Elle apportera aussi la vie aux nouveaux Martiens.

Quand on évoque le sujet de l’eau sur Mars, il faut bien distinguer entre l’eau dans le passé et l’eau dans le présent. Dans le passé, on l’associe à la vie qui a pu trouver comme sur Terre un environnement favorable ; dans le présent, on l’associe aux besoins que les hommes qui se rendront sur la planète devront satisfaire.

Dans le passé, il est aujourd’hui incontestable que de l’eau liquide a coulé sur Mars, en abondance. Comme sur la Terre, elle manquait très probablement à l’origine puisse que la planète s’est formée en dessous de la « limite de glace » jusqu’à laquelle le jeune et violent soleil avait repoussé tous les éléments volatiles de son disque protoplanétaire. Mais le système en formation était par définition instable et le « Grand-Tack » de Jupiter et de Saturne (descente vers le Soleil de Jupiter puis rebroussement vers l’extérieur, de concert avec Saturne) fut très probablement apporteur de quantité considérable d’eau de la partie extérieure de la Ceinture d’astéroïdes (celle qui est située au-delà de la limite de glace) et aussi de la Ceinture de Kuiper (au-delà de Neptune) car Saturne retournant à sa place (en fait un peu plus loin), rejeta Neptune au-delà d’Uranus, dans cette Ceinture constituée d’objets riches en glace d’eau (et peut-être beaucoup plus loin, la « Planète 9 » qui aurait pu se trouver là où Saturne se trouve aujourd’hui elle-même…mais c’est une autre histoire !).

Toujours est-il que de l’eau liquide remplit probablement les Basses-terres-du-Nord et de grandes dépressions dans les Hautes-terres-du-Sud (Bassins d’Hellas et d’Argyre, Mer d’Eridania, de nombreux cratères). Un cycle de l’eau exista, avec évaporation sous une atmosphère primitive épaisse et générant un effet de serre puissant par sa très forte teneur en gaz carbonique. Il plut et il neigea, des fleuves coulèrent dans la zone intertropicale vers les points les plus bas ; le sol gorgé d’eau libéra des flux cataclysmiques à l’occasion de la constitution des socles volcaniques surtout celui de Tharsis qui par sa masse déclencha des failles gigantesques (Valles Marineris). Pendant quelques centaines de millions d’années, dans un environnement de sol chaud du fait de l’accrétion récente de la planète, l’eau imprégna les roches et les transformèrent. C’est à cette époque que la vie a pu commencer sur Mars mais rien n’est sûr. On peut dire que les « ingrédients » étaient là mais des différences subtiles d’environnement peuvent avoir « fait la différence ». Peut-être aussi que le temps n’a pas « laissé suffisamment de temps au temps ». En effet déjà vers -4 milliards, l’atmosphère non retenue par une gravité trop faible et non protégée par une magnétosphère suffisamment puissante, avait diminué considérablement (pression semblable à celle d’aujourd’hui). Mais la planète était jeune, la croûte peu épaisse et les émissions volcaniques de gaz et de poussière, importantes et fréquentes. Le second éon martien, l’Hespérien, nommé Theiikien, l’âge du soufre, par l’astrophysicien Jean-Pierre Bibring, prolongea les conditions favorables à l’eau liquide en surface jusque vers -3,5 milliards. Ensuite les épisodes volcaniques se firent de plus en plus rares même s’ils étaient violents (épaisseur de la croûte planétaire). Pour résumer la planète devint un désert aride à cette époque et ne retrouva des conditions « habitables » que par intermittence avec des phases actives de plus en plus espacées et de plus en plus courtes. La question lancinante que l’on se pose depuis que l’exploration de Mars a commencé est donc de savoir si la vie a pu commencer avant cette généralisation de l’aridité (la vie a commencé sur Terre entre -4 et -3,7 milliards d’annés).

Si elle a commencé, elle a pu continuer sous une forme très primitive, dans le sous-sol où l’eau était forcément présente puisqu’on trouve aujourd’hui en abondance de la glace d’eau, sous très peu de régolithe en de nombreux endroits de la zone intertropicale.

