La présence furtive de méthane sur Mars continue à intriguer planétologues et exobiologistes

Le 23 juin la NASA a informé le public que le rover Curiosity avait relevé dans le cratère Gale la plus forte émission de méthane jamais constatée sur Mars. Cette information est surprenante et importante mais il ne faut pas en tirer de conclusion hâtive.

Tout d’abord il faut placer cette émission dans un contexte. La proportion de méthane (CH4) constatée a été de 21 « ppbv » (parties par milliard en volume). Les plus fortes émissions précédentes, également mesurées par Curiosity (plus précisément par le « TLS », Tunable Laser Spectrometer, de son laboratoire embarqué « SAM », Sample At Mars) ont été de 7,2 ppbv mais sur la durée, le fond d’émissions est inférieur à 1 ppbv (entre 0,2 et 0,7). Surtout, le maximum enregistré n’est « rien » par rapport aux proportions de méthane présent dans l’atmosphère terrestre (1750 ppbv en moyenne) et cette dernière est beaucoup plus dense (plus de 100 fois) que l’atmosphère martienne. Il faut donc relativiser mais ce n’est pas facile de « garder la tête froide » car le méthane est un gaz au contenu évocateur très fort. Sur Terre il est pour sa plus grande part (plus de 90%) le produit de la vie animale (rejet métabolique résultant de la fermentation des molécules organiques dans le système digestif des animaux et généralement parlant, de l’activité microbienne dans les milieux anoxiques).

L’histoire de la détection du méthane sur Mars est pour le moins déconcertante et défie encore l’entendement. Cela a commencé entre 1999 et 2003 par des observations à partir des télescopes terrestres qui ont indiqué une proportion allant de 20 à 30 ppbv (mais l’observation depuis la Terre est difficile car la signature spectroscopique du méthane se déplace en fonction du déplacement de Mars sur son orbite et parce que les rayonnements reçus par ces télescopes passent par l’atmosphère terrestre elle-même chargée en méthane). Cela a continué en 2009 par la constatation que la présence du gaz dans l’atmosphère suivait un cycle saisonnier (disparaissant en fin d’automne et réapparaissant en fin de printemps) alors qu’il aurait dû se diluer dans l’atmosphère et subsister pendant quelques 340 ans (destruction progressive par le rayonnement ultraviolet). Ensuite on a observé dans le cratère Gale les émissions relativement fortes de fin 2013 (quatre pics atteignant les environs de 7 ppbv) puis on est retombé à des niveaux extrêmement faibles (moins de 1 ppbv). Lorsque l’orbiteur TGO (ExoMars Trace Gas Orbiter) de l’ESA (lancé en Octobre 2016) est devenu opérationnel en avril 2018, il n’a d’ailleurs rien perçu alors qu’il avait été en partie prévu pour la détection des gaz rares et principalement le méthane, au point que certains ont considéré que les premières observations résultaient d’une erreur d’interprétation des données spectrographiques. Puis soudainement on a ce nouveau pic annoncé par la NASA, supérieur à 20 ppbv…littéralement sans lendemain puisque le lundi 24 le taux était retombé à moins de 1 ppbv !

Les causes des émissions de méthane martien ne sont pas connues et cette nouvelle observation ne nous fait pas progresser mais on peut cerner les possibilités à partir de ce qui se passe (ou s’est passé) sur Terre. Ces possibilités sont soit d’ordre géologique soit d’ordre biologique avec pour les deux une variante possible résultant d’un « effet retard ». De toute façon il s’agit de l’union de carbone provenant du gaz carbonique avec de l’hydrogène, donc de « molécules organiques ».

Les causes géologiques peuvent être d’abord la serpentinisation de l’olivine, roche magmatique très ancienne, riche en magnésium et en fer (mafique) et très abondante en surface de Mars depuis l’aube des temps. La transformation de l’olivine en serpentine ((Mg, Fe, Ni)3Si2O5(OH)4) au contact d’eau chaude et sous forte pression, libère des carbonates, de l’hématite (Fe3O4) et de l’hydrogène. A son tour l’hydrogène peut s’allier au gaz carbonique atmosphérique pour former en présence de fer (par exemple de l’hématite) du méthane. A noter que cette dernière réaction est la fameuse « réaction de Sabatier » que Robert Zubrin a recommandé d’utiliser pour produire sur Mars le carburant nécessaire pour faire revenir sur Terre les vaisseaux spatiaux qu’on y enverra. Quoi qu’il en soit du futur de ce gaz, l’abondance d’olivine, de gaz carbonique et de chaleur (dans des régions de failles comme Nili Fossae) pourrait très bien être à l’origine du méthane martien. Ceci dit, à côté de la serpentinisation de l’olivine il y a d’autres causes géologiques possibles mettant en jeu la chaleur du sous-sol, l’hydrogène de l’eau et le gaz carbonique de l’atmosphère. C’est le volcanisme par contact de remontées magmatiques avec de la glace de surface ou proche de la surface ou sa variante, le thermalisme. Marginalement ce pourrait être aussi l’apport de météorites riches en méthane. Toutes ces causes ne sont d’ailleurs pas exclusives.

Pour ce qui est de la cause biologique, on peut toujours, jusqu’à preuve du contraire, penser à une population microbienne en sous-sol de Mars. Elle serait visiblement peu active mais ses rejets métaboliques auraient à l’occasion de mouvements sismiques accès à la surface de la planète.

Le facteur « retard » évoqué plus haut pourrait être vu comme un déblocage de méthane accumulé dans des clathrates. Les clathrates sont de petites capsules de glace d’eau emprisonnant des molécules de gaz, le tout constituant un « hydrate de méthane ». Elles se forment sous basse température, en présence d’eau et sous forte pression. Sur Terre on en constate souvent la présence dans le pergélisol (jusqu’à 1000 mètres de profondeur) et ces sols sont très fréquents en surface de Mars, planète froide. Ils fondent (sur Mars, se subliment) évidemment par exposition à la chaleur. Ce peut être celle du Soleil lors de l’été austral ou encore celle de remontées magmatiques parvenant en dessous de failles s’ouvrant en surface de la planète. Et on a justement repéré dès 2003 les failles de la région de Nili Fossae, en bordure d’Isidis Planitia, comme une des principales sources des émissions de méthane.

