressurisé abrite une unité de production de propergol ainsi que tous les outils nécessaires pour vivre isolé sur Mars pendant deux ans.

Dixit Elon Musk la capacité d’accueil de cette navette cargo doit nécessairement être au minimum d’une centaine de places si à terme on souhaite atteindre le seuil d’un million de personnes et créer une civilisation martienne vraiment autosuffisante. Si l’on veut atteindre l’objectif de 1000 voyages tous les deux ans il faudra du temps pour construire les navettes mais il est prévu par la suite d’étendre leur capacité à près de deux cents ainsi la barre du million de colons martiens doit pouvoir être franchie après 20 à 50 départs, puisque ces derniers sont espacés de deux alors on peut estimer à une centaine d’années la durée nécessaire pour que les colons martiens soient autosuffisants.

Le lanceur qui mettre la navette de SpaceX en orbite
Le lanceur qui mettra la navette en orbite (SpaceX)

Le lanceur est essentiellement composé de fibres de carbones imperméables aux gaz et aux liquides, résistant aux hautes pressions mais les réservoirs cryogéniques en fibres de carbone représentent un vrai défit technologique, ce n’est que depuis peu que cette techonologie est maîtrisée et permet de s’affranchir d’une double paroi en métal qui alourdit les fusées. Le moteur a aussi été simplifié par rapport à ceux du Falcon 9, les seuls gaz qui interviennent sont uniquement le dioxygène et le méthane. Ce lanceur est capable de transporter une charge utile de 550 000 tonnes soit 25 fois plus qu’une fusée Ariane ou qu’un Falcon 9 et près de 4 fois celle d’une fusée Saturn 5. Celui-ci sera d’une efficacité encore jamais atteinte.

L’un élément clé est le moteur raptor qui est alimenté par un propergol de methane et de dioxygène refroidis à un point proche leur température de solidification alors que d’habitude ils sont proches de leur température d’ébullition, cela permet de d’augmenter leur densité de 10 à 20 pourcent et d’améliorer considérablement les performances du moteur grâce à un débit d’alimentation plus élevé.

Moteur raptor
Le moteur Raptor et ses caractéristiques

Un lanceur s’avère indispensable sur une planète à forte gravité comme la Terre mais il n’est pas nécessaire pour quitter des astres plus petits comme la Lune, Mars ou les lunes de Jupiter. Ainsi une simple navette est suffisante pour explorer la plupart des astres du système solaire. En ce qui concerne le retour du lanceur, nous ne cessons d’optimiser la précision laquelle il se atteint sa cible.

Le propulseur du lanceur comporte à sa base 42 moteurs Raptor et si certains font défection cela ne compromettra pas la suite de la mission. Leur rôle est d’accélérer la navette est d’augmenter sa vitesse de 8,65 km/h chaque heure. A la base du propulseur on peut distinguer 7 moteurs centraux entourés de deux anneaux, le premier avec 14 moteurs et le deuxième avec 21 moteurs. Certains sont mobiles et sont utilisés pour l’atterrissage. 7% du propergol est réservé au retour sur Terre, à base de lancement.

Navette qui sera envoyée par SpaceX sur Mars
Vue en coupe de la navette (SpaceX)

En ce qui concerne la navette, la partie supérieure est constituée d’un compartiment sous pression destinée à accueillir les voyageurs suivie de la partie cargo non pressurisée puis des réservoirs et du système de propulsion. Il est prévu d’embarquer 100 passager par navette mais l’objectif est d’atteindre le nombre de 200. En prévision de l’arrivée sur Mars et de la rentrée dans l’atmosphère la navette est équipée d’un bouclier thermique dont la technologie est inspirée de celle des navettes spatiale Dragon. Il n’y aura pas de gravité dans le compartiment des voyageur, on aura l’impression que poids corps humain s’annule et il sera possible d’y flotter ou éventuellement de choisir de s’enfermer dans sa cabine pour lire ou encore d’aller au restaurant, il est vraiment important de pouvoir se distraire et d’apprécier le voyage.

