Colonisation de l'espace

Dessin d'artiste d'un habitat spatial en construction de type tore de Stanford.

La colonisation de l'espace, ou colonisation spatiale, est — au-delà d'un sujet classique de fiction — un projet d'habitation humaine permanente et auto-suffisante en dehors de la Terre. Elle est liée à la conquête de l'espace.

Plusieurs groupes de développement de la NASA, de l'ESA et d'autres scientifiques ont étudié la faisabilité d'une colonie spatiale en divers endroits du système solaire. Ils ont déterminé qu'il y avait toutes les quantités nécessaires de matériaux sur la Lune et les astéroïdes géocroiseurs, que l'énergie solaire était disponible en grande quantité et qu'aucune nouvelle découverte scientifique n'était nécessaire, bien que des prouesses d'ingénierie, d'importants moyens financiers et une meilleure connaissance de l'adaptation humaine à l'espace soient indispensables.

La colonisation de l'espace est le but à long terme de plusieurs agences spatiales, le directeur de la NASA, Michael Griffin, a identifié la colonisation de l'espace comme le but ultime des programmes spatiaux actuels. La première étape est une présence humaine permanente dans l'espace comme c'est le cas avec la station spatiale internationale, qui n'est cependant pas autonome. L'unique projet, en 2008, avec un plan de financement est une base permanente sur la Lune, le Lunar Outpost prévue par la NASA pour 2019-2024. L'Agence spatiale fédérale russe, l'ESA et l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise projettent d'établir un avant poste sur la Lune après 2025.

Les colonies spatiales pourront être situées sur des satellites naturels comme la Lune ou des planètes comme Mars, mais certains scientifiques pensent que les premières colonies seront aussi en orbite planétaire ou solaire. De nombreux autres projets ont également été étudiés par les scientifiques, depuis la colonisation des lunes de Jupiter jusqu'à la terraformation de certaines planètes, mais ceux-ci n'ont pas encore dépassé le stade théorique.

[modifier] Histoire scientifique

Constantin Edouardovitch Tsiolkovski, père de l'astronautique et premier évocateur de la colonisation de l'espace.

Le concept de colonisation de l'espace est étroitement lié à celui du vol spatial, de l'astronautique et la conquête de l'espace et repose sur les mêmes pères fondateurs.

Le pionnier de l'astronautique russe, Constantin Tsiolkovski, est le premier à évoquer le concept de la colonisation de l'espace de manière scientifique dans son ouvrage de 1903, La fusée dans l'espace cosmique^[1], où il décrit l'utilisation de l'énergie solaire, d'une gravité artificielle par rotation et l'utilisation d'une serre pour créer un écosystème fermé^[2]. Il est également le premier à concevoir le projet d'un ascenseur spatial dans son livre de 1895 Spéculations sur la Terre et le ciel et sur Vesta^[3]. Il résume son point de vue sur l'avenir de l'humanité dans une de ses citations les plus célèbres:

« La Terre est le berceau de l'humanité, mais on ne passe pas sa vie entière dans un berceau.^[4] »

Le physicien allemand, Hermann Oberth, propose, en 1923, l'utilisation de stations orbitales permanentes et de voyages interplanétaires dans un livre^[5] qui n'est autre que sa thèse de doctorat rejetée comme utopiste par l'université de Munich^[6] mais acceptée par l'université Babeş-Bolyai de Roumanie la même année^[7].

Le scientifique slovène Herman Potočnik est le premier à concevoir une station orbitale en forme de roue placée en orbite géostationnaire^[8]. Un des anciens assistants d'Oberth, l'astronauticien Wernher von Braun, reprend en 1952 les idées de Potočnik^[9]. L'américain Robert Goddard, un autre père de l'astronautique, est le premier à évoquer l'idée d'utilisation d'une arche spatiale à propulsion nucléaire afin de sauver l'humanité d'un Soleil mourant et de l'emmener vers un autre système planétaire^[10]. La peur d'une critique scientifique lui fit placer le manuscrit dans une enveloppe scellée et il ne fut publié que 50 ans après^[1]. L'utilisation de ressources extraterrestres pour la conquête de l'espace est également énoncée par Goddard en 1920.

L'astrophysicien suisse Fritz Zwicky en 1948^[11] et l'astronome américain Carl Sagan en 1961^[12] sont les premiers à émettre l'idée d'une terraformation afin de transformer les conditions de vie d'un monde pour que l'humanité puisse le coloniser. Le physicien anglais Freeman Dyson met en avant en 1960 le concept qu'une civilisation avancée pourrait avoir complètement entouré son étoile d'habitats spatiaux ou d'astéroïdes, créant ainsi une sphère de Dyson^[13].

