En Septembre 2022, un groupe d’ingénieurs et de scientifiques travaillant dans des entreprises, institutions ou universités américaines de premier plan*, y compris la NASA, ont co-signé une étude (dont le titre est donné en fin du présent article) publiée par un éditeur scientifique de renommée mondiale (New Space, groupe Mary Ann Liebert Inc.) montrant comment exploiter les possibilités ouvertes par l’arrivée du Starship de SpaceX pour établir une présence humaine pérenne sur Mars.

*NASA Ames Research Center (dont l’auteure principale, Jennifer Heldmann); Bechtel Corp.; NASA Kennedy Space Center; Honeybee Robotics; Purdue University; Planetary Science Institute, Tucson; United States Geological Survey…et Margarita Marinova, Docteure en Sciences planétaires du CalTech, ancienne de SpaceX où elle était « Senior Mars Development Officer » (que je mets en exergue parce qu’elle est auteure en second…et que je la connais).

Ce n’est évidemment pas la première fois que des personnes qualifiées envisagent cette utilisation, à commencer bien sûr par Elon Musk et son entourage dont le fondateur de la Mars Society, l’ingénieur en propulsion Robert Zubrin. Mais c’est le premier document qui examine sérieusement la démarche qu’il conviendra de suivre grâce à la contribution du Starship. Nous entrons ainsi dans la préparation concrète de l’implantation humaine sur Mars.

Le Starship du fait de sa capacité (100 tonnes de charge utile dans un volume utilisable de 1100 m³) va en effet nous permettre non seulement de transporter des hommes avec leur système de support-vie mais généralement tous les équipements nécessaires à leur séjour de longue durée sur Mars. Ces hommes et leurs équipements mettront le plus possible à profit l’ISRU (In Situ Resource Utilization*) pour limiter au maximum les masses et les volumes qui devront être importés depuis la Terre. Et l’ISRU reposera principalement (mais bien sûr pas exclusivement) sur l’utilisation de l’eau martienne. Les autres ressources majeures susceptibles d’ISRU, ainsi qu’abondamment décrit par Robert Zubrin, sont le régolithe et le CO₂ de l’atmosphère.

* le concept d’ISRU est une « innovation » de Robert Zubrin. Lire ou relire, The Case for Mars, édition 2021, celle du 25^ème anniversaire de la première (1996).

A. L’eau

Le facteur déterminant pour une implantation humaine, pleinement reconnu par les auteurs, c’est l’eau liquide.

Avec de l’eau, « on peut tout faire ». On peut s’hydrater, se laver ; élever des poissons, des crevettes pour se nourrir, ou des algues spirulines encore pour respirer ou se nourrir ; cultiver des plantes pour se nourrir ; durcir le régolithe pour en faire une sorte de béton (le « duricrete ») ; produire toutes sortes de biens tangibles (à  commencer par l’acier à partir du fer contenu dans le régolithe) ; faire écran contre les radiations (les protons de l’hydrogène faisant bouclier aux protons du Soleil et des radiations galactiques) ; sans oublier produire des ergols (CH₄ et O₂) pour revenir sur Terre (électrolyse de l’eau pour alimenter en hydrogène la réaction de Sabatier). L’eau c’est donc la vie, non seulement végétative mais aussi active et en disposer sur Mars sera indispensable pour s’y établir.

Nous savons depuis des dizaines d’années qu’il y a de nombreux gisements de glace d’eau à la surface de Mars, y compris aux latitudes inter-tropicales. Le sujet est donc plus précisément de l’exploiter grâce à la mise à disposition de moyens permise par le Starship.

Stratégie.

Avant l’arrivée de l’homme les auteurs préconisent l’envoi de deux séries de vols robotisés pour « préparer le terrain ». Au-delà de la construction de la première plateforme d’atterrissage, il s’agira de reconnaître et caractériser précisément les ressources en eau, grâce aux équipements embarqués, de telle sorte que les hommes puissent avoir accès à cette ressource avec le minimum de moyens et le maximum d’efficacité. C’est immédiatement à proximité de cette ressource que la station appelée à devenir la Base-habitée puis la première ville martienne, devra être établie.