Dans ce contexte on passe dans le présent et la possibilité qu’offre la planète du fait de cette glace d’eau, de subvenir aux besoins d’une population humaine. On pourra construire des bases à proximité de dépôts d’eau. L’eau martienne est un peu « lourde » (pourcentage de deutérium élevé, le double, par rapport à l’hydrogène) car les éléments les plus légers ont tendance à se perdre par sublimation dans l’atmosphère et celle-ci dans l’espace, mais elle restera consommable et utilisable pour toutes sortes de besoin (y compris produire du méthane à partir de son hydrogène, dans la réaction de Sabatier). Il ne faut quand même pas imaginer que l’homme puisse être sur Mars aussi insouciant du point de vue de sa consommation, qu’il l’a été sur Terre. Mars est une planète fragile dont les ressources sont limitées, plus que la Terre. Plus rapidement que sur Terre on ne pourra pas y faire « n’importe quoi ». On ne pourra laisser la démographie exploser et il faudra, dès le début de la présence humaine, recycler tout au maximum. On aura l’habitude car durant les premières missions où les équipements et les produits chimiques seront forcément très rares (il faudra importer presque tout produit transformé depuis la Terre et commencer à produire sur place, avec beaucoup de difficultés), les hommes se seront appliqués à ne rien gâcher. De ce point de vue Mars sera un laboratoire écologique et les Martiens un exemple pour les Terriens.

Une utilisation originale de l’eau pourrait être appliquée dans la construction. On pourra faire facilement du « duricrete » (ciment très dur) simplement en mouillant le régolithe mais surtout on peut concevoir que les dômes habitables soient revêtus de blocs de glace dans des enveloppes en plastique (pour éviter la sublimation lorsque la température monte. Cette enveloppe montée sur des sphères géodésiques en métal (martien) aurait pour avantage d’exercer une certaine contre-pression alégeant les efforts sur la structure et de bloquer les radiations solaires, riches en protons comme l’eau avec son hydrogène.

Vous voyez qu’on peut faire beaucoup de choses avec l’eau et par la force de la nécessité et de la rareté, que la créativité sera sans cesse stimulée sur Mars.

Il est tout à fait improbable que la vie martienne, si elle a existé, ait pu évoluer au-delà des êtres monocellulaires les plus simples, équivalents de nos procaryotes terrestres (bactéries ou archées). L’exploration de Mars à la recherche de traces de l’émergence de la vie n’en reste pas moins, un objectif passionnant et qui mérite que les hommes y consacrent des ressources non négligeables.

Si la vie monocellulaire de type bactérien a dû commencer sur Terre dès la solidification de la croûte terrestre, juste après l’Hadéen, il y a quelques 4 milliards d’années (premiers indices de « mix » d’éléments chimiques et de composition isotopique légère vers 3,8 milliards), la vie métazoaire (vie pluricellulaire organisée) n’a, elle, commencé qu’il n'y a seulement quelques 600 millions d’années (faune d’Ediacara –« vendobiontes », avant l’explosion cambrienne) et le processus qui a conduit jusque-là a été « semé d’embuches », et d’accidents. Il a fallu notamment que l’oxygène moléculaire produit en rejet métabolique par les premières formes de vie en surface de la planète (cyanobactéries) ait, il y a plus de 2 milliards d’années, à l’occasion du « Great Oxydation Event » puis du premier épisode « Snowball Earth », commencé à s’accumuler suffisamment dans l’atmosphère pour que les eucaryotes monocellulaires (improbables chimères entre bactérie et archée) puissent l’utiliser pour proliférer malgré les dangers que cet oxydant très puissant leur faisait courir (mais incités à le faire par son très grand avantage énergétique). Il a fallu ensuite, beaucoup plus tard, il y a 700 à 600 millions d’années, à l’occasion d’un nouveau déséquilibre planétaire (une nouvelle série d’épisodes Snowball Earth) que les niveaux nouvellement atteints par l’oxygène (encore en dessous mais proches des nôtres) permettent à la population de ces eucaryotes de se structurer en êtres pluricellulaires  avec spécialisation par organes constitués chacun de nombreux individus identiques (métazoaires).

