Préparation pour ce voyage vers Mars
Voici quelques-uns des obstacles que les scientifiques rencontrent pour atteindre les humains sur la planète rouge
Mark Watney s'est retrouvé coincé sur Mars. C'est en 2035 et ses coéquipiers, le croyant mort, l'ont laissé derrière eux dans leur évacuation de la planète rouge. Il fait face à des années, tout seul, en essayant de survivre face aux radiations, aux tempêtes et à peu de nourriture.
Ce dernier problème s'avère être résolu. Watney est un botaniste. Et il comprend comment cultiver des pommes de terre. Les plants de pommes de terre proviennent de son dîner de Thanksgiving. L'eau est dérivée des restes de carburant de fusée. Et sa propre merde devient un engrais.
Ce scénario, tiré du livre et du film The Martian, est de la science-fiction. Il est cependant basé sur des faits. La NASA a étudié les pommes de terre dans les années 1980 et 1990 en tant que culture potentielle pour des missions spatiales humaines. Et bien que personne ne cultive encore des pommes de terre sur Mars, les scientifiques développent déjà des outils pour cultiver des aliments dans l'espace.
Pourquoi? Les gens voyageront probablement vers Mars au cours de votre vie. La NASA a annoncé son intention d'envoyer des gens sur Mars dans les années 2030. Et la compagnie spatiale privée SpaceX pourrait envoyer sa première mission en équipage sur Mars dès 2024.
Mais transporter des humains vers Mars serait un plus grand défi que de les amener sur la Lune. Pour le retirer, nous devons d'abord résoudre beaucoup de problèmes. Se rendre à Mars est juste l'un d'entre eux. Ensuite, nous devons déterminer d'où viendra notre nourriture et notre eau. Les planificateurs doivent également comprendre comment les voyageurs de l'espace obtiendront des outils dont ils auront soudainement besoin lorsqu'ils se trouvent à des millions de kilomètres de la quincaillerie la plus proche. C'est une entreprise énorme, mais les chercheurs du monde entier sont déjà au travail.
Les agriculteurs spatiaux
Les voyageurs de l'espace d'aujourd'hui ne vont pas à la lune ou Mars; ils se dirigent vers la Station spatiale internationale (ISS). Il est en orbite à 381 kilomètres (237 miles) au-dessus de la surface de la Terre. Là, les astronautes vivent pendant des semaines ou des mois. Parmi leurs tâches sont la réalisation d'expériences et d'équipements de test qui pourraient être utiles pour les futures missions vers la Lune, un astéroïde, Mars ou au-delà.
Si vous visitiez l'ISS aujourd'hui, presque tous les aliments que vous mangiez auraient été expédiés de la Terre. L'exception: les légumes-feuilles. Ce sont les premiers aliments cultivés sur l'ISS.
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles la NASA veut apprendre à cultiver des légumes dans l'espace. En plus de fournir de la nourriture fraîche aux astronautes, les plantes peuvent fournir une aide à la vie en recyclant l'air et l'eau. «Il y a aussi l'avantage psychologique que peuvent avoir les plantes en croissance», explique Gioia Massa. Elle est une scientifique des plantes et la tête du Veggie Project de la NASA au Kennedy Space Center à Cape Canaveral, en Floride.
Comme l'a appris Mark Watney sur Mars, les pommes de terre pourraient être de bons aliments de survie. Ils ont des quantités décentes de protéines, de vitamines et d'autres nutriments. Ils sont également riches en glucides (sucres et amidons). Vous ne pouviez pas survivre sur des patates seules. Ils pourraient, cependant, aider à vous empêcher de mourir de faim.
Il y a quelques inconvénients, cependant. Les pommes de terre doivent être cuites avant de pouvoir être mangées. Et les plants de pommes de terre ont besoin de beaucoup de place pour pousser. Donc, Massa et ses collègues ont commencé avec quelque chose de plus facile: la laitue.
En 2014, ils ont envoyé un jardin aux astronautes de l'ISS. Les graines de laitue ont été emballées dans des «oreillers de plantes» avec de l'argile cuite et de l'engrais. Ajoutez de l'eau, de la lumière artificielle et voilà! La laitue a grandi!
Mais les astronautes ne pouvaient pas le manger.
Ils ont dû renvoyer chaque morceau sur Terre pour être étudiés. L'année suivante, après que les scientifiques de la NASA ont confirmé que cette nourriture était saine, les astronautes ont cultivé une deuxième récolte. Cette fois, ils ont été autorisés à chow down.