Le physicien américain Gerard K. O'Neill, dans son livre de 1977 La haute frontière : colonies humaines dans l'espace^[14], développe l'idée d'une colonisation massive avec des habitats spatiaux gigantesques, à la suite d'études réalisées avec la NASA et plusieurs universités^[15].

Après une pause à cause de l'arrêt de la course à l'espace qui était liée à la guerre froide, le concept de colonisation de l'espace devient moins ambitieux mais plus réaliste, avec l'établissement de la station spatiale internationale et un programme à moyen et long terme de la NASA^[16] et de l'ESA^[17] de bases permanentes sur la Lune et ensuite sur Mars. De nombreux autres projets de colonisation du système solaire sont aussi étudiés par les scientifiques depuis des dizaines d'années, mais aucun n'a eu de financements assurés comme celui de la NASA.

[modifier] Ressources et technologies nécessaires

Construire des colonies dans l'espace demandera de la main-d'œuvre, de la nourriture, des matériaux de construction, de l'énergie, des transports, des communications, un environnement viable incluant la gravité et la protection contre les radiations. Pour être viable, une colonie devra être située de manière à favoriser l'accès à ces différentes ressources. Les parties qui suivent développent les points étudiés par les études des scientifiques et des différentes agences spatiales.

[modifier] Transport

[modifier] Accès à l'espace

Vaisseau interplanétaire à propulsion électromagnétique à plasma VASIMR (Vue d'artiste pour la NASA).

Le coût du transport jusqu'à l'orbite terrestre et au-delà est pour l'instant la principale limite à la conquête spatiale. Du point de vue financier, le coût d'un lancement actuel est très élevé : pour accéder à une orbite basse cela se chiffre de 11 300 euros le kg pour le vaisseau russe Progress, 43 000 euros le kg pour le véhicule automatique de transfert européen^[18] et 14 000 euros pour des charges utiles légères par le futur lanceur Vega^[19]. Pour envoyer une charge utile de plus de 100 tonnes en orbite basse, ou 47 tonnes sur la Lune, il faut construire une fusée gigantesque munie de grands réservoirs pour stocker le carburant et le comburant. Un exemple d'une telle fusée est le lanceur Saturn V qui coûtait à lui seul un tiers du budget du programme Apollo en développement et lancement, soit plus de 6,4 milliards de dollars de l'époque^[20]. Chaque vol de la navette spatiale coûte 1.3 millards de dollars coût de développement compris, soit 173 milliards de dollars au total pour tout le programme de 1981 à 2010 ^[21] pour 131 vols, dont 29 pour la construction de la station spatiale internationale pour laquelle l'ESA à estimé le coût à 100 millards d'euros soit 157 millards de dollars.^[22].

Depuis les débuts de la conquête spatiale, le principe des fusées est resté le même et personne n'a réussi à révolutionner le domaine, malgré de nombreux efforts de la part des ingénieurs des agences spatiales. Pour coloniser l'espace, des véhicules bien plus économiques, aussi bien d'un point de vue financier qu'environnemental, seront nécessaires, car des milliers de lancements sont à envisager^[15]. Une solution serait des avions spatiaux hypersoniques en développement par la NASA ou d'autres organisations aussi bien publiques que privées. Il y a aussi des projets à très long terme pour construire un ascenseur spatial, mais de nombreux problèmes restent à résoudre^[23].

[modifier] Transports dans le système solaire

Des moyens de transport utilisant des ressources extérieures à la Terre pour la propulsion réduiraient les coûts de manière significative. Des carburants expédiés depuis la Terre coûteraient bien trop cher même avec les innovations exposées ci-dessus. D'autres technologies comme la propulsion captive, le VASIMR, le moteur ionique, la fusée solaire thermique, la voile solaire et la propulsion nucléaire thermique peuvent toutes potentiellement réduire le problème des coûts et de durée de transport une fois dans l'espace^[24]. La propulsion VASIMR pourrait réduire la durée de transport entre la Terre et Mars qui est de deux ans actuellement à seulement 39 jours^[25].

Sur la Lune, une possibilité bien étudiée est de construire une catapulte électromagnétique pour lancer les matières premières aux installations en orbite. Un ascenseur spatial lunaire qui, contrairement à l'ascenseur spatial terrestre, peut être construit avec des technologies existantes, pourrait être utilisé^[26].

