Cette réunion est particulière dans le sens où nous accueillons des collègues de la commission Astronautique et Techniques Spatiales (CATS), le sujet pouvant les intéresser.

Après une présentation de l’actualité planétaire, on entame la conférence sur le futur de l’exploration spatiale humaine.

Retour sur la Lune, exploration de Mars ?
Depuis quelque temps, les agences spatiales semblent vouloir s’intéresser de plus en plus à un retour d’astronautes sur la Lune et même au voyage vers la lointaine planète Mars. Quelle est notre expérience dans l’espace pour nous permettre une telle vision ? En avons-nous les moyens, la technologie, le budget, la volonté politique ? Quels sont les projets en cours pour la Lune, les astéroïdes, pour Mars ?
Toute la technologie actuelle est basée sur notre expérience spatiale actuelle. À savoir :
· L’épopée Apollo : 12 hommes sur la Lune entre 1969 et 1972, expérience de la mise en orbite lunaire et des EVA.
· Vols dans l’espace autour de la Terre : la Navette, les stations spatiales : Mir, Skylab, ISS, autres.
· Exploration de toutes les planètes du système solaire, navigation spatiale. Mise en orbite de sondes lunaires.
· Nouvelles nations spatiales : Chine, Japon, Inde, Europe etc..

Que faut-il pour retourner sur la Lune ?
· Une volonté politique.
· Un budget conséquent.
· Un lanceur au moins aussi performant que Saturn V.
· Une capsule type Apollo.
· Des astronautes.
· Un nouveau scaphandre.
· Un module d’atterrisseur lunaire.
· Une mini station en orbite lunaire servant de base de départ, le Gateway.
· Vaincre les dangers du voyage.
· La construction d’une base au cas où on veuille rester plus longtemps.

La volonté politique
En s’opposant un peu au patron de la NASA (Jim Bridenstine) le Président Trump exige que la NASA renvoie des astronautes sur la Lune pour 2024 et sur Mars en 2030. Cela semble-t-il réaliste, beaucoup pense que non. De plus il y a eu plusieurs annonces contradictoires de la Présidence, certaines semblant indiquer que Mars serait prioritaire par rapport à la Lune.

Le budget nécessaire
Le programme Apollo avait monopolisé près de 500.000 personnes qui travaillaient plus ou moins pour ce programme. Le budget des missions Apollo a atteint en dollars d’aujourd’hui la somme de 150 milliards (150 G$). Le budget actuel de la NASA est de 21 G$ pour toutes missions, ISS, Lune, Mars, planètes, Terre… Il semble bien que la NASA réclame maintenant 35 G$. La Chine n’aurait pas un tel problème, officiellement leur budget 2019 serait de 6 G$ et ils ont la volonté d’être les premiers.

Le lanceur approprié
Il faut un lanceur capable de vaincre l’attraction terrestre (11 km/s) et de transporter une charge utile de l’ordre de 30 à 50 tonnes. Jusqu’à présent, il n’existe pas. De nombreuses tentatives sont en développement dans divers pays.

Les futurs projets
Il faut attendre le début de la deuxième décennie du XXIème siècle pour que les USA décident enfin de reconquérir la Lune avec un programme ambitieux. Leur but : débarquement en 20?? de 4 astronautes.

Nous (les Terriens) ne sommes plus capables d’emmener des hommes sur la Lune, en effet, Von Braun est mort, la fusée Saturn V n’existe plus et tous les ingénieurs de cette époque glorieuse sont soit morts soit à la retraite. Mais comme l’idée était bonne, on la remet au goût du jour en l’adaptant avec ce que l’on a appris de la navette ; on va séparer la charge utile non humaine des hommes. C’est la grande différence avec Apollo : le projet SLS (Space Launch System), une capsule multifonction, Orion un peu plus grande qu’Apollo, vols habités vers les astéroïdes, la Lune et peut-être Mars. Le nouveau projet spatial s’appelle Artemis.

