mars part 2

Voyager vers Mars

Contraintes et progrès
technologiques
& scientifiques

MARS

C’est pour demain !

Nombreuses sont les études ; no-
tamment celles menées par la
NASA; ayant confirmé que le
voyage vers Mars est loin d’être une
fiction.

Les études montrent, que le voyage
présente des contraintes considéra-
bles notamment celles liées au coût de
celui-ci (10 milliards de dollars par per-
sonne). Ceci dit, la destination Mars ne
cesse de nourrir l’envie et l’espoir de
l’humanité, en quête continue de chal-
lenge mais aussi d’un refuge « plan B
» au cas où la terre ne puisse plus être
habitable par notre espèce.

La destination Mars représente Aussi une
opportunité d’affaire, comme c’est le cas
pour la societé SpaceX qui projette d’orga-
niser des voyages habités à Mars à partir
de 2023 et d’en optimiser le coût et la du-
rée. Il s’agit d’un voyage qui couterait entre
100 et 200 000 dollars par personne.

Certes l’homme a posé le pied sur la lune
qui est à 400 000 km de la terre mais un al-
ler simple vers Mars est 140 fois supérieur.
Depuis plus de 60 ans, les scientifiques de
la NASA, proposent différents scenarios,
allant du plus sérieux au plus fou.

En élaborant ces scénarios, ils devaient répondent à plusieurs
problématiques :

• Quand décoller ?
• D’où Décoller ?
• Quelle trajectoire choisir ?
• Quelle technologie de propulsion utiliser ?
• Comment assurer la sécurité des voyageurs
• L’atterrissage ou l’amarsissage ?

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Quelle trajectoire choisir ?

Avant de se diriger vers n’importe quelle des-
tination, on pense d’abord à la direction à
prendre, la distance à parcourir mais surtout à
leur optimisation.
De même que pour un voyage dans l’espace,
l’étude de la trajectoire à suivre en partant de
la Terre pour rejoindre la planète Mars figure
parmi les préoccupations et les facteurs clefs
de la réussite de cette opération.
En effet Le calcul et l’optimisation de la tra-
jectoire se base sur les principes de la méca-
nique spatiale et dépend d’une part de nom-
breuses grandeurs physiques : La vitesse de
la Terre autour du soleil, l’angle, la vitesse et
le lieu de départ du lanceur. Ainsi le moment
de départ (fenêtre de lancement). Avant d’al-
ler plus loin certaines notions méritent d’être
éclairées.

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Dans l’espace, la notion de vitesse
est plus complexe….

La notion de vitesse est plus simple à horizontal). Il est principalement utilisé
appréhender sur terre que dans l’es- pour décrire les mouvements de petite
pace. En effet sur terre, il suffit de dire ampleur des objets.
qu’une voiture roule à 600Km/h, tout - Le référentiel géocentrique est consti-
le monde comprendra, parce que c’est tué du centre de la Terre et de trois axes
sous-entendu, que c’est par rapport à pointant vers des étoiles suffisamment
la surface de la terre. Aussi étant assis lointaines pour être considérées comme
dans le CDI préparant notre TPE nous fixes. On l’utilise pour décrire des mou-
avons la sensation d’être immobiles, vements à l’échelle de la planète pour
alors que nous faisons le tour du monde lesquelles la rotation de la Terre ne peut
en 24 heures. Donc si notre école GSR être négligée (en particulier pour décrire
est sur l’équateur on parcourt quelque le mouvement des satellites)
40000 Km par jour, soit 1666 Km par
heure. Sachant que la Terre effectue - Le référentiel héliocentrique : il est
un tour autour du Soleil en 365 jours et constitué du centre du Soleil et de trois
qu’elle se trouve à quelque 150 000 000 axes pointant vers des étoiles suffisam-
de km du Soleil. Tous les 365 jours elle ment lointaines pour être considérées
décrit donc un cercle de 150 000 000 de comme fixes. Ce référentiel est utilisé
km de rayon. Ainsi, nous effectuons en pour décrire des mouvements à l’échel-
365 jours un voyage de 942 000 000 km le du système solaire (comme celui des
(300 000 000 x 3,14). Soit 2 580 822 km planètes).
par jour et 107 534 km/h.

Il est judicieux de préciser par rapport à
quel objet nous sommes immobiles ou
mobiles. D’où l’importance de la préci-
sion du référentiel.

Sachant que la vitesse d’un point en
mouvement dépend du référentiel dans
lequel il est étudié.

si dans le référentiel terrestre une voi-
ture n°1 roule à 100 km/h en suivant la
même trajectoire rectiligne que la voi-
ture A qui roule à 120 km/h alors dans
le référentiel de la voiture A, la voiture B
a une vitesse de 20 km/h(ce qui corres-
pond à la différence de vitesse entre les
deux voitures).

