Microbes et pénuries, deux risques à prendre en compte

Exigüité (3/3). Les problèmes que posent ces risques me semblent beaucoup plus sérieux que les problèmes psychologiques.

Voyons d’abord les risques microbiens.

On pourrait dire qu’ils résulteront d’une insuffisance de « buffer effect » (qu’on pourrait traduire – mal – par « effet masse »). Les astronautes ne seront pas les seuls passagers de leurs vaisseaux. Ils emporteront avec eux des milliards de bactéries et d’archées sans oublier quelques virus, « inoffensifs » ou offensifs dormants, et ceci quels que soit les mesures d’asepsie qui seront prises. On peut juste éviter par une isolation et une surveillance stricte avant embarquement, qu’un astronaute monte à bord avec une maladie sur le point de se déclarer ou avec des salissures potentiellement dangereuses subsistant sur les parois où les équipements du vaisseau. Il y aura stérilisation de tout ce qui peut l’être mais pas des astronautes eux-mêmes ! Une fois embarqués leurs différents germes vont se mélanger, certains prospérer, d’autres s’affaiblir. Les matériaux dont sont constitués les divers équipements vont aussi évoluer, se dégrader, se mélanger aux fluides embarqués. Les systèmes de recyclage des gaz et des liquides (« ECLSS ») donneront une possibilité de contrôle mais présenteront aussi un risque de « mauvais mélange » et de propagation.
Dans un volume important comme celui de l’atmosphère terrestre, les micros déséquilibres locaux sont corrigés par les (des)équilibres voisins ou par l’intervention de l’homme avec des moyens biochimique. Le rééquilibrage naturel se fera très mal pendant la mission habitée par insuffisance ou absence de ce « buffer effect » propre aux grands volumes. L’équilibre biochimique existant au départ va petit à petit évoluer et il faudra le surveiller de manière à corriger activement, mais avec les seuls moyens du bord, tout déséquilibre naissant. Pour renforcer les moyens de détection au niveau d’un petit nombre de molécules et agir (dans la mesure du possible) avant que les dérives ne deviennent incontrôlables, L’ESA a développé en partenariat avec Biomérieux, un appareil nommé « MiDASS » (« Microbial Detection for Air System in Space ») qui sera, sur le plan biologique, un élément essentiel du voyage, avec, bien sûr, des éléments chimiques correcteurs. A noter qu’on voit bien les applications terrestres (hôpitaux) qui peuvent bénéficier de ces recherches.

Voyons ensuite les risques de pénuries.

Ils dérivent des choix que l’on doit faire concernant les hommes, les instruments et les consommables compte tenu de l’exigüité et de l’éloignement. Comme dit plus haut, les premiers équipages ne pourront comprendre que quatre personnes (ou même trois ?) et celles-ci ne pourront détenir toutes les qualifications. Ainsi en raison du volume limité de l’habitat, il n’y aura qu’un seul médecin/biologiste à bord. Les médicaments, les instruments médicaux, les machines et outils divers seront peut-être insuffisants malgré les précautions qu’on aura prises à prévoir les besoins. La nourriture sera peu variée même si on peut s’organiser pour qu’elle soit biologiquement adéquate.

On s’efforcera de pallier ces insuffisances par les communications avec la Terre mais ce ne pourront être que des télécommunications (notamment télémédecine même si les interventions directes seront impossibles) et, pour certains outils et objets, l’impression 3D. Cette dernière sera plus facile sur Mars que pendant le vol puisqu’on disposera alors de plus de matériaux (mais pas de tous les matériaux élaborés par l’industrie terrestre). Faute de place, la culture sous serre ne pourra être vraiment pratiquée que sur Mars (et au début seulement à titre expérimental).

Il faudra donc bien remplir la bulle car il n’y aura aucun réapprovisionnement possible. C’est un défi majeur de l’entreprise.

