Vivre dans l'espace

À l'instar de nombreuses autres activités qui se déroulent dans l'espace, manger nécessite l'application de certaines précautions. Pendant qu'ils sont en orbite autour de la Terre, les astronautes vivent et travaillent dans un environnement de microgravité. Donc, les miettes et les aliments secs (comme les poudres et les condiments) flottent et risquent de contaminer le milieu s'ils ne sont pas confinés.

L'astronaute de l'Agence spatiale canadienne Robert Thirsk (à gauche) et l'équipage d'Expedition 20/21 partagent un repas pendant leur mission de six mois à bord de la Station spatiale internationale (ISS). (Source : NASA)

Plusieurs solutions pratiques s'offrent aux astronautes pour relever les défis que pose l'alimentation en impesanteur. Ces derniers consomment généralement des aliments humides et collants comme du gruau, des œufs brouillés, du pouding et des ragoûts parce que ces aliments adhèrent aux ustensiles pendant que l'astronaute les porte à sa bouche. Un aliment comme le pain pose un problème puisqu'il fait des miettes. Par contre, les tortillas sont un excellent choix d'aliment pour l'espace. Le sel et le poivre peuvent également être utilisés, pourvu que le sel soit dissous dans l'eau et que le poivre soit en suspension dans l'huile.

Les astronautes choisissent certains aliments plusieurs mois avant le lancement d'une mission dans l'espace, et les options ne manquent pas pour ce qui est du choix de ce qu'ils vont manger ou boire. Puisqu'il y a peu de capacité de réfrigération à bord de la Station spatiale internationale (ISS), les aliments sont traités et emballés de manière à ce qu'ils se conservent pendant toute la durée d'une mission. 

Les aliments qui seront consommés dans l'espace se présentent dans l'une des six formes suivantes :

• Aliments frais (devant être consommés dès les premiers jours d'une mission spatiale) comme des pommes, des oranges
• Aliments partiellement déshydratés comme les abricots, le bœuf
• Aliments irradiés comme le bifteck
• Aliments naturels comme les tortillas, les noix de cajou
• Aliments réhydratables comme les flocons d'avoine avec raisins et les légumes teriyaki
• Aliments thermostabilisés comme les tartinades de thon et la soupe aux pois cassés

Toutes les boissons comme le café, le thé et la limonade sont réhydratables. 

 (source : asc-csa)

L'hygiène personnelle dans l'espace

Même si les astronautes se peignent et se rasent sans grande difficulté dans l'espace, d'autres aspects de la vie quotidienne dans l'espace, comme l'utilisation des toilettes, posent certains problèmes inhérents aux conditions de microgravité. Indépendamment de l'activité exercée, les astronautes ainsi que les concepteurs de matériel spatial visent à rendre les pratiques d'hygiène aussi conviviales et pratiques qu'elles le sont sur Terre. 

Se couper les cheveux dans l'espace

En microgravité, l'eau colle au corps plutôt que de s'écouler normalement sur la peau. C'est pourquoi les astronautes utilisent des éponges pour se laver au lieu de prendre une douche normale. Contrairement aux réserves d'eau dans la navette spatiale, celles de la Station spatiale internationale (ISS) sont limitées, et c'est pourquoi le recours aux éponges contribue à économiser l'eau. Dans l'espace, les astronautes se lavent les cheveux avec un shampoing sans rinçage. Ils appliquent le shampoing avec une serviette, se massent ensuite vigoureusement le cuir chevelu, puis s'essuient les cheveux à l'aide d'une serviette. Ils ne doivent pas laisser tomber les cheveux retenus dans la serviette, car ces derniers peuvent représenter un danger pour la sécurité. Ils risquent de pénétrer dans le système respiratoire ou dans les yeux des astronautes. Ces cheveux peuvent également bloquer les filtres et nuire à la circulation et à la filtration de l'air.

Le rasage dans l'espace se fait sensiblement de la même façon que sur Terre. Les astronautes doivent cependant faire attention de ne pas laisser les poils de barbe s'échapper dans la cabine. Pour se raser, les astronautes utilisent de la mousse ou un rasoir électrique, mais la plupart d'entre eux préfèrent la deuxième option puisqu'elle ne nécessite pas d'eau et que les poils sont automatiquement récupérés par le rasoir.

