La cité-état martienne d’un million d’habitants n’est pas pour demain (1)

La Mars Society américaine a lancé pour 2020 un concours pour distinguer les meilleures propositions de faisabilité d’une « cité-état » martienne d’un million d’habitants. Je n’y participerai pas, à la différence de ce que j’ai fait l’année dernière avec Richard Heidmann (Association Planète Mars) et Tatiana Volkova en 2019 (EPFL) pour le concours portant sur l’établissement d’une première base d’un millier d’habitants. En effet l’objectif me parait trop lointain, c’est-à-dire qu’avant que la faisabilité d’une telle cité-état se pose réellement, les technologies nécessaires pour la développer vont évoluer, en fonction notamment de la concrétisation de la première phase. Il me semble que nous devons laisser ce projet grandiose aux générations futures et nous consacrer entièrement à la « première marche ». La monter nous permettra d’envisager la suite qui, pour l’instant, n’est que science-fiction.

J’évoque cependant ce concours pour mettre en évidence les contraintes (cette semaine) et lancer quelques idées concernant ce futur lointain (la semaine prochaine).

Les contraintes sont faciles à présenter car on connaît bien les nécessités du voyage et assez bien l’environnement martien. Elles résultent de la distance de Mars (au Soleil et à la Terre), de sa géologie (histoire planétaire, structure et composition géologique) et du fait qu’elle souffre de ne disposer d’eau et d’atmosphère qu’en quantités certes non négligeables mais limitées.

Le problème des distances a trois conséquences, l’irradiance au niveau de l’orbite de Mars, les transports entre la Terre et Mars et le décalage de temps (« time-lag ») dans les télécommunications. L’irradiance de 492 à 715 W /m2 dont bénéficie l’orbite de Mars est un peu inférieure à la moitié de celle qui est constatée au niveau de l’orbite terrestre (1321 à 1413 W/m2) et elle varie fortement en raison de l’excentricité de l’orbite de Mars (0,093 contre 0,017 pour la Terre). Cela a des conséquences pour l’utilisation de l’énergie solaire. On ne peut pas négliger cet apport « naturel »; il faut l’utiliser, mais on ne peut s’en contenter. Il faut penser bien entendu à la production d’énergie pour les besoins multiples d’une activité humaine, pour les serres utilisées pour la production d’aliments, mais aussi pour le chauffage des habitats. On en aura besoin surtout la nuit où la température descend très vite à -120°C mais même pendant le jour où la température est le plus souvent légèrement négative (dans la zone intertropicale) et pendant les tempêtes de poussière qui peuvent être globales et durer plusieurs semaines.

La distance entre les deux planètes restera toujours la même, de 56 à 400 millions de km, et l’optimum de masse utile sur énergie dépensée impliquera toujours un voyage de 6 à 9 mois pour parcourir un arc de quelques 600 millions de km pour franchir la distance de 400 millions de km en ligne droite. On pourra aller un peu plus vite (4 mois ?) surtout si on arrive à mettre au point des vaisseaux à accélération continue (propulsion nucléaire, ou photonique) mais en mode propulsion chimique toute accélération impliquera plus d’énergie et donc moins de masse utile transportée (sans oublier que la montée en orbite terrestre devra toujours se faire en propulsion chimique). Enfin on ne va pas « s’amuser » à partir d’une planète pour tenter de rejoindre l’autre en dehors de la période favorable du cycle synodique et la conjonction favorable ne se présente que tous les 26 mois. Il en sera toujours ainsi. Donc les voyages Mars – Terre – Mars resteront longs, chers, peu fréquents (comparés aux voyages autour des globes terrestre ou martien) et les volumes transportés seront toujours limités. Dernier « détail » qui renforcera l’isolement relatif, les voyageurs seront plus exposés aux radiations pendant le voyage que pendant leur séjour ou leur vie sur Mars (et bien sûr, sur la Terre). Par conséquent personne ne « s’amusera » non plus à faire une multitude de voyages. Trois ou quatre dans une vie seront suffisants si l’on veut conserver un bon capital santé (surtout si l’on choisit de vivre sur Mars où les doses de radiation reçues seront de toute façon plus élevées que sur Terre). Il n’y aura pas de « carrière » de pilote-de-ligne interplanétaire.