Le SLS est un concept de différents lanceurs plus ou moins lourds suivant la charge utile. Mais il y a une grosse différence avec l’époque Apollo : l’espace devient PRIVÉ ! Des entreprises privées sont devenues des acteurs incontournables dans ce domaine : SpaceX ; Blue Origin ; Orbital, Boeing, …

Elon Musk, milliardaire et surtout ingénieur, il a fondé SpaceX et propose des lanceurs récupérables. Et ça marche avec ses Falcon 9 et Falcon Heavy et pour Mars BFR. Il met au point une fusée géante, le Starship. Starship complet (avec son booster) devrait avoir près de 118 m de haut, la version qui a été présentée récemment à la presse, est en fait la partie « noble » du lanceur et ne fait « que » 50 m, elle s’appelle Starship Mk1. Tout est en inox. Starship sera propulsé par le premier étage appelé Super Heavy. Ces deux engins seront équipés du même moteur : le Raptor de nouvelle génération (O₂ et CH₄), Starship en aura trois, de deux sortes différentes suivant qu’ils sont dans l’atmosphère ou dans le vide, Super Heavy en aura au maximum 37 suivant les missions. Tout sera réutilisable facilement. Le modèle final, devrait, d’après Musk, permettre d’envoyer une centaine de personnes vers Mars, suivant sa devise que l’homme devienne une « espèce multiplanétaire ».

Jeff Bezos, milliardaire aussi (Amazon) a créé l’entreprise Blue Origin. Il veut lui aussi se consacrer à l’espace avec ses lanceurs New Shepard et New Glenn. Mais son but est peut-être plus commercial au début au moins, il s’intéresse au tourisme spatial.

Les autres nations
Beaucoup de nations veulent se lancer dans la course à l’espace lointain (Lune, Mars..). Il y a les ” dangereux ” : Chine, Inde. Les moins ” dangereux ” (pour le moment) : Europe, Japon, Russie, Israël,..

La Chine a un véritable programme spatial très ambitieux :

· Station en orbite terrestre pour accueillir des astronautes.

· Programme lunaire avec des robots, dont un sur la face cachée de la Lune.

· Des astronautes chinois aluniront bientôt sur la Lune.

Le lanceur Long March 5, le plus puissant actuellement, s’appelle en chinois CZ-5, il fait 57 m de haute et sa masse est de 867 tonnes. Il est capable de mettre en orbite basse (LEO) 25 t et en géostationnaire 13 t.

La Chine a de fortes ambitions spatiales et notamment lunaires. Elle veut s’installer de façon permanente sur la Lune. Cela va impliquer en premier lieu des robots performants comme Chang’e-5 avec les retours d’échantillons. Ces échantillons devraient permettre aux scientifiques chinois de voir ce que l’on peut faire avec le régolithe lunaire (comme l’ESA le propose aussi) au point de vue construction. Des robots devraient aussi se poser sur les deux pôles lunaires.

Les premiers astronautes vont poser le pied sur la Lune au milieu des années 2020. Cela nécessitera une fusée de type Saturn, ce sera Long March 9 avec ses 93 m de haut. Le rover Chang’e-5 est depuis plus d’un an sur la face cachée de la Lune, et a survécu à plus d’une douzaine de nuits lunaires. Il a déjà parcouru plusieurs centaines de mètres.

Il faudra aussi compter avec l’Inde. Depuis 2008, l’Inde met avec succès en orbite des sondes autour de la Lune, Chandrayaan-1 et maintenant -2. C’est une mission de l’ISRO, Indian Space Research Organization. Outre la cartographie, la mission principale est la recherche de métaux, d’eau (glace) et d’hélium 3, ce matériau magique que l’on ne trouve pas (ou peu) sur Terre, qui pourrait être source inépuisable pour la fusion nucléaire.

La capsule spatiale appropriée 
Pour le moment, seuls les Américains semblent avoir ce genre de vaisseau capable d’aller jusqu’à la Lune. Ce sont la NASA et des entreprises privées. La NASA a démarré avant les autres, mais cela ne veut pas dire qu’elle sera prête avant les partenaires privés. La capsule de la NASA s’appelle Orion, c’est une super Apollo, elle est construite par Lockheed Martin. La partie module de service est fabriqué par l’ESA, basée sur la technologie de l’ATV.

Première mission d’Orion, Artemis 1, le tour de la Lune en 2023, sans et après Artemis 2 avec astronautes. Pour la première fois une société privée américaine (SpaceX) a envoyé une capsule prévue pour transporter des astronautes s’amarrer à l’ISS, y rester une semaine et délivrer la charge utile, puis se désamarrer, pénétrer dans l’atmosphère, et se poser délicatement dans l’Atlantique.