Liens :

http://planetaryprotection.nasa.gov/file_download/97/MIDASS-ESA.pdf

Image à la une: l’astronaute Sunita Williams, Commandante de l’expédition 33 de l’ISS (sept. à nov. 2012) en train de participer à un “nettoyage du dimanche”. Comme on le voit très bien ici, le problème est l’accessibilité de toutes les surfaces et tous les volumes de l’habitat. Photo NASA.

Ne surestimons pas les problèmes psychologiques des astronautes!

Exigüité (2/3).

Le fait que pendant le voyage, il n’y aura pas ce que j’appellerais un« extérieur habitable » est un inconvénient incontestable. Pas question en effet de se « dégourdir » les jambes en allant se promener « ailleurs », pas question de contempler un paysage changeant et « vivant » (aussi belles soient-elles, les étoiles ne bougeront pas dans le ciel), pas question de quitter la promiscuité des autres. Chacun sera réduit à vivre à l’intérieur de « quatre murs » (en l’occurrence la paroi d’un cylindre), avec toujours les mêmes partenaires. A noter que la situation sera différente une fois arrivé sur Mars car, si la « société » y sera toujours aussi réduite, l’aspect « extérieur habitable » sera totalement différent. En effet les quatre astronautes disposeront alors de la surface entière de la planète (en fonction du moins des possibilités de mobilité et de la nécessité de ne pas trop s’exposer aux radiations).

Pour atténuer le problème du confinement pendant le vol, il faudra certainement que chacun exerce la plus grande prudence dans ses interactions avec les autres (afin d’éviter le piège de l’« enfer » sartrien). La vie privée devra être très strictement respectée ; les contacts avec les proches ou les collègues restés sur Terre, aussi fréquents que possible (pour améliorer la diversité des échanges) même si le « time-lag » sera de plus en plus prononcé au fur et à mesure que le vaisseau s’éloignera de la Terre (de 3 à 23 minutes lumières, dans un seul sens, une fois sur Mars) ; l’accès aux divertissements (jeux ou films, plateformes d’échanges) devra évidemment être libre.
Ceci dit il ne faut pas exagérer la difficulté. Il n’y aura ni temps mort, ni ennui pendant une mission habitée car les astronautes seront des personnes extrêmement motivées. Ils auront par nécessité le souci du fonctionnement le plus parfait possible de leur vaisseau et de leurs équipements divers. A l’aller ils seront aussi très occupés par la préparation de leur mission sur le sol de Mars, au retour par l’interprétation des observations et des donnés qu’ils auront recueillies et, tout le temps, par leurs communications avec la Terre.

De ce point de vue je pense que les simulations qui ont eu lieu sur Terre (« Mars 500 », achevée en Novembre 2011) n’ont absolument pas pu recréer les conditions d’une mission habitée. Les hommes enfermés pendant 520 jours (du 3 juin 2010 au 4 novembre 2011) dans les locaux de l’IBMP (Institut des problèmes biomédicaux) à proximité de Moscou, ne pouvaient ignorer qu’ils étaient sur Terre et qu’ils pourraient sortir en cas de besoin extrême ; par ailleurs leur simulation en « bac à sable » ne pouvait absolument pas restituer l’espace martien du fait de ses très petites dimensions. Enfin l’isolement pour des motifs beaucoup moins exaltants que l’exploration d’une autre planète, pouvait générer l’ennui ce qui pouvait induire toutes sortes de friction sociales et de stress. Cela met en évidence que les simulations lorsqu’elles demandent de supposer une réalité trop différente, peuvent n’avoir aucune utilité.

Image à la Une : l’astronaute Scott Kelly au travail dans un module de l’ISS (image : crédit NASA). Il est sur le point de boucler (Mars 2016) une mission de 342 jours dans l’espace (la plus longue étant celle de Valeri Polyakov, 437 jours à bord de MIR, terminée en 1995). On peut imaginer que l’habitat utilisé pendant le voyage vers Mars sera tout autant « encombré » que celui de l’ISS et que les taches de vérification et d’entretien  seront constantes.

