TPE : Mars habitable - un futur proche
Voyage entre la Terre et Mars :
Pour réaliser un voyage sur Mars, plusieurs données sont à prendre en compte, comme le coût du voyage, le carburant et le matériel utilisé pour envoyer la navette, la date et le lieu de lancement de la mission. On doit aussi penser à la vitesse et à la direction de la navette.
Avant toute chose, on doit préparer le voyage. D'importantes données sont à prendre en compte avant le départ.
Pour envoyer une navette sur Mars, et pour toute mission spatiale, la première donnée à prendre en compte, et la plus importante, est le coût de la mission. Une mission sur Mars coûte extrêmement cher. A la fin des années 80, une mission sur Mars aurait coûté environ 450 millions de dollars, soit 366 millions d'euros. A ce prix, l'exploration de Mars n'aurait pas été envisageable, mais une équipe de recherche a réduit ce coût.
Les navettes spatiales n'utilisent pas n'importe quel carburant et de plus, il n'y a pas de station dans l'espace. Une navette spatiale utilise des composés azotés (c'est-à-dire un mélange d'acide nitrique d'hydrazine), mais ce mélange n'est pas stable et peut provoquer des explosions. Une navette spatiale utilise également des propergols solides (c'est un mélange d'ergols qui peuvent libérer une énorme quantité d'énergie et de gaz chaud, ce mélange permettant à la fusée de décoller), mais une fois que cette réaction est déclenchée, on ne peut l'interrompre.
On ne peut pas partir de n'importe où sur Terre. Différents lieux peuvent convenir, mais le plus économique et rapide serait de partir de l'équateur car c'est à cet endroit que la Terre tourne le plus vite (la Terre tourne à une vitesse différente selon l'endroit, par exemple au pôle la vitesse est nulle alors qu’à l'équateur la navette se déplacera à 1650km/h juste grâce à sa vitesse de lancement). Les sites privilégiés sont Kourou en Guyane française et Cap Canaveral en Floride.
Kourou, Guyane française :
Cap Canaveral en Floride :
Une navette ne peut pas être lancée à n'importe quel moment. Mars n'est pas immobile, donc si on souhaite envoyer une navette là-bas, il faut prévoir la date du lancement à l'avance. Il faut aussi savoir que la navette ne déplacera pas comme on le souhaite dans l'espace.
De plus, Mars et la Terre sont proches lors des oppositions, chose qui ne se déroule qu'une fois tous les 26 mois (plus de deux ans). On remarque également que pour chaque opposition, la distance entre la Terre et Mars sont différentes : par exemple, lors de l'opposition de 2003, la distance n'était que de 55.7 millions de kilomètres, mais pendant l'opposition de 1980, elle était de 101.3 millions de kilomètres. Donc il vaut mieux attendre une opposition propice pour envoyer une navette.
- Dans l'espace il n'y a pas de gravité, on appelle ce phénomène apesanteur, celui-ci a des effets importants sur le sens de l'équilibre et le sens de l'orientation. D'habitude, l'oreille interne nous permet de nous maintenir verticalement, mais sans gravité celle-ci dysfonctionne. Alors des symptômes comme le mal de tête, le vomissement, une forte désorientation apparaissent, les américains appellent ces problèmes le mal de l'espace ( the space motion sickness en anglais).
- Dans l'espace, en apesanteur, les muscles ne sont plus autant sollicités voire quasiment plus, alors apparaît l'atrophie musculaire, pour la contrer les astronautes font d'intenses exercices physiques tout les jours.
- A cause de l'apesanteur, la colonne vertébrale peut grandir, certains minéraux essentiels peuvent quitter les os, c'est la fragilisation des os. Pour lutter contre elle, un régime de nourriture enrichi au calcium et d'important de faire des exerces physiques.
- Il y a un risque de diminution du nombre de globule rouge et du nombre de lymphocytes T qui sont essentiels en cas de maladies infectieuses et de blessures. Cette diminution présente un risque majeur en cas de blessure et de maladie.
- En plus des problèmes d'ordre physiques, des problèmes d'ordre psychologiques peuvent apparaître. D'une part les astronautes sont totalement livrés à eux même en cas de problèmes et de dangers ce qui créé de la peur et de l'anxiété, d'autre part, des tensions entre astronautes peuvent se créées.
- Le derniers problème est celui de la nourriture car il faut des réserves suffisantes pour tout le temps du voyage (aller + retour).