Les astronautes ont utilisé leur laitue pour garnir les hamburgers. Ils ont également fait des wraps de laitue avec une salade de homard à l'intérieur. "Ils sont vraiment créatifs", dit Massa.
Sans surprise, le jardinage est différent dans l'espace que sur Terre. Sans gravité, les plantes ne savent pas quelle direction est en place. Mais ils s'adaptent. Ils envoient leurs pousses vers la lumière et leurs racines dans la direction opposée. Les fans doivent faire circuler l'air. Sinon, l'oxygène se rassemblerait en boule autour des plantes, et ils n'auraient pas assez de dioxyde de carbone pour faire de la photosynthèse.
Les scientifiques ont également eu du mal à fournir suffisamment d'eau aux plantes. Les oreillers en tissu contenant les graines, l'argile et l'engrais ont été conçus pour puiser de l'eau dans un réservoir. Mais ils ne travaillaient pas assez vite. Les astronautes ont fini par avoir besoin d'arroser les plantes à la main. Massa et son équipe sont en train de redessiner le système d'arrosage.
Les astronautes de l'ISS ont également cultivé du chou chinois ainsi que des fleurs. En plus d'être jolie, le jardin des zinnias de l'astronaute Scott Kelly a aidé les scientifiques à étudier si les plantes fleurissent dans l'espace. Ils font! C'est important à savoir, car la floraison est la façon dont certaines plantes se reproduisent. Cela fait aussi partie de la façon dont certaines plantes produisent des fruits.
Les futures récoltes comprendront un vert asiatique amer appelé mizuna et des tomates cerises, que les astronautes devront polliniser à la main en utilisant une petite brosse. "Nous n'avons pas d'abeilles là-haut", note Massa. Un jour, ils pourraient aussi faire pousser des poivrons et des herbes.
Alors que le potager est petit pour le moment, il pourrait un jour aider à nourrir les astronautes sur des missions spatiales de longue distance - ou une colonie sur Mars. "Tout ce que nous faisons est un tremplin", explique Massa.
Construire un moteur plus rapide
Atteindre l'ISS depuis la Terre prend moins d'un jour. Un voyage sur Mars pourrait prendre près d'un an - et une énorme quantité de carburant. Les moteurs chimiques utilisés pour lancer une fusée dans l'espace avec une explosion de feu ne sont pas bons pour propulser un vaisseau spatial sur une autre planète. Comme il n'y a pas de stations-service entre ici et Mars, «vous devez à peu près prendre tout votre carburant avec vous», explique Bill Emrich. Il est ingénieur nucléaire à la NASA au Marshall Space Flight Center à Huntsville, en Alabama. «Si vous faites cela, vous voulez un moteur qui va faire beaucoup de kilomètres au gallon.
Pour ce faire, dit-il, vous devez aller nucléaire. Le moteur droit peut prendre un gaz très léger, tel que l'hydrogène, et le chauffer à des températures extrêmement élevées dans un réacteur nucléaire. Ce gaz surchauffé est pulvérisé à l'arrière à travers une buse pour propulser l'engin spatial vers l'avant. «Plus vous pouvez faire sortir le gaz de la buse, plus il est efficace», explique Emrich. "Plus le gaz est léger, plus il est efficace."
Les moteurs nucléaires ne sont pas seulement efficaces, ils sont rapides. Un engin spatial non habité a été envoyé au système solaire externe en utilisant ce que l'on appelle la propulsion ionique. Il fonctionne en accélérant des atomes chargés électriquement, ou des ions, pour pousser un vaisseau spatial vers l'avant. Un tel système pourrait prendre une année pour livrer les gens à Mars. En revanche, un moteur thermique nucléaire pourrait raccourcir ce voyage à seulement quatre ou cinq mois, dit Emrich.
Pour atteindre rapidement Mars, un grand vaisseau spatial aurait besoin d'environ 230 grammes (une demi-livre) de combustible d'uranium. L'uranium est radioactif, mais le combustible d'uranium n'est pas dangereux. "Vous pourriez facilement le tenir dans votre main et cela ne vous ferait pas de mal", note Emrich. Mais une fois que le réacteur commence à fonctionner, l'uranium est divisé en d'autres éléments par la fission. C'est quand vous devez faire attention. "Ces [produits de fission] sont vraiment très radioactifs. Et c'est là qu'intervient la mort ", dit-il -" non pas de l'uranium lui-même, mais des sous-produits [de la fission] ".