Mars 2020 (mission NASA) doit se poser tout près de ces failles. Capter et analyser le méthane dans l’atmosphère de cette région sera probablement plus facile car tout près du sol on devrait pouvoir constater une abondance beaucoup plus forte que dans le cratère Gale. Ce sera aussi passionnant…Pour distinguer l’éventuel origine (biologique ou géologique) du gaz il faudra rechercher le rapport entre les isotopes 13 et 12 des atomes de carbone (13C ou 12C). En effet, comme on l’a constaté depuis longtemps la vie recherche l’économie de masse et privilégie donc les atomes légers (et stables), en l’occurrence l’isotope 12 du carbone (12 neutrons dans le noyau). Il n’y a aucune raison que la vie martienne si elle existe ne suive pas la même « politique de bon sens ». Nous aurons donc une réponse mais peut-être l’aurons-nous sans attendre 2021 car le laboratoire SAM de Curiosity devrait normalement pouvoir effectuer lui aussi des analyses isotopiques.

Il faut à l’occasion de cet article dire que ce n’est pas que l’apparition du méthane qui pose problème mais aussi que sa disparition rapide et constante n’est pas non plus expliquée. Pour le moment aucune raison ne peut être donnée pour cette efficacité. Peut-être les sels de perchlorates, omniprésents, chauffés par le rayonnement solaire oxydent-ils ce gaz en méthanol puis en formaldéhyde ? Peut-être est-ce l’action des champs électriques résultant de l’ionisation du gaz carbonique de l’atmosphère, très sèche, par les frottements des particules de poussière en suspension ?

Pour le moment on constate et on ne peut rien dire sauf que la planète produit bien du méthane et que le mystère qui l’entoure est périodiquement ravivé.

Image de titre : Teal Ridge dans les Clay Bearing Units ; photo du 18 juin, Crédit NASA/JPL-CalTech. Les Clay Bearing Units avaient été repérées depuis l’espace par les orbiteurs martiens. Leur abondance dans le cratère Gale ont en grande partie justifié le choix du site de la mission MSL (Curiosity).

Photo ci-dessous, les différents modes de formation possible du méthane sur Mars. Crédit NASA/JPL-CalTech:

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Index L’appel de Mars 19 06 24

En combinant les lumières des télescopes VLTI*, GRAVITY nous promet des résultats spectaculaires

L’interférométrie contourne la difficulté de la taille des télescopes en combinant la lumière de plusieurs d’entre eux. Appliquée aux Very Large Telescopes (VLT) de l’ESO au Chili, grâce au nouvel instrument, GRAVITY, la méthode permet de restituer l’image que recueillerait un télescope d’un diamètre allant jusqu’à 130 mètres de diamètre avec une perspective ultérieure de 200 mètres (le plus grand télescope, en cours de construction, l’ELT – Extremely Large telescope – a un diamètre de 39 mètres et chacun des 4 VLT, un diamètre de 8 mètres utiles). L’interférométrie est donc promise à un bel avenir. Elle n’a été rendue possible dans le domaine des ondes visibles et du proche infrarouge que grâce aux progrès spectaculaires accomplis dans le domaine des lasers, en optique adaptative, en électronique et en informatique.

*Very Large Telescopes en mode Interférométrique.

Il faut bien voir que GRAVITY (General Relativity Analysis via Vlt InTerferometrY) est en soi une « première ». Il étend à quatre grands télescopes fonctionnant dans le domaine du proche infrarouge (longueur d’ondes entre 2 et 2,4 µm*) une technologie très délicate (surtout pratiquée dans le domaine des ondes radio, plus longues). La difficulté de pratiquer l’interférométrie en astronomie avec ces ondes tient précisément à leurs faibles longueurs et en conséquence (1) aux limitations de la détection « hétérodyne » à large bande (transposition des petites longueurs d’ondes reçues dans des longueurs d’ondes plus grandes) qui impose un bruit fondamental très élevé pour les ondes prises en dessous de 10 – 11 µm et, du fait des turbulences atmosphériques, (2) au faible temps de cohérence (temps pendant lequel l’émission est stable) du front d’ondes pour chaque télescope (phénomène contré par l’envoi du faisceau lumineux sélectionné dans un fibre monomode) et (3) au faible temps de cohérence du front d’ondes entre les télescopes.

*L’observation du trou noir central de la galaxie M87 qui a fait “la une” de la Presse le 10 avril dernier a été faite sur une longueur d’onde de 1,3 mm donc nettement plus longue (domaines des micro-ondes, avant les ondes radio). Le domaine du visible s’étend de 0,4 à 0,8 nm et le domaine des infrarouges va de cette limite de 0,8 nm à 1mm (en recouvrant donc les émissions d’ondes micrométriques comme celles utilisées par GRAVITY). L’intérêt des ondes infrarouges par rapport aux ondes visibles c’est de nous transmettre des données sur les astres dont le rayonnement est relativement froid, comme les planètes.

GRAVITY est un instrument interférométrique de seconde génération pour les VLT. La première génération qui impliquait les instruments VINCI puis MIDI, puis AMBER, ne fonctionnait « que » pour deux ou trois unités de ses deux groupes de quatre télescopes (quatre UT – Unit Telescopes – de 8 mètres et quatre AT – Auxilliary Telescope – de 1,8 mètres). GRAVITY a bien eu ensuite un précurseur à quatre télescopes, PIONIER, mais il ne disposait ni de double-champ (voir ci-dessous), ni d’un-suiveur-de-frange (voir ci-dessous), ni d’une métrologie comme GRAVITY. Quand on a conçu les VLT, l’intention était évidemment d’aller dans cette direction, c’est à dire de faire travailler tous les télescopes ensemble, en interférométrie, bien qu’ils puissent aussi fonctionner seuls. GRAVITY qui a été mis en service en 2016 (« première lumière » à quatre UT – la première lumière avec les AT ayant eu lieu en automne 2015) est un grand pas vers la réalisation de cette intention puisqu’il permet le fonctionnement de quatre télescopes ensemble (les quatre Ut ou les quatre AT1) et sur des objets de luminosité faible comme l’environnement du trou noir central de notre galaxie, Sagittarius A* (« Sgr A* »). Cette cible était son objet premier (d’où l’acronyme GRAVITY pour l’instrument) mais la puissance de résolution du VLTI peut évidemment être appliquée à d’autres sources de luminosité faible, comme les planètes (et il l’a déjà effectivement été).