On sait que la NASA a mis en concurrence des sociétés privées pour ses futurs vols spatiaux, ce sont SpaceX et Boeing qui ont obtenu le marché. C’est SpaceX qui dégaine le premier avec sa nouvelle capsule pour transporter des astronautes, la Crew Dragon (ou Dragon 2) qui est une évolution de sa capsule de transport, maintes fois envoyée vers l’ISS, la Dragon. La mission s’appelle Demo-1. La prochaine, Demo-2, transportera des hommes. L’Amérique devrait maintenant être capable d’envoyer des astronautes américains à partir du sol américain et avec un lanceur américain. Depuis la fin de l’ère navette, en juillet 2011, les USA dépendaient du bon vouloir (et du prix de plus en plus cher) des Russes.

La Dragon 2 est une évolution de la capsule de ravitaillement Dragon, elle doit transporter des astronautes et est donc en partie pressurisée. Le module de service est un peu différent de celui du Dragon. Les panneaux solaires sont contre la paroi. La plupart des capsules seront reconditionnées pour de futurs vols. Pour l’amarrage (docking) le cône avant s’ouvre. La capsule pourrait au maximum abriter 7 astronautes. Après un vol d’un peu plus d’une journée pour atteindre l’ISS, l’amarrage automatique s’est produit avec succès le 3 mars 2019 avec une capsule sans astronaute à bord. Prochaine étape, printemps 2020, une mission vers l’ISS avec deux astronautes.

Demi-échec pour Boeing en Décembre 2019 pour atteindre l’ISS avec Starliner sans astronaute. Après avoir procédé avec succès au test « mission abort », Boeing devait lancer sa capsule vers l’ISS. Répétition de mise en orbite avec amarrage à l’ISS, décollage le 20 décembre 2019 de Cap Canaveral, à l’aide d’une fusée Atlas 5. Après le lancement on s’est vite aperçu que la capsule n’était pas sur la bonne trajectoire, ses moteurs ne se sont pas allumés, rendant la rencontre avec l’ISS impossible. D’après Boeing, c’est une panne du compteur interne qui en est la cause. Le système automatique du Starliner a tenté de compenser, mais en dépensant trop de carburant, nécessitant alors un retour sur Terre, prévu pour le 22 décembre. La capsule s’est posée correctement sur Terre, à l’aide de parachutes et de coussins d’air amortisseurs.

Il faut aussi des astronautes 
Avec tous ces nouveaux projets, il faut des hommes, des astronautes, pour piloter ces nouvelles capsules. La NASA a autorisé ses astronautes à se faire engager par ces sociétés privées. La plupart sont des astronautes ayant déjà volé à bord de l’ISS. Ils vont devenir les premiers astronautes « privés » de l’histoire spatiale. Sunita Williams et Josh Cassada seront les premiers de Boeing à aller à l’ISS. Doug Hurley et Bob Behnken seront eux les premiers de SpaceX à aller à l’ISS.

Et des nouveaux scaphandres
Les dernières combinaisons spatiales portées actuellement par les astronautes datent des années 1970. Une combinaison spatiale c’est une mini station spatiale, elle doit assurer la fourniture en oxygène, la régulation thermique, les communications, la protection contre les micrométéorites…bref comporter tout un système de survie. En principe, il existe deux types de combinaisons : une pour les travaux en apesanteur (comme pour les EVA de l’ISS) et une pour les marches et travaux sur la surface de la Lune ou de Mars ou autres corps. Dans le premier cas, la partie inférieure est plutôt rigide car les jambes ne servent pas à grand-chose en apesanteur. Dans le deuxième cas elle doit être suffisamment flexible comme pour les astronautes Apollo en EVA sur la Lune, et aussi trouver une solution à la poussière lunaire. De plus il existe certainement des différences entre scaphandres américains et russes.