[modifier] Matériaux

Pour approvisionner les colonies orbitales, lancer des matériaux depuis la Terre reviendrait très cher, aussi des scientifiques comme Robert Zubrin pensent faire venir les matières premières de la Lune, de Cérès, des astéroïdes géocroiseurs, Phobos ou Déimos, où les forces gravitationnelles sont très inférieures et où il n'y a ni atmosphère, ni biosphère endommageable^[27]. Les colonies sur la Lune et Mars pourront utiliser les ressources locales, bien que la Lune ait des quantités insuffisantes d'hydrogène, de carbone et d'azote mais beaucoup d'oxygène, de silicium et de métaux^[28]. Les astéroïdes géocroiseurs contiennent de grandes quantités de métaux, oxygène, hydrogène et carbone. Ils contiennent également un peu d'azote mais pas suffisamment pour éviter un approvisionnement depuis la Terre. Plus éloignés, les astéroïdes troyens semblent être à haute teneur en glace d'eau et autres matériaux volatiles^[29].

[modifier] Énergie

La station spatiale internationale et ses panneaux solaires vus depuis la mission STS-124 en approche.

L'énergie solaire est abondante et fiable en orbite terrestre et est communément utilisée par les satellites et la station spatiale internationale aujourd'hui. Il n'y a pas de nuit dans l'espace, pas de nuages et pas d'atmosphère pour bloquer la lumière du soleil. L'énergie solaire disponible en watt par m² à n'importe quelle distance d du Soleil peut être calculée par la formule E = 1366/d²; d étant mesuré en unité astronomique.

De grandes structures seront nécessaires pour convertir l'énergie solaire en électricité pour les pionniers. Sur Terre, la moyenne de consommation des pays développés est de 2-6 kilowatts par personne (ou 10 mégawatt-heures par personne et par an)^[30], les besoins dans l'espace seront sans doute bien plus grands, deux panneaux solaires de la station spatiale internationale sur huit pouvant déjà répondre aux besoins de trente habitations moyennes terrestres^[31]. Entre 1978 et 1981, le Congrès des États-Unis autorise la NASA et le DOE à étudier le concept. Ils organisent le Programme d'évaluation et de développement de satellites de production d'énergie qui reste l'étude la plus complète jamais réalisée sur le sujet^[32],[33]. Particulièrement en apesanteur, la lumière solaire peut être utilisée directement avec des fours solaires faits de toiles métalliques ultra légères qui génèrent des températures de plusieurs milliers de degrés ou pour réfléchir la lumière solaire sur des cultures, le tout pour un coût quasiment nul. L'énergie pourrait même être un produit d'exportation pour les colonies spatiales en utilisant une transmission d'énergie sans fil par rayons de micro-ondes depuis des centrales solaires orbitales à destination de la Lune ou de la Terre.

La Lune a des nuits de deux semaines, mais il existe des zones situées aux pôles lunaires avec un ensoleillement permanent. Mars est plus loin du Soleil et subit parfois des tempêtes de poussières qui atténuent un peu l'intensité de son rayonnement. Néanmoins, son atmosphère filtre moins le rayonnement solaire que celle de la Terre, ce qui permet d'espérer une exploitation de l'énergie solaire avec une efficacité du même ordre, avec de plus une plus grande régularité d'ensoleillement^[34].

L'énergie nucléaire resterait donc une alternative pour une énergie continue sur ces corps célestes, mais aucun minerai d'uranium n'ayant encore été détecté, il faudrait apporter la matière première depuis la Terre comme cela est prévu pour les mission martiennes par la NASA^[35]. Le développement de la fusion nucléaire serait un avantage pour les colonies, l'hélium 3 étant présent sur de nombreux corps du système solaire dont la Lune et les géantes gazeuses. Une des grandes difficulté de l'utilisation de l'énergie solaire thermique ou de l'énergie nucléaire dans des environnements avec peu ou pas d'atmosphère sera de disperser l'inévitable chaleur générée du cycle de Carnot. Cela requerrait de grandes surfaces radiantes pour disperser la chaleur.

[modifier] Communications

Comparée aux autres besoins, la communication est facile pour l'orbite terrestre ou la Lune. La plupart des communications actuelles passent déjà par satellite. Cependant les communications avec Mars et au-delà souffriront de retards dus à la vitesse de la lumière. Pour Mars, cela représente de 3 à 22 minutes selon sa proximité avec la Terre (pour une communication simple sans réponse)^[36] et plus longtemps pour les colonies plus éloignées. Les communications avec des colonies situées autour d'autres étoiles se chiffreraient en années.

[modifier] Habitabilité

L'officier scientifique et ingénieur de vol John L. Phillips répare un système de génération d'oxygène Elektron de fabrication russe à bord de l'ISS, mai 2005.

Une relation de survie entre des organismes, leur habitat et un environnement extra-terrestre peut être effectuée de trois manières différentes, ou par combinaison de celles-ci :

• organismes et habitats complètement isolés de l'environnement avec une biosphère artificielle, tel Biosphère II ou autre système de support de vie ;
• changer l'environnement pour qu'il devienne un habitat viable avec une terraformation^[12] ;
• changer les organismes pour qu'ils deviennent adaptés à leur nouvel environnement à l'aide du génie génétique ou par la création de Cyborg, comme évoqué par le transhumanisme.