Le référentiel terrestre peut être facile-
ment modélisé par un repère orthonor-
mé: il constitué d’un point au sol (l’origi-
ne du repère) et de trois axes (en général
un axe vertical et deux axes dans le plan

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Dans l’espace, le système solaire est une affaire
qui tourne …

Toutes les planètes du système solai- La distance de la Terre au Soleil est
re tournent autour du soleil en suivant d’environ 150 millions de kilomètres et
une orbite propre à une certaine dis- celle de Mars au Soleil de 228 millions
tance. Ce mouvement elliptique effec- de kilomètres. Il s’agit de la distance
tué par ces planètes est appelé : La moyenne (voir la figure en bas.
révolution. En effet la distance de la Terre au Soleil
Mais qui tourne autour que qui ? varie du fait que l’orbite elliptique les pla-
Mouvement Apparent nètes se trouvent à des moments plus
éloignées et à d’autres plus proche.
La révolution autour du Soleil n’est pas Aussi pour faire le tour du soleil, Mars
le seul mouvement effectué par les pla- doit parcourir une distance bien plus
nètes. En effet tout en tournant autour considérable que la Terre. De plus, sa
du soleil les planètes tournent déjà sur vitesse moyenne est de 24 km/s alors
elle-même, d’où le principal mouvement que celle de la Terre est de 30 km/s. À
apparent ou l’illusion que nous avons un moment, Mars se fait donc doubler
quand on a l’impression que le Soleil par la Terre et prend alors «de l’avance»
tourne autour de la Terre pendant la sur Mars. Ainsi en observant la planète
journée et que la voûte étoilée tourne Mars dans le ciel nous avons l’impres-
au cours de la nuit. sion qu’elle ne suit pas une trajectoire
toute droite dans le ciel. On dirait qu’el-
le avance, revient sur ses pas puis fait
une boucle et repart. Pourtant ce n’est
qu’une illusion d’optique due au fait que
les deux planètes n’ont pas la même
vitesse de croisière autour du Soleil et
que leur trajectoire est une courbe.

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Le mouvement rétrograde est une question de ré-
férentiel ….

La trajectoire de Mars dans le référentiel héliocentrique est un cercle alors
que la trajectoire de Mars dans le référentiel géocentrique (voir simulation
via Stellarium) est différente, donc la trajectoire de Mars dépend du référen-
tiel choisi, d’où la trajectoire, le mouvement de Mars, est « relatif à un réfé-
rentiel ».
Simulation de la trajectoire de Mars Via Stellarium :

Stelarium est un logiciel qui simule le ciel nocturne comme un planétarium.
Il permet d’observer les galaxies qui sont en déplacement avec des coor-
données géographiques réelles ainsi que les trajectoires.
Le géocentrisme permet d’obtenir la trajectoire de Mars

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Ainsi on peut dire que la ligne droite est loin d’être le plus
court chemin en espace. En effet pour effectuer un voyage
qui soit le plus économique possible en direction de Mars,
un vaisseau spatial doit suivre une trajectoire elliptique dont
l’une des extrémités touche la Terre et l’autre Mars.
Lorsqu’une sonde spatiale suit une trajectoire de type I, elle
décrit L’orbite de transfert de Hohmann, permet d’effectuer
le voyage en 9 mois.

TRAJECTOIRE
TYPE1
incinaison
inférieure à180

TRAJECTOIRE
TYPE2
incinaison
supérieure à180

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Orbite Hohmann Dans l’espace,
la révolution
Walter Hohmann, architecte alle- entraîne
mand, est l’auteur des premiers la rétrogradation
calculs détaillés de trajectoires
interplanétaires en disant simple- La planète Rouge se déplace vers l’est
ment que la trajectoire est une el- dans le ciel du fait de son mouvement
lipse dont le périhélie P (point le de révolution. Cependant, lorsque la
plus proche du Soleil) est sur l’or- Terre passe entre elle et le Soleil, le dé-
bite de la Terre et l’aphélie A (point placement plus rapide de notre planète
le plus éloigné du soleil) sur celle crée un effet de projection qui nous
de Mars. L’orbite est donc tangen- donne l’impression que la planète rou-
te aux deux orbites des planètes. ge se déplace dans l’autre sens, vers
C’est la manière la plus économi- l’ouest. Ceci continue jusqu’à ce que la
que en énergie pour se rendre à Terre s’éloigne et que Mars reprenne
Mars. Philippe Labrot). son cheminement normal.
La révolution de la Terre donne nais-
sance à un phénomène appelé le mou-
vement rétrograde des planètes (dé-
placement dans l’autre sens).
Pour le comprendre, faites l’expérience
suivante. Levez un doigt devant vous
et bougez-le lentement vers la gauche.
Déplacez alors rapidement votre tête
dans le même sens. Par un effet de
projection, votre doigt semble se dépla-
cer vers la droite.

La sonde Mars Pathfinder a suivi une trajectoire
de type I (l’angle d’inclinaison inferieur à 180°)
et a pu la parcourir en sept mois. Lancée le 4
décembre 1996 et a pu atterrir le 4 juillet 1997
Dépassant ainsi Global Surveyor.
En A, la position respective de Mars et de
la Terre au moment du lancement. En B,
la position de Mars et de la Terre lors de
l’atterrissage.

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D’où partir ?

« Aéroport » destination Mars

Dès lors que l’on suppose que le voyage est possible, la question qui se
pose le lieu idoine pour le lancement.
En effet, plusieurs possibilités :

L’opportu- Les
nité de se lancer stations orbi-
depuis la lune est envisa- tales restent un point
geable, mais la condition qui de départ privilégié d’un point
ne la favorise pas est le cout élevé de vue pratique. Les différents
de cette possibilité. Il nécessitera la modules nécessaires au voyage et
construction d’une base et l’achemine- à l’habitat martiens seront transportés
ment du matériel pour le rassembler en dehors de l’atmosphère terrestre
sur la lune. Le départ s’effectuera et y sont montés. Une telle solution
depuis la lune pour arriver vers éviterait les éventuels accidents et
mars aléas liés au départ et favoriserait
une économie considérable des
énergies nécessaires à la
poussée mais reste très

couteuse.