Ce système permettrait de se débarrasser d'une grande inquiétude: même s'il y avait une explosion au décollage, les humains et l'environnement de la Terre seraient en sécurité. Pourquoi? L'engin spatial utiliserait du carburant de fusée conventionnel pour décoller. Le moteur à chauffage nucléaire ne serait pas allumé jusqu'à ce que la fusée soit déjà dans l'espace. Alors s'il y avait une explosion, n'importe quelle matière radioactive serait crachée dans l'espace.
Emrich et ses collègues travaillent à tester le combustible d'uranium pour ce moteur. D'autres travaillent sur différentes parties. Certains cherchent à développer et tester le réacteur. D'autres conçoivent un moyen d'intégrer le réacteur dans le système de propulsion.
Construire cette nouvelle génération de moteurs spatiaux prend du temps. "Si nous avons beaucoup de financement, cela pourrait probablement être fait dans 10 à 15 ans", dit Emrich.
Les astronautes qui se dirigent vers Mars devront emmener presque tout ce dont ils auront besoin. Ils pourraient être en mesure de récolter des matières premières de la planète rouge. Mais après, ils auront besoin d'un moyen de les utiliser. "Nous devons être beaucoup plus indépendants de la Terre" que dans les missions plus proches de chez nous, dit Niki Werkheiser. Comme Emrich, elle travaille aussi au Marshall Space Flight Center de la NASA.
Les astronautes de l'ISS ont des problèmes similaires. Si quelqu'un a besoin d'un outil spécial, il devra peut-être attendre des mois ou plus avant la prochaine mission de ravitaillement. Werkheiser espère changer cela. Elle est la scientifique principale d'un programme qui amène l'impression 3D dans l'espace. Grâce à l'impression 3D, les astronautes peuvent créer les outils dont ils ont besoin en appuyant sur un bouton.
Une imprimante 3D fonctionne un peu comme un pistolet à colle chaude. En suivant un motif sur un ordinateur, l'imprimante projette une couche de polymère sur un plateau. Après cela durcit dans un plastique, l'imprimante va ajouter une autre couche. Ensuite un autre. Et il le gardera jusqu'à ce qu'il ait construit un objet en trois dimensions. "Vous pouvez faire des conceptions vraiment complexes", dit Werkheiser. "Vous pouvez construire des choses avec des engrenages à l'intérieur et des pièces mobiles - tout en une seule copie."
Sur l'ISS, les outils d'impression pourraient faire gagner du temps et de l'argent. Mais ces imprimantes offrent également d'autres avantages. Beaucoup d'outils et de gadgets envoyés à l'espace sur des fusées sont fabriqués à partir de matériaux solides. Pour survivre aux contraintes de lancement, ils sont également fortement renforcés. Si elles étaient imprimées dans l'espace, elles pourraient être plus légères et plus minces, avec plus de place pour l'électronique, les instruments scientifiques ou d'autres pièces. De tels outils à faire soi-même peuvent même être une nécessité lors d'une mission sur la Lune ou sur Mars, où la livraison de pièces de rechange n'est peut-être pas possible.
L'impression dans l'espace ne fonctionne pas exactement comme sur Terre. Par exemple, des ventilateurs sont nécessaires pour faire circuler l'air autour de l'objet afin de le refroidir pendant l'impression. Mais il y a aussi des avantages. «Sur le terrain, la gravitation peut causer des problèmes avec l'impression 3D», explique M. Werkheiser. Étant donné que le plastique chaud est flexible, les imprimeurs reliés à la terre doivent parfois ajouter des structures de soutien pour maintenir un objet debout lorsqu'il se refroidit. Je l'espace, une imprimante peut construire dans n'importe quelle direction.
L'équipe de Werkheiser a envoyé sa première imprimante 3D à l'ISS en 2014. Elle a imprimé des objets en forme de pagaie. Ceux-ci ont ensuite été comparés à ceux imprimés sur Terre. "Nous n'avons vraiment vu aucune différence significative", dit-elle.
Ensuite, Werkheiser espère lancer une imprimante au printemps prochain, capable de recycler les déchets plastiques dans le matériau d'impression de nouveaux objets. Et à l'avenir, la NASA espère développer un laboratoire de fabrication (le "Fab Lab", en abrégé) qui pourra imprimer des objets - même électroniques - en métal.
Alors maintenant que les astronautes peuvent imprimer des outils à la demande, quelle était leur première demande? «Nous leur avons conçu un petit scratcheur», explique Werkheiser. Il s'avère que l'air sec sur la station spatiale provoque la démangeaison de la peau des astronautes. Parfois, au moins, les problèmes de l'exploration spatiale ont des solutions très simples.