Les explorateurs de l’espace seront confinés dans une bulle

Exiguïté (1/3)

Les astronautes partant pour Mars se lanceront dans un espace immense mais ils devront le faire à l’intérieur d’un cocon protecteur qui maintiendra leurs fonctions vitales et qui ne sera qu’une petite bulle de leur environnement natal. Ce cocon sera forcément exigu. Cette situation pose problèmes, d’autant que les voyages seront longs (6 mois de vol !) et que, compte tenu de l’évolution des planètes sur leur orbite respective, les réapprovisionnements seront impossibles avant 26 mois.

Mais de quels volumes, pressurisés, parle-t-on ?

A l’aller, les astronautes devront « faire avec » quelques 100 m3, soit un cylindre de type “boite de thon” de 8 mètres de diamètre et de 5 mètres de hauteur (cf image ci-dessous, crédit Mars Society). Au retour ils pourront disposer d’un volume plus important, par exemple d’un module gonflable de 330 m3 (volume pressurisable de l’élément gonflable « B330 » de la Societé Bigelow Aerospace, cf “image à la une”). Les deux vaisseaux pourront être emportés chacun par un lanceur SLS lourd de la NASA (130 tonnes en orbite basse terrestre, « LEO ») mais, si l’on veut éviter un assemblage complexe et coûteux en LEO puis un désassemblage en orbite martienne, il faut prévoir que le véhicule habité utilisé à l’aller, descende sur Mars pour y servir d’habitat de surface. Or, la faible densité de l’atmosphère martienne est telle que l’on ne peut pas envisager un “EDL” (pour “Entry, Descent, Landing”) de plus de 20 tonnes dans un volume compact si l’on veut pouvoir utiliser cette atmosphère pour se freiner un tant soit peu (ou, vu autrement, si l’on veut que le transport de l’énergie nécessaire à la descente ne soit pas trop consommateur de masse et de volume au détriment de la “charge utile”). C’est à cette exigence que répond la “boite de thon”.

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Au retour la situation est différente car on peut parquer le vaisseau spécifique en orbite martienne pendant toute la durée de la mission (sans le faire descendre en surface). Les astronautes le rejoindront, après 18 mois de séjour au sol quand la fenêtre de retour sur Terre sera ouverte. On peut donc se permettre un volume plus grand (les 330 m3 du Bigelow B330 mentionné plus haut) mais pas trop grand (comme le serait celui d’un Bigelow Ba2100 de 2250 m3,) car il faudra pouvoir le freiner pour le positionner sur l’orbite d’attente martienne et que le freinage le plus économique suppose l’utilisation de l’atmosphère. Même s’il s’agit des plus hautes couches de l’atmosphère de Mars, la vitesse rendra quand même sensible l’aérofreinage.

Il faut comparer ces volumes pressurisés à celui de la Station Spatiale Internationale (ISS) qui fait 840 m3.

Le “vaisseau-retour” ne sera donc pas inconfortable mais celui de l’aller (trois fois plus petit) le sera certainement puisqu’on envisage d’envoyer (et de faire revenir!) trois ou quatre astronautes lors des premières missions. Dans le “vaisseau-aller”, 25 m3 par personne cela fait l’équivalent d’une chambrette de 10 m2 en supposant un plafond à 2,5 m. De plus, l’espace vraiment disponible dans le véhicule (“aller” mais aussi “retour”) sera plus réduit que le volume total pressurisé car la paroi extérieure sera tapissée (à l’intérieur !) par les réserves d’eau et d’aliments (protectrices des radiations par leur contenu en eau, c’est à dire en hydrogène), par le dispositif d’isolation thermique et de chauffage, enfin par l’équipement de purification et de régénération de l’atmosphère. Par ailleurs le module emportera toutes sortes d’équipements nécessaires à la vie et à l’activité physique et intellectuelle des passagers. A noter qu’une grande partie des équipements nécessaires à l’exploration aura été envoyée par un lancement effectué lors de la fenêtre de tir précédant le vol habité.