Quand ils participent à des vols de courte durée, les astronautes n'ont pas besoin de coupe de cheveux. Mais lorsque les vols sont plus longs, certains d'entre eux ont besoin de petites retouches. Ils se coupent les cheveux de la même manière que sur Terre, mais ils utilisent un petit aspirateur pour empêcher que les cheveux coupés ne flottent librement.

Soins dentaires

Les astronautes utilisent le même type de dentifrice que sur Terre et ils peuvent même choisir leur marque préférée. La seule différence réside dans le fait qu'ils recrachent le dentifrice dans une serviette à main après s'être rincé la bouche avec de l'eau. Plus récemment, les astronautes se servent d'une pâte dentifrice comestible pour réduire leur consommation d'eau.

Lorsque les vols sont de longue durée, la question des soins dentaires devient plus importante. En 1973, le cosmonaute soviétique Youri Romanenko (le père du cosmonaute Roman Romanenko) a eu un mal de dents lors du vol Salyout 6 d'une durée de 96 jours. Le cosmonaute a souffert pendant deux semaines avant que l'équipage ne revienne sur Terre. Depuis cette époque, des instruments de soins dentaires ont été ajoutés à la trousse d'urgence médicale de bord. De plus, les astronautes subissent régulièrement des examens dentaires avant leur vol pour prévenir autant que possible les problèmes qui pourraient surgir durant leur mission.

Qu'en est-il des toilettes?

Une toilette dotée d'un dispositif d'aspiration à bord de la navette spatiale Endeavour. 31 juillet 2009. (Photo : NASA)

L'utilisation des toilettes est certainement l'aspect le plus compliqué de l'hygiène personnelle dans l'espace. La salle de toilette est très exiguë et ne contient qu'une cuvette et un siège. Comme il n'y a pas de pesanteur pour maintenir les liquides en place, les astronautes évacuent les déchets solides dans une cuvette sans eau. Ils s'installent au-dessus du siège de la cuvette et se maintiennent en place au moyen de sangles de fixation. Ils font partir ensuite une série de ventilateurs qui purifient l'air ainsi qu'un aspirateur qui crée un état de pesanteur pour les déchets solides. Le courant d'air entraîne les déchets jusqu'à un compartiment de collecte. Quand ils ont terminé, les astronautes nettoient la cuvette avec des serviettes humides et jettent ces dernières ainsi que le papier de toilette dans une poubelle à proximité.

Les hommes et les femmes astronautes ont chacun leur dispositif personnel de collecte d'urine qui ressemble à un petit bol. Ils branchent ce dispositif sur un long tube en plastique en saillie dans le mur et pendant qu'ils urinent, un courant d'air aspire le liquide dans un compartiment de récupération. Ils peuvent choisir de s'attacher avec des sangles quand ils se servent de ce dispositif. Compte tenu de toutes ces étapes supplémentaires, les astronautes doivent prévoir dix minutes de plus que sur Terre quand ils utilisent les toilettes.

(source : asc-csa)   

Vivre sur Mars ! 

Il ne s’agit pas là d’une blague, mais bel et bien du projet Mars-One souhaitant envoyer des humains vivre sur Mars à partir de 2023.

Avant d’envoyer les premiers hommes sur cette planète, la mission Mars-One installera un véritable habitat durable permettant la réception des volontaires.

Oui puisque les personnes qui partiront sur Mars seront des volontaires, formés pour devenir de vrais astronautes. Tout le monde à la possibilité de postuler pour vivre une expérience unique sur une autre planète.

Attention cependant, certaines conditions sont nécessaires pour pouvoir participer au programme. Il faut que chaque candidat ait au moins 18 ans, soit « intelligent’, en bonne santé mentale et physique, curieux, débrouillards, sociable, mais surtout être prêt à consacrer plus de 8 ans dans la formation et l’apprentissage. Mais ce n’est pas tout, le voyage sur Mars est définitif et il sera impossible de revenir sur Terre…

L’ensemble du projet est financé par des fonds privés. Si cela vous intéresse vous pouvez vous rendre sur le site Mars-One pour en découvrir d’avantages.

 Seriez-vous prêt à quitter famille et amis pour vivre cette expérience ?