Le time-lag n’empêchera pas les contacts fréquents entre les deux planètes mais il aura pour conséquence des difficultés sérieuses de communication (délais minimums de 3 à 22 minutes pour faire parvenir un message et donc de 5 à 44 minutes pour obtenir une réponse) ce qui gênera considérablement les échanges en direct avec la Terre et l’utilisation des serveurs informatiques terrestres.

Le sol et l’atmosphère de Mars présentent beaucoup d’avantages en tant que ressources potentielles et c’est pour cela qu’on peut envisager de les utiliser pour produire sur place tout ce dont un établissement martien aura besoin (« ISRU » pour « In Situ Resources Utilization ») comme l’a recommandé Robert Zubrin. Et il faudra pouvoir le faire aussi vite que possible et de plus en plus pour que la croissance d’un tel établissement ne cesse, faute de pouvoir mobiliser suffisamment de capacités de transports Terre/Mars pour fournir aux résidents les biens de premières nécessités ou simplement les pièces de rechanges dont ils auront besoin. A cet effet, on peut compter disposer des mêmes éléments chimiques sur Mars que sur Terre mais pas tout à fait de la même minéralogie.

NB : Mars a été constituée ou plutôt accrétée, à partir des mêmes gaz, des mêmes poussières puis des mêmes astéroïdes et planétoïdes que la Terre. Ces éléments et les constituants des astéroïdes et planétoïdes ont ensuite évolué au sein d’un milieu planétaire (gravité, densité chaleur) dans une minéralogie comparable à celle de la Terre primitive. Le fer et les métaux sidérophiles, plus lourds, sont descendus au cœur de la planète très malléable (pour ne pas dire liquide) des origines. Il y a eu ainsi un étagement des constituants, couche après couche, jusqu’aux éléments les plus légers en surface, principalement la silice. Bien sûr l’homogénéité n’a jamais été parfaite mais la tendance s’est affirmée avec le temps, avec les brassages convectifs dus à la chaleur dans le globe planétaire visqueux. Cette imperfection tenait notamment à l’afflux périodique et fréquent des astéroïdes et planétoïdes qui rajoutaient de la diversité en surface (en même temps que leur énergie cinétique qui se convertissait en chaleur dans l’ensemble du globe). Puis, alors que la croûte se solidifiait, est intervenu le Grand Bombardement Tardif (LHB), vers -4 milliards d’années. Cet épisode de notre histoire commune a permis aux deux planètes un enrichissement important en minéraux lourds accessibles (les métaux) et aussi en eau car les deux planètes, Mars et la Terre, avaient été formées en deçà de la ligne de glace et donc comportaient à l’origine peu d’éléments volatils libres (les gaz et l’eau primitifs étant solidement liés chimiquement à d’autres éléments). Sans doute y avait-il jusque-là une tectonique des plaques primitives, des morceaux de croûtes se formant en surface et sombrant de temps en temps dans les couches inférieurs magmatiques pour y être refondues et transformées. Puis, au fur et à mesure que la croûte se généralisait en surface et s’épaississait, le volcanisme se manifesta de plus en plus violemment, permettant au magma de percer la croûte pour libérer les tensions qu’il subissait, enrichissant par la même occasion l’atmosphère (notamment en souffre et en gaz carbonique). Au centre, compte tenu de la chaleur et de la densité, un noyau solide entouré d’un noyau liquide générait par rotation différentielle et frottement, un champ magnétique globale. C’est notre histoire commune.

A partir de là l’histoire planétologique diverge, évidemment progressivement. Les planètes continuent toutes deux à se refroidir et la croûte à épaissir mais la Terre dix fois plus massive et se refroidissant, de ce seul fait, moins vite, amorce une tectonique des plaques horizontales qui continue à ce jour alors que la croûte de Mars épaissit très vite et que son magma trop visqueux ne permit pas la généralisation du phénomène (il a peut-être été ébauché). La Terre restant pleinement active, créa à sa surface (et continue à créer) une minéralogie extrêmement diversifiée à laquelle une atmosphère importante et riche, ainsi que l’eau liquide toujours présente, contribuent rapidement et abondamment (produisant en abondance, carbonates, sulfates, oxydes, argiles…) et à laquelle au bout d’un certain temps se joint la vie, dans un océan profond et très accueillant pour ne pas dire très facilitateur.