Au retour comme à l’aller, le vol devrait plutôt s’effectuer en mode gravité artificielle (rotation du couple du lanceur et de l’habitat reliés par un filin) mais il se pourrait malgré tout qu’il soit effectué en apesanteur (choix ou panne) et dans ce cas il n’y aurait ni plafond ni plancher. Il faut de toute façon imaginer un espace commun, l’équivalent d’un « habitat paysage » (comme on dit « bureau paysage »), avec des niches individuelles privatives.

L’exigüité étant ainsi définie, je vous parlerai des problèmes qu’elle pose dans mes deux prochains billets.

Lien :

http://bigelowaerospace.com/B330/

 Image à la Une: représentation de l’intérieur d’un module Bigelow “Transhab”. Crédit: Bigelow Aerospace. Un tel module pourrait faire le voyage de Mars vers la Terre (donc vol retour), avec gravité artificielle (le filin le joignant au lanceur partirait vers la droite). A noter qu’il est différent du module “B330” présenté dans mon billet “plan du voyage”. En réalité, le module qui pourrait servir au retour d’une mission habitée sur Mars serait un mixte des deux: un volume égale à celui du B330 et une organisation intérieure du type Transhab. Le cylindre au centre dont les parois seraient renforcées, pourrait servir d’enceinte de protection lors d’un événement solaire (“SPE”). 