(source : meteocity)

Mission habitée vers Mars 

Vision d'artiste d'un Mars Transit Vehicle (MTV) (scénario NASA de 2009)

La mission spatiale habitée vers Mars est un des objectifs à long terme fixés à l'astronautique depuis ses débuts. Initialement thème de science-fiction, il est devenu pour certains, à la suite du débarquement de l'homme sur la Lune en 1969, la prochaine étape de la conquête spatiale. Mais la réussite de ce projet demande des moyens financiers encore bien supérieurs à ceux du programme Apollo, lui-même lancé grâce à un concours de circonstances particulièrement favorable (Guerre froide, embellie économique).
Un vol habité vers Mars est également un défi technique et humain sans commune mesure avec une expédition lunaire : taille des vaisseaux, système de support-vie fonctionnant en circuit fermé sur de longues durées (900 jours), fiabilité des équipements qui ne peuvent être réparés ou dont la redondance ne peut être systématiquement assurée, problèmes psychologiques d'un équipage confiné dans un espace restreint dans un contexte particulièrement stressant, problèmes physiologiques découlant de l'absence de gravité sur des périodes prolongées ainsi que l'effet des rayonnements sur l'organisme.

Le choix de la durée et de la trajectoire vers Mars

Exemple de scénario de conjonction
La durée d'une mission habitée est un des sujets les plus débattus. Cette durée est déterminée par la trajectoire Terre-Mars retenue et de manière marginale par la quantité de carburant emporté. Le choix de celle-ci répond à plusieurs contraintes économiques et scientifiques :
il est nécessaire de consommer le moins de carburant possible pour effectuer le trajet Terre-Mars. Chaque kg de carburant placé en orbite terrestre a un coût prohibitif ;
le séjour de l'équipage dans l'espace interplanétaire doit être minimisé : un séjour prolongé augmente les risques d'exposition aux radiations. Si le vaisseau ne comporte pas de dispositif de gravité artificielle, le risque de décalcification est important ;
la durée de séjour sur le sol martien doit être suffisante pour que des travaux scientifiques approfondis puissent être réalisés ;
la durée totale de la mission a un impact sur la quantité de ravitaillement à emporter.
Le choix de la trajectoire est contraint par les règles de la mécanique spatiale :
Mars se déplace sur une orbite située à l'extérieur de celle de la Terre et sur le même plan que celle-ci. Sa distance avec la Terre varie fortement : lorsqu'elle se situe derrière le Soleil vu de la Terre, elle se trouve à 400 millions de km (plus de mille fois la distance Terre-Lune parcourue en 3 jours par les astronautes du programme Apollo), tandis qu'elle n'est éloignée que de 56 millions de km lorsqu'elle occupe la position relative opposée ;
les deux planètes se déplacent à des vitesses considérables sur leur orbite (près de 30 km/s pour la Terre, 21km/s pour Mars). Cette vitesse est communiquée au vaisseau lorsqu'il décolle de la Terre. Ceci rend impossible avec les capacités des fusées actuelles d'effectuer une route directe vers Mars qui nécessiterait d'annuler en partie l'énorme vitesse acquise au départ ;
la trajectoire qui consomme le moins de carburant consiste à lancer le vaisseau sur une orbite elliptique qui tangente l'orbite terrienne au départ et l'orbite martienne à son arrivée (orbite de Hohmann). Cette trajectoire ne peut être parcourue dans un temps raisonnable que lorsque les positions relatives de la Terre et de Mars sont dans une configuration particulière. Il s'écoule près de 2 ans entre deux configurations favorables. Le temps mis par un vaisseau pour parcourir le trajet Terre-Mars dans la configuration la plus favorable tout en réduisant la consommation de carburant au minimum est de 258 jours. En dépensant relativement peu de carburant on peut faire chuter cette durée à 180 jours.
Compte tenu de toutes ces contraintes les différentes études menées ont abouti à 2 familles de scénarios :
Le scénario de conjonction
L'équipage décolle au moment le plus favorable et atterrit sur la planète Mars au bout de 180 jours de voyage. Il séjourne 550 jours sur le sol martien jusqu'à l'ouverture de la fenêtre de lancement la plus favorable. Le trajet de retour dure également 180 jours. La durée totale de la mission est de 910 jours.

Le scénario d'opposition
Le trajet aller se déroule dans les mêmes conditions que l'autre scénario. La durée du séjour sur Mars est minimisée pour rester compatible avec l'atteinte d'objectifs scientifiques soit environ 30 jours. Le trajet de retour s'effectue dans une configuration beaucoup plus défavorable : il dure 430 jours et nécessite de bénéficier de l'assistance gravitationnelle de Vénus. Le seul avantage de cette mission est de réduire sa durée totale à 640 jours ce qui limite dans l'esprit de ses auteurs le temps d'exposition aux rayonnements.