Mais l’oxygène moléculaire, indispensable élixir mortel, n’a pu être produit par les cyanobactéries que par photosynthèse à la surface des océans. Sur Mars, la disparition de l’eau liquide en surface, sauf épisodes cataclysmiques par la suite, s’est produite beaucoup trop tôt (vers -3,6 milliards d’années, époque correspondant à celle de nos premiers fossiles de type procaryotique ne pratiquant pas la photosynthèse). Et la surface martienne, mal protégée par une atmosphère insuffisamment épaisse et ne contenant pas d’ozone, a été dès cette époque probablement trop hostile à la vie. Ne comptons donc pas sur une vie martienne évoluée au-delà de l’équivalent des bactéries terriennes anoxiques les plus simples ; mais espérons tout de même. Il n’est en effet pas impossible que des molécules organiques présentes dans une région de l’espace proche de la nôtre, n’ait évolué dans le « bioréacteur » planétaire martien jusqu’à aboutir à une forme primitive de vie monocellulaire utilisant les matières et les sources d’énergies puisées dans un environnement aussi riche que le nôtre à l’origine. NB : tous les éléments chimiques dont nous sommes faits sont présents sur Mars (Carbone, Hydrogène, Oxygène, Azote + Phosphore, Calcium + Soufre, Sodium, Potassium, Manganèse, Fer & Chlore).

Sur Terre, il est de plus en plus probable que la vie ait commencé, avant que les cyanobactéries ne prolifèrent à la surface de l’océan, au sein des cheminées géothermales formées au fond d’un océan acide, aux limites des plaques tectoniques, par des flux d’eau basique chargée d’effluents minéraux, chauffée, mais pas trop (aux environs de 60°C) par le magma (fumeurs gris de type « Lost-City » sur des failles parallèles aux résurgences magmatiques mid-océaniques). Sur Mars, quelques endroits (fond de la mer d’Eridania) ont pu connaître les mêmes conditions et le même phénomène a pu se produire. Mais il n’est pas impossible que les mêmes conditions favorables aient existé également dans des environnements de type Yellowstone (eau chaude, percolant par des failles d’un sol riche en minéraux alcalins à la rencontre de fluides acides descendant de la surface et riches en soufre et en gaz carbonique, avec un différentiel de pH important). C’est donc à ce niveau très primitif, avant photosynthèse, qu’il faut considérer la possibilité de vie sur Mars.

Le processus aurait pu ensuite se développer et se prolonger dans l’environnement du sous-sol, stable, chaud (après les couches des premiers mètres constituées de pergélisol) et protégé des radiations, mais modérément et lentement compte tenu des conditions environnementales (notamment absence d’oxygène et aussi difficulté des contacts entre individus ou populations). C’est la thèse développée par l’astrophysicien Joseph Michalski dans un document scientifique publié en janvier 2018 (voir ci-dessous). Cerise sur le gâteau, le domaine habitable en sous-sol de Mars est beaucoup plus important que sur Terre en raison de la faible masse de la planète (1/10ème de celle de la Terre), donc de la gravité plus faible, ce qui induit une zone de porosité potentielle des roches beaucoup plus profonde (plus du double que sur Terre, jusqu’à 10 km). En fait la limite d’habitabilité est plutôt imposée avant cette profondeur, par la montée de la température au fur et à mesure que l’on s’éloigne du sol, 120°C étant considéré comme un maximum supportable (3 km sur Terre, 6 km sur Mars).

Mais, comme le souligne Joseph Michalski, l’intérêt de Mars n’est pas seulement d’offrir la possibilité d’observer une forme de vie ailleurs que sur Terre, elle est aussi d’offrir la possibilité d’observer le cheminement de l’évolution pré-biotique jusqu’à la vie. Sur Terre, seulement 0,001 % de la surface est suffisamment ancienne pour porter des traces de l'époque où il a dû se dérouler car le reste est totalement inaccessible sous des sédiments ou, surtout, profondément transformé par la tectonique des plaques dont le rouleau compresseur fonctionne depuis plus de 2 milliards d’années. Sur Mars, les surfaces non transformées plus anciennes que 3,5 milliards d’années représentent plus de la moitié de la totalité et le sous-sol immédiat non transformé par les épanchements de lave de l’Hespérien et de l’Amazonien, est encore plus important.