La production de propergol sur Mars

L’unité de production de propergol, exploitera sur Mars les ingrédients disponibles sur place: le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère et la glace d’eau enfouie dans le sol. L’électrolyse de l’eau (l’électricité sera forunie par des champs de panneaux solaires) donnera du dihydrogène et du dioxygène, puis par réaction de Sabatier le dioxyde de carbone et le dihydrogène formeront du méthane et de l’eau. Ce procédé permet donc d’une manière assez simple et peu couteuse d’obtenir le dioxygène et le méthane nécessaires aux moteurs de la navette pour le voyage retour

Le financement

Le financement de ce projet est un véritable défit SpaceX compte sur les lancements de satellites et les ravitaillements de la station spatiale internationale pour réunir les premiers fonds, elle espère aussi investisseurs privés intéressés souhaitant s’implanter sur Mars ou des commandes gouvernementales. Il est probable s’engage une partenariat public-privé (avec la NASA, l’armée ?) comme il en existe beaucoup aux USA. Pour l’instant SpaceX utilise ses propres fonds mais espère engranger rapidement de premiers soutiens qui feront boule de neige. Elon Musk se se dit lui-même totalement investi dans ce projet et il et prêt à y apporter toutes les contributions nécessaires.

Les dates clées de l’histoire de SpaceX

Pour SpaceX tout a commencé en 2002, la société se résumait alors à des locaux avec de la moquette et des employés qui formaient un groupe de mariachis, Elon Musk avoue qu’alors les chances de réussir à atteindre l’espace n’étaient pas estimées à plus d’une sur dix. Pour s’imposer dans l’arène spatiale il a fallu de la persévérance, une énorme motivation et surtout un optimisme inébranlable à une époque où l’euphorie de la conquête spatiale est largement retombée…

Elon Musk, ses Maracas et son groupe de mariachi
Elon Musk et son groupe de mariachis (SpaceX)

SpaceX commence par développer son propre lanceur qu’il baptise Falcon 1, le premier tir a lieu en 2006 mais c’est un échec, tout comme la deuxième et la troisième tentative. En 2008 la société est au bord de la ruine mais réussi tout de même à financer un quatrième tir et cette fois le succès est au rendez-vous, il s’agit de la première marche d’une ascension inespérée. La même année SpaceX est adoubée par la NASA qui signe un contrat lui confiant de futurs ravitaillements de la station spatiale internationale, difficile de rêver d’une plus grande reconnaissance. Quelques années plus tard c’est au Falcon 9 de prendre son envol, d’un capacité 20 fois supérieure à celle du Falcon 1 il est destiné à lancer la navette Dragon mise au point pour honorer le contrat de la NASA. Les vols tests ont lieu en 2010 et la première mission se déroule avec succès en 2012. Depuis SpaceX ne cesse de faire progresser ses lanceurs qui peuvent décoller à partir d’une plateforme maritime et revenir sur leur base de lancement afin d’être réutilisés.

Chronologie de SpaceX
La chronologie de SpaceX (SpaceX)

Il est prévu que dans quelques années une navette Dragon 2 (non habitée) atteigne Mars et qu’ensuite s’enchaîne à rythme régulier des missions vers la planète rouge. L’originalité de la navette Dragon est de disposer d’un système d’atterrissage reposant sur l’utilisation de ses propulseurs ce qui lui permet de repartir sans difficulté et de revenir sur Terre, ce ne serait pas possible avec de simples ailes ou des parachutes.

Au delà de Mars…

Le projet de voyage habité vers Mars s’appuie sur un lanceur réutilisable, une navette équipée de propulseurs permettant non seulement d’atterrir mais aussi de repartir pouvant transporter une unité de production de propergol. On peut envisager de reproduire, voire d’adapter, ce protocole pour atteindre d’autre destinations, pourquoi ne pas aller de Mars vers les lunes de Jupiter ou de Saturne voire jusqu’au nuage d’Oort. Si l’objectif Mars est atteint alors on peut espérer atteindre n’importe quelle astre du système solaire même rêver d’aller plus loin…

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