Les risques physiologiques

Durant le voyage entre la Terre et Mars (aller et retour) d'une durée comprise entre 360 jours (scénario de conjonction) et 610 jours (scénario d'opposition) l'équipage se trouve exposé à 3 phénomènes qui peuvent affecter sa santé : les éruptions solaires, les rayons cosmiques et l'impesanteur5.

Les éruptions solaires

Les éruptions solaires sont des pics d'activité du Soleil qui projettent des protons dotés d'une grande énergie. L'activité du Soleil connait des cycles de 11-12 ans durant lesquels l'activité solaire croît puis décroît. Durant les phases de grande activité, les éruptions solaires sont à la fois plus nombreuses et envoient des particules plus énergétiques. Les doses reçues par un équipage non protégé sont susceptibles de déclencher des cancers. Les éruptions solaires les plus violentes qui ont pu être étudiées représentaient une dose de 38 rems. Selon R. Zubrin, si l'équipage est prévenu à l'avance (les éruptions solaires font l'objet d'observations qui permettent une certaine anticipation), celui-ci peut limiter la dose reçue en moyenne à 5,5 rem au cours du transit aller et retour, en se réfugiant dans une zone du vaisseau protégée par des équipements s'interposant avec l'extérieur. S'il n'a pas le temps de s'y réfugier la dose reçue est triplée. Ces doses sont considérées par l'auteur comme relativement négligeables.

Les rayons cosmiques

Les rayons cosmiques sont des particules à très haute énergie constituées principalement de protons en provenance surtout de l'espace interstellaire et intergalactique. Le flux est continu sans pic prévisible. Aucun blindage ne peut arrêter ce type de particule. Selon R. Zubrin, la quantité reçue par l'équipage au cours du transit aller-retour est de 32 rems. Les conséquences du bombardement des cellules par des particules à très haute énergie sont aujourd'hui complètement inconnues car le phénomène n'a jusqu'à présent pas été reproduit sur Terre et les seules expériences existantes sont celles très brèves des astronautes qui se sont rendus sur la Lune et ont franchi les ceintures de Van Allen qui protègent l'orbite basse terrestre et la Terre elle-même des rayons cosmiques.

L'exposition à l'impesanteur

Durant le trajet aller-retour Terre-Mars, la gravité est par défaut nulle dans le vaisseau transportant l'équipage. L'apesanteur sur des périodes prolongées provoque des décalcifications, qui rendent les os cassants et une atrophie des muscles y compris ceux du cœur. D'après l'expérience acquise grâce aux séjours prolongés d'astronautes dans les stations spatiales, ceux-ci ne récupèrent pas complètement après leur retour sur Terre. Ce phénomène peut être combattu en créant une pesanteur artificielle.
Pour créer celle-ci, la solution la plus simple consiste à mettre le vaisseau en rotation autour de son axe principal (les parois latérales deviennent alors le plancher). L'inconvénient de cette solution est que le faible diamètre de la station engendre des effets très perturbants : différence de gravité entre la tête et les pieds, force de Coriolis rendant les déplacements difficiles. R Zubrin, entre autres, propose dans Mars Direct de tirer un câble entre un étage de fusée vide et l'habitat et de mettre l'ensemble en rotation lente recréant une gravité artificielle dans le vaisseau par le biais de la force centrifuge générée.
La création d'une gravité artificielle engendre une complexité accrue du système de transport entre la Terre et Mars dès lors que l'on souhaite créer un champ de gravité non perturbant. Les expériences accumulées grâce aux stations spatiales montrent que l'homme semble s'accommoder de l'absence de gravité sur de longues périodes même si cela suscite des dommages irréparables. La NASA, compte tenu de la relative brièveté du transit Terre-Mars n'a pas prévu de créer un champ de gravité artificiel.