Vous voyez l’enjeu ? Aller sur Mars n’est pas seulement « aller se balader » dans un endroit exotique, c’est aussi chercher les sources de la vie, que l’on ne peut espérer trouver, dans un futur proche, nulle part ailleurs. Quel homme resterait insensible à cet argument qui nous interpelle sous diverses formes depuis que nous sommes conscients ?!

Référence : “The Martian subsurface as a potential window into the origin of Life” par Joseph Michalski et al. in Nature Geoscience, janvier 2018; doi.org/10.1038/s41561-017-0015-2.

Sur le plan astronautique les missions robotiques sont devenues presque routine, que ce soit pour descendre sur Mars un laboratoire fixe ou mobile, ou pour placer un satellite sur orbite. Pour ce qui est des vols habités, c’est une autre histoire mais Elon Musk nous permet d’espérer.

En fait le problème est avant tout un problème de masse. De nombreux lanceurs construits dans le monde sont aujourd’hui capables d’envoyer quelques kilogrammes en orbite martienne ou en surface de Mars. Une fois placé un orbite, faire fonctionner un satellite (un « orbiteur » comme on dit) apparaît relativement facile, contrôler une « EDL » (pour « Entry, Descent, Landing ») jusqu’à la surface de Mars est nettement plus délicat. Jusqu’à présent seuls les Américains y sont parvenus et pour une masse maximum d’une tonne (Curiosity). C’est bien pour une mission robotique ; c’est insuffisant pour une mission habitée. Dans son architecture « Mars Direct », Robert Zubrin a calculé qu’il faudrait pouvoir descendre en surface au moins une quarantaine de tonnes, ou plutôt deux fois 20 tonnes (une première mission, robotique, pour préparer la seconde, habitée, notamment en produisant l’énergie nécessaire au retour, par utilisation des ressources locales).

Ces contraintes impliquent (1) de pouvoir extraire du puit de gravité terrestre et jusqu’à une orbite basse terrestre (« LEO »), environ 130 tonnes (comprenant les 20 tonnes à descendre) et (2) de disposer des moyens de freiner suffisamment la masse à descendre en surface. On a su faire des lanceurs lourds pouvant placer 130 tonnes en LEO (Saturn V du programme Apollo), on sait moins descendre les 20 tonnes en surface. Jusqu’à présent la solution était d’utiliser un mixte de dispositifs variés pour le freinage : bouclier thermique (éventuellement gonflable pour lui donner une plus grande surface), parachute, ballute, airbag ou rétrofusée pour les derniers mètres, afin d’utiliser au maximum les avantages de Mars c’est-à-dire la présence d’une atmosphère.

Avec sa technique de récupération / réutilisation développée sur ses Falcon-9 et sur Falcon-Heavy, ainsi qu’avec son projet de BFR, Elon Musk a changé tout cela. Désormais on peut envisager la descente par rétropropulsion d’une centaine de tonnes au travers de toute l’atmosphère de Mars (un peu plus d’une centaine de km d’épaisseur). Et on peut envisager ce mode de descente freinée parce qu’Elon Musk a eu l’audace de concevoir (1) la mise en service d’un énorme vaisseau (le BFR version 2 peut placer 150 tonnes en LEO) ; (2) le réapprovisionnement en carburant / comburant du second étage du lanceur en orbite, avant l’injection trans-martienne, de telle sorte que les réservoirs soient à nouveau pleins après la consommation énorme nécessitée par la mise en LEO (95% du total des ergols emporté de la surface terrestre) ; (3) la descente par rétropropulsion maitrisée selon le même principe que celui développé et démontré par le retour sur Terre des premiers étages des lanceurs Falcon après qu’ils aient effectué leur mission. Bien sûr le BFR n’est encore qu’un concept mais la réussite du lancement du Falcon Heavy et le retour de deux sur trois de ses lanceurs fait espérer qu’il soit possible (et le nouveau moteur « Raptor » a été testé avec succès).

A noter que des missions habitées seraient déjà possibles (bien que « spartiates », avec plus de deux vols et en laissant un ERV – Véhicule de Retour sur Terre - en orbite martienne) avec le Falcon Heavy. Aussi bien Robert Zubrin que Jean-Marc Salotti vous le démontreront si vous venez écouter leurs versions actualisées de « Mars-semi-direct » à EMC18.

