La passerelle lunaire est une mauvaise idée

Concept d'art de la passerelle lunaire. Source: NASA

Aussi passionnant que soit le Canada de donner un coup de main (ou plutôt un bras robotique) à l'effort d'exploration de l'espace humain, le projet de la passerelle Lunar est une autre impasse. Il n'y en a pas besoin, et cela n'a aucun sens financier ou scientifique.

La passerelle lunaire, initialement proposée par la NASA, est une petite station spatiale qui orbiterait la Lune et soutiendrait les opérations dans l’espace spatial. Le 28 février, le Premier ministre canadien, Justin Trudeau, a annoncé que le Canada serait le premier pays à s’engager officiellement dans ce projet. Cependant, si l'objectif est d'étendre la portée humaine dans l'espace, les ressources nécessaires seraient mieux investies ailleurs, par exemple lors de l'atterrissage sur la Lune.

Premièrement, aucune science particulière n'est prévue pour la passerelle lunaire qui ne puisse être conduite en orbite terrestre (comme dans la station spatiale internationale), sur la surface lunaire ou avec un satellite. Il offre également peu d'avantages financiers, de sécurité et d'ingénierie par rapport à ces emplacements.

Sur la surface lunaire, les astronautes ont accès à la glace d’eau dans les zones ombragées, où ils peuvent se protéger des radiations et être utilisés comme matériau de construction, ainsi qu’une partie de la gravité. Aucun d'entre eux n'est présent en orbite.

Sur la note de rayonnement, la passerelle lunaire sera située en dehors du champ magnétique terrestre. Le champ magnétique atténue et dévie les rayons cosmiques et solaires, réduisant l'exposition des astronautes et la vie sur Terre. Les habitants de la Porte de la Lune seront exposés de façon chronique à l’ensemble des attaques de radiations. Un astronaute non protégé à la surface de la Lune recevrait un dosage similaire, mais les astronautes pourraient couvrir leurs bâtiments de régolithes ou simplement vivre sous terre pour éviter cela. Si une protection contre les rayonnements est prévue pour la passerelle lunaire, elle doit être transportée depuis la Terre.

Concept ESA pour les bases lunaires protégées des rayonnements par une coque protectrice en régolithe. Source: Agence spatiale européenne (partagé sous CC BY-SA 4.0)

Sur la surface lunaire, l'utilisation des ressources locales, la présence d'un sol solide et la gravité permettraient aux habitants de construire des installations de surface plus étendues que ce qui serait réalisable pour un assemblage en orbite. Une station spatiale sera nécessairement à l'étroit, tandis qu'une base de surface pourrait être aussi grande qu'une formation géologique, telle qu'un tube de lave naturel.

En général, il est beaucoup plus facile de construire sur une planète ou une lune qu'en orbite. Alors que la science de la construction sur terre ferme progresse depuis la construction des premiers bâtiments en Mésopotamie, la construction en orbite en est encore à ses balbutiements et coûte très cher. L’assemblée de la Station spatiale internationale a commencé en 1998 et se poursuit. jusqu'à présent, il a coûté plus de 150 milliards de dollars et continuera d'augmenter. Notez qu’elle orbite à seulement 400 kilomètres de la Terre et qu’elle ne prend que quelques heures pour la parcourir.

Tenter de monter une station spatiale autour de la lune, à près de 400 000 kilomètres et à trois jours de la Terre, alors que les techniques de montage dans l’espace en est encore à ses balbutiements, est une folie. Transférer les composants de la Terre sur l'orbite lunaire nécessite beaucoup plus d'énergie, des fusées plus puissantes et une complexité de mission accrue. Cela augmente considérablement les dépenses financières, les risques et le danger; les composants risquent de ne pas être livrés, les manœuvres d'accostage peuvent être manquées et les accidents deviennent considérablement plus dangereux en raison de la distance qui les sépare de la Terre.