La minéralogie de Mars est, en fin de compte, moins riche que celle de la Terre et il sera sans doute un peu plus difficile d’exploiter les éléments que cette évolution très tôt ralentie puis stoppée vers -3,5 milliards d’années a permis (par exemple probablement moins de filons de certains métaux, ces concentrations résultant de l’action de l’eau aussi bien que du volcanisme ; peu de carbonates, pas de charbon, pas de pétrole).

Les carences actuelles en eau et en atmosphère posent une autre contrainte pour le développement d’une colonie humaine de grande taille. Certes Mars possède de l’eau et une atmosphère, ténue mais non négligeable, beaucoup plus que la Lune, mais autant il semble possible de les utiliser pour une population de petite taille, autant les colonies à grande échelle (plus de quelques milliers d’habitants et a fortiori un million !) posent des problèmes qui dépassent nos capacités technologiques d’aujourd’hui. L’eau, que l’on trouve dans le sol sous forme de glace, doit être extraite, transportée, puis après usage, recyclée. Cela peut-être fait et cela sera fait mais ce sera toujours coûteux en énergie et l’abondance de la ressource sera toujours limitée et inégalement répartie à la surface du globe. On peut imaginer un recyclage presque total y compris des eaux « noires » mais ce ne sera pas pour tout de suite (va-t-on pouvoir recycler plus que ce qu’on recycle aujourd’hui dans l’ISS et va-t-on récupérer l’eau contenue dans les cadavres humains ?). De toute façon les molécules d’eau que l’on aura fait éclater pour en extraire de l’oxygène et de l’hydrogène pour utiliser ces deux éléments séparément et éventuellement les lier à d’autres dans des processus chimiques divers (production d’éthylène par exemple), seront perdues en tant que molécules d’eau. Donc il y aura des pertes, donc un besoin de renouvellement d’approvisionnement (avec arbitrage entre coût du recyclage marginal et coût de la nouvelle ressource). Et l’obtenir de façon acceptable quantitativement et économiquement sera long et difficile. Pour l’atmosphère, le problème ne sera pas tant l’oxygène que l’on obtiendra assez facilement à partir de l’eau ou du gaz carbonique, mais bien plus la faible pression et la faible quantité d’azote (relativement et en absolu). La pression forcera à limiter en taille les grandes structures pressurisées en surface puisque plus la structure est grande, plus la pression interne (on choisira sans doute 500 millibars) qui s’exerce vers un environnement extérieur quasi vide (pression atmosphérique moyenne sur Mars, 6 millibars), est difficile à contenir. Actuellement, au-delà des champs d’habitats linéaires et de faible volume unitaire reliés par des couloirs, imaginés par Richard Heidmann, on peut envisager des dômes hémisphériques de 30 mètres de diamètre en structure géodésique mais ces dômes (comme l’a calculé Richard Heidmann) devraient être ancrés dans des fondations en duricrete (équivalent martien du bêton) de 2 mètres d’épaisseur contre 1 mètre pour les dômes de 20 mètres. L’alternative serait d’habiter de vastes cavernes. Certes on le fera certainement mais à quelle échelle ? Il faudrait en creuser, en dehors des quelques cavernes naturelles qu’on pourra trouver et aménager, mais il me semble difficile d’envisager de faire vivre des dizaines de milliers de personnes (un millions ?!) dans des cavernes (on le fera sans doute pour l’excellente protection contre les radiations qu’elles procureront, mais on le fera marginalement). L’autre problème est la rareté de l’azote (2% d’une atmosphère dont la pression au sol est de 6 millibars en moyenne). Un gaz neutre sera indispensable dans la composition de l’air respirable des bulles viabilisées, parce que ni l’homme ni les plantes ne peuvent durablement respirer de l’oxygène pur (risque d’hyperoxie) et que les habitats où la proportion d’oxygène serait trop élevée, risqueraient à tout moment des incendies « définitifs ». Il faut donc oublier les vastes halls avec hauteur sous-plafond démesurée et quasi vides (comme ceux que certains de nos concurrents ont proposés dans le premier concours pour une base de 1000 habitants. C’est de la science-fiction.

Le troisième problème qui résultera de la faible densité atmosphérique, pour un établissement important sur Mars, encore plus que pour la première base, c’est les communications physiques entre les habitants. Il sera impossible de circuler à l’air libre sans protection et circuler avec protection sera possible mais compliqué, gênant et dangereux (dépressurisation et asphyxie). Cela aura beaucoup de conséquences !