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Ainsi, le lieu de décollage optimal reste la
terre elle-même et plus précisément près
de l’équateur, du fait que ce soit un ter-
rain plat favorisant un décollage stabilisé.

Aussi pour profiter de la vitesse de la
Terre autour du soleil, et aussi de sa
vitesse de rotation sur elle-même.
En équateur cette vitesse atteint 0,46
Km/s soit l’équivalent de 1.666 Km/h.

Schéma représentatif de l’addition des Aussi, la terre tourne autour du Soleil à la
différentes vitesses à assurer pour par- vitesse de 29 km/s. Ajoutons ces vitesses
tir vers la planète Mars correctement. à celle de propulsion de la fusée (11,2
km/s minimum) Donc, la fusée ainsi pro-
(v=vitesse de lancement de la sonde) pulsée depuis la Terre va additionner les
vitesses de rotation, de révolution autour
du Soleil et de poussée du lanceur.

La vitesse de rotation de la
terré est au zénith à l’approche de
l’Equateur

La base de lancement
de Kourou en Guyane
française est située à 5° de
latitude nord de l’équateur
et constitue ainsi une très
bonne base de lancement.
(c) www.americas-fr.com

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Quand partir ?

Les distances entre les planètes Mars et Terre

changent, ainsi le meilleur moment pour partir

dépend évidemment de cette distance
Nos futurs Martiens pourront planifier leur port à Mars. ; Appelée « opposition » qui

voyage à leur convenance ? serait plus propice au voyage. En effet

Malheureusement les contraintes du La distance qui sépare la Terre de Mars
voyage (durée du voyage et énergie mo- qui est de 500 Millions de Km se réduit à
trice nécessaire), posent de sérieuses 60 Millions de Km.

contraintes d’optimisation. Ces périodes d’opposition se succèdent

En prenant en considération le change- tous les 26 mois (780 jours en moyenne)
ment continu de la position de Mars par et la durée d’une «fenêtre» est de 3 se-
rapport à la Terre, le lancement ou le maines.

départ ne peut avoir lieu que durant cer- Ainsi, les ingénieurs spécialistes des mis-

taines périodes bien précises dites « fe- sions vers Mars estiment que le moment

nêtre de tir » ou la Terre et Mars sont du départ devra coïncider avec les oppo-

alignées. sitions de la planète afin d’emprunter un

Ainsi, les spécialistes estiment qu’il fau- chemin ; certes court mais aussi moins
drait attendre une période ou la planète onéreux en termes de consommation
Terre est située à 44° en arrière par rap- d’énergie.

En 2018, l’opposition sera
encore plus spectaculaire la
distance séparant Mars et la
Terre ne dépassera pas 57,6
millions de kilomètres.

En 2018, l’opposition sera
encore plus spectaculaire la
distance séparant Mars et la
Terre ne dépassera pas 57,6

millions de kilomètres.

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Comment partir ?

Quelle technologie de propulsion

Il s’agit du vaisseau qui assurera le voya- technologie révolutionnaire pour la fusée
ge pour une mission habitée vers la pla- et son lanceur.
nète Mars. Quelle technologie ? Une mission habitée
S’il y a un domaine qui aurait connu le vers mars représente un défi sans com-
plus d’avancée technologique et d’inno- mune mesure avec celui qu’a du relevé
vation depuis que l’Homme a noué avec le programme Apollo lors de la conquête
la conquête de l’espace, c’est bien celui lunaire.
des moyens de propulsion: en effet, pour En effet La limitation la technologie du
se soustraire à la gravité de la Terre, et Saturne V (la plus grosse fusée jamais
pour voyager dans l’espace, une grande construite) de par son énorme consom-
quantité d’énergie est nécessaire. La mation du fuel nécessaire aux réactions
source d’énergie et son carburant doivent chimiques explosives pour propulser le
en plus être embarqués dans le vaisseau, vaisseau spatial Apollo en orbite. Plus
ce qui représente encore aujourd’hui un de trois millions de litres de combustibles
défi technique considérable. justes pour envoyer quelques personnes
La difficulté réside dans le besoin de pour un séjour d’une journée sur la lune.
produire une forte poussée pendant une Alors, quelle
durée limitée (pour échapper à la gravité technologie de
de la Terre, par exemple), ainsi qu’une propulsion est
poussée modérée mais sur de très lon- capable d’as-
gues périodes (beaucoup plus que les surer le trans-
voyages interplanétaires). port des futurs
Le voyage à destination de Mars prendra martiens ainsi
vraisemblablement plusieurs mois. Aussi que les diffé-
il faudra considérer tous les équipements rents modules
et les moyens nécessaires durant et pour nécessaires à
le voyage en lui-même et une fois arrivés la leur survie à
sur la planète rouge, il faudrait avoir les des milliards de
outils et les équipements pour s’installer. kilomètres de la
Transporter tout ce matériel en plus de la Terre ?
contrainte de la gravité va requérir une

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Expérience 1 :
Pression des gaz utilisée pour la propulsion
des fusées

Le protocole
Mettre un comprimé efferves-
cent dans son tube.
Mettre un peu d’eau dans le
bouchon.
Poser le tube sur le bouchon de
façon à ce qu’il soit à l’envers.
Après quelques secondes la
pression s’accumule dans le
tube et on assiste au décollage.