Un panneau solaire endommagé par collision sur la station spatiale Mir. Source: NASA

Prenons l'exemple de l'incendie de la station spatiale Mir de 1997, qui s'est heureusement éteint avec succès. Ou bien, prenons un autre exemple dans Mir, la même année, lorsqu'un engin spatial cargo s'est écrasé dessus, provoquant la dépressurisation d'un module et obligeant les astronautes à le sceller. Un incident plus récent sur la Station spatiale internationale est la défaillance du système d'élimination du dioxyde de carbone en 2010, qui aurait pu provoquer l'étouffement des astronautes. Heureusement, personne n'a été blessé ou tué dans ces accidents. Mais imaginons que ces incidents aient dégénéré, provoqué de graves blessures ou endommagé de manière irréparable un composant essentiel, et que la sécurité soit assurée dans une demi-semaine. Ces risques seraient plus faibles sur la surface lunaire qu'en orbite, où la protection contre les radiations et les débris est plus facile, la gravité maintient les objets et facilite le contrôle du feu, et les ressources minérales sont facilement accessibles.

L’un des objectifs du projet est d’étudier les effets des rayonnements cosmiques et solaires sur les astronautes en dehors du champ magnétique protecteur de la Terre, en vue des expéditions dans l’espace lointain vers Mars et au-delà. La réalisation de telles expériences en orbite lunaire présente peu d’avantages. Des études de rayonnement peuvent être menées sur la surface lunaire sur des astronautes dans des habitats intentionnellement non protégés (dont l'éthique est laissée sous la forme d'un exercice pour le lecteur), tandis que toute expérience en gravité zéro peut être réalisée sur la Station spatiale internationale. De plus, les astronautes sur la Lune ou à proximité de celle-ci seront à au moins trois jours de l’aide en l’absence de système de propulsion nucléaire. Il est préférable que les urgences se produisent sur une base de surface bien équipée plutôt qu’une station orbitale à l’étroit.

De plus, toute station spatiale ou satellite nécessite des manœuvres occasionnelles pour empêcher son orbite de se dégrader. C'est un processus appelé maintien en poste. La Station spatiale internationale accomplit cette tâche en faisant atterrir ses engins spatiaux pendant de brèves périodes, comme le vaisseau spatial russe Soyouz. À cette fin, la passerelle Lunar sera équipée d'une batterie de moteurs ioniques à haute puissance, officiellement connue sous le nom de système de propulsion électrique avancée (AEPS). La charge financière comprend:

  1. Le coût de développement du moteur.
  2. Le coût du transport du matériel et du propulseur (dans ce cas, le xénon) en orbite lunaire. Le matériel requis comprend les panneaux solaires nécessaires pour alimenter les moteurs en énergie et les radiateurs thermiques nécessaires pour les maintenir au frais.
  3. Frais d'entretien et de réapprovisionnement en propulseur.

Toute station spatiale à long terme doit prendre en compte ces coûts sinon le risque de sortir de son orbite prévue. L'entretien est d'autant plus complexe que la station est loin de la Terre et que la Lune n'aura pas la base industrielle nécessaire pour entretenir les stations spatiales dans un avenir proche. À l'heure actuelle, les avantages d'une station en orbite lunaire ne peuvent en justifier le coût.

Une station spatiale est également plus vulnérable sur le plan thermique qu'une base de surface. La Station spatiale internationale doit rejeter la chaleur générée par les astronautes et son équipement dans l’espace, ou surchauffer. Ceci est accompli par une boucle de refroidissement à l'ammoniac qui capte la chaleur de l'intérieur de la station, traverse les panneaux de radiateur et perd la chaleur dans l'espace via le rayonnement. Le rayonnement est la méthode de rejet de la chaleur la moins efficace par rapport à la convection et à la conduction, car ces deux dernières utilisent la matière comme moyen de transporter la chaleur. L'espace étant un vide, seul le rayonnement est une technique de gestion thermique viable, ce qui rend le refroidissement difficile.

Panneaux de radiateur thermique sur la station spatiale internationale. Source: NASA

Les dysfonctionnements du système de refroidissement sont extrêmement dangereux, comme en témoignent les appels de près à la Station spatiale internationale en 2007, 2012 et 2013; la boucle de refroidissement à l'ammoniac a provoqué une fuite, faisant couler du liquide de refroidissement dans l'espace et mettant en danger le système de gestion thermique. Si le système avait été autorisé à continuer à perdre du liquide de refroidissement, la centrale serait éventuellement devenue trop chaude pour être habitable. Une base de surface peut gérer plus efficacement les charges thermiques, car elle peut rejeter la chaleur directement dans le sol. Ceci est validé par les recherches de York et. Al. à l'Université de Harvard, ce qui indique que la température à l'intérieur des tubes de lave lunaire est aussi basse que -20 ° C.