Les différents types de scaphandres actuels (ISS, navette) : Il y a deux types de scaphandre, l’américain et le russe. L’américain s’appelle EMU : Extra Vehicular Mobility Unit et le russe Orlan (veut dire aigle en russe). Pour les futurs vols spatiaux, chaque compagnie met au point ses propres combinaisons spatiales. La plus belle : SpaceX, cette combinaison n’est faite que pour le trajet Terre-ISS et n’autorise pas des sorties dans l’espace. La plus bleue : Boeing, plus légère et plus souple et zippable, à mon avis que pour l’intérieur de la capsule, donc pas d’EVA non plus. Indépendamment de ces deux firmes, le MIT travaille pour la NASA, sur une combinaison juste-au-corps qui colle à la peau, le biosuit. Cette combinaison crée une pression à même la peau contrairement aux autres scaphandres. Il y 3 couches : interne pour réguler la température ; centrale assure la stabilité et externe pour la protection. Est-ce la solution aux deux types de combinaisons nécessaires (en apesanteur et sur la Lune) ?

Le module lunaire 
Le fameux LM du programme Apollo a fonctionné sans faille, il faut élaborer un système au moins aussi performant.
Mais il est possible qu’on lui demande une fonction un peu différente, car certains pensent à un module partant de la station lunaire Gateway pour aller sur la Lune y rester longtemps et y revenir. Le rendez-vous au lieu de se faire avec le module de commande se ferait avec le Gateway. Les différentes sociétés privées comme Lockheed, Boeing, Blue Origin etc.. proposent chacune des solutions. La plupart de ces modules devraient être réutilisables et devraient pouvoir permettre au moins deux semaines d’autonomie sur la Lune. Neuf autres compagnies privées ont été autorisées à soumettre des propositions à la NASA pour les atterrisseurs lunaires.

Le Lunar Gateway
Le Lunar Gateway (ou Lunar Orbital Platform Gateway ou LOP-G) est le nouveau concept pour accéder à la Lune. On pense qu’une mini station spatiale servant d’étape vers d’autres missions : Lune, Astéroïdes ou Mars peut être intéressante. Voici quelques caractéristiques simplifiées :

· Station orbitale autour de la Lune, sorte de mini ISS.

· Une première marche vers la Lune ou vers Mars.

· Il y aurait quelques modules permettant d’abriter des astronautes en fixe ou en provenance de la Terre.

· On pourrait à partir de cet avant-poste envoyer un atterrisseur sur la Lune avec des astronautes.

· C’est un concept intéressant et probablement une étape nécessaire.

Cette station devrait être internationale, c’est-à-dire que d’autres nations devraient y participer. Elle devrait être installée autour de la Lune sur une orbite la plus stable possible et surtout la plus économique possible. Au lieu d’orbiter la Lune sur une orbite basse, comme le vaisseau Apollo à l’époque, le Gateway va suivre une orbite très excentrique. Au point le plus proche, il sera à 3000 km de la surface lunaire, au point le plus éloigné, à 70.000 km. Une révolution prendrait 7 jours, durée de base des missions au sol lunaire.

Cet avant-poste devrait contenir plusieurs modules, dont certains en cours de définition :

· Power and Propulsion Module (PPE) fourni par le JPL et Maxar, propulsion électrique et chimique et centre de communication. Lancement par société privée.

· US Habitation Module construit par Northrop Grumman, basé sur les cargos Cygnus envoyés par Orbital ATK.

· ESPRIT (European System Providing Refuelling, Infrastructure and Telecommunications) fourni par l’ESA.

· International Habitation Module.

· Gateway Logistics Module avec bras robotisé Canadarm 3 fourni par les Canadiens.

· Airlock Module pour les EVA.

Les 3 premiers modules devraient être installés en 2023. La première mission vers le Gateway s’appellerait Artemis 3, ce serait un rendez-vous avec le module PPE. Le programme exact est en cours de définition.

Les dangers et les défis des voyages spatiaux
· Les radiations, les effets sur le corps humain.

· Le régolithe lunaire très abrasif.

· Les réserves (nourriture/oxygène) à trouver.

· Trouver une source d’énergie (nucléaire ?).

· Vivre sur place.

Les radiations 
Il y a principalement deux types de rayonnements dangereux :

· Les rayons cosmiques galactiques ou GCR (galactic cosmic rays), particules de haute énergie dues aux supernovae situées hors de notre système solaire.