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Système de propulsion

Propulseur Propulseur
chimique ionique.

C’est le système de propulsion transfor- Le principe du moteur ionique est simple :
mant l’énergie chimique en énergie cinéti- il faut d’abord ioniser un gaz(generalement
que. C’est le seul système assez développé du Xénon), puis accélérer les ions grâce à la
pour échapper à la gravité terrestre. force électromagnétique. Les ions sont en-
suite éjectés à très grande vitesse (de l’ 50
(La solution classique utilise des moteurs km/s) cette force d’accélération provoque
biergols (H²-O² le plus souvent) et des mo- une force de réaction opposée ce qui donne
teurs à poudre) la force de poussée de la fusée.
Le concept est maîtrisé, car plusieurs mis-
La poussée est produite par la réaction en- sions, dont SMART 1, ont déjà exploité des
tre un carburant et un comburant, appelés moteurs ioniques.
ergols. Cette réaction produit un gaz sous • Seule la masse à éjecter est embar-
très haute pression, qui est expulsé par quée, l’énergie de l’éjection peut être collec-
l’intermédiaire d’une tuyère, pour produire tée sur place avec des panneaux solaires
la force de poussée et propulser le vais- • Le moteur ionique peut fonctionner
seau. très longtemps sans s’arrêter, si nécessaire
durant des années
Par exemple : une poussé de 13 000 kilo- • Les fusées dotées de tels moteurs
newtons au décollage pour Ariane 5 afin de sont plus sûres car le carburant est conser-
s’arracher de sa propre masse. vé de manière préventive des risques d’ex-
plosion dans l’espace ouvert
Le principal inconvénient de ce système
est le fait qu’il nécessite une réserve très
importante d’ergols. En effet il faut embar-
quer une quantité d’ergols qui constitue
83% du poids total du lanceur.

Le lanceur européen Ariane 5ECA devait
embarquer 650 tonnes d’ergols pour l’en-
voi de d’un satellite de 10 tonnes.

Pour une mission habitée, il s’agira de plu-
sieurs centaines de tonne compte tenu des
différents modules nécessaires à la mis-
sion habitée.

Schéma de Comparés aux moteurs chimiques, les mo-
fonctionnement teurs ioniques produisent une poussée rela-
d’un propulseur tivement faible, mais possèdent une impul-
chimique sion spécifique très grande (de l’ordre de
3000 secondes), ce qui les rend intéressants
dans des voyages interplanétaires.

Comment se débarrasser des centaines
de tonnes d’ergols requises par la propul-
sion chimique ?

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Système de propulsion

Propulseurs La propulsion des engins spa-
plasma tiaux doit répondre à deux be-
soins :
Dans le cadre de la propulsion ionique on • Une faible poussée mais for-
trouve aussi la propulsion au plasma sauf
qu’un moteur ionique accélère des ions, te impulsion spécifique (tra-
après séparation des charges, alors qu’un jet interplanétaire)
moteur plasmique accélère (un plasma) ions • Une forte poussée mais faible
et électrons en même temps, sans séparer impulsion spécifique (décol-
les charges. lage, mise sur orbite haute,
insertion Trans-planétaire,)
En effet les fusées au plasma est une tech-
nologie qui transforme le carburant en une Impulsion spécifique : c’est le rapport
soupe chaude de particules chargées électri- entre la force de poussée, le temps et
quement, connue sous le nom de plasma, et la consommation en carburant.
l’utilise pour propulser un vaisseau spatial.
L’utilisation de fusées au plasma peut ré-
duire de 90% le volume de carburant utilisé
dans l’espace en comparaison avec la pro-
pulsion chimique.

Néanmoins Les fusées au plasma à l’instar
des ioniques ont bien leur point négatif : une
faible poussée de propulsion.

Schéma d’une fusée à propul-
sion plasma.

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Système de propulsion

Propulsion anti-matière La propulsion Magneto-
plasmique
Le moteur à antimatière dont le principe est l’uti-
lisation de l’énergie qui née avec contact de la La propulsion magnéto-plasmique du VASI-
matière et de l’antimatière, permettant ainsi une MR permet d’ajuster ses paramètres de fonc-
source de carburant intéressante pour un voyage tionnement pour atteindre les deux types de
de longue distance et de longue durée. besoins. (Un seul moteur avec son carburant)
On économise donc énormément de place
La limitation de cette solution réside dans le fait et de poids, Avec un moyen de stockage du
que si la matière est omniprésente, l’antimatière carburant de façon beaucoup plus simple
par contre ne se trouve pas naturellement, il faut et sans danger. (Le « carburant » en ques-
la fabriquer à un prix exorbitant. tion étant un gaz (hydrogène, xénon, argon,
hélium,) qui peut donc être comprimé pour
L’antimatière est comme son nom l’indique l’op- être stocké, et qui ne présente pas ou peu de
posé de la matière : elle comprend des antipro- danger d’explosion et de corrosion.
tons, qui possèdent une charge négative et des
antiélectrons (aussi appelés positrons), ayant Ce type de moteur pourrait aisément mettre
eux une charge positive. Ces deux “antiparticu- Mars à quelques dizaines de jours de voya-
les” correspondent respectivement aux protons ges de la Terre (au lieu des 6 à 9 mois néces-
et aux électrons de la matière. saires pour une propulsion conventionnelle
par moteur-fusée).
Lorsque de la matière rentre en contact avec de
l’antimatière, elles se convertissent intégralement
en énergie ce qui peut en faire un carburant inté-
ressant pour une fusée ou quelque autre navette
destinée à faire des voyages de longue distance
et de longue durée.