Les êtres humains directement soumis au vide de l’espace sont souvent décrits comme se figeant instantanément dans des films de science-fiction (pauvres). Dans la vie réelle, un être humain est beaucoup plus susceptible de rester au chaud, mais doit plutôt se préoccuper de l'asphyxie et des coups de soleil graves. Pour faire passer ce message, les aspirateurs sont largement utilisés pour prévenir les pertes de chaleur, comme dans les flacons Thermos et Dewar, et tout ce qui se trouve dans l'espace est entouré d'un presque parfait.

L'un des avantages potentiels d'une station spatiale est que son orbite peut la maintenir à la lumière du soleil et à la visibilité continue de la Terre. Inversement, une base de surface lunaire peut être dans l'obscurité pendant des semaines. Cela peut être résolu en situant les bases initiales aux pôles. Aux pôles, il y a des pics illuminés par le soleil jusqu'à 94% de l'année, comme l'a découvert l'orbiteur de reconnaissance lunaire. Les équipements de production d'électricité pourraient être situés sur des pics tels que ceux-ci, fournissant une puissance quasi constante. Un avantage supplémentaire est qu'il existe également des zones d'ombre permanente dans lesquelles il existe des dépôts de glace d'eau - pour l'homme dans l'espace, une substance infiniment plus précieuse que l'or.

L’utilisation de la passerelle lunaire comme point d’étape pour les atterrisseurs lunaires peut présenter certains avantages, mais il est probable qu’elle soit insignifiante. Il est peu probable que le trafic routier soit important dans un avenir proche, surtout en raison de la ferme volonté des gouvernements du monde d’allouer des fonds à l’exploration spatiale. Des architectures de mission similaires à celles du programme Apollo restent le moyen le plus simple, le plus réalisable et le plus efficace financièrement de transporter des êtres humains et des cargaisons entre la Terre et la Lune. Essentiellement, un atterrisseur et un orbiteur voyagent depuis la Terre, l'atterrisseur se déplaçant entre la surface et l'orbite, et l'orbiteur renvoie sur Terre tout ce qui doit être restitué. Un intermédiaire orbital est tout simplement inutile.

Les étapes d'une mission Apollo d'alunissage. Source: NASA

Une autre application proposée de la passerelle Lunar est le relais de communication à grande vitesse. Cela était peut-être défendable à l'époque pré-transistor de von Braun, lorsqu'une petite armée de techniciens aurait été nécessaire pour entretenir les tubes à vide, nécessitant une proximité humaine. Cependant, avec l'avènement de l'électronique à semi-conducteurs, une constellation de satellites de télécommunication sans pilote aurait le même objectif, avec une efficacité bien supérieure et un coût inférieur.

Une autre application proposée consiste à utiliser la passerelle Lunar pour contrôler des robots en surface et pour la téléprésence. Encore une fois, il n'y a aucune raison pour que cela ne soit pas possible depuis la Terre ou depuis une base lunaire. En raison de la vitesse limitée de la lumière, un message envoyé à la Lune prendra un peu plus d’une seconde à arriver, puis la réponse prendra un peu plus d’une seconde à revenir. En conséquence, les robots contrôlés depuis la Terre connaîtront un délai de communication d'environ deux secondes. Cependant, il est beaucoup plus simple et moins coûteux de développer simplement des protocoles avec lesquels travailler ou d'automatiser un décalage temporel plutôt que de construire une station fantastique de plusieurs milliards de dollars en orbite lunaire. Un délai de deux secondes est peut-être trop long pour un jeu interplanétaire de Fortnite, mais il est à peine si long qu'il empêche le bon fonctionnement d'un robot à des fins scientifiques, d'ingénierie et de maintenance.

Et encore une fois, le décalage dans le temps serait réduit à des niveaux négligeables si on opérait depuis une base lunaire avec la présence de satellites de communication.

Enfin, l’exploration de la lune est considérée comme un tremplin utile vers Mars en réduisant l’énergie nécessaire pour quitter la gravité terrestre et en servant de dépôt de ravitaillement en carburant. D'un point de vue astrodynamique, cela n'a aucun sens.