· Les particules solaires énergétiques ou SEP (solar energetic particles) liées aux éruptions solaires et aux éjections de masse coronale (CME) de notre Soleil (protons).

Les CGR sont les particules les plus dangereuses. Les particules solaires (ions lourds et électrons) sont détectées avec plusieurs jours d’avance car notre étoile est scrutée en permanence et permettent d’anticiper leur arrivée.

Le risque d’exposition aux radiations dépend de ces trois facteurs :

· L’altitude : plus on s’élève, moins il y a de protection, de plus la zone des ceintures Van Allen est très dangereuse

· Le cycle solaire (qui est de 11 ans) : lors du max d’activité il y a de nombreuses émissions de particules.

· Le facteur personnel, certains individus sont plus sensibles que d’autres, les femmes sont aussi plus sensibles que les hommes.

Il faut aussi garder en mémoire qu’un fort taux de radiations peut aussi endommager les circuits électroniques, ce qui va limiter par exemple la durée de vie de la sonde JUNO qui baigne dans le rayonnement intense de Jupiter. Les dernières missions spatiales (ISS et Curiosity avec son détecteur RAD) ont (enfin !) effectué des mesures des radiations en cours de mission.

Les données collectées à bord de l’ISS, montrent que les astronautes sont soumis à une dose de l’ordre de 1 mSv par jour, c’est-à-dire la dose admissible pour un an pour le public. De même, les données relevées sur Curiosity montrent que l’exposition aux radiations pour les astronautes d’un voyage martien serait critique. On évalue un voyage sur Mars aller-retour et séjour à 1200 mSv. On voit que ces chiffres frôlent ou dépassent largement les limites admises, même si les astronautes sont considérés comme travailleurs du nucléaire.

Les dernières données semblent indiquer qu’une longue exposition aux radiations (ex : voyage vers Mars) même à faible dose, causerait des problèmes de mémoire irréversibles aux astronautes. L’idéal pour réduire le temps d’exposition est de réduire la durée du voyage. Sinon pour s’en protéger, il n’y a pas à l’heure actuelle de remède miracle. Les matériaux plastiques contenant beaucoup de molécules d’hydrogène sont les meilleures protections.

Les autres dangers
· Le vide : on a des combinaisons protectrices (à remettre au goût du jour)

· Les variations de température (jour : +130°C, nuit : -180°C) idem

· Le régolithe lunaire est très très abrasif et colle à tout vêtement, il reste stocké dans les poumons, il faut absolument s’en débarrasser avant d’entrer dans des zones de vie

· L’absence de gravité joue aussi sur le corps humain (ISS) et surtout sur les globes oculaires, les astronautes voient moins bien. De plus l’absence prolongée de gravité lors d’un long voyage peut être handicapante lors de l’arrivée sur place.

Tous ces dangers doivent être pris en compte lorsque nos vaillants scientifiques élaborent la possibilité de villages lunaires. Ceux-ci seraient probablement situés près du Pôle Sud, où on sait qu’il y a de la glace. Les premières structures seraient gonflables mais protégées par des briques de régolithe fabriquées sur place à l’aide d’imprimantes 3D. Si cette solution n’est pas retenue, il ne restera que les tunnels de lave.

Pourquoi retourner sur la Lune ?
Indépendamment de certaines réserves minérales, la Lune peut être intéressante dans un futur lointain avec l’hélium 3 : carburant pour l’énergie nucléaire de fusion (les réacteurs actuels sont basés sur la fission), c’est l’énergie nucléaire « propre » et probable solution aux problèmes de l’énergie mondiale. 1 tonne d’He3 fournirait assez d’électricité pour 10 millions de personnes pendant 1 an et produirait 10.000 MW. Problème du coût du transport sur Terre ? Construction d’une base lunaire pour l’exploiter ?

Et les astéroïdes ?
La NASA pense qu’une étape intermédiaire avant la conquête de Mars, pourrait être de s’intéresser aux astéroïdes. Des industriels aussi, qui y voient une source précieuse de minéraux rares. Ces sociétés ont l’idée de capturer un petit astéroïde géocroiseur et de le ramener sur une orbite plus facile, par exemple, autour de la Lune, afin de procéder à l’extraction de certaines parties. Trois méthodes possibles :

· Extraire et raffiner sur place.

· Prélever les minerais et les ramener sur Terre.