On peut espérer que l’apesanteur ne soit pas une contrainte incontournable

L’apesanteur, agréable en rêve mais très nuisible à la santé, doit et peut être évitée.
Après les radiations, l’apesanteur est le deuxième « health hazard » des voyages spatiaux. Apesanteur cela veut dire absence de poids, la masse du corps n’étant accélérée par aucune force de gravité, qu’elle résulte de la proximité d’une masse planétaire ou de l’accélération de la vitesse du vaisseau*. Rappelons que dans le système de propulsion interplanétaire chimique, « classique », le déplacement de ce dernier ne résulte que de l’impulsion initiale, donnée pour quitter l’orbite de parking terrestre vers le lieu de destination. Il n’y a donc aucune accélération pendant le voyage et les masses n’ont aucun poids.
Pour la santé de l’homme, cette absence de poids peut être considérée comme agréable (qui n’a rêvé de voler!) mais elle est aussi porteuse de (gros) risques : notamment perturbation de la circulation sanguine, pertes musculaires, pertes osseuses. En effet le cœur n’a plus besoin de lutter contre la gravité et pompe moins vigoureusement le sang qui est par ailleurs moins bien réparti dans le corps (afflux à la tête). Le danger est une certaine paresse du muscle cardiaque et le développement d’une accoutumance à une pression artérielle basse. Pertes musculaires : n’ayant plus d’efforts à fournir pour se mouvoir, les muscles fondent comme ceux d’un malade alité. La perte peut atteindre 20% sur un vol de 11 jours (donc beaucoup plus après un voyage de 6 mois vers Mars). Pertes osseuses : les os qui, dans un environnement soumis à une force gravitationnelle, portent le squelette ne portent plus rien dans l’espace et ils perdent en densité (11% sur 6 mois). Et cela n’est pas tout, les risques vasculaires augmentent, l’immunité est affaiblie, les bactéries gagnent en virulence et en pouvoir pathogène, la circulation libre des poussières peut provoquer des lésions à l’œil dont par ailleurs le volume se déforme (et l’acuité visuelle peut en pâtir), les fonctions digestives et d’excrétion sont perturbées. Enfin la modification des repères sensoriels captés par le corps peut donner le mal de l’espace avec effets durables.
Ces diverses détériorations corporelles sont de lourds handicaps pour une mission habitée vers une planète où la gravité reprendra ses droits. A la surface de Mars elle est de 0,38g ce qui n’est pas négligeable et les astronautes devront pouvoir y faire face immédiatement après 6 mois de voyage, d’autant que la masse du scaphandre et des équipements qu’ils porteront, restituera un poids à transporter sur leurs jambes équivalent à celui qu’ils portaient sur Terre (le centre de gravité étant toutefois différent). Le risque est un risque de fracture des os les plus sollicités, notamment ceux des hanches. Par ailleurs le cœur devra battre plus vigoureusement pour donner une pression artérielle plus forte ce qui entraînera un risque de syncope.
Les membres de l’équipage d’une mission habitée sur Mars devront donc lutter contre cet affaiblissement pendant le voyage. La première solution pour le contrer sera l’exercice physique. Cependant même avec un exercice physique intense (deux heures par jour), les astronautes de la Station Spatiale Internationale ont perdu de 0,4 à 1% de leur masse osseuse par mois (et cela ne traite pas tous les problèmes). On peut aussi envisager absorber des compléments chimiques pour renforcer l’assimilation / conservation du calcium. Les études préconisent l’absorption de biophosphonate associé à de la vitamine D.
En changeant de paradigmes, la contre mesure la plus efficace serait la gravité artificielle. Elle est recommandée depuis le début des années 1990 par Robert Zubrin, président fondateur de la Mars Society. Pour la créer, il faudrait relier par un filin (tether) le dernier étage du lanceur à l’habitat du vaisseau spatial. Une fois l’impulsion transplanétaire donnée à partir de l’orbite de parking terrestre, les deux éléments se sépareraient, le filin attaché au deux éléments se déroulerait sur une longueur sensiblement plus grande que nécessaire et de petites fusées latérales aux deux masses impulseraient une rotation minime au couple, immédiatement suivie d’un rembobinage lent du filin qui se tendrait et dont le raccourcissement accentuerait la vitesse de rotation (cf le repli des bras d’un patineur faisant “la toupie”). Deux rotations par minutes pour deux corps séparés de quelques 170 mètres (bras de levier de 86 mètres) permettraient de restituer une gravité de type martien (0,38g) dans l’habitat. Il faudrait éventuellement une longueur de câble plus importante pour éviter un différentiel de gravité trop fort entre les pieds et la tête et pour également réduire les effets de la force de Coriolis qui se manifesteraient de façon trop prononcée dans un système centrifuge trop petit. Ceci dit, sur le principe, la solution est séduisante car elle ne requiert que très peu d’énergie.  En effet dans l’espace rien ne freine un mouvement qui a été initié et la rotation impulsée se maintiendrait indéfiniment.
La théorie existe; on attend les vérifications de faisabilité. Un petit test sur la mise en rotation à été menée avec succès par des étudiants de l’Ecole Centrale de Lille sous le contrôle de l’Association Planète Mars en 2013, dans le cadre d’un vol en apesanteur. Il faudrait également tester le déroulement du long filin, la stabilité du système (serait elle perturbée par l’activité à l’intérieur de l’habitat ?) et les manœuvres d’arrêt de la rotation à l’approche de l’objectif.
Image à la Une: un vaisseau spatial à l’approche de Mars et toujours en rotation (mais sur le point de l’arrêter car la gravité martienne risque de bientôt perturber le mouvement!). Illustration Philippe Bouchet (Manchu) pour Association Planète Mars (branche française de la Mars Society).
* Renvoi du premier paragraphe:
En fait on devrait plutôt parler de chute libre, sans accélération, dont la cause est la gravité et la conséquence, l’apesanteur.  A proximité de la Terre on est sous influence gravitationnelle de la Terre et lorsqu’on s’en éloigne, on entre dans un espace ou l’influence gravitationnelle dominante est celle du soleil mais cette influence est faible. En orbite autour de la Terre, le vaisseau spatial tombe vers la Terre sans jamais l’atteindre. Sorti de l’emprise gravitationnelle de la Terre, le vaisseau spatial, comme la Terre ou Mars, tombe vers le soleil sans jamais l’atteindre, en suivant une orbite proche à celle de ces deux astres.