Lorsque les sondes ou vaisseaux sont dans l'espace, ils avancent très facilement grâce à la force de d'attraction du Soleil, d'une manière assez similaire à celle des planètes en orbite autour du Soleil. Les sondes ou vaisseaux avanceront donc parfaitement avant de voir leur vitesse peu à peu ralentie, en effet des coups de moteur permettront aux vaisseaux de se replacer et de rester sur la bonne orbite et aussi de conserver une vitesse de bord (constante) d'environ 25 000 m/s (25 km/s).
De plus, les vaisseaux pourront bénéficier de rafales de particules en provenances du soleil appelées "vents solaires" qui alimenteront fortement les panneaux solaires du vaisseaux. Ils pourront également profiter du champ de gravitation des planètes situées sur leurs trajet, en se laissant attirer mais sans pour autant entrer en orbite autour de l'astre proche en question. Ces aides "apportées" par l'Univers seront des plus pratiques, mais en règle général les vaisseaux doivent sans cesse corriger leur trajectoire grâce à leurs moteurs.
Voici les principaux types des moteurs et de moyens de propulsions à travers l'espace :
- Le moteur nucléaire :
Le moteur nucléaire fonctionne avec une propulsion nucléaire, c’est une technique qui utilise l’énergie nucléaire pour obtenir une meilleure propulsion spéciale, plus puissante et efficace, ce qui permet aux vaisseaux de faire des trajets loin d’une étoile fournissant de l’énergie solaire.
- Le moteur ionique :
C'est un moteur qui projette des ions à très grande vitesse pour produire sa force de propulsion. Ce type de moteur ne brule pas le carburant mais l'ionise, c'est à dire qu'il enlève ou ajoute des charges à une molécule ou à un atome. Les ions qu'il libère subissent alors une forte accélération en passant par deux grilles qui sont fortement chargées électriquement. Ensuite les ions possèdent une force d'accélération, celle-ci va causer une force de réaction de sens opposé. Ceci s'explique selon la Troisième loi de Newton qui avance que pour toute action, il existe une réaction égale et opposée, et que l'action est toujours égale a sa réaction, (donc que les actions qu'exercent mutuellement deux corps l'un sur l'autre sont égales mais dans des sens contraires, opposés.) Donc tout corps A qui exerce une force sur un autre corps B, va subir une force d'intensité égale exercée par le corps B, dont la direction est la même mais le sens est opposé. A et B sont deux corps qui sont en interaction, donc FA/B la force exercée par A sur B et FB/A la force exercée par B sur A sont directement opposées :
Schéma d'un moteur ionique :
FA/B=-FB/A
Que les corps soient immobiles ou en mouvement, ces forces resteront toujours directement opposées. Ceci se visualise avec deux vecteurs colinéaires et de même longueur, mais de sens opposés. Donc la force de réaction de sens opposé créée va être la force de propulsion de ce type de moteur. Avant de s'échapper du moteur les ions vont récupérer leurs électrons pour conserver la neutralité électrique de celui-ci et du carburant éjecté. Pour les moteurs ioniques on utilise en guise de carburant un gaz noble, le xénon. On utilise des panneaux photovoltaïques pour obtenir l’énergie électrique nécessaire à l'ionisation du xénon/carburant et à l'accélération des ions.
- Le moteur à plasma :
D'abord ce moteur est rentable car il possède une poussée plus puissante que la poussée des moteurs ioniques et une consommation plus faible que celle des moteurs chimiques. Le moteur à plasmas fonctionne en ionisant de l'hydrogène, du xénon ou de l'argon et en les accélérant fortement sous l'effet d'un champs électromagnétique puissant. Le gaz utilisé passe alors à l'état de plasma, cet état est décrit la plupart du temps comme un état de la matière au même titre que que les états solide, liquide ou gazeux. Ensuite ce gaz à l'état de plasma est confiné à cause du champs magnétique. Il est après guidé vers une tuyère qui sert à transformer l'énergie des gaz de combustion en énergie cinétique et qui module la poussée à l'aide d’électroaimants.