Les deux dernières solutions étant encore du domaine de la science-fiction ou du théorique, le système de support de vie est la solution immédiate. Les colons auront en effet besoin d'air, d'eau, de nourriture, de gravité et d'une température adéquate pour survivre de longues périodes. Sur Terre, la biosphère fournit tout cela. Dans les installations spatiales, un système relativement réduit et en circuit fermé devra recycler tous les ingrédients nécessaires à la vie sans aucune panne possible. La NASA et l'ESA étudient les diverses possibilités de systèmes de support de vie qui vont bien plus loin au niveau recyclage des déchets que ce qui est actuellement utilisé sur la station spatiale internationale^{[37],[38],[39]}.

Le plus proche système de support de vie actuel est sûrement celui du sous-marin nucléaire. Il utilise des systèmes mécaniques pour subvenir aux besoins humains pendant des mois sans faire surface. Cependant ces sous-marins relâchent du dioxyde de carbone bien qu'ils recyclent l'oxygène. Le recyclage du CO₂ a été envisagé en littérature en utilisant la réaction de Sabatier ou la réaction de Bosch.

Pour les missions martiennes, la NASA prévoit trois systèmes de survie redondants pour éviter toute panne critique. Deux sont basés sur des systèmes de purification et transformation chimique comme ceux utilisés dans la navette spatiale. Le troisième utilise des plantes cultivées localement pour produire eau et oxygène pour les astronautes, mais cette dernière technologie doit être encore validée^[35].

Le projet Biosphère II, en Arizona, a montré qu'une biosphère petite, complexe, confinée et artificielle pouvait supporter huit personnes pour une durée d'au moins un an, bien qu'il y ait eu de nombreux problèmes. Après un an, alors que la mission devait durer deux ans, il a fallu que Biosphère II se réapprovisionne en oxygène^[40].

Au-delà de Biosphère II, des stations de recherche en environnements hostiles comme la base Amundsen-Scott en Antarctique ou celle de Flashline Mars Arctic Research Station de l'île Devon, peuvent aussi fournir une expérience de la construction et de l'opération d'avant-postes sur d'autres mondes. La Mars Desert Research Station, maintenue par la Mars Society, est un habitat construit pour ces raisons dans le désert de l'Utah. Pour cette dernière, si le terrain ressemble à celui de Mars, les températures sont bien plus chaudes et le climat environnant n'est pas le plus inhospitalier sur Terre.

[modifier] Risques et contraintes sur la santé

Article détaillé : Adaptation humaine à l'espace.

De nombreuses données concernant les effets sur la santé des vols spatiaux de longues durées ont été collectées grâce aux études réalisées sur les cosmonautes russes. Ici la station Mir et la Lune, juin 1998.

La NASA a défini 45 risques - répartis en 16 disciplines - associés à la santé, la sécurité et les performances d'un équipage durant une mission spatiale^[41],[42] et qui affecteraient donc aussi des colons dans l'espace ou sur une planète à faible gravité nécessitant un habitat. Les principaux risques répertoriés concernent : l'ostéoporose^[43] (incluant un risque accéléré de perte et de fracture osseuse, une réparation osseuse altérée, etc.), les atteintes cardio-vasculaires^[44] (troubles du rythme et diminution des fonctions cardio-vasculaires), les risques immunologiques et infectieux^[45] (dysfonction immunitaire ; allergies et auto-immunité ; modification des interactions entre les microbes et l'hôte), les altérations des muscles squelettiques^[46] (réduction de la masse, de la force et de l'endurance musculaire ; susceptibilité accrue aux lésions musculaires), les problèmes d'adaptation sensorielle et motrice^[47] (diminution des capacités pour la réalisation de tâches opérationnelles durant le vol, l'entrée, l'atterrissage et réadaptation ; cinétose), problèmes d'ordre nutritionnel^[48],[49] (nutrition inadaptée, ...), problèmes comportementaux et liés au facteur humain^[50] (mauvaise adaptation psychologique ; problèmes neuro-comportementaux ; inadéquation entre les capacités cognitives de l'équipage et les tâches demandées ; manque de sommeil et désorganisation des rythmes circadiens), problème liés aux rayonnements spatiaux^[51] (carcinogénèse ; risques sur le système nerveux central ; risques tissulaires chroniques et dégénératifs...) et les risques environnementaux^[52],[53] (contamination de l'air et de l'eau ; maintien d'une atmosphère acceptable, d'une eau potable, d'un équilibre thermique dans les parties habitables et gestion des déchets).