1Pour le moment il n’y a pas de “recombinateur” (voir plus-bas) à plus de quatre faisceaux mais on pourrait utiliser les quatre AT aussi bien que les quatre UT (cependant la station AT au Nord du site n’est pas en service, ce qui empêche d’atteindre les 200 mètres de base pour l’ensemble du VLTI).

Le principe général est que chaque télescope collecte deux faisceaux d’ondes provenant de deux champs (le double-champ mentionné ci-dessus) qui couvre chacun 2’’ (deux secondes) d’arc dans le cas des UT. Le premier champ contient l’objet scientifique visé avec éventuellement une autre source, non résolue, à l’intérieur du même champ. Dans ce cas cette autre source sert de « référence-de-phase » permettant le contrôle de phase interférométrique de la source scientifique par un « suiveur-de-frange » qui corrige les différences de phase entre les pupilles de l’interféromètre. Le second champ contient un astre choisi pour sa brillance plus forte à l’extérieur du champ de l’objet scientifique mais à proximité (quelques secondes d’arc) ; cet autre « appui » permet le réglage de l’optique adaptative du télescope.

Ceci étant dit, le fonctionnement de GRAVITY est extrêmement complexe. En simplifiant : la lumière collectée par chaque télescope est transmise à un recombinateur (en anglais “BCI” pour Beam Combiner Instrument), laboratoire où elle va être « travaillée », par un jeux de miroirs dans des lignes à retard qui vont permettre de traiter tous les faisceaux d’ondes, provenant de tous les télescopes, exactement au même moment de leur ondulation (« phase »). Avant l’entrée dans les lignes à retard, on va sélectionner avec un « séparateur d’étoiles » le faisceau d’ondes provenant de la source extérieure au champ de la cible scientifique (qu’on nomme « étoile de référence ») choisie pour son signal, voisin, relativement fort, pour corriger en optique adaptative les turbulences subies du fait du passage dans l’atmosphère, par les ondes reçues de la cible scientifique. Ce faisceau est projeté par un séparateur d’étoiles dans l’analyseur de front d’onde infrarouge CIAO (Coudé Infrared Adaptative Optics) qui commande aux miroirs déformables du système MACAO (Multi-Application Curvature Adaptative Optics) les mouvements ultra-rapides nécessaires pour contrer l’effet des turbulences sur les faisceaux d’ondes reçus de la source scientifique et de la source servant de « référence de phase » (à l’intérieur du champ de la cible scientifique). Des rayons laser sensibles à ces mouvements ultra-rapides (métrologie laser) vont intervenir sur le sélecteur d’étoile et sur l’araignée du télescope pour corriger en temps réel les effets des turbulences internes du VLTI. Ainsi corrigées les ondes provenant de la cible scientifique et de la référence de phase passent par les lignes à retard et entrent dans le BCI.

A l’entrée du BCI, le cœur de GRAVITY, un « coupleur à fibres optiques » sépare en deux chacun des faisceaux provenant des deux sources et grâce à un sélecteur de champ, les injecte séparément dans des « fibres monomodes » pour bien les individualiser, l’une science, l’autre suiveur de franges. Un « contrôleur fibré » contrôle la polarisation de l’onde pour lui donner un contraste maximum et corrige la différence de marche entre l’onde provenant de l’objet scientifique et celle provenant de la référence de phase (résultant de leur séparation angulaire dans l’espace). Un recombinateur (puce optique intégrée) intervient ensuite pour créer les interférences des faisceaux projetés et le suiveur de franges alimenté par l’étoile de référence extérieure stabilise l’image sur un miroir. L’onde entre alors dans des spectromètres qui l’analysent.

Le tout baigne dans un cryostat à l’azote liquide dont la température, très précisément contrôlée, varie au niveau des diverses sous-ensembles du BCI afin que la température ne perturbe pas l’expression des ondes. Le cryostat fonctionne même avec des tubes à gaz pulsés pour refroidir les détecteurs à une température plus basse que celle de l’azote liquide, à environ 40 degrés Kelvin. Enfin l’optique est guidée par un système de caméra qui intervient au divers stade de la progression des ondes, dès l’entrée dans le BCI.

A quoi va servir GRAVITY ? A voir avec plus de précisions les objets à luminosité faible, ainsi le trou noir central de notre galaxie* ou encore, en direct, les exoplanètes proches détectées par le principe de la vitesse radiale (influence de la gravité générée par leur masse sur leur étoile au cours de leur trajectoire sur leur orbite), le spectre des atmosphères de ces planètes comme l’a démontré l’article de Sylvestre Lacour et al. publié dans Astronomy & Astrophysics au début de cette année. Le pouvoir de résolution du VLTI équipé de GRAVITY (qui résulte de la superposition des franges d’interférence des 4 UT) est 25 fois supérieur à celui d’un seul des UT qui le composent. En fait GRAVITY est un exhausteur des capacités des télescopes terrestres exploitant sur Terre les ondes du proche infrarouge. On peut rêver de la transposition dans l’espace où les turbulences atmosphériques sont évidemment nulles, de ces merveilleuses machines. Il faudra un jour reprendre le projet de flotte de télescopes DARWIN ou encore construire en surface de la face cachée de la Lune ou sur Mars des installations interférométriques qui elles non plus ne seront pas soumises à ces turbulences. Mais sans attendre (ou plutôt après qu’on aura pu combiner les ondes reçues des huit télescopes) on pourrait travailler sur un successeur au VLTI sur Terre avec une base d’observation équivalente à un télescope optique d’une dizaine de km de diamètre. Ceci nous permettrait de résoudre la surface de ces exoplanètes ; ce n’est pas un rêve mais une possibilité à considérer sérieusement par l’ESO une fois que l’ELT sera achevé**.

*Gravity a déjà obtenu deux résultats majeurs concernant le centre galactique : la mesure du rougissement gravitationnel de l’étoile S2 au passage de son péricentre et la détection de mouvements orbitaux à l’occasion de sursauts lumineux près de la dernière orbite circulaire stable, à trois fois le rayon du trou noir (donc à trois rayons de son « horizon des événements »), ce qui est très proche.

**c’est ce que suggère les auteurs du papier sur la première détection de l’atmosphère d’une exoplanète par interférométrie optique mentionné ci-dessus.