L'énergie nécessaire pour effectuer une manœuvre dans l'espace est mesurée par une quantité appelée delta-v; le changement requis de la vitesse du véhicule spatial. Plus le delta-v est grand, plus la manoeuvre nécessite du propulseur. Par exemple, atteindre la Terre en orbite depuis la surface nécessite environ 9 km / s de delta-v. Les exigences delta-v d’une mission déterminent la quantité de propulseur qu’un engin spatial doit transporter et la performance de ses moteurs.

Une mission interplanétaire se déroule généralement en trois étapes principales:

  1. Brûlage par injection: le vaisseau spatial tire ses moteurs pour entrer dans une trajectoire qui rencontrera sa destination (par exemple, Mars).
  2. Côte: les moteurs de l’engin spatial sont arrêtés et l’aéroport se rend à destination. Toute fronde gravitationnelle se produirait à ce stade.
  3. Brûlure par insertion: l’engin spatial allume ses moteurs pour ralentir, ou il peut au contraire ralentir en utilisant l’atmosphère de la destination (voir brochage aérien).
Vue d’artiste de la frappe aérobie sur orbiter de reconnaissance Mars. Source: NASA

Un transfert d'orbite terrestre à une orbite martienne nécessite un delta-v minimal de 3,8 km / s. Cela suppose que l’engin spatial ralentisse à destination en survolant les couches supérieures de l’atmosphère martienne; une technique connue sous le nom aérobraking. Essentiellement, le vaisseau spatial ralentit en utilisant la résistance de l'air au lieu de ses moteurs, économisant ainsi le propulseur. Cette méthode a été utilisée avec succès pour envoyer des sondes en orbite autour de planètes avec des atmosphères, telles que l’Orbiter Mars Reconnaissance en 2006.

Si au lieu de cela, l'engin spatial démarre en orbite lunaire, tire ses moteurs pour aller sur Mars, puis sur les aérobains en orbite martienne, il nécessite un delta-v minimum de seulement 2,9 km / s, soit une économie de 24%. Cependant, cela néglige le fait que toute charge utile voyageant de la Lune à Mars doit d’abord se rendre de la Terre à la Lune. La Lune n’a pratiquement pas d’atmosphère propice au vol aérobie. Tout freinage doit donc être effectué en actionnant les moteurs de l’engin spatial. Pour cette raison, un transfert de la Terre vers l'orbite lunaire nécessite 4,8 km / s de delta-v; un vaisseau spatial a besoin de plus de carburant pour se rendre sur la Lune que pour atteindre Mars!

En conséquence, le delta-v minimum total pour envoyer un engin spatial sur la Lune, puis sur Mars, est un absurde de 7,7 km / s, ce qui représente 102% de plus d’énergie que nécessaire pour l’envoyer directement vers Mars! En d'autres termes, même s'il y avait des tanks remplis de carburant gratuit en orbite autour de la Lune, il serait quand même moins cher, moins complexe et plus rapide de les ignorer et de se rendre directement sur Mars!

La seule façon de tirer parti des économies réalisées dans le delta-v consiste à assembler tout ou partie de l'engin spatial sur la Lune à l'aide de ressources lunaires. Cependant, cela risque d’être beaucoup plus coûteux et difficile que de l’assembler sur Terre, étant donné les difficultés à fonctionner dans un environnement hostile sans la base industrielle et les chaînes d’approvisionnement de la Terre. De plus, l'infrastructure nécessaire à l'exploitation des ressources lunaires pour la fabrication de propulseurs et d'engins spatiaux doit d'abord être envoyée sur la Lune et construite avant que cela ne puisse se produire, ce qui augmente encore les dépenses. L'idée que la Lune est une étape pratique sur le chemin de Mars et du reste du système solaire est une farce complète; cela ne facilite rien et augmente le risque, le danger et le coût astronomique.

En résumé, le projet de la passerelle Lunar est - en l’état actuel - peu judicieux.

Les projets suivants offriront un retour sur investissement scientifique et technologique bien supérieur. Celles-ci contribueront directement à l'objectif d'élargir la portée de l'homme dans l'espace et offriront des avantages potentiels pour la vie sur Terre. Ce sont des technologies clés, car sans elles, les humains ne voyageront jamais plus loin de la Terre que la Lune.