Le déroulement détaillé de la mission  

Le trajet Terre-Mars

Véhicule de transit Terre-Mars ici en orbite basse autour de Mars peu avant le rendez-vous avec le véhicule remontant les astronautes du sol martien (NASA)
La propulsion [modifier]
Le transit entre la Terre et Mars consomme beaucoup de carburant pour accélérer et décélérer à l'aller les vaisseaux nécessaires à l'expédition et lancer le vaisseau de retour jusqu'à l'orbite terrestre. La recherche d'une propulsion plus efficace peut faire gagner des centaines de tonnes sur la masse à placer en orbite basse terrestre. Parmi les technologies envisagées la propulsion nucléaire thermique permet théoriquement un gain important tout en étant relativement réaliste. Cette technologie est celle retenue dans le scénario de référence de la NASA ("DRA 5.0"). L'impulsion spécifique de ce type de propulsion (900 s.) est le double des meilleurs systèmes de propulsion chimiques utilisés aujourd'hui (couple hydrogène/oxygène) ce qui signifie que si la masse à vide est identique pour les 2 types de propulsion, il faut embarquer 2 fois moins de carburant pour produire la même poussée. Des expériences très avancées ont été menées dans les années 1960-1970 autour du moteur NERVA mais il reste à réduire la masse du moteur actuellement très pénalisante. D'autres techniques prometteuses sont en cours d'étude, comme le propulseur VASIMR, mais leur mise en œuvre sur des étages de grande taille n'est à priori envisageable qu'à très long terme.
Le vaisseau utilisé pour le transit de l'équipage
Le vaisseau utilisé par l'équipage pour le transit entre la Terre et Mars doit permettre la survie de celui-ci sur une longue période (jusqu'à 900 jours en cas de problème à l'arrivée en orbite martienne dans certains scénarios) en toute autonomie. 

L'insertion en orbite autour de Mars 

L'aérocapture nécessite de frôler de très près la planète sous un angle très précis sous peine soit de perdre le vaisseau soit de repartir vers la Terre.
Dans la plupart des scénarios, le vaisseau transportant l'équipage ou le fret ne se pose pas directement sur Mars mais se place d'abord sur une orbite basse autour de la planète :
cette manœuvre garantit un atterrissage plus précis sur Mars : la mise en orbite permet de déclencher la rentrée dans l'atmosphère martienne avec un risque d'erreur de position à l'atterrissage plus faible ;
lorsque le scénario prévoit un vaisseau uniquement destiné au transport de l'équipage entre la Terre et Mars, le transfert des astronautes entre les deux véhicules a lieu sur l'orbite martienne.
Pour se placer en orbite basse le vaisseau doit réduire sa vitesse au minimum de 2,4 km/s (plus si la durée du transit est inférieure à 260 jours ce qui impose une vitesse d'arrivée supérieure dans la banlieue de Mars). Le recours à la technique de l'aérocaptureN 1 est une alternative à l'utilisation des moteurs qui consomment un carburant précieux : quand il arrive à proximité de Mars, le vaisseau longe la planète à une altitude suffisamment basse pour que la densité de l'atmosphère martienne exerce une pression aérodynamique qui le ralentisse suffisamment pour le placer en orbite autour de la planète. C'est une technique très délicate qui nécessite une navigation très précise pour ne pas soumettre le vaisseau à une agression thermique trop importante, qui pourrait entraîner la perte du vaisseau ou au contraire ne pas ralentir suffisamment ce qui renverrait le vaisseau sur une trajectoire de retour ou une orbite de très grande excentricité. Une contrainte supplémentaire est que la décélération doit être supportable par l'équipage (limite fixée à 5 g par la NASA).
Les calculs effectués pour un vaisseau de 100 tonnes déployant sur son avant un bouclier de 15 mètres de diamètre permettent de déterminer que l'entrée doit se faire dans un couloir de quelques degrés de large si le vaisseau navigue à la vitesse minimale de transfert Terre Mars; la largeur du couloir tombe sous les 1° (ce qui est la limite de la précision obtenue pour les sondes martiennes envoyées jusqu'à présent) si le vaisseau arrive à 9 km/s. Le problème est rendu plus complexe par les variations de densité de l'atmosphère martienne : celle-ci est influencée à la fois par les saisons et les tempêtes de poussière. Ces dernières peuvent multiplier par 10 la pression aérodynamique exercée sur le vaisseau durant ses passages à basse altitude. Aujourd'hui le phénomène est mal modélisé et donc difficile à anticiper.