Bien entendu pour un voyage de cette durée (six mois de voyage pour aller, six pour revenir et 18 mois sur place compte tenu de l’évolution de la position des planètes l’une par rapport à l’autre) le lanceur n’est pas tout. Un élément très important est le support vie. Un autre est la protection contre les radiations spatiales.

Pour le support vie, des techniques d’ECLSS (Environment Control & Life Support System) sont étudiées et expérimentées depuis des années, notamment MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) ou ESTEE (Earth Space Technical Ecosystem Enterprises). Cela implique le recyclage des gaz, des liquides et des solides mais aussi le contrôle des microbiotes à l’intérieur du microbiome relativement petit (pas d’effet tampon !) que constituent un vaisseau spatiale ou une base sur Mars. On peut dire que c’est difficile (un spécialiste italien, le Professeur Alberto Bemporad, a comparé le contrôle du microbiome au pilotage d’une voiture de course !) mais que des progrès importants ont été faits qui limitent pour des quantités importantes, les masses à emporter avec soi, avec l’avantage supplémentaire que sur Mars on pourra utiliser l’eau locale et des éléments chimiques locaux qu’on pourra combiner (moyennant un peu d’énergie solaire, locale, et/ou nucléaire, importée) pour obtenir des produits nécessaires à la purification, à la stabilisation de l’environnement ou à la production d’aliments sous serres.

La protection contre les radiations est un sujet difficile. On peut se protéger des orages, SPE (pour Solar Particle Event), de particules solaires, SeP (Solar energtic Particles) car ce sont des protons et que les réserves d’eau et de nourriture, riches en eau, en contiennent beaucoup (hydrogène). Lorsqu’un de ces SPE surviendra, les voyageurs pourront s’abriter dans des caissons entourés de leurs réserves d’eau et cela freinera suffisamment les protons. Il n’en est pas de même pour les radiations galactiques (GCR) de masse atomique élevée (HZE). Elles sont peu abondantes mais traversent tout. Il n’y a rien à faire sauf à aller d’un endroit abrité (la Terre) à un autre (Mars) aussi vite que possible. En temps de croisière normal, quand il n’y a pas de SPE, un gilet de type « AstroRad (société StemRad) sera adéquat pour contrer le flux normal de protons. Une fois sur Mars le danger n’est pas du tout le même puisque le niveau des radiations reçues est équivalent à celui qui a été constaté dans l’ISS et qu’en plus on peut se protéger. Personne ne souhaite être irradié et les doses doivent être aussi basses que possible (ALARA). Si l’on veut ne prendre qu’une dose de radiations cumulées « acceptable », un voyage de six mois sera supportable, quatre voyage de six mois probablement pas. Il faudra donc raccourcir au maximum le voyage, mais ce sera au détriment de la masse utile (payload) transportée. Elon Musk envisage de descendre de six à quatre mois la durée du transport des hommes tandis que les vaisseaux cargos pourront « prendre leur temps » (entre 6 et 9 mois).

Vous aurez remarqué que je ne parle ni de l’ESA ni de la NASA. La raison en est (1) que l’ESA n’a pas les moyens et n’est pas intéressée par les vols habitées dans l’espace profond (pour moi aller sur la Lune n’est pas « voyager dans l’espace profond ») et (2) que la NASA a pris du retard en technologie astronautique par rapport à Space-X et ne parvient pas à mettre au point son lanceur lourd propre, le SLS (Space launch System). C’est en 2006 que le concept a été lancé (l’Ares du programme Constellation) alors que le concept de Falcon Heavy n’a été annoncé qu’en 2011 et qu’aujourd’hui il existe et vole!

Je parie que ce sera donc Elon Musk qui posera la première fusée habitée sur Mars. Maintenant, l’économie d’échelle étant le moyen de faire baisser le coût des voyages pour les rendre acceptables sur le plan financier, toute diversification d’objectif consommatrice de lanceur lourd (la Lune par exemple) sera la bienvenue...pourvu qu’elle n’occulte pas et ne fasse pas oublier l’objectif Mars !