Un concept de vaisseau spatial Mars qui tourne pour fournir à son équipage une gravité artificielle. Source: NASA

Tout d'abord, la gravité artificielle. Il a été prouvé par des séjours prolongés sur Mir et la Station spatiale internationale qu’il était très nocif pour la santé des astronautes, avec des effets allant de la dégénérescence musculo-squelettique aux calculs rénaux. Les astronautes qui reviennent de longs séjours à bord de la Station spatiale internationale sont souvent impuissants à l’atterrissage et doivent quitter la capsule d’atterrissage, car leurs muscles sont épuisés par la désuétude. C'est un luxe qui ne sera pas disponible sur Mars. En faisant pivoter l’engin spatial pour générer une force centrifuge et simuler la gravité, ces effets peuvent être atténués. Bien que ce ne soit pas une gravité réelle, cela évitera les effets néfastes associés à la gravité zéro. C’est un peu comme si on remplissait un seau avec de l’eau et qu’on le balançait au-dessus de la tête sans perdre une goutte.

Ce concept peut être testé en orbite terrestre avec un engin spatial existant, tel que la capsule SpaceX Dragon ou la capsule russe Soyouz. Il peut être attaché avec une attache à un poids mort, comme une fusée de rappel. Ensuite, en utilisant les propulseurs de manœuvre, l'ensemble peut être mis en rotation et les astronautes à l'intérieur de la capsule feront l'expérience de la pseudo-gravité.

Un domaine de recherche important et connexe est la réponse du corps humain à des périodes prolongées de gravité fractionnaire: les effets du zéro et de la gravité terrestre sont bien connus, mais on ne sait rien de ce qui se passe entre les deux. Les données recueillies lors d'expériences de gravité fractionnelle à long terme sont essentielles pour comprendre les effets sur la santé des explorateurs et des colons des autres mondes. De telles expériences pourraient facilement être menées en orbite terrestre avec les appareils à gravité artificielle susmentionnés. Mars a 38% de la gravité de la Terre et la Lune 17% - les os et les muscles humains vont-ils encore dépérir? Nos intrépides colons martiens vont-ils pouvoir rendre visite à leur famille sur Terre? Nous ne savons pas et nous devons le savoir.

Vue d’artiste sur le retour sur Terre d’un véhicule de retour d’échantillons martien. Source: NASA

Deuxièmement, les missions de retour d'échantillons de Mars. Une sonde est envoyée sur Mars, collecte des échantillons et les renvoie sur Terre. La partie qui revient sur Terre peut fabriquer le carburant nécessaire pour la jambe de retour au pays en utilisant l'atmosphère martienne, réduisant ainsi les coûts de mission. C'est une technique appelée utilisation des ressources in-situ (ISRU).

Des recherches sur l'ISRU sont prévues pour le rover Mars 2020, qui comportera le module scientifique MOXIE (expérience d'utilisation des ressources in situ sur l'oxygène de Mars), qui tentera de produire du monoxyde de carbone et de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne. C'est une combinaison de carburant potentiellement viable. Alternativement, la sonde peut transporter une alimentation en hydrogène embarquée, qu’elle peut combiner avec l’atmosphère martienne pour produire du méthane et de l’oxygène par la réaction de Sabatier - une autre combinaison de carburant potentiellement viable.

Une mission Mars habitée utiliserait probablement une architecture de mission similaire consistant à transporter des êtres humains et des fournitures à la surface, à produire du carburant avec des ressources locales, puis à renvoyer des êtres humains et des échantillons sur Terre. Une mission de retour d'échantillons sur Mars permettrait de tester cette architecture en miniature.

En outre, des sondes telles que Curiosity, Opportunity et Viking s’appuyaient sur des logiciels de robotique embarqués pour analyser des échantillons de Mars. La capacité d'analyse de ces sondes est sévèrement limitée par le budget de masse des boosters qui les envoient sur Mars, limitant ainsi le retour scientifique. Cependant, le fait de renvoyer les échantillons sur Terre pour les soumettre à la fureur des laboratoires de recherche terrestres et aux yeux des experts des géologues de haut niveau humain éliminerait toutes ces limites. Nous en apprendrions davantage sur la formation de Mars, la formation de la Terre, du système solaire, le fonctionnement des processus géologiques sur la Terre et sur d’autres planètes, éventuellement sur l’abiogenèse et sur ce à quoi les astronautes peuvent s’attendre une fois arrivés sur Mars.