- La voile solaire :
C'est un moyen de propulsion qui utilise la pression de radiation qui est la pression qu'on exerce sur une surface qui est exposée à un rayonnement électromagnétique émis par les étoiles afin de se déplacer à la manière d'un voilier, d’où le nom de "voile" solaire. Cette voile est donc propulsée par les photons qui la percutent et qui exercent une pression sur elle, soit sur une grande surface réfléchissante, pour fournir une poussée. La poussée est dûe à la force créée par le réfléchissement des photons. Mais la propulsion générée est bien trop faible pour permettre de quitter l'atmosphère d'une planète. Par contre, ce procédé de navigation spatiale peut être utilisable par un appareil qui aurait déjà atteint la vitesse de libération.
Lors du voyage se posent également d'autres problèmes, des difficultés par rapport à la trajectoire… Pour se rendre sur Mars, la trajectoire est aussi une donnée à prendre en compte.
Une navette spatiale a pour trajectoire l’orbite de transfert d’Hohmann. L’orbite de transfert d’Hohmann, dans notre cas, est une tangente aux points de départ (sur la terre) et aux points d’arrivée (sur Mars). Sauf que c’est dans le cas où l’on considère que les planètes sont parfaitement circulaires. Or dans notre cas, l’excentricité de Mars est de 0,093 alors que celle de la Terre est de 0,067.
De plus, la navette sera soumise à l’inertie des planètes et du soleil qui la dévieront de sa trajectoire initiale. Une fois qu’on connaît tous ces paramètres, on peut s’intéresser aux calculs. On calculera donc grâce à la loi de Newton (’’ Deux corps avec une symétrie sphérique de masse exercent des forces d’attraction l’un sur l’autre mais ces forces sont de sens contraire ‘’). Cette loi est définie par :
F=R x Ma x Mb/R²
R est la distance entre les corps a et b ; Ma et Mb sont les masses des deux corps ; G est la constante (universelle) de gravitation.
Le problème que nous rencontrons est qu’on peut se trouver en présence de plus de deux corps. Pour ce nous allons nous intéresser aux différents cas de figure.
Il y a quatre corps différents, la Terre, Mars, la navette et le Soleil. On peut négliger certains de ces corps dans différents cas selon la position de la navette.
- Et pour terminer, lorsque la navette se rapprochera considérablement de Mars, on n’aura plus que Mars et la navette comme corps et on négligera le Soleil. Cependant, nous ne pouvons pas calculer ces distances car elles dépendent de la position exacte de la navette ainsi que de son poids qui varie au cours du voyage.
Une difficulté supplémentaire concernant les vitesses : durant le trajet, la masse de la navette varie considérablement car les objets embarqués sont légers et le propergol est une des parties de la masse les plus importantes. On en déduit qu’au cours du trajet, du carburant sera utilisé, donc que la masse de la navette diminuera au cours du voyage. Donc il est nécessaire d’ajuster les calculs après chaque poussée effectuée par la navette.
- La navette part de la Terre ; à courte distance de la Terre on néglige le Soleil et Mars ; donc il ne reste que deux corps (la Terre et la navette).
- Dans un second temps la navette va commencer à s’éloigner de la Terre, donc on ne pourra plus négliger le Soleil et de plus, on restera trop proche de la Terre pour la négliger. On se retrouve donc avec trois corps et le calcul est bien plus complexe.
- Puis quand la navette se sera éloignée suffisamment de la Terre mais restera assez loin de Mars, on se trouvera à nouveau avec deux corps, la navette et le Soleil.
- Plus tard, on arrivera à proximité de Mars et le problème des trois corps se répétera (Mars, le Soleil et la navette).
Pour aller sur Mars la sonde/navette doit avoir une vitesse suffisante pour s'échapper de l'atmosphère de la Terre, cette vitesse est nommée "vitesse de libération" (calculée et expliquée dans les caractéristiques de Mars). La vitesse de la sonde doit être d'au moins 11.2km/s, lorsque cette vitesse est comprise entre 7.9 et 11.2 km/s, elle serait insuffisante pour permettre à la sonde de quitter l'atmosphère terrestre et la sonde resterait en orbite autour de la Terre. Si cette vitesse est inférieur à 7.9 km/s alors la sonde ne pourrait pas quitter l'atmosphère de la Terre et retomberait sur celle-ci. De plus il faut savoir que si la vitesse du module envoyé dépasse 16.6km.s les forces de gravitation ne pourrait plus le retenir et il quitterait rapidement le système solaire et serait perdu dans l'espace. Donc la vitesse est un problème important et délicat car il s'agit de donner à la sonde une vitesse très grande mais qui doit néanmoins être précise afin que le vaisseau se dirige correctement sur Mars.