La NASA estime que 4 mg d’antimatière et 4
mg de matière seraient suffisants pour effectuer
un aller simple pour Mars... mais il s’agit là du
carburant le plus couteux qui n’a jamais existé.
Aussi compte tenue des techniques actuels de
fabrication, cette technique est loin d’être renta-
ble.

Quelle autre technologie pour répondre à la dou-
ble épreuve sprint et endurance de la mission
habitée ?

Un nouveau moteur à plasma, développé en
partenariat avec la Nasa, pourrait bien relever le
défi.

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Système de propulsion

VASIMIR :

Un moyen pour ble vaguement à la propulsion plasmi-
les missions lointaines que, dans le principe. Sa principale dif-
férence réside au niveau de la création
La propulsion VASIMR « c’est-à-dire : des ions. En effet, sAuite à l’injection
fusée magnéto-plasmique à impulsion du gaz (tel A l’Hélium) dans un tube en
spécifique variable) est un moteur ca- quartz, le gaz est porté à très haute tem-
pable de faire varier son impulsion spé- pérature (de l’ordre de 30 000 K) grâce
cifique autant que possible. (Ci-après : à l’émission de micro-ondes qui ont
l’image futuriste d’un vaisseau équipé pour effet d’ioniser ce dernier. Il passe
de la propulsion VASIMR) donc à l’état plasmique, un mélange de
Cette variation le rend très polyvalent. cations et d’électrons. Grâce à sa struc-
ture ionisée, son chemin est contrôlé à
En effet, VASIMR combine l’avantage l’aide d’électro-aimants qui le maintien-
d’un moteur chimique et celui de la pro- nent dans la «bouteille électronique» où
pulsion plasmique. . il continue d’être chauffé part des an-
tennes jusqu’à des températures attei-
Fonctionnement : gnant les 10 MK ! Ces températures lui
permettent d’être sous haute pression
Le moteur VASIMR puise son éner- dans un espace restreint, le gaz ionisé
gie dans des panneaux solaires ou un subit donc une détente dans la tuyère,
réacteur nucléaire fournissant ainsi une dite magnétique, où il est éjecté à très
grande quantité d’électricité. Elle est haute vitesse.
par la suite utilisée pour ioniser un gaz
choisi et l’accélérer dans une tuyère. La Nasa a cru en Vasimir et a décidé
Vous l’aurez compris, VASIMR ressem- donc le financement de ce projet qui
permettra l’arrivée à la planète rouge en
39 jours au lieu de six mois.

Les résultats des tests décisifs de Vasi-
mir sont prévus en 2018. De quoi confir-
mer ou non si, dans cette course au
voyage spatial, Vasimr s’avère bien le
meilleur des candidats dans la double
épreuve “sprint et endurance”.

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Système de propulsion

Propulsions futuristes

«EM Drive» (drive pour propulseur source d’énergie (solaire, nucléaire,
et EM pour électromagnétique, une antimatière...) pour produire de l’élec-
technologie pour voyager à Mars en tricité alimentant le résonateur à mi-
seulement 70 jours . cro-ondes qui se trouve dans la boîte.
L’EmDrive, Mystérieux moyen de le moteur électromagnétique qui serait
propulsion, qu’aucune loi de physique capable de générer une propulsion
n’arrive à expliquer, permettant de plus qu’impressionnante. Cette tech-
voyager dans le vide de l’espace avec nologie a passé les premiers tests de
très peu de carburant sans éjecter de l’Institut américain d’aéronautique et
matière comme le fait un réacteur. En d’astronautique (AIAA).
effet le principe éviterait donc d’em-
porter une grosse masse de carbu-
rant et de comburant. Il suffirait d’une

Répartition du champ magnétique au sein du moteur Emdrive. Crédits : NASA EAGLEWORKS

Prototype du moteur Emdrive, réalisé par son inventeur, Roger Shawyer. Crédits : Roger Shawyer/
SATELLITE PROPULSION RESEARCH LTD