1. Identification du gisement de glace exploitable

Il s’agit de délimiter aussi précisément que possible au sol, les volumes et l’accessibilité de cette eau déjà identifiée depuis l’espace. Rien que pour produire les ergols nécessaires au retour sur Terre, on aura besoin d’un cube de glace de 9 m de côté. Pour les personnes le besoin est estimé à 0,6 kg/h/personne. Cette seconde partie devra être recyclée avec un minimum d’eau noire (non récupérable pour quelque usage que ce soit) et toute évolution positive dans les techniques de recyclage permettra d’améliorer le pourcentage réutilisable (90% sur l’ISS). Le premier problème sera l’épaisseur de la couche de « mort-terrain » qui recouvre la glace dans les régions de latitude basse. En effet l’atmosphère martienne s’étant dissipée très tôt dans l’espace jusqu’à devenir extrêmement ténue (610 pascals aujourd’hui au datum), la sublimation a fait son œuvre dans la zone intertropicale de la planète. Il n’existe plus de glace à ciel ouvert dans cette zone et la couche de régolithe qui la protège a été vidée de son eau sur le(s) premier(s) mètre(s), avec la succession de périodes de températures positives. Par ailleurs, le phénomène qui s’est produit dans la couche supérieure du sol, s’ajoute probablement à la diminution progressive du taux de glace sur les marges du gisement. Il faudra donc aussi déterminer jusqu’où les engins devront et pourront s’approcher pour pratiquer une extraction utile.

2. Caractérisation du réservoir de glace (exploration/prospection de la ressource)

Mais il ne s’agit pas que de volume il s’agit aussi de qualité. Là aussi des robots embarqués sur les premiers vols robotisés et équipés de divers capteurs et spectromètres, pourront nous renseigner sur les caractéristiques exactes de la glace, notamment sa pureté pour la consommation et les autres usages. L’outil que les auteurs recommandent pour cette caractérisation est la suite d’instruments VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) que l’on prépare pour la Lune (mission prévue au milieu des années 20). Cette suite qui pourra être embarquée sur des* rovers ou d’autres moyens mobiles (drones hélicoptères), comprend les instruments ci-dessous :

*les auteurs recommandent l’utilisation de flottes de ces véhicules puisque la capacité d’emport du Starship le permettra. Le nombre aura pour intérêt d’atténuer le risque de non fonctionnement d’un de ses éléments (redondance) et d’explorer plusieurs sites à la fois.

Le Neutron Spectrometer System (NSS). La spectroscopie à neutrons est une technique expérimentée qui parvient à très bien identifier les atomes d’hydrogènes dans le sol…et qui dit hydrogène dit le plus souvent eau.

Near-InfraRed Volatiles Spectrometer System (NIRVSS). Ce système mesure la composition des volatils, la minéralogie, les propriétés thermophysiques et la géomorphologie à petite échelle. Le NIRVSS pourra donc étudier la surface et la géologie du site d’extraction, fournissant le contexte minéral de la surface et du régolithe. C’est le complément naturel au NSS.

Mass Spectrometer Observing Lunar Operations (MSolo). L’instrument est basé sur le spectromètre de masse quadripolaire haute performance « Transpector MPH » de la Sté INFICON (utilisé sur Terre). Il pourra analyser les matières volatiles libérées du régolithe, lors des déplacements du rover ainsi que lors de l’extraction par forage. MSolo pourra non seulement estimer l’abondance de l’eau mais aussi identifier la présence et les densités relatives de diverses autres espèces volatiles (H₂, He, CO, CO₂, CH₄, NH₃, H₂S, SO₂).

Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain (TRIDENT). L’instrument est un foret rotatif à percussion de 1 m de long, développé par la société Honeybee Robotics et conçu pour remonter en surface du régolithe sec ou enrichi en volatils à fin d’analyse par NIRVSS et MSolo. Il comporte une face pleine avec des fraises en carbure à l’extrémité d’une tarière de 1 m pour briser le régolithe et transporter les brisures à la surface. La tarière comprend deux sections : les 10 cm inférieurs qui ont des cannelures profondes à angle faible, idéales pour rétention du matériau ; la section supérieure de 90 cm qui a des cannelures peu profondes à angle raide et qui conviennent à un retrait efficace de matière. Evidemment la glace peut être présente à une profondeur plus grande qu’un seul mètre mais l’analyse du sol jusqu’à cette profondeur pourra déjà donner des indications sur ce qu’on peut trouver en-dessous (et éventuellement on pourrait ajouter des rallonges à la tige principale).

3. Acquisition de la glace

Le système recommandé par les auteurs, après identification de la ressource, est l’utilisation de la technologie du « puits Rodriguez » connue sous le nom de « Rodwell » (différente de celle du TRIDENT utilisée pour la simple exploration. Le Rodwell permet d’aller beaucoup plus profond). Le Rodwell a été conçu et testé par Honeybee Robotics pour être utilisé au Groenland et en Antarctique. Le concept consiste à faire fondre la glace en profondeur pour créer une poche d’eau liquide pouvant être pompée à la surface. Le Rodwell maintient l’eau liquide dans la cavité souterraine par chauffage pendant toute la durée de vie opérationnelle du puits. La poche d’eau se dilate au fur et à mesure que la glace fond à partir des parois de la cavité, fournissant ainsi une source d’eau constamment renouvelée. Le « RedWater » (en cours de conception) sera la version du Rodwell adaptée à Mars. Le RedWater mettra en œuvre deux technologies terrestres éprouvées (notamment au Pôle Sud) : le « coiled tubing » (CT) pour le forage et le principe de base Rodwell pour l’extraction de l’eau. L’extrémité du tube CT comporte un ensemble (« Bottom Hole Assembly », « BHA ») constitué autour d’un moteur et d’un foret. Pour éliminer les débris et éclats de roche, de l’air martien comprimé sera pompé dans le tube. Une fois le trou fait, le CT sera laissé à l’intérieur et utilisé comme conduit pour l’extraction de l’eau. Le BHA comprend un sous-système de forage à percussion rotatif et des radiateurs. En atteignant une couche de glace, la perceuse continuera pendant environ 3 m puis s’arrêtera, mais la mèche continuera de tourner. La foreuse déploiera une garniture flexible pour sceller le trou et les appareils de chauffage seront allumés pour faire fondre la glace environnante. Après qu’il ait fait fondre le volume de glace prévu, le trou de forage sera pressurisé et une vanne sera ouverte pour permettre à l’eau de s’écouler vers la surface, comme dans un geyser terrestre. L’opération pourrait être effectuée au travers d’un mort-terrain allant jusqu’à 20 mètres. Pour l’approche on peut envisager de simples rovers, à la condition qu’on choisisse un gisement de glace sous un mort-terrain accessible à ces véhicules. On évitera donc en particulier les gisements de LDA (Lobated Debris Aprons, tabliers de débris lobés) dont la surface est probablement encombrée de pierres et de rochers emportés par le flux lors de leur formation. Une alternative au RedWater serait l’extraction minière classique, soit avec pelles excavatrices et marteaux-piqueurs ou scies, soit avec utilisation d’explosifs.