GRAVITY est ce qu’on appelle dans le monde de l’astronomie une « collaboration », disons une association constituée pour un but commun. Elle regroupe l’Institut Max Planck en Allemagne (Physique extraterrestre et Astronomie), le LESIA en France (Observatoire de Paris, CNRS, Uni. Paris Sciences et Lettres, Uni. Paris Diderot), IPAG (CNRS et Uni. Grenoble Alpes), l’Uni. De Cologne, le Centre d’Astrophysique et de Gravitation (Portugal), l’ESO. L’instrument n’a coûté que 8 millions d’euros.

NB : Je remercie pour ses avis précieux, Guy Perrin, astronome au LESIA (Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique), Observatoire de Paris, Université PSL (Paris-Sciences-et-Lettres), directeur adjoint scientifique du CNRS-INSU, responsable du domaine Astronomie et Astrophysique.

Illustration de titre: Image composite du Centre Galactique obtenue à partir d’observations NACO. Pour les observations interférométriques de GRAVITY, l’étoile IRS 16C a été utilisée comme source de référence tandis que la cible scientifique était l’étoile S2. La croix orange indique la position du trou noir supermassif Sgr A*. Crédits : ESO/MPE/S. Gillessen et al. NB : NACO est un instrument situé dans l’UT1 : son objet est l’imagerie dans le proche infrarouge (CONICA) avec optique adaptative (NAOS).

Image ci-dessous : vue partielle de l’observatoire du Mont Paranal de l’ESO (désert d’Atacama, nord du Chili, 2635 mètres). Vous voyez ici les quatre UT. Les quatres AT, plus petits, sont mobiles et permettent de faire varier les dimensions du télescope virtuel:

Image ci-dessous : schéma de traitement des ondes reçues par GRAVITY (éléments en bleuté) publié dans Astonomy & Astrophysics in First Light for Gravity: Phase referencing optical interferometry for the VLTI; DOI 10.1051/0004-6361/201730838, copyright ESO 2017. 

Image ci-dessous, le recombinateur (BCI) élément central de Gravity. Même source que ci-dessus:

Liens :

First light for GRAVITY in Astronomy & Astrophysics : https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2017/06/aa30838-17.pdf

Rougissement de S2 :

https://www.eso.org/public/news/eso1825/

Détection de sursauts en orbite près du bord du trou noir : https://www.eso.org/public/news/eso1835/

http://lesia.obspm.fr/-GRAVITY-.html

http://lesia.obspm.fr/GRAVITY-un-design-complexe.html

https://www.eso.org/public/france/news/eso1905/

https://fr.wikipedia.org/wiki/Interf%C3%A9rom%C3%A9trie

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Index L’appel de Mars 19 06 17

Pour la NASA d’aujourd’hui, le succès n’est pas une option

L’approche par la NASA des vols spatiaux habités met hors de portée l’objectif de l’atterrissage sur la Lune en 2024. Son projet de Lunar Orbital Platform-Gateway est une complication plus qu’inutile, donc une erreur.

Article de Robert Zubrin, ingénieur en astronautique, président-fondateur en 1998 de la première Mars Society, aux Etats-Unis, et président de Pioneer astronautics. Il a été publié dans la National Review le 12 juin 2019. Il est ici traduit et commenté par moi-même.

L’administration Trump a proposé une nouvelle initiative audacieuse, nommée Programme Artemis, qui prévoit d’envoyer des astronautes sur la Lune en 2024 et sur Mars en 2033. Comme l’a précisé Jim Bridenstine, administrateur de la NASA, dans une présentation le 23 mai, ce programme doit comporter quelque 37 lancements d’ici 2028. Ils commenceront en octobre 2020 par le lancement inaugural du SLS (Space Launch System), le nouveau lanceur lourd de l’agence.

Malheureusement le programme tel qu’il est prévu actuellement a très peu de chances de réussir car il semble être conçu d’abord pour servir de mécanisme de distribution de fonds plutôt que pour atteindre des objectifs dans l’espace. On l’a compris très clairement lorsque Bridenstine a déclaré qu’une des conditions de base du programme serait que toutes les missions habitées utilisent le SLS et la capsule d’équipage Orion, qui n’ont encore jamais volé, plutôt que des alternatives beaucoup moins chères qui, elles, ont volé. De plus, avec ses 26 tonnes, l’Orion est si lourd que le SLS ne pourrait pas le transporter sur une orbite lunaire basse avec suffisamment d’ergols pour pouvoir revenir sur Terre. Donc, plutôt que d’utiliser le Dragon de SpaceX (qui avec ses 10 tonnes, offre cependant un espace habitable 50% plus grand que celui de la capsule utilisée par le programme Apollo pour la Lune), une capsule que le SLS ou le Falcon Heavy (déjà opérationnel et beaucoup moins cher) pourraient transporter sans problème (150 millions de dollars contre plus d’un milliard de dollars – pour le SLS – par lancement), la NASA propose de construire une nouvelle station spatiale, nommée Deep Space Gateway (ou plus récemment Lunar Orbital Platform-Gateway), en orbite haute autour de la Lune, en tant que base intermédiaire entre la Terre et la Lune pour Orion. La NASA tente de justifier la Gateway avec des platitudes telles qu’ « elle fournira un centre de commandement», «elle créera de la résilience» ou encore «elle établira une présence stratégique autour de la Lune». Mais cela n’a aucun sens ! En réalité, le fait est qu’une station spatiale en orbite lunaire est un passif et non un actif. On n’en a pas besoin pour assister les vols à destination de la Lune et on n’en a certainement pas besoin, contrairement à ce que prétend la NASA, comme base intermédiaire pour les vols à destination de Mars. Cela coûtera une fortune à construire et une fortune à entretenir et cela imposera de nombreuses contraintes négatives – allant de significatives à sévères – en terme de propulsion et de gestion du temps, à toute mission obligée de s’en servir – comme elles le seront sûrement toutes pour éviter que l’inutilité de Gateway apparaisse évidente au Public.