· Transporter l’astéroïde en un endroit plus facile pour opérer (la Lune par exemple).

Beaucoup de nations s’intéressent à cette manne financière que pourrait rapporter l’exploitation des astéroïdes. La technologie n’est pas encore complètement prête, mais cela évolue… Serait-ce une nouvelle ruée vers l’or ?

Le but ultime : Mars 
La vie a-t-elle démarré sur Mars ? Si oui, cela veut dire que la vie est peut-être plus fréquente dans l’Univers que l’on ne croit. Peut-on trouver le maillon manquant entre l’inerte et le vivant ? Le voyage vers Mars est énormément plus compliqué qu’un retour vers la Lune, de nombreux défis doivent être relevés :

· Le coût : des dizaines de milliards de $, peut-être des centaines, nécessite sûrement une coopération internationale.

· Technologique : la durée du voyage, actuellement 7 mois aller puis on reste sur place 18 mois et 7 mois pour le retour, difficile à imaginer sans saut technologique afin de réduire le temps de parcours.

· Longue période en apesanteur alors qu’à l’arrivée on aura besoin de toutes ses capacités pour atterrir.

· L’atterrissage pose problème, il doit être plus doux que pour les sondes automatiques déjà envoyées.

· Longue, trop longue exposition aux radiations.

· Il faut emmener avec soi tout ce dont on a besoin : nourriture, énergie, eau et oxygène au moins pour le début, avant de pouvoir traiter la glace martienne.

· Sinon, il faut envoyer sur place tout un ensemble de réserves qui attendront le premier équipage humain et (être sûr de) se poser à côté.

Difficile à imaginer dans un avenir proche même si les Américains pensent à 2033.

Comment aller vers Mars ?
On ne peut pas partir vers Mars à n’importe quel moment. En effet la distance entre la Terre et Mars peut varier de 60 millions (opposition) à 400 millions de km. Chemin le plus court : départ 50 jours avant les oppositions. Il faut attendre une fenêtre de lancement pour dépenser le moins de carburant. Une fenêtre se présente tous les 26 mois. Trajet : 6 mois à 9 mois suivant le carburant. Même problématique pour revenir de Mars. Mais, il existe parmi toutes ces fenêtres, certaines qui sont plus économiques que d’autres, et leur fréquence est tous les 15 ans. Les prochaines dates favorables : 2018 ; 2033 ; 2048 etc..

La durée du voyage est un facteur fondamental. Certains proposent de réduire le temps de voyage vers Mars :

· SpaceX pense y arriver en 100 jours ou moins (au lieu de 200) grâce au méthane liquide utilisé à la place de l’hydrogène liquide.

· On investit beaucoup dans l’hydrogène métallique.

· La propulsion plasmique (VASIMR) mise au point par un ancien astronaute, Frank Chang-Diaz avec sa société Astra ; il prétend pouvoir atteindre Mars en 39 jours.

· La NASA pense de plus en plus à la propulsion nucléaire.

Néanmoins de nombreux autres projets existent, même des voyages sans retour. Tout voyage vers Mars avec des astronautes doit au moins comprendre :

· Des éléments d’habitation qui auront été envoyés précédemment.

· Des machines permettant la fabrication d’air, d’eau et de carburant avec le matériel martien.

· Un système d’atterrissage « doux », rétrofusées et/ou nouveau parachute.

· Un système d’atterrissage précis très proche de la base envoyée précédemment.

· Un minimum de nourriture terrestre permettant de démarrer.

Et le retour ! Une puissante fusée devra faire quitter le sol martien et se précipiter vers la Terre. Mais on va arriver avec une vitesse jamais atteinte, vers les 15 km/s. On ne peut pas (d’après les experts) rentrer directement dans l’atmosphère terrestre à cette vitesse. Il faut perdre de la vitesse, on va frôler la Terre une ou deux fois, faire le tour de la Lune et enfin pénétrer l’atmosphère et atterrir.

Bref une belle aventure ! Ça restera surement encore un rêve lointain, mais certains rêves deviennent réalité….

Compte rendu fait par Jean-Pierre Martin, vice-président de la commission. Vous trouverez des informations complémentaires et la présentation en pdf sur le site web de Jean-Pierre Martin.