[modifier] Vie en faible gravité

Le commandant Iouri Onoufrienko en exercice à bord de l'ISS. La marche sur tapis roulant est l'un des moyens les plus utiles pour retarder l'atrophie musculaire.

Les effets néfastes pour un organisme humain vivant en impesanteur sur une longue période de temps ont été mis en évidence grâce aux séjours de longue durée dans les stations orbitales Saliout, Mir et ISS de cosmonautes comme Valeri Polyakov (14 mois d'affilée à bord de Mir et 678 jours cumulés dans l'espace), Sergei Avdeyev (748 jours) ou Sergueï Krikaliov (803 jours).

Si le mal de l'espace provoque des effets à court terme comme une désorientation et des troubles digestifs bénins, l'adaptation humaine à l'espace et à l'absence de gravité lors de séjours prolongés pose davantage de problèmes. On constate notamment une perte de la masse musculaire, l'apparition d'ostéoporose et une baisse de l'efficacité du système immunitaire, entre autres. En situation de microgravité ou d'impesanteur, le système musculo-squelettique n'est plus soumis aux contraintes que la gravité lui impose sur Terre, ce qui entraîne son altération progressive. Après un vol spatial, on constate des modifications dans la balance calcique qui devient négative suite à une réduction de l'absorption intestinale du calcium et une augmentation de l'excrétion digestive et urinaire^[54]. Les effets sur la densité minérale osseuse sont très variables mais l'ostéoporose est plus importante sur les os de la partie inférieure du corps, celle habituellement en charge, le bassin, les vertèbres lombaires et les cols fémoraux^[55]. L'exercice physique seul ne semble pas suffisant pour maintenir constante la masse osseuse et des moyens pharmacologiques sont en cours d'évaluation^[56].

De même, les muscles squelettiques, moins sollicités, sont également altérés avec apparition d'une atrophie musculaire, d'un déclin en force maximale et en puissance entraînant une diminution des capacités fonctionnelles et une augmentation de la fatigabilité des muscles des membres. Afin de limiter l'atteinte musculaire, il semblerait que la méthode la plus efficace soit des exercices physiques à haute intensité en résistance, réalisés sur de courtes durées mais de façon répétée dans la journée^[56],[57].

Centrifugeuse de 20 G au Ames Research Center de la NASA.

La solution idéale pour les colonies situées dans des habitats spatiaux est l'établissement d'une gravité artificielle en utilisant la rotation ou l'accélération. L'effet physiologique est par contre inconnu pour des colons situés sur des mondes avec une gravité inférieure à celle de la Terre comme la Lune ou Mars et le problème ne peut être résolu aussi facilement que pour une installation située dans l'espace. Les moyens pour éviter tout problème de santé seraient un entraînement intensif ou l'utilisation de centrifugeuses. Une évolution physiologique d'astronautes soumis à l'apesanteur au très long terme, voir même toute leur vie, depuis leur naissance, ou sur plusieurs générations, pourrait être selon l'ESA une atrophie des jambes qui perdent leur utilité dans un tel milieu, mais des bras qui garderait une musculature comparable à celle d'un humain toujours soumit à l'attraction terrestre^[58]. Les biologistes et neurophysiologistes de l'ESA ont souligné que la survie au long terme en apesanteur était moins un problème qu'un retour sur Terre après un séjour de très longue durée^[58].

[modifier] Rayonnements spatiaux

Article détaillé : Météorologie de l'espace.

Sa magnétosphère et son atmosphère protègent naturellement la Terre du rayonnement solaire et des rayons cosmiques. Les colonisateurs ne bénéficieront plus de ces protections sur la plupart des planètes connues ou dans l'espace.

Un des risques naturels les plus dangereux pour les astronautes est l'exposition aux rayonnements spatiaux, qui représente l'un des obstacles majeurs à l'exploration humaine du Système Solaire^[59]. Ce rayonnement provient essentiellement des particules émises par le rayonnement solaire, des rayons cosmiques et de la ceinture de Van Allen entourant la Terre^[60]. L'effet négatif des radiations sur la santé des astronautes sera d'autant plus important que les vols spatiaux de longue durée s'éloigneront de l'orbite basse terrestre offrant une certaine protection^[59].

Les particules émises par ces rayonnements envoient une énergie suffisante pour modifier les molécules d'ADN, ce qui peut provoquer différents dégâts en fonction de l'intensité et de la durée de l'exposition. À faible dose, il n'y a pas de danger, les cellules mortes sont naturellement remplacées par de nouvelles cellules. Par contre lors d'une exposition particulièrement longue ou intense, les capacités de réparation de l'organisme sont dépassées et les cellules sont endommagées ou tuées, entraînant des problèmes de santé à court ou long terme^[61].