La NASA a eu raison de choisir le pôle sud de la Lune pour son atterrissage puisque les ressources en glace d’eau qui s’y trouvent pourraient être transformées en carburant/comburant hydrogène/oxygène. Cela pourrait permettre aux véhicules d’excursion lunaire d’explorer la Lune ou de décoller et de revenir directement en orbite terrestre, où ils pourraient être facilement ravitaillés en carburant. Cela rendrait l’ensemble du système de transport pleinement réutilisable donc beaucoup plus performant et économique. Cela libérerait également nos capacités de transport lourd de la partie la plus massive du service logistique lunaire et nous permettrait par ailleurs d’entreprendre plus rapidement des missions vers Mars. Mais placer la base en orbite lunaire plutôt qu’à la surface de la Lune rendrait ces ressources potentielles inutiles, car il faudrait plus d’ergols pour hisser la glace jusqu’à la Gateway, qu’on pourrait en produire à partir de la glace en surface. De plus, comme elle gaspille des milliards de dollars pour des motifs purement politiques, pour la construction de la Gateway et le lancement d’un vol SLS à l’automne 2020 sans aucune charge utile significative, la NASA n’a plus suffisamment d’argent pour financer le développement d’un atterrisseur lunaire – ce qui est réellement nécessaire si on souhaite atterrir sur la Lune. L’agence a donc demandé une augmentation de ses financements, ce à quoi la Maison-Blanche a répondu avec un baiser de mort – c’est-à-dire une exigence selon laquelle les fonds doivent provenir d’un budget éducatif (le « Pell Grants ») dont le montant doit être alloué par le pouvoir législatif. Cela garantit le rejet du Congrès puisqu’il est sous contrôle démocrate.

Apparemment, le succès n’étant pas une option, la priorité est d’attribuer le blâme à « quelqu’un ».

L’ingénierie est l’art de rendre l’impossible possible. La bureaucratie est l’art de rendre le possible impossible. En choisissant la bureaucratie plutôt que l’ingénierie, les planificateurs de l’administration américaine ont transformé l’exploration de l’espace par l’homme, de « mission » en « vision ».

La question est fondamentalement la suivante: la NASA aura-t-elle un plan axé sur un objectif ou un plan axé sur l’intérêt de ses fournisseurs? Un plan axé sur des objectifs conduit à dépenser de l’argent pour « faire des choses ». Un plan axé sur des fournisseurs conduit à faire des choses pour dépenser de l’argent. Au cours du demi-siècle suivant la fin du programme lunaire Apollo les programmes d’exploration planétaire robotique ainsi que ceux d’astronomie spatiale de la NASA ont accompli des performances extraordinaires, car ils sont restés axés sur des objectifs. En revanche, le programme NASA de vols habités spatiaux est devenu très vite axé sur l’intérêt de ses fournisseurs et on l’a laissé dériver. Si nous laissons la NASA persister dans ce mode, nous n’atteindrons pas la Lune en 2024 ni Mars en 2033. Mais si nous insistons pour que notre programme spatial dans son ensemble vise des objectifs précis, exploitant pleinement les ressources spatiales pour réduire le nombre de lancements et la révolution spatiale des entreprises pour réduire drastiquement leurs coûts, nous pourrons non seulement atteindre ces objectifs longtemps espérés mais encore les dépasser largement pour véritablement commencer l’histoire de l’humanité en tant qu’espèce multi-planétaire.

Tel est le choix devant nous.

Robert Zubrin

Commentaire de Pierre Brisson :

Robert Zubrin veut corriger le programme d’exploration de l’espace par vols habités de la NASA et il a raison. Il est très décevant de constater que cette magnifique machine qu’est la NASA, dotée d’excellents ingénieurs, d’excellents chercheurs et de (relativement) beaucoup d’argent, persiste à ronronner prudemment en termes de vols habités.

Les raisons sont probablement en grande partie, l’institutionnalisation d’une entreprise qui était aventureuse lors de sa création et qui à force de grossir et de dépendre d’une direction très politique, est devenue une administration comme une autre, c’est-à-dire un organisme qui pense avant tout à sa survie c’est-à-dire qui est devenu « risk-adverse », ce qui est un comble pour une entreprise supposée couvrir l’entièreté du sujet de l’exploration spatiale, c’est-à-dire aussi un organisme inséré dans un tissu économique, social et politique qui la force à soutenir les entreprises locales en les faisant travailler quels que soient les besoins dictés par la finalité qui devrait éclairer la vision de ses dirigeants, l’exploration spatiale, par vols habités aussi bien que robotiques.

Heureusement l’Amérique dans son tréfonds et dans son imaginaire, reste l’Amérique, c’est-à-dire le pays de la Nouvelle Frontière, le pays de l’entreprise, le pays de la liberté et de l’audace. Pour l’exprimer, davantage que son administration qui se fossilise, il y a les entrepreneurs privés, les Elon Musk, les Jeff Bezos et autres, pour lesquels même le ciel n’est pas la limite. Ce sont eux qui en fin de compte vont tout emporter et nous conduire sur la Lune et sur Mars parce qu’ils ont la volonté de le faire et parce qu’ils en ont les moyens financiers.

image à la Une: Orion approchant le Deep Space Gateway, crédit NASA.

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Index L’appel de Mars 19 06 14

Le dernier livre de Robert Zubrin, “The Case for Space, how the revolution in spaceflight opens up a future of unlimited possibilities” a été publié chez Prometheus books le 11 juin.

ClearSpace, une entreprise de salut public pour notre cognosphère*

ClearSpace, une startup suisse spin-off du Space Center de l’EPFL**, veut nettoyer l’espace proche qui commence à être sérieusement encombré de vieux satellites hors d’usage et de débris de toutes sortes. C’est un vrai défi mais elle pourrait le relever. C’est aussi un business et il dispose d’un créneau important pour se développer. Nous lui souhaitons plein succès !

*ensemble de la population humaine, consciente, éduquée et communicante, à la surface de la planète

**fondée par Luc Piguet, Muriel Richard-Noca et Catherine Johnson

Le 23 mai 2019, SpaceX a lancé 60 satellites de 227 kg chacun qui doivent être placés sur des orbites situées à environ 550 km d’altitude (la station spatiale internationale évolue entre 350 et 400 km). Ce lancement a été effectué dans le cadre du programme « Starlink » qui a pour objet de permettre l’accès à Internet partout dans le monde. Il en est prévu beaucoup d’autres car Elon Musk veut mettre en place une constellation de 12.000 satellites, qui seront positionnés entre 500 et 1325 km d’une part et 346 et 335 km d’autre part afin de « couvrir » l’ensemble du globe ! L’orbite basse (« LEO ») a été choisie plutôt que l’orbite géostationnaire (36.000 km d’altitude) pour limiter au maximum le temps de latence entre une demande et une réponse (vitesse de la lumière) et c’est ce choix qui impose la multiplicité des satellites (étant plus proches du sol leur couverture est plus réduite).