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Amarsissage

Se poser sur Mars

Une fois arrivé à destination à cause freiner grâce à propulseur tel que ce-
de la différence de pression l’atterris- lui qui a été utilisé pour atterrissage
sage est un autre problème à régler de Phenix, Viking et la sonde sovie-
afin d’arriver à mettre le pied sur Mars. tique Mars 3. Cependant, plus la pla-
Par le passé de nombreux modules nète a une gravité importante, plus la
se sont écrasés en entrant dans l’at- quantité d’ergols nécessaire au frei-
mosphère de Mars. En l’occurrence nage est grande. Ce qui représente
l’atterrisseur Schiaparelli de la mis- une contrainte de poids pour un long
sion ExoMars (Ocobre 2016), C’est le voyage comme celui de la mission
deuxième échec Européen après ce- habitée vers Mars.
lui de 2003 avec le mini-atterrisseur Les physiciens de l’espace travaillent
Beagle 2 à bord du Britannique Mars sur plusieurs scenarii et réfléchient à
Express, qui a atterri mais n’a jamais plusieurs solutions, notamment l’ex-
donné signe de vie. ploitation de l’atmosphère de Mars
Le problème qui se pose c’est com- pour aider au freinage et réduire la
ment freiner de tels engins dans l’at- quantité d’ergols nécessaire au strict
mosphère de Mars, qui est assez minimum.
épaisse pour nécessiter un bouclier • L’utilisation d’un bouclier ther-
thermique mais pas assez pour frei- mique amovible largué avant l’atter-
ner suffisamment la sonde avec un rissage. Afin de diminuer la masse,
parachute. facilitant ainsi le freinage par para-
Aussi Comment contrer la force gra- chute coussin gonflable
vitationnelle qui tend à faire accélérer • L’utilisation d’une structure
le vaisseau vers la surface à grande écrasable protégeant le ventre de l’at-
vitesse. terrisseur pour amortir l’impact final.
Le premier scénario évident est de

Un exemple de scénario de freinage thermique permet au vaisseau de ne
et d’atterrissage si le vaisseau est déjà pas se consumer lors de cette phase.
positionné en orbite martienne : 3. Largage du bouclier thermique.
1. Petite phase propulsée pour sortir de 4. Ouverture des parachutes.
l’orbite martienne et faire entrer le vais- 5. Démarrage de la phase propulsive
seau dans l’atmosphère martienne. terminale.
2. Freinage grâce aux frottements dans 6. Atterrissage.
l’atmosphère martienne. Le bouclier

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Amarsissage

L’agence américaine, la Nasa a réussi bitat, véhicules de retour, objets de
des atterrissages sur la planète Mars recherche, approvisionnement, équi-
mais elle est consciente que les ris- pements, les systèmes de recyclage
ques associés à un atterrissage aug- d’eau, d’oxygène, de déchets etc...),
mentent avec la masse du vaisseau à aussi les contraintes du vaisseau
faire atterrir. Compte tenu de l’impor- qui doit être muni d’un bouclier anti-
tance de la masse de l’engin qui va rayonnement ,un générateur de gra-
assurer la mission habitée vers Mars, vité ..
la solution est en réalité évidente
penser au scénario qui minimise la En effet ,Si Curiosity avec ses 899kg
masse du vaisseau à faire atterrir, par a été le plus gros objet déposé sur
exemple laisser quelques éléments Mars, une exploration martienne par
en orbite martienne ou/et à faire atter- l’homme sera une toute autre histoi-
rir plusieurs vaisseaux/modules… ! re. On estime avoir à faire atterrir plus
de 30 tonnes. Si l’on se base sur l’at-
La masse du vaisseau de la mission terrissage de Curiosity, on tombe sur
habité est la principale contrainte cha- des chiffres équivalents totalement
lengeant les physiciens. astronomiques :

Contraintes techniques Bouclier thermique de 24,5m de dia-
du vaisseau engendrant mètre, 30 parachutes de 15m de dia-
un poids supplémentaire mètre ouvrir en supersonique... …

Pour une mission habitée, on doit Une des solutions des ingénieurs de
considérer deux sources de masses: l’espace est de diviser ce chargement
les hommes et leurs modules (ha- en plusieurs objets plus faciles à dé-
poser sur la surface martienne…..

MARS

C’est pour demain !

Les contraintes humaines du voyage

Le voyage vers Mars

Nous apprendra beaucoup plus sur l’Homme que
sur Mars elle même

La santé physique et mentale de L’Homme pendant le voyage vers Mars, reste au centre
d’intérêt des chercheurs.
En effet, Les études menées aujourd’hui démontrent que les potentiels voyageurs vont subir
des altérations touchant à la fois le côté physiologique et psychologique.
les simulations menées par la Nasa dans le cadre de la mission Mars 500, (vol spatial ha-
bité hormis l’absence de gravité et les radiations) tendent à mettre les astronautes pendant
560(durée du voyage) jours dans les conditions d’isolement semblables à la mission habi-
tée vers Mars, ont permis de continuer les recherches afin de mettre en place les solutions
nécessaires.