L'atterrissage sur Mars 
La descente sur le sol martien : 6 minutes de terreur

L'atterrissage sur Mars (Entry, Descent and Landing EDL) est une phase cruciale. Les solutions techniques qui pourront être mises en œuvre ont des répercussions majeures sur les capacités et le coût d'une mission martienne. Quel que soit le scénario, il est nécessaire de faire atterrir des vaisseaux dont la masse est comprise entre 40 et 100 tonnes (de 20 à 50 fois celle du plus gros robot ayant atterri sur Mars jusqu'à présent) avec, dans le scénario de la NASA, une précision de quelques dizaines de mètres (précision 1000 fois supérieure à ce qui a été atteint jusqu'à présent).
Descendre sur le sol nécessite de faire tomber à 0 la vitesse horizontale du vaisseau. À l'arrivée sur Mars (lorsque le vaisseau s'est mis en orbite basse) cette vitesse est d'environ 4,1 km/s (1,6 km/s pour la Lune et 8 km/s pour la Terre). Pour annuler cette vitesse il existe deux méthodes : utiliser les forces de traînée comme pour l'aérocapture c'est-à-dire le frottement de l'atmosphère. C'est ce que font les vaisseaux habités qui reviennent sur Terre en décélérant légèrement ce qui fait décroître leur orbite de manière à entamer le processus. L'atmosphère fait alors tout le travail et la seule pénalité en poids est constituée par la masse du bouclier thermique qui protège le vaisseau de l'élévation de température très forte durant la phase de freinage (la masse de ce bouclier peut être néanmoins significative).

Lorsqu'une planète est dépourvue d'atmosphère comme sur la Lune on annule la vitesse en ayant recours à la poussée de moteurs-fusées. Mais cette solution est extrêmement coûteuse car elle nécessite de consacrer une grande partie de la masse du vaisseau au carburant utilisé. La masse qui doit être sacrifiée est proportionnelle à la gravité de la planète : poser sur la Lune le module Apollo sacrifie ainsi la moitié du poids du vaisseau au profit du carburant avec une vitesse à annuler 3 fois plus faible que sur Mars.
La densité très faible de l'atmosphère de Mars (1 % de celle de la Terre) la place, pour le scénario de descente, dans une situation intermédiaire entre la Terre et la Lune. Le robot Mars Science Laboratory, qui a atterri sur Mars en 2012, fut obligé de recourir à des moteurs pour se freiner à partir de l'altitude de 1 500 mètres. Le problème devient d'autant plus aigu que la charge à poser est lourde or les vaisseaux martiens du scénario de référence de la NASA ont une masse comprise entre 45 et 65 tonnes. Le deuxième problème soulevé par la faiblesse de la traînée atmosphérique sur Mars est que la vitesse ne devient inférieure à Mach 1 que lorsque le vaisseau est très près du sol : le vaisseau et son équipage disposent de très peu de temps pour modifier le site d'atterrissage si la trajectoire du vaisseau l'amène sur une zone parsemée d'obstacles ou le conduit à une trop grande distance du lieu visé. De plus, cette contrainte interdit l'atterrissage sur des zones situées à des altitudes trop élevées (soit près de 50 % de la superficie de Mars).
Des recherches sont menées à la NASA pour améliorer l'efficacité du freinage dans une atmosphère peu dense. Différentes techniques sont à l'étude :
bouclier thermique gonflable offrant une surface de freinage beaucoup plus importante dans la phase haute de la descente ;
structure en forme d'anneau gonflable en remorque du vaisseau à la manière d'une ancre flottante durant la phase haute du vol ;
ballute (croisement entre un parachute et un ballon) déployé avant l'entrée dans l'atmosphère martienne et travaillant également à la manière d'une ancre flottante ;
parachute de très grande dimension (près de 90 mètres de diamètre pour un module pesant 50 tonnes) déployé alors que le vaisseau est à vitesse hypersonique ;
Durant la phase finale un étage grue à la manière du robot Mars Science Laboratory peut être utilisé pour obtenir une vitesse verticale quasi nulle à l'atterrissage.
Si on a recours à la méthode coûteuse consistant à utiliser des moteurs-fusées sur une partie significative du vol (pour produire une décélération comprise entre 0,9 et 1,4 km/s, 20 à 30 % de la masse du vaisseau est sacrifiée au profit du carburant selon l'étude de Braun et Manning), sa mise en œuvre est difficile car, à vitesse hypersonique, l'éjection des gaz des moteurs perturbe l'écoulement aérodynamique.