12.000 c’est vraiment beaucoup et c’est beaucoup trop ! Il y a deux problèmes résultant du nombre : ces satellites peuvent créer des effets parasites gênants pour l’observation du ciel à partir des observatoires terrestres et ce non seulement en termes de lumière visible mais aussi en termes d’ondes radio (non seulement ils réfléchissent mais aussi ils émettent); ils sont d’autre part la source potentielle de collisions et donc d’une multitude de débris futurs qui disparaitront d’autant plus lentement que leur altitude est élevée. En-dessous de 600 km, les orbites sont qualifiées de « self-cleaning » car les objets qui les parcourent sont freinés par une atmosphère de plus en plus dense et s’y consument relativement vite (25 ans, tout de même, au plus haut !). Ceux qui évoluent au-dessus constituent potentiellement une vraie nuisance (qui peut dégénérer en syndrome de Kessler par enchaînement des impacts). Ils ne pourront redescendre pour être consumés dans l’atmosphère dans un délai de temps raisonnable que s’ils disposent d’un système de propulsion qui peut les freiner et d’ergols pour l’alimenter ou bien si l’on va les chercher !

Elon Musk est conscient du problème mais répond « that the chances of collisions happening in space will be small. The space junk thing — we don’t want to trivialize it or not take it seriously, because we certainly do take it seriously — but it’s not crowded up there. It’s extremely sparse ». Il est vrai que la société SpaceX a dû déclarer à la Federal Communications Commission qu’elle avait pris les mesures supposées nécessaires pour éviter les collisions et la production des débris. Mais un expert de l’ESA (Stijn Lemmens, Senior Debris Mitigation analyst) exprime publiquement ses doutes sur la probabilité que ces mesures soient suffisantes. En ce qui concerne la pollution lumineuse Elon Musk suggère de pratiquer plutôt l’astronomie à partir de l’espace. C’est un peu désinvolte !

De plus SpaceX n’est pas la seule société à faire des lancements d’objets en LEO au-dessus de 600 km. Aux satellites de Starlink vont s’ajouter ceux de OneWeb, Telesat, Amazon et d’autres (comme on dit, « the sky is the limit » !). On estime aujourd’hui à 1540 les satellites en fonction dont 1300 en LEO entre 600 et 1100 km. Ce nombre va quadrupler dans les prochaines années. A côté d’eux il y a environ 23.500 objets de plus de 10 cm en orbite (dont 3000 satellites non opérationnels), résultat d’une histoire qui a commencé en 1957 avec Spoutnik (il y a eu depuis lors plus de 5250 lancements et plus de 500 explosions, collisions, destructions en orbite). 18.000 d’entre eux ont été catalogués par le Space Surveillance Network de l’US Air Force (SSN). 75% sont situés en LEO et ce sont les plus dangereux car ils occupent la zone la plus fréquentée et la moins vaste (surface de la Terre 510 millions de km2, surface d’une sphère de même centre mais de rayon augmenté de 600 km : 610 millions de km2, sphère de l’orbite géostationnaire : 22.490 millions de km2). Pour apprécier ces chiffres, il faut bien comprendre qu’un satellite ce n’est pas seulement un point dans le ciel. C’est d’abord une masse parcourant une trajectoire à environ 8 km/s (plus précisément, la vitesse qui permet de conserver son altitude en LEO). Pour aggraver la situation toute collision aboutit à la dispersion des objets dans plusieurs directions (fonction de l’angle d’impact, des vitesses relatives et de la structure des satellites, cf. syndrome de Kessler mentionné ci-dessus). Et certains se moquent totalement de cette dégradation comme le prouvent les destructions de satellites par des missiles à partir du sol, comme l’on fait l’URSS et les Etats-Unis (ils y ont aujourd’hui officiellement renoncé) et la Chine ou l’Inde encore tout récemment (sans excuse ni remord !).

Il est évidemment inenvisageable d’interdire à qui que ce soit de lancer des satellites, l’interdiction ne serait pas respectée puisque l’humanité a besoin de ces équipements et qu’il n’y a pas de gouvernement mondial pouvant imposer une interdiction. D’un autre côté c’est notre intérêt commun à nous tous Terriens de ne pas continuer à polluer l’espace comme on l’aurait fait il y a quelques dizaines d’années quand on n’avait pas pris conscience du danger, réel, d’étouffer notre civilisation sous nos propres débris ou déchets. Ce qui est valable à la surface de la Terre est évidemment valable dans notre espace proche.

Les constructeurs de satellites peuvent y incorporer, avant le lancement, des dispositifs qui permettent leur freinage, la désorbitation et donc la destruction dans la haute atmosphère quand ils le décideront. Mais quid pour ceux qui ne le font pas et pour les autres qui n’ont rien fait ou qui ont voulu faire et n’y sont pas parvenus ? L’électronique d’un satellite est fragile face aux radiations, en plus des risques de collisions…Même si un satellite dispose de tout un système pour le faire revenir sur terre, il peut y avoir des défaillances et donc un risque qu’en dépit de toute bonne volonté, un tel retour soit impossible.

C’est là ou intervient la société ClearSpace qui nous propose une solution indispensable et réaliste. ClearSpace s’est constituée à partir du projet CleanSpace One initié par Muriel Richard-Noca du Centre Spatial de l’EPFL en 2012. Il s’agit d’abord de lancer (en 2024) un satellite expérimental « CleanSpace One » pour aller décrocher le nano satellite SwissCube (lancé en 2009) puis, sur la base de cette expérience, de commercialiser un service de satellites récupérateurs-désorbiteurs qui serait adapté aux divers types de débris à désorbiter.

Le projet CleanSpace One a été conçu en collaboration avec l’université de Bern, la HES-SO et la NTB. Le satellite sera équipé d’un système de rendez-vous « non coopératif » (la cible visée ne participe pas à la manœuvre et sa rotation peut être erratique) et d’un système de capture. Pour le premier il a fallu adapter/développer les technologies nouvelles pour détecter la cible, la rejoindre ; pour le second, les technologies nécessaires pour saisir l’objet (déploiement d’un filet en forme de cône par cinq tubes de carbone), stabiliser le couple, le désorbiter et le diriger vers l’atmosphère terrestre basse. Le choix de la propulsion est important. On parle d’électricité mais ce mode donnera-t-il toute l’agilité nécessaire ?