Les radiations cosmiques meilleur compromis masse/protection.
Il sera placé dans la paroi du vaisseau,
Il est régulièrement question des ra- avec une épaisseur variable, en fonction
diations quand on parle d’exploration des besoins. Les quartiers d’habitation et
spatiale. Sur Terre, le champ magnéti- la nourriture auront une protection maxi-
que et l’atmosphère nous protègent de male.
ces rayons, qui détruiraient toutes for- Ces radiations peuvent être classées en 3
mes de vie. catégories :
En effet, durant le voyage Terre – Mars, - Les atomes ionisés provenant de
les membres d’équipages seront exposés l’espace : dopés en énergie, ces atomes
aux radiations avec leurs effets néfastes arrivent à traverser la paroi fine des vais-
et dangereux. Ces radiations proviennent seaux, pénètrent dans notre corps, et abi-
de la poussière cosmique et des érup- ment certaines molécules ce qui entraîne
tions solaires. Fort heureusement, les in- la mort ou à défaut certains dysfonction-
génieurs peuvent prévoir à l’avance les nements cellulaires.
éruptions solaires qui dégagent ces par- - Les atomes ionisés en provenance
ticules. des éruptions solaires : malgré la faibles-
se de leur fréquence, leur effet est fatal,
Afin de protéger l ‘équipage, les futurs si l’on le compare avec la poussière spa-
vaisseaux devront être dotés d’abris opa- tiale.
ques, boucliers en polyéthylène pour son - Les rayons X gamma : ces rayons
peuvent être arrêtés tout simplement
par la combinaison des cosmonautes ou
la paroi des vaisseaux. Mais leur risque
réside dans leur capacité d’agir sur les
particules (ionisation des atomes et des
molécules et transfert d’énergie cinétique)
et la production d’un effet boule de neige
interminable.
Le seuil tolérable de radiation
Plusieurs recherches ont été menées sur

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les mesures de radiation qui ont conclu mission.
que le risque de radiation est inévitable Le risque de Cancers
mais reste acceptable vue qu’il est dans Les rayons contenus dans l’atmosphère
la limite de tolérance dans le cas d’un stellaire sont chargés de rayons Alpha,
vaisseau protégé contre les radiations. Beta et Gamma ; qui possèdent un pou-
En effet, les mesures de radiation effec- voir de pénétration de notre organisme.
tuées sur la sonde MSL (Mars Science La lutte des cellules pour éradiquer ces
Laboratory) ayant transporté le rover Cu- rayons peuvent entrainer une mutation et
riosity grâce à l’instrument RAD (Radia- produire des cancers
tion Assessment Director). Ces mesures
montrent que les astronautes seraient Le risque de Cataracte
exposés à une radiation moyenne de 1,8 Les études menées dans le centre spa-
Millisivert par jour. Rapporté à la durée tial Johnson de la Nasa en 2001, les 39
du voyage, cette dose serait de 0,66 Sv astronautes ayant effectué des atterrissa-
(mesure observée sur le MSL pendant la ges lors des missions Apollo ont tous été
période d’août 2012 et mars 2013) ce qui atteint de Cataracte qui est une opacifica-
reste en deçà du seuil de tolérance fixé tion du cristallin et une concentration de la
par la Nasa en l’occurrence. lumière sur la rétine. Dans quatre cas, ces
symptômes ont pris 4 à 5 années pour se
Les effets de radiation sur le cerveau hu- manifester.
main Ces astronautes, racontent que lors de
Les effets de la radiation connus leur voyage, ils ont pu admirer des pay-
aujourd’hui touchent entre autres le sys- sages stellaires hors du commun et ils
tème nerveux central et entraîne des dé- ont confirmé qu’ils ont dû apercevoir des
ficiences cognitives permanentes (Source flashs même les yeux fermés.
Revue Américaine Science Advances du Ceci dénote de la puissance des rayons
1er mai 2015 sur les recherches menées dans l’altération des informations commu-
sur des souris à l’Université de Californie). niquées au cerveau à cause de ces rayons
Ainsi, les symptômes connus aujourd’hui qui atta-
se traduisent par la baisse de capacité de quent le
travail, le déficit de mémoire et des per- nerf opti-
tes de connaissances sont des risques à que à très
prendre en compte dans la réussite de la grande vi-
tesse.
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Apesanteur : La fragilisation des tissus osseux
Dans un environnement sans pesanteur,
Comme sur la terre, la pesanteur sur les voyageurs solliciteront moins leur os.
Mars existe et ne posera que peu de Cette situation implique une perte des
problèmes aux astronautes et aux ob- sels minéraux tels que le Calcium et le
jets de recherche, c’est l’apesanteur phosphore responsables du durcissement
durant le voyage qui risque de poser le des os (Ostéoporose). Les os deviennent
plus de problèmes. vulnérables et risquent de se casser au
L’une des principales inquiétudes du moindre petit faux mouvement.
voyage repose sur les manifestations
du corps suite au manque de pesan-
teur.

Le mal de l’espace Tissu osseux normal
Le voyage dans l’espace et l’absence de
pesanteur entraîne une perte d’orientation
impliquant des maux de tête et vomisse-
ments. Cependant la préparation au préa-
lable et les mises en situation d’apesan-
teur permettent aujourd’hui de combattre
ce phénomène.

Tissu osseux Ostéoporose

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Expérience 2:
«Decalcination des Os»

Le protocole
Prendre un os de poulet
Verser dessus du vinaigre
et attendre

L’os devienne mou et se casse à
cause de l’absence du calcium.

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Les contraintes humaines du voyage

L’atrophie musculaire On a remarqué, contrairement aux prédic-
Nous savons tous que nos muscles se déve- tions, une diminution du volume du tissu
loppent et se forment au fur et à mesure que pulmonaire après une semaine dans l’espace.
nous les sollicitons et nous leur faisons faire Les effets sur la circulation sanguine
des exercices tels que la marche, et les diffé- Sur Terre notre cœur est programmé pour
rents gestes de la vie quotidienne. répartir le sang de manière égale dans tout le
Lors, du voyage en apesanteur, les astro- corps. Celui-ci doit fournir un travail plus im-
nautes devront compenser le manque de portant pour alimenter les organes supérieurs,
motricité musculaire par des exercices spor- car le sang est naturellement attiré vers le bas
tifs réguliers. A défaut de ces exercices, nos à cause de la gravité. Les membres inférieurs
voyageurs verront perdre un peu de leur ne rencontrent pas ce problème car le sang
masse musculaire et s’affaibliront. leur arrive plus facilement aidé par l’attrac-
tion terrestre.