Il faut bien voir que, compte tenu de ces diverses contraintes, certaines régions de Mars ne seront pas colonisables. Ce sont les zones trop sèches, trop froides à certaines saisons (les hautes latitudes et les pôles !), ou d’altitude trop élevée car l’atmosphère est rapidement plus ténue au fur et à mesure que l’on s’élève. Au sommet du Mont Olympus, 21 km au-dessus du Datum (altitude moyenne), on est quasiment dans l’espace (pression atmosphérique 0,3 millibars) mais déjà dans les hautes terres du Sud (plus de 50% de la surface de la planète) la pression atmosphérique est évidemment inférieure à la moyenne de 6 millibars. On recherchera toujours à minimiser les dépenses énergétiques.

Compte tenu de ces contraintes, je donnerai la semaine prochaine quelques pistes sur les possibilités de structures et d’organisation de colonies importantes sur Mars (plusieurs dizaines de milliers d’habitants, voire davantage).

Illustration de titre: Base Alpha, sur Mars, crédit SpaceX.

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Index L’appel de Mars 20 03 17

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Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

3 réponses à “La cité-état martienne d’un million d’habitants n’est pas pour demain (1)

  1. Ni râleur, ni romantique, sans doute un peu pointilleux, je suis de vos lecteurs attentifs, toujours avides de découvrir du nouveau ; ce que vous réussissez parfaitement à nous donner fidèlement chaque semaine. Merci, cher Monsieur !

    Un cité martienne d’un million de personnes est actuellement de la science-fiction, pour beaucoup de raisons. U seul point pour l’instant : nous devrons avant cela maîtriser des propulsions innovantes à plasma et nucléaires pour raccourcir sensiblement les trajets à quelques semaines.

    Avec une poussée constante équivalent à seulement 0,01 g = 0,1 m/s^2, on n’aura plus un arc de trajectoire de 600 millions de km à parcourir, mais seulement de 100 à 200 millions de km (la valeur précise me manque…), non plus en 6 mois, mais en 11,5 jours d’accélération, suivis de 11,5 jours de décélération pour un trajet de 100 millions de km parcouru en 23 jours. À mi-parcours la vitesse acquise serait de 99,4 km/s qu’il faudra bien sûr ramener à quasiment 0 jusqu’au moment de toucher le sol martien. S’il s’agit d’une trajectoire de 200 millions de km, il faudra deux fois 16,5 jours et la vitesse à mi-course serait de 142,5 km/s, cela toujours avec une accélération de 0,1 m/s^2 pour un trajet de 33 jours. Peut-être avez-vous des données plus précises sur ces voyages en accélération et décélération ?

    1. Cher Monsieur de Reyff, vous et quelques très rares autres, êtes “des cas à part”. Vous êtes sans doute un peu pointilleux mais constructifs. C’est à dire qu’outre de donner des précisions vous ouvrez des horizons et j’apprécie donc beaucoup vos commentaires.
      Sur votre dernière remarque concernant l’arc d’ellipse de la trajectoire vers Mars, vous avez tout à fait raison de dire que cet arc sera beaucoup plus court si l’on va plus vite vers Mars en bénéficiant d’une accélération continue au début du voyage. Il n’empêche que la trajectoire sera toujours plus longue que la distance en ligne droite et c’est sur cela que je voulais insister.
      Une seule conséquence du voyage rapide au début, c’est qu’on se place sur l’arc d’une orbite menant beaucoup plus loin que Mars (dont le point le plus lent, celui qui va conduire à refermer l’ellipse, est beaucoup plus éloigné de la Terre) et qu’on réduit considérablement ses chances de rentrer sur Terre sans dépense d’énergie supplémentaire impossible à fournir. On perd ce qu’on appelle la trajectoire de “libre retour”.

  2. Entièrement d’accord avec Monsieur Brisson que dans un avenir prévisible on en restera certainement à des trajectoires proches de celle “optimale” d’Hohmann, donc impliquant des durées de transfert de plusieurs mois, d’une part pour des raisons de sécurité (retour “libre” possible) et d’autre part pour maximaliser les masses apportées sur Mars. Je ne vois pas pourquoi cela devrait changer avec des établissements de quelques milliers de personnes (oublions le million, pure science-fiction pour le moment!), ni avec des systèmes de propulsion plus performants.

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