D’abord, l’insertion orbitale : elle consiste à freiner le vaisseau et à le mettre en orbite autour de la planète grâce à un moteur chimique qui exerce une poussée opposée. Dès que le vaisseau est mis en orbite, il est retenu par le champ gravitationnel de Mars. Mais la trajectoire du vaisseau est elliptique, elle présente des ellipses. Lorsque la trajectoire est située à l’apoapside, c'est-à-dire au point de l’orbite de Mars où la distance est la plus grande par rapport au foyer de l’orbite, le vaisseau se situe à 54 000 km environ de la planète rouge. Il faut donc impérativement réduire cette distance pour se rapprocher de Mars et atterrir sur la planète. Pour réduire cette distance, on utilise un procédé appelé l’aérofreinage.
L’aérofreinage est un procédé très rentable, moins coûteux que d’utiliser les moteurs du vaisseau. L'aérofreinage est un procédé qui consiste à se servir de l'atmosphère martien afin de changer l'orbite de la sonde. On cherche à diminuer le temps de révolution de la navette/sonde autour de Mars. L'aérofreinage dure en principe 4 moins.
Ce procédé est donc composé de 3 phases schématisées ci contre:
1° Dans un premier temps, il faut intégrer la navette dans l'atmosphère de Mars. Donc il faut diminuer la distance entre le périapse et Mars ( ou l'altitude du périaspe), soit faire passer cette distance de 250 km à 100 km. Pour ce faire, on allumera les moteurs de la navette à l'apoapse de Mars, et ainsi on diminuera la distance entre le périapse et Mars ce qui permettra que la navette entre dans l'atmosphère de Mars.
2° Dans un second temps, durant 3 mois,la distance entre l'apoapse et Mars diminue et l'apoapse se rapproche de Mars. En effet, la distance entre l'apoapse et Mars passe de 54000 km en situation 1) à 2000 km et le temps de révolution de la navette autour de Mars passe de 45h (en situation 1) à 3h. Pour ce faire, on utilise les moteurs lorsque la navette est au périapse pour diminuer la distance entre l'apoapse et Mars, de par ce fait la navette va décrire une orbite de plus en plus circulaire, ce qui est aussi dû au fait que l'air présent dans les hautes couches de l'atmosphère de Mars cause une très légère diminution de la vitesse de la navette lorsque celle-ci est au périapse.
Donc ce procédé (l'aérofreinage) permet, grâce à une modification de la vitesse de la navette à l'apoapse, un contrôle efficacement sa trajectoire (de la navette). Mais en revanche certaines conditions extérieures comme la météo (tempêtes de sables) ou une friction trop forte avec l'air peuvent provoquer la destruction des structures les plus fragiles de la navette comme les panneaux photovoltaïques.
3° Pour terminer, la dernière étape de l'aérofreinage dure seulement 3 semaines. La navette est positionnée à 450 km de la surface de Mars de telle sorte que l'altitude de l'apoapse et de la périapse soit environ égale. Le temps de révolution de la navette autour de Mars est court. Mais l'élément rendant cette période difficile est le fait que lorsque la navette est située “derrière” Mars, c'est à dire qu'on ne peut pas voir la Terre depuis sa position, les communications entre la navette et la Terre sont impossibles.
Pour finir, la navette utilise ses moteurs et navigue par inertie, c'est à dire qu'il n'y a aucunes forces extérieures qui s'exercent sur la navette. On expulse des parachutes à l'aide d'un mortier lorsque la navette se situe à 5 km de la surface martienne et se déplace à une vitesse d'environ 1500 km/h. La navette utilise ses radars pour déterminer sa localisation et se poser en toute sécurité sur Mars après avoir couper ses moteurs à 2 km de la surface martienne. On arrive donc sur la planète rouge.
Nous venons maintenant présenté les caractéristiques d'un voyage vers Mars qui serait essenciel a conquete future de la planète rouge. Donc les principale contrainte d'un tel voyage seraient le coute, la trjectoire, la durée du voyage et quand envoyé la fusée. Or ces contrainte reste négligable car plusieurs missions ont déja été envoyé en direction de cette planète. De plus d'autre contrainte (présentées dans la partie sur les caratéristique de mars et dans 3) reste plus importante a prendre en compte.
Après avoir monté les difficulté les caractéristiques du voyage tere mars nous allons présenté les enjeu de la vie sur mars.