Les effets sur le système respiratoire Schéma de la circulation sanguine dans le
Sur Terre, lors d’une inspiration, le volume corps humain. Source : Ikonet.
qui arrive dans la partie supérieure du pou- Dans l’espace, le sang, ainsi que tous les
mon est deux fois plus élevé que celui qui fluides corporels, ne redescendent plus aussi
arrive dans la partie inférieure. Avant même simplement que sur Terre à cause de l’absen-
de commencer les premières expériences, on ce d’une quelconque attraction. Le cœur reste
savait déjà que le poumon et la cage thoraci- toujours programmé comme sur Terre, il ne
que étaient sensibles à la pesanteur. En posi- s’adapte pas à ce manque de gravité.
tion verticale, le poids du poumon contribue A cause de l’état de pesanteur, les fluides sont
à des différences de ventilation entre sa partie poussés principalement vers le haut du corps
supérieure et sa partie inférieure. Aussi, la ca- par le cœur et la pression des veines et des
pacité résiduelle fonctionnelle (capacité d’un artères. La personne ressent alors le syndro-
individu à renouveler l’air qui demeure dans me de la tête pleine. Les veines du cou et du
ses poumons lors d’une inspiration et d’une visage sont plus grosses qu’à l’habitude et les
expiration normale) dépend de l’orientation yeux rougissent et se gonflent. Cet effet s’ac-
du poumon par rapport au champ gravitation- compagne souvent d’une congestion du nez
nel. La mécanique thoracique permet d’ex- et des sinus et parfois même de maux de tête.
pliquer quelques modifications importantes Les jambes d’un astronaute deviennent alors
de la respiration en apesanteur, comme une plus minces, car le sang, qui avait l’habitude
augmentation d’environ 40% de la respiration de descendre facilement vers les organes in-
abdominale par rapport à la terre. férieurs, ne peut y arriver maintenant que par

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Les contraintes humaines du voyage

le système de pompage du cœur. • Les troubles de comportements du- au
Des études canadiennes ont aussi démontré stress : sommeil perturbé, maux de tête, la
que le processus de vieillissement est accé- fatigue….
léré pendant de longs séjours dans l’espace
car les vaisseaux sanguins des astronautes • Le changement d’humeur ……la pression
qui reviennent de l’espace sont plus rigides, sous les crânes peut monter dangereuse-
c’est un changement semblable aux effets du ment aussi.
vieillissement normal sur Terre.
Aussi pour pallier ce problème, il est possible
L’isolement et la réaction de recréer une gravite artificielle, en mettant
psychologique opposée par exemple, en rotation la partie habitacle
autour d’un module lie par un câble. Celle-
L’isolement et la monotonie représentent la ci est paramétrable, pour simuler non pas la
principale souffrance mentale que devraient pesanteur de la Terre mais directement celle
subir les futurs martiens et pourrait consti- de Mars.
tuer un facteur de traumatisme et de dépres- Ainsi La gravité artificielle combinée à la
sion pratique d’exercice physique ainsi qu’une
En effet, ils vivront une aventure sans précé- nourriture forte en calcium permettra de com-
dent : battre les principaux inconvénients d’un vol
• Les communications radios avec la Terre de longue durée dans l’espace.
Cependant, Bien que des expériences soient
seront bien plus courtes et les réponses menées, les problèmes psychologiques restent
séparées d’un certain délai chacune, l’un des seuls points difficilement prédictibles
de cette mission.

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Conclusion

Le voyage de l’Homme sur Mars comme nous
venons de l’étayer reste réalisable compte tenu des
technologies existantes et en cours de finalisation.
Les frayeurs suscitées par ce voyage découlent en
réalité des contraintes liées aux capacités physiques
et psychologiques humaines qui ne sont pas
compressibles.

Partant de là, les agences spatiales s’efforcent de
repousser les contraintes technologiques liées
notamment à la durée du voyage vers Mars et les
conditions « d’amarssissage » afin de limiter les
problèmes d’isolement et de malaise pendant le
voyage.

La nouvelle génération de propulseurs « VASIMIR
»dont les premiers essais se sont révélés concluants,
devrait éviter réduire la durée du voyage et ainsi
éliminer la majorité des contraintes.

Aussi si nous arrivions à envoyer un vaisseau en 3
jours sur Mars, plutôt qu’en plusieurs mois? C’est ce
que le chercheur Philip Lubin explique en propulsant
un vaisseau avec des lasers provenant directement
de la Terre ou de l’orbite. Il s’agira alors des vaisseaux
des milliers de fois plus rapides

Aujourd’hui nous marchons sur la lune, demain
pourquoi pas Mars, Les progrès techniques avancent
à pas de géant, nous en bénéficierons certainement
prochainement. Et si demain était 2025 et nous
arrivions à mars pourrions-nous survivre ?

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