Il convient de noter que trois années seulement séparaient le premier atterrissage d’une sonde sur la Lune et le premier bootprint, et qu’aucune mission lunaire de retour d’échantillons lunaire n’a été réussie avant Apollo 11.

L'astronaute belge Frank DeWinne pose à côté d'une expérience sur la culture de la laitue dans la Station spatiale internationale. Source: NASA

Troisièmement, les systèmes de soutien de la vie écologiques fermés (CELSS). Les humains voyageant beaucoup plus loin que la Lune, tels que Mars, les astéroïdes ou les planètes extérieures, seront dans des mois, voire des années, avant de se réapprovisionner. Recycler tout l'air, l'eau et les déchets est vital, que ce soit sur un vaisseau spatial ou dans une base lunaire. De tels systèmes n'ont même pas besoin d'être développés dans l'espace - ils peuvent être testés dans des laboratoires sur Terre, puis validés sur la Station spatiale internationale, ce qui réduit les coûts de réapprovisionnement et améliore la résilience en cas de dysfonctionnements et d'urgence.

Réacteur nucléaire spatial prototype dans le cadre du programme Kilopower de la NASA. Source: NASA

Quatrièmement, l’énergie nucléaire dans l’espace. Les panneaux solaires pourront fournir de l'électricité sur Mars, mais ils risquent de devenir désactivés par la poussière, la météo ou simplement la nuit. De plus, les panneaux solaires deviennent inutilisables au-delà de Jupiter, le soleil devenant tout simplement trop sombre. De plus, les bases sur la Lune qui ne sont pas situées près des pôles devront fonctionner sans le Soleil pendant des semaines. Les réacteurs nucléaires fourniront aux astronautes et à leurs équipements une source d’énergie puissante et fiable. La NASA a beaucoup progressé dans le développement de réacteurs nucléaires spatiaux légers. Cette technologie est donc en passe d'arriver à maturité.

Essai de tir d'une fusée thermique nucléaire en 1971. Source: NASA

Les fusées à propulsion nucléaire faciliteraient également les voyages dans l’espace en réduisant les besoins en carburant, bien que cela ne soit pas vital pour les premières expéditions vers la Lune ou Mars. Il convient de noter que les États-Unis ont déjà testé avec succès les moteurs de fusées nucléaires dans le cadre du programme NERVA (Moteur nucléaire pour applications de fusées) dès les années 60. Il ne s’agit guère d’une technologie nouvelle.

En conclusion, la passerelle Lunar est un vol de fantaisie inutile qui échouera avant de commencer, car il n’est pas motivé par un bon jugement technique. C'est un faible investissement en ressources et ne fera que détourner l'attention des objectifs ultimes de la présence humaine permanente sur la Lune, Mars et au-delà.

Les agences spatiales des États-Unis et du Canada devraient se concentrer sur les bottes de débarquement sur la Lune et l’envoi d’expéditions sur Mars; des efforts ciblés et ciblés tels que ceux-ci ouvriront la porte à l’extension de l’humanité dans le cosmos, et non à un jaywalking sans but dans l’espace cislunaire. De plus grands retours - et j'ose dire gloire - proviendront de ceux-ci que d'une station spatiale en orbite autour d'elle.

Le succès du programme Apollo montre que le meilleur itinéraire est souvent le plus simple et le plus direct. il n'avait pas besoin de stations spatiales pour l'assemblage en orbite, ni de la construction d'infrastructures spatiales à haut capital. Celles-ci viendront plus tard, une fois que les voyages dans l'espace deviendront aussi routiniers que les vols aériens.

Lecture recommandée

Roving Mars (Steve Squyres): Compte-rendu détaillé et animé des expériences du chercheur principal pour les rovers Spirit et Opportunity. Il approfondit les exigences techniques et humaines d'une telle mission.

Le cas de Mars (Robert Zubrin): Proposition d’architecture de la mission Mars Direct: mission humaine rentable, à risque minimal, à rendement maximal, avec vision pour de futures explorations, présence permanente, colonisation et terraformation. Pour ces raisons, Mars Direct est devenu l’architecture de la NASA pour les expéditions planifiées.