L'exposition aux rayonnements spatiaux dépend de facteurs tels que l'altitude, le degré de protection de l'astronaute, la durée de sa mission, la durée et l'intensité de l'exposition et le type de rayonnements^[61]. La vulnérabilité d'une personne aux rayonnements dépend de sa sensibilité aux radiations, de son âge, de son sexe et de l'état de santé général ; d'autres variables, comme l'impesanteur ou la température corporelle, peuvent également intervenir^[61].

Certaines affections aiguës comme des modifications sanguines ou des troubles digestifs (diarrhées, nausées, vomissements) peuvent être bénignes et guérir spontanément. D'autres peuvent être beaucoup plus sévères et entraîner la mort. L'exposition aux rayonnements ne provoque habituellement pas d'effets aigus, sauf en cas d'exposition à d'importantes éruptions solaires qui produisent des niveaux de radiation très importants^[61], pouvant être mortels^[62]. Le principal problème est l'exposition chronique aux rayonnements spatiaux, entraînant des effets à long terme comme des cataractes, une stérilité, des cancers^[61],[59], voire un vieillissement prématuré^[63]. Un effet noté, mais non encore étudié scientifiquement, est que 80% des enfants d'astronautes de toutes les nations sont des filles. Cet effet avait déjà été observé chez les pilotes de chasse et cela serait lié aux radiations ou aux micro-ondes. Les enfants des astronautes n'ont en revanche eu aucun problème de santé sérieux^[64].

L'établissement de normes concernant les doses limites de radiation auxquelles peuvent être exposés les astronautes est le sujet d'étude du comité international traitant des questions médicales concernant les astronautes de la Station spatiale internationale, constitué du Groupe multilatéral des activités médicales^[65] et de son groupe de travail sur les rayonnements^[66]. Les normes sont établies en suivant les recommandations établies par l'International Commission on Radiological Protection^[67] et le National Council on Radiation Protection and Measurements^[68]. Si un astronaute dépasse la dose limite établie pour la durée de sa carrière, il est interdit de vols spatiaux. Les limites d'exposition aux rayonnements pour des intervalles de trente jours et d'un an sont destinées à éviter les effets aigus alors que les limites établies pour une carrière entière sont destinées à protéger contre les effets à long terme^[61].

Les agences spatiales doivent étudier les risques encourus et développer des technologies de protection adéquates. Les installations devront être entourées de bouclier pour absorber les radiations. Cela peut être fait sur la Lune, Mars ou les astéroïdes en utilisant le régolite local ou en construisant des installations souterraines. Le blindage des vaisseaux interplanétaires et des stations orbitales posera plus de problèmes car il représente un supplément important de poids et donc de coût, et devra être à la fois efficace et léger. Si un blindage de quelques centimètres d'épaisseur peut limiter l'exposition aux particules issues des éruptions solaires, il faudrait des boucliers épais de plusieurs mètres pour arrêter les rayons cosmiques beaucoup plus énergétiques, solution qui semble irréaliste actuellement^[60]. Des concepts plus exotiques existent, tel celui consistant à créer une sorte de magnétosphère miniature capable de protéger les astronautes des rayonnements^[60].

[modifier] Nutrition

L'astronaute Jeffrey Williams à bord de l'ISS déballant des sacs contenant de la nourriture. Un repas équilibré est important pour le maintien d'une bonne nutrition et d'une bonne santé durant une exploration de longue durée.

Afin d'assurer une alimentation adaptée, indispensable pour des missions spatiales de longue durée et aux futurs colons, les spécialistes doivent d'abord étudier les modifications environnementales consécutives aux vols spatiaux et déterminer les besoins spécifiques influencés par les nombreuses modifications physiologiques constatées lors des séjours dans l'espace^[69]. Il est maintenant évident que le statut nutritionnel est altéré durant et après des vols spatiaux de longue durée. Chez la plupart des astronautes, on constate des apports énergétiques particulièrement bas, associés à des apports insuffisants en vitamines et en minéraux. On constate également une baisse de l'hémoglobine, du VGM et des globules rouges qui pourrait être due à un trouble du métabolisme du fer lié à la microgravité. Des suppléments nutritifs peuvent être utilisés pour limiter ces effets, mais des recherches sont encore nécessaires^[70]. L'apport en macronutriments peut être assuré de façon satisfaisante à bord des vaisseaux, mais un apport adéquat en micronutriments reste un problème à résoudre^[70]. Le problème sera aggravé dans les colonies spatiales qui seront plus éloignées de la Terre et une indépendance alimentaire capable de couvrir tous les besoins nutritionnels de ses habitants sera certainement une question de survie en cas de problème d'importation. Comme les effets au long terme de gravités faibles comme celle de la Lune ou de Mars sont inconnus, les besoins nutritionnels exacts d'humains sur ces mondes sont également théoriques et on ne peut extrapoler qu'à partir des expériences conduites en orbite terrestre.