Le séjour sur Mars 

Pour son séjour sur Mars l'équipage dispose des équipements suivants :
L'habitat
L'habitat comporte un sas pour les sorties sur le sol martien. Dans certains scénarios, dont celui de la NASA, une annexe gonflable (donc légère à transporter) permet d’accroître le volume disponible. L'habitat doit disposer de ravitaillement, de l'eau et de l'oxygène nécessaires pour un séjour de 500 jours. Il n'est pas envisageable à ce stade de produire des fruits ou des légumes sur place. Le rapport de la NASA recommande que chaque membre de l'équipage dispose d'un espace personnel qui comprenne outre son lit un espace qu'il peut personnaliser, un bureau, un ordinateur ainsi qu'une armoire de rangement des affaires personnelles. L'espace doit être aménagé non seulement de manière à ce qu'il puisse se reposer mais également se détendre et mener des activités personnelles. Pour permettre à chaque astronaute de disposer d'un espace d'intimité tout en limitant le risque d'une tendance à l'isolement, le rapport préconise des chambres pour 2 dotées d'une cloison amovible permettant de couper à la demande la pièce en 215. On connait mal l'effet de la gravité réduite de Mars (0,38 g) sur de longues périodes et les recherches dans ce domaine doivent être poursuivies. Il est certain que l'habitat devra fournir à l'équipage des équipements d'exercice physique permettant de combattre les effets de la faible pesanteur. Tirant les leçons des installations dans la station spatiale la NASA recommande que ces équipements comportent un côté ludique pour ne pas entraîner de lassitude et qu'ils soient installés dans une pièce bien aérée et à l'écart des principaux axes de circulation de l'habitat. 

Les véhicules
Selon les scénarios l'équipage dispose d'un ou plusieurs véhicules qui permet(tent) d’accroître son rayon d'exploration. Celui-ci peut être non pressurisé et léger comme le rover lunaire ou pressurisé avec une plus grande autonomie. L'équipage du véhicule non pressurisé l'utilise avec sa combinaison spatiale. Ce type de véhicule peut disposer de réservoirs permettant de refaire le plein de consommables (énergie, eau, oxygène). Le véhicule dispose d'un système de navigation et de télécommunications; il permet de transporter les outils et les échantillons. Le matériel de forage peut être transporté dans une remorque spéciale. Le véhicule pressurisé permet d'accroître considérablement le rayon d'action et la durée des expéditions. Toutefois, dans le scénario de la NASA, s'il n'existe qu'un seul véhicule de ce type la distance maximale franchissable est la même que celle d'un rover non pressurisé pour des raisons de sécurité.
La production d'énergie
Une petite centrale nucléaire doit être envisagée car les panneaux solaires risquent de ne pas fournir assez de puissance électrique sur cette planète plus éloignée du Soleil que la Terre et sujette à de longues tempêtes de poussière.
L'utilisation des ressources locales [modifier]
Le dernier scénario de la NASA comme celui de la Mars Society prévoient la production de consommables à partir des ressources disponibles sur Mars. Cette solution permet de réduire de manière importante la masse à déposer sur Mars. Les produits fabriqués seraient en premier lieu le carburant utilisé pour remonter de la surface de Mars jusqu'à l'orbite basse mais également de produire une partie de l'eau et de l'oxygène consommé par les astronautes. Selon R. Zubrin en utilisant la réaction de Sabatier ( CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ) suivie d'une électrolyse (2H2O → 2H2 + O2) permettrait en utilisant 6 tonnes d'hydrogène emporté sur place avec du dioxyde de carbone de l'atmosphère de Mars de créer sur une durée de 10 mois jusqu'à 112 tonnes d'un mélange de méthane et d'oxygène utilisé comme ergols par le moteur-fusée.
Les activités sur le sol martien
Après l'atterrissage, l'équipage, s'il a subi une longue période d'impesanteur durant son transit entre la Terre et Mars, ne sera pas disponible pour des tâches critiques avant plusieurs jours sinon plusieurs semaines.
Mise en place des installations sur le sol martien
L'habitat, qui durant la phase d'atterrissage utilisait ses réserves d'énergie internes limitées pour des questions de poids, doit être rapidement branché sur une source d'énergie externe : panneaux solaires (à déployer) ou générateur nucléaire. Le système de dissipation de chaleur est mis en place ainsi que les antennes de télécommunications permettant des communications à haut débit avec la Terre ainsi que les modules, véhicules et satellites situés sur Mars. Le système de support-vie en circuit fermé est éventuellement remis en marche ou sinon contrôlé. Dès qu'il en a la capacité, l'équipage devra effectuer des sorties extravéhiculaires pour déployer les premières expériences à proximité de l'habitat, mettre en ordre de marche les véhicules transportés, sortir les équipements des soutes du vaisseau. Si un habitat gonflable existe, il est installé et connecté au reste de l'habitat.