Comme mentionné ci-dessus, le premier désorbitage va concerner un petit satellite. Le SwissCube est par définition un cubesat, un cube de 10 cm de côté avec des antennes en plus. Les ambitions de ClearSpace sont évidemment de ne pas se contenter de ce format et d’appréhender des cibles allant jusqu’à 300 kg ce qui couvre un pourcentage important des cas à traiter. La plupart des technologies développées aujourd’hui serviront pour la suite et permettront de mieux évaluer les besoins et les possibilités effectives.

Il y a donc incontestablement du travail. Ce travail sera-t-il rémunérateur, suffisamment pour faire vivre et prospérer une société comme ClearSpace ? Evidemment les sociétés desquelles les satellites inactifs, ou leurs débris, proviennent ne vont pas se précipiter pour payer le désorbitage si elles ne l’ont pas prévu ou s’il n’a pas fonctionné. Cependant il y a plusieurs moyens de les y contraindre au-delà de la démarche polie les priant de le faire. En effet presque tous les satellites sont connus, leur nombre n’étant pas encore si extraordinairement élevé et l’histoire des lancements dans l’espace n’étant pas si longue. Le registre du SSN est une bonne base pour effectuer les démarches. On peut ensuite s’appuyer sur les relations internationales pour demander les désorbitages et notamment sur l’United Nations Office for Outer Space Affairs qui devrait normalement pleinement collaborer en faisant appliquer ses « Lignes directrices relatives à la réduction des débris spatiaux du Comité des utilisations pacifiques de l’espace extra-atmosphérique » adoptées en 2007 par les pays membres. Au-delà, il y a le « name-bashing » (ou la crainte qu’il se manifeste) car l’opinion publique a de nos jours une puissance redoutable. Il y a donc matière à espérer mais avant tout il faut qu’un service de désorbitage existe. ClearSpace ayant développé une technologie efficace et complexe aura une avance déterminante sur ses concurrents. Pour ce qui est du prix, ce sera comme toujours quand il s’agit d’une offre formulée sur le marché mondial, la résultante de l’offre et de la demande. L’offre même si elle est au début non concurrencée, le deviendra vite. Il faudra donc aussi conquérir vite une bonne part de marché et donner satisfaction au client par un service efficace.

Alors, la situation est-elle grave ? Non pas encore mais elle risque fort de le devenir bientôt si les constructeurs de satellite ne prennent pas les dispositions nécessaires et si ClearSpace et ses concurrents ne parviennent pas à commercialiser leurs services. Déjà le projet Starlink devrait causer une détérioration notable. A terme les observations astronomiques risquent de souffrir de ces parasites, d’autant que leur focalisation tend à devenir de plus en plus précise, que les événements observés demandent souvent un temps long de collecte de données et que la mise en commun des ressources d’observatoires partout dans le monde (VLBI) vont demander de plus en plus un ciel clair simultanément un peu partout dans le monde (dans le domaine visible mais aussi dans le domaine des ondes radio). Le public doit donc insister pour non seulement avoir une nuit moins polluée par les lumières domestiques et industrielles (ce qui va aussi dans le sens de l’économie de nos ressources énergétiques) mais aussi pour un espace propre et clair (clear & clean). Les bonnes habitudes doivent être prises maintenant pour que tous les nouveaux satellites lancés au-delà de 600 km d’altitude (au-dessus des « self-cleaning-orbits ») soit équipés d’un dispositif de désorbitation et que les projets aussi polluants pour la visibilité des observatoires terrestres que le projet Starlink ne se répètent pas. Quand il s’agit de l’utilisation d’un bien commun (l’espace proche) il faut que les hommes se soumettent à une certaine discipline. S’ils ne le font pas spontanément, une “autorité” finira bien par l’imposer (peut-être tout simplement au moyen de sociétés comme ClearSpace?). Nous devons le faire comprendre à Elon Musk pour qu’il donne lui aussi l’exemple. Nous ne voulons pas nous couper du ciel et de notre fenêtre sur l’espace proche et lointain ; il ne le devrait pas le vouloir non plus !

Image de titre : CleanSpace One sur le point de prendre SwissCube dans son filet. © EPFL, J.Caillet.

NB: cet article a été soumis à la relecture de Luc Piguet et de Jean-Paul Kneib (directeur d’eSpace à l’EPFL).

Liens :

https://actu.epfl.ch/news/une-start-up-se-lance-dans-le-nettoyage-de-l-espac/

https://clearspace.today/

https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Safety/Space_Debris

https://gsp.esa.int/article-view/-/wcl/Fd1ZihgaGrwB/10192/end-of-life-disposal-of-satellites

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronautique-cleanspace-muriel-richard-noca-nous-presente-son-satellite-nettoyer-orbite-terrestre-36845/

https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/starlink-space-debris/

https://www.iau.org/news/announcements/detail/ann19035/

https://gizmodo.com/a-history-of-garbage-in-space-1572783046

https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_speed

lire aussi dans Le Temps (publié le 29 mai 2019):

https://www.letemps.ch/sciences/satellites-spacex-vontils-aveugler-astronomes

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur:

Index L’appel de Mars 31 05 19

 

Pourquoi le premier village spatial doit être construit sur Mars et non sur la Lune

L’actualité est aujourd’hui la Lune. Notre astre compagnon est la cible aussi bien des Américains que des Européens. Je pense qu’effectivement l’homme y reviendra mais je doute fort qu’il y crée un village, c’est-à-dire un établissement permanent habité de façon permanente.