[modifier] Psychologie

Un bon sommeil est indispensable au maintien des performances humaines (le commandant Richard H. Truly et le spécialiste de mission Guion Bluford à bord de la navette spatiale Challenger, 1983).

La vie dans une colonie supposera un stress et une adaptation psychologique face à de nouvelles conditions de vie. La NASA pense que la sécurité de l'équipage et le bon déroulement d'une mission de longue durée pourraient être gravement menacés en cas de défaillance psychologique humaine telle que des erreurs dans la réalisation des tâches importantes, des problèmes de communication et de dynamique de groupe au sein de l'équipage, un stress psychologique critique consécutif à un séjour en milieu confiné ou à des troubles du sommeil chroniques^[50]. Les cas d'équipages ayant eu des problèmes à coopérer et à travailler ensemble ou avec les contrôleurs au sol sont nombreux, que ce soit dans les programmes spatiaux américains ou russes. Des problèmes relationnels et de mauvaise communication ont déjà entraîné des situations potentiellement dangereuses, comme ces membres d'équipages refusant de se parler ou de communiquer avec le sol lors de la réalisation d'opérations critiques^[71].

Les facteurs de risques sont une mauvaise adaptation psychologique, des problèmes de sommeil et de rythme circadien, des problèmes de l'interface humain/système, des affections neuropsychiatriques comme un syndrome anxio-dépressif^[50].

Cette défaillance des performances humaines peut être due à une mauvaise adaptation psychologique vis à vis du stress inhérent à un vol spatial. Les causes de ce stress sont les risques potentiels liés à la mission et la vie en milieu confiné et isolé. Ce stress peut être accru par la monotonie et l'ennui, notamment au niveau alimentaire, par les problèmes d'autonomie et de dépendance aux autres, par la promiscuité, par la séparation avec la famille et les amis, par la durée du vol, par des incompatibilités et des tensions interpersonnelles, par des défaillances mécaniques du vaisseaux, par une mauvaise communication, par des troubles du sommeil ou un isolement social^[71].

Le dérèglement des cycles circadiens, une dégradation aiguë et chronique de la qualité et de la quantité de sommeil sont un risque bien connu des vols spatiaux qui entraîne fatigue, baisse des performances et augmentation du stress. Toutes les études du sommeil dans l'espace ont montré que la durée moyenne de sommeil est abaissée à 6 heures par jour, voire moins lors de la réalisation d'interventions importantes ou en cas d'urgence. La qualité du sommeil des astronautes dans l'espace est également altérée. Les médications les plus fréquemment administrées sont des hypnotiques. Ces problèmes peuvent diminuer sévèrement les performances cognitives de l'équipage, posant des risques pour sa sécurité et le succès de la mission^[72].

Les solutions à envisager pour limiter ce risque sont la mise en place de critères de sélection rigoureux de l'équipage avant une mission. Une fois en vol, une surveillance discrète des niveaux de stress, des stratégies d'ajustement et d'adaptation, de la performance et du sommeil avec un protocole précis pour le diagnostic et le traitement des maladies psychologiques et comportementales qui pourraient survenir, est indispensable pour assurer un sommeil de qualité, mettre en place une répartition et un planning précis des charges de travail^[50].

[modifier] Viabilité à long terme

[modifier] Lois

Le traité de l'espace limite déjà l'utilisation de l'espace et des corps célestes à des fins militaires ou l'appropriation des ressources d'une planète^[73]. La Lune est par exemple considérée comme res communis.

L'espace et les planètes sont soumis par ce traité au droit international public (article II) mais les colons au droit de la nation propriétaire du vaisseau ou de la base où ils résident (article VIII)^[73] comme c'est le cas dans les navires dans les eaux internationales. Le droit de l'espace, régi par l'assemblée générale des Nations unies, règlemente de nombreux aspects de l'exploitation de l'espace et de ses ressources, comme la résolution 47/68 sur les Principes relatifs à l'utilisation de sources d'énergie nucléaire dans l'espace^[74], ou portant sur la coopération internationale en matière d'exploration et d'utilisation de l'espace au profit et dans l'intérêt de tous les États^[75].

[modifier] Reproduction

Le poisson Oryzias latipes s'est reproduit avec succès dans l'espace.

La reproduction des humains dans l'espace est encore un sujet tabou pour les agences spatiales, mais il soulève aussi de nombreuses contraintes physiques et biologiques^[64] et sera primordial pour la survie au long terme des colonies. La reproduction a déjà été expérimenté de nombreuses fois dans l'espace sur une multitude d'espèces d'insectes, poissons, amphibiens et mammifères avec des succès, mais aussi avec certains échecs qui ont révélé que l'apesanteur était un facteur important dans la reproduction.