La première activité est la géologie de terrain : l'œil et la capacité de synthèse de l'homme permettent de détecter des indices qu'un robot ne saurait trouver. L'homme peut rapidement choisir la méthode d'exploration en fonction de ce qu'il voit et mettre en œuvre les outils adaptés. Une partie de l'exploration pourra être confiée à des robots qui seront guidés par téléopération par les astronautes par exemple pour étendre la zone explorée au-delà des limites imposées par les règles de sécurité ou pour faire un premier repérage des lieux. Les échantillons recueillis pourront faire l'objet d'une première analyse dans un laboratoire sur place en particulier pour identifier le type de roche, sa texture, ses composants et la présence d'indices de vie (fossiles, structures). Le laboratoire permettra d'étudier les caractéristiques volatiles ou transitoires des échantillons qui ne pourront être observés à l'issue du retour sur Terre.
La présence d'hommes sur place permet également d'effectuer des mesures géophysiques et météorologiques : observation détaillée des tempêtes de poussière, sondages sismiques et radar pour étudier les structures souterraines, en particulier rechercher la présence d'eau. La présence de l'homme permet de positionner les instruments de mesure et de les calibrer avec précision. Des sondages souterrains à grande profondeur peuvent être menés pour accéder aux couches contenant de l'eau à l'état stable, pour rechercher dans les carottes de dépôts sédimentaires la présence d'une vie extraterrestre ou des caractéristiques particulières comme les dépôts hydrothermaux. Des fusées-sondes et des ballons peuvent être lancés pour étudier l'atmosphère.
Enfin des expériences peuvent être menées pour tester l'utilisation de Mars par l'homme comme par exemple la réalisation de plantations sur le sol martien.

Des études médicales sont conduites sur les astronautes pour analyser l'adaptation de l'homme à l'environnement martien tant sur le plan de sa santé que de ses capacités.
L'exploration de multiples sites dans un grand rayon autour de l'habitat est une condition essentielle à la réussite scientifique de l'expédition. La NASA, dans son scénario de référence, prévoit des explorations menées dans un rayon de 100 km : il est prévu de réaliser durant ces expéditions des forages jusqu'à une profondeur de 100 mètres. Les expéditions à grande distance sont préparées pour optimiser le temps passé sur place : étude des relevés satellitaires, envoi de robots téléopérés pour trouver la meilleure voie d'accès et faire une première évaluation de l'intérêt présenté par un site. La disponibilité de véhicules est essentielle ainsi que celle d'un système de navigation permettant à l'astronaute de se repérer. La combinaison spatiale doit fournir à l'astronaute une liberté de mouvement suffisante pour lui permettre de réaliser sans effort ses tâches. Le rayon d'action de l'équipage est déterminé par celui des véhicules mis en œuvre mais également par la capacité et la disponibilité d'un véhicule de secours qui devra pouvoir récupérer une expédition en difficulté paralysée par une défaillance de son matériel ou un accident. Si aucun véhicule de secours n'est prévu, la limite des déplacements est fixée par la capacité des astronautes à retourner à pied à l'habitat. Les expéditions comprennent toujours au moins 2 astronautes et des équipiers sont disponibles dans l'habitat pour assurer une veille radio permanente et participer à une expédition de secours. Les expéditions doivent être planifiées en fonction des saisons. Il n'est pas recommandé d'effectuer une sortie de nuit ou durant une tempête de poussières. Les outils (en particulier les outils de forage), les véhicules et les combinaisons spatiales doivent pouvoir être réparés sur place lorsque la panne n'est pas trop complexe. Pour accroître le rayon d'action des expéditions, un avant-poste peut être installé au cœur d'une zone à explorer, permettant aux astronautes d'enlever leur combinaison spatiale, de s'y reposer, de refaire le plein de consommables. Cet avant-poste peut être constitué par un rover pressurisé ou un habitat gonflable. (source : wikipedia)

  

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