4. Système de distribution de l’eau

La glace extraite sur le site minier devra être transportée jusqu’à la base habitée pour un traitement supplémentaire et pour utilisation. Le transport pourra être effectué par plusieurs moyens, pipeline et/ou camion. Le mode choisi dépendra de la distance entre le site minier et la base habitée ou les starships. Les emplacements des installations de traitement et de stockage sont bien sûr des considérations importantes pour le choix. On devra optimiser la conception du processus de transport selon que l’eau sera stockée sous forme de glace et fondue selon le besoin, ou que des réservoirs d’eau liquide seront maintenus pour une utilisation à la demande. Il est fort probable que l’on extraira l’eau nécessaire d’un (ou de plusieurs) puits et qu’on la maintiendra en quantité minimum disponible immédiatement sous forme liquide. Le reste sera stocké sous forme de glace pour utilisation future. Pour l’eau en phase liquide, il sera évidemment important de tenir compte de l’importance de la gravité dans le flux puisqu’il est avantageux sur le plan énergétique que le consommateur soit situé à une altitude inférieure à l’approvisionnement.

5. Purification de l’eau

L’eau extraite de sources in situ devra être testée pour déceler les contaminants ou une présence biologique potentielle, et purifiée en conséquence. Le niveau d’impuretés tolérable doit être déterminé pour les différentes utilisations possibles. Par exemple, les exigences pour les ergols seront différentes des exigences pour l’eau potable. Cependant, la quantité d’eau nécessaire pour permettre la vie des hommes sur Mars sera relativement faible par rapport à l’eau nécessaire pour faire le plein des starships. On pourra recycler l’eau comme on le fait sur l’ISS, mais comme la ressource en eau ne sera pas soumis à la même contrainte de rareté, on pourra descendre en dessous des 90%.

Il existe plusieurs méthodes utilisables pour la purification de l’eau. Les technologies de traitement physique utilisent la séparation de phase des constituants du liquide par différence de densité (flottation, décantation, centrifugation), changements de phase (distillation, évaporation, congélation), barrière physique sélective (filtration), osmose inverse ou chimie de surface différentielle (séparation capillaire et chromatographique, échange d’ions, sorption).

Des traitements chimiques peuvent aussi éliminer les contaminants indésirables et désinfecter un approvisionnement en eau. Les missions martiennes devraient donner la priorité aux technologies pour lesquelles les réactifs pourront être produits in situ.

Des traitements biologiques peuvent également être envisagées. Bien que leur cinétique soit généralement inférieure (heures à jours) à celle des processus physiques ou chimiques (secondes à minutes), leur processus présentent l’avantage d’être capables d’auto-régénération et peuvent donc fournir un système de purification durable avec une masse initiale très réduite.

B. Les auteurs n’ont pas oublié les autres nécessités que peut permettre de satisfaire le Starship. Ils les considèrent seulement comme secondaires par rapport à l’eau. Je vous en parlerai la semaine prochaine !

Pour le moment on voit que l’apport du Starship n’est pas une technologie supplémentaire pour adapter l’environnement martien aux ambitions de l’homme, c’est simplement et c’est déjà beaucoup, une capacité d’emport tout à fait extraordinaire qui permettra de déposer sur Mars tous les équipements nécessaires dont on aura besoin et qui permettra aussi de vivre sur Mars en attendant qu’on ait construit les infrastructures nécessaires avec les matériaux provenant de la planète elle-même.

Lien vers l’article de NewSpace (open source) : https://doi.org/10.1089/space.2020.0058

Lien vers une traduction libre en Français de cet article (par moi-même): Architecture de mission utilisant le Starship de SpaceX pour permettre une présence humaine durable sur Mars

Titre :

Mission Architecture Using the SpaceX Starship Vehicle to Enable a Sustained Human Presence on Mars (Architecture de mission utilisant le Starship de SpaceX pour rendre possible une présence humaine durable sur Mars)

Illustration de titre:

Schéma de principe du puits Rodriguez « RedWater » conçu pour Mars par Honeybee Robotics. Les principaux sous-systèmes y sont indiqués. La foreuse du RedWater est transportée par le rover ATHLETE de la NASA. Crédit aux auteurs de l’article cité.

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Index L’appel de Mars 23 01 29