Au-delà de l’intérêt scientifique qu’on pourra trouver une fois arrivés sur place, les raisons de préférer aller sur la Lune plutôt que sur Mars sont compréhensibles. Constatant la proximité de l’une et l’éloignement de l’autre, on est naturellement conduit à penser qu’il est beaucoup plus facile d’aller sur la première. On a largement tort car il faut consommer autant d’énergie pour un voyage que pour l’autre puisque l’essentiel (environ 90%) est utilisé pour s’affranchir de l’attraction terrestre et la plus grande partie du reste est utilisée pour se freiner afin d’éviter de s’écraser en arrivant à destination (la gravité, toujours!). On a cependant un peu raison dans la mesure où la proximité de la Lune permet d’y accéder ou d’en revenir en trois jours alors qu’il faut au moins six mois pour aller sur Mars et surtout que l’on peut n’y partir que lors de fenêtres de lancement, ouvertes tous les 26 mois, et n’en revenir qu’après 30 mois d’absence alors qu’on peut partir et revenir de la Lune à tout moment de l’année.

Cependant les contraintes qui s’imposent aux séjours de longue durée sur la Lune sont trop fortes pour que l’on s’y installe vraiment puisque précisément on peut en repartir et y revenir facilement. Dit autrement, les raisons de s’y installer durablement plutôt que pour de courtes périodes ne sont pas telles qu’elles justifieraient de surmonter les difficultés que cela représente. En effet quel intérêt y aurait-il à rester sur la Lune 14 jours d’affilée sans lumière du Soleil (durée de la nuit lunaire) et exposé à une température de -150°C (sans compter que les températures de +100°C pendant le jour lunaire poseront aussi un problème énergétique)? Quel intérêt cela aurait-il de vivre longtemps soumis à une force de gravité de 0,16 g, débilitante pour les os ou les muscles* et gênante pour tout déplacement  alors que l’on n’y est pas obligé ? Quel intérêt cela aurait-il de rester exposé sans aucun écran aux radiations solaires (SeP) et galactiques (GCR) ou de vivre enterré pour s’en protéger alors qu’on peut revenir sur Terre quand on le veut (c’est à dire en fait, à la fin du jour lunaire, 15 jours terrestres après être arrivé)? Il y aura certes des missions de géologie ou de mises en place techniques (observatoires sur la face cachée) ou encore des séjours touristiques sur la Lune mais ils pourront être menés ponctuellement, pendant le jour lunaire et avec une installation de support vie fonctionnant par intermittences avec approvisionnement adéquat pour la période. Les géologues, astronomes ou autres scientifiques pourront déposer leurs instruments robotisés y travailler quelques jours et les télécommander ensuite en direct depuis la Terre (la Lune n’est distante que de 380.000 km soit à peine plus d’une seconde lumière !).

*la marche sur la Lune est rendue très difficile par la faible pesanteur et par le centre de gravité est placé très haut dans le corps, rendant l’équilibre précaire; la pompe cardiaque fonctionne avec la même force pour des besoins moindres.

Au contraire, les opérations sur Mars seront beaucoup facilitées par une installation permanente. Cela tient à la fois aux conditions d’accès relativement plus difficiles et aux conditions environnementales relativement moins dures. En effet le plus gros obstacle des missions martiennes est qu’on ne peut y commander en direct les robots qu’on y envoie puisque le « time-lag » varie entre 3 et 22 minutes dans un seul sens (6 minutes et 44 minutes pour une impulsion et le retour de cette impulsion sur Terre). Par ailleurs le fait d’être obligé de rester 18 mois sur place avant de pouvoir revenir, implique d’installer toutes les facilités nécessaires pour un séjour de toute façon déjà long. L’exposition aux radiations pendant le voyage, beaucoup plus long que pour aller sur la Lune, alors que les doses de radiations reçues au sol seront moindres (masse de l’atmosphère équivalente à une colonne d’eau de 20 cm), poussera à limiter le nombre de voyages dans une vie (on peut évaluer le maximum à trois ou quatre selon l’âge et le sexe). De plus, ce voyage restera cher non pas tant en argent (même énergie dépensée que pour aller sur Mars), qu’en temps passé (deux fois six mois !). Une fois sur Mars on sera donc incité à y rester aussi longtemps que nécessaire pour y mener à bien l’intégralité d’un programme prévu, sans la ou les coupure(s) d’un (ou plusieurs) aller et retour. Sur le plan environnementale, la durée du jour de 24h39 n’imposera pas les longues périodes d’obscurité et de froid de la nuit lunaire et permettra en particulier des cultures sous serres utilisant en partie plus ou moins grande l’énergie solaire. Une gravité de 0,38g ne sera pas aussi débilitante que celle générée à sa surface par la masse lunaire et la réadaptation sur Terre ne devrait pas être aussi difficile qu’au retour de la Lune pour une même période. Enfin, autant on pourra se contenter d’un confort spartiate pendant une quinzaine de jours, autant ce serait plus difficile pendant 18 mois.

Sur la Lune il n’y aura donc pas un village mais un dépôt d’équipements ou plus exactement une base activée périodiquement, pendant le jour lunaire, en fonction des missions (scientifiques ou techniques) ou des visites touristiques. Ce sera un peu une projection de ce qu’on fait aujourd’hui en Antarctique. Peu de personnes y hivernent et sur la Lune on se contentera aussi d’un service minimum pendant la nuit, pour veiller au bon fonctionnement des équipements des habitats en mode « repos », pour effectuer des dépannages d’urgence sur les équipements scientifiques (en dehors bien sûr de périodes de construction ou d’observation qui peuvent conduire à travailler la nuit). Il ne serait ni rationnel, ni économique de procéder autrement. Sur la Lune il pourra y avoir du personnel affecté à ces trois fonctions, qui feront des séjours assez longs, disons un an, mais compte tenu des problèmes de santé que cela implique et de la facilité relative de revenir sur Terre, il serait étonnant qu’ils soient vraiment plus longs. Enfin sur la Lune les ressources en eau semblent beaucoup moins importantes et facilement accessibles que sur Mars et la poussière plus agressives (érosion nulle puisqu’il n’y a jamais eu ni atmosphère ni eau courante) ; ce ne sont pas des détails pour la logistique. Sur Mars, par contre, il devra y avoir toutes les facilités nécessaires à la vie en autarcie pour un séjour qui ne saurait être inférieur à 18 mois et qui sera souvent du double (deux périodes synodiques).

On doit donc bien parler d’un projet de base lunaire et d’un projet de village martien. Ce n’est pas pareil ! Le risque à craindre en commençant par la Lune c’est que la difficulté de vie sur cet astre ne décourage d’aller un jour sur Mars qui lui sera assimilée à tort.

Image à la Une : Village lunaire (à gauche, crédit ESA) ; village martien (à droite, crédit SpaceX).