Par exemple les expériences ont montré qu'une période de pesanteur trois heures après la fécondation était nécessaire pour assurer la symétrie bilatérale sur des têtards de grenouilles^[64]. Des œufs de poulet n'ont pu être fécondé en orbite et des expériences sur des tritons, les Pleurodèle de Waltl, mené en 1996 et 1998 par les cosmonautes Claudie Haigneré puis Léopold Eyharts à bord de la station Mir lors des missions franco-russe CASSIOPEE puis PEGASE ont montré l'apparition d'anomalies lors de la fécondation puis du développement embryonnaire^[64]. Lors d'une expérience soviétique, « cinq rats femelles et deux mâles sont restés 19 jours en orbite, sans engendrer de naissances après leur retour sur Terre. Mais il n'est pas certains qu'ils aient copulé »^[64], la micro-gravité pouvant gêner l'accouplement dans les positions habituelles aux animaux.

Par contre, le poisson Oryzias latipes s'est reproduit avec succès en 1994^[64], avec la naissance de 8 alevins, après cependant des échecs dûs à la difficulté des animaux à se positionner pour l'accouplement. Une gravité artificielle ayant été produite « dans une centrifugeuse à bord de la navette en septembre 1992 », la NASA a pu obtenir « la naissance de 440 têtards parfaitement formés »^[64].

La tentative de concevoir un enfant de manière naturelle a été tenté en 1982 à bord de Saliout 7 par un rapport sexuel entre la cosmonaute Svetlana Savitskaya et un des deux autres occupant masculin de la station, mais aucun enfant n'a été conçu^[64]. La possibilité elle-même de pouvoir effectuer un rapport sexuel dans l'espace a d'ailleurs été étudiée officieusement par la NASA qui a toujours dénié les faits lors d'un vol de la navette 1996 selon un scientifique de l'agence qui révélait que l'expérience aurait été un succès^[64].

[modifier] Taille de la population

En 2002, l'anthropologue John H. Moore a estimé qu'une population de 150 à 180 individus autoriserait une reproduction normale pour 60 à 80 générations soit 2 000 ans^[76].

Une population beaucoup plus petite, de deux femmes par exemple, serait viable aussi longtemps que des embryons humains apportés de la Terre seraient disponibles. L'utilisation d'une banque du sperme permettrait également une population initiale plus faible avec une consanguinité négligeable. Quelques problèmes éthiques pourraient se poser néanmoins.

Les chercheurs en biologie ont tendance à adopter la règle du "50/500" émise par Franklin et Soulé^[77]. Cette règle dit qu'une population de base (N_e) de 50 est nécessaire à court terme pour éviter un niveau inacceptable de consanguinité alors qu'à long terme une population N_e de 500 est nécessaire pour maintenir une bonne diversité génétique. La recommandation N_e = 50 correspond à une consanguinité de 1% par génération, ce qui est la moitié du maximum toléré par les éleveurs contemporains d'animaux domestiques. La valeur N_e = 500 essaye d'équilibrer le taux de gain de variation génétique lié aux mutations avec le taux de perte dû à la dérive génétique.

La taille effective de la population N_e dépend du nombre d'hommes N_m et de femmes N_f dans la population selon la formule :

La NASA a estimé qu'une colonie de moins de 100 000 personnes ne pourrait être indépendante et aurait besoin d'un support continuel de la Terre^[15].

[modifier] Autoreproduction des colonies

L'autoreproduction est optionnelle mais elle peut permettre un développement beaucoup plus rapide des colonies, tout en éliminant les coûts et la dépendance vis-à-vis la Terre. Il pourrait même être stipulé que l'établissement d'une telle colonie serait le premier acte d'autoreproduction de la vie terrestre^[15].

Des formules intermédiaires incluent des colonies qui ont seulement besoin d'informations de la part de la Terre (science, ingénierie, divertissement, etc.) ou des colonies qui auront seulement besoin de fournitures légères comme des circuits intégrés, des médicaments, de l'ADN ou des outils spécifiques^[15].

La création de vaisseaux robots auto-répliquants pour accélérer la colonisation a également été évoquée d'un point de vue théorique en réutilisant le constructeur universel de John von Neumann dans le cadre du projet Daedalus^[78].

[modifier] Emplacements dans le système solaire

[modifier] Stratégie

Points de Lagrange

L'emplacement des premières colonies dans le système solaire est un point de controverse fréquent entre les promoteurs de la colonisation de l'espace. Les emplacements de colonies peuvent être sur le sol ou le sous-sol d'une planète, d'un satellite naturel ou d'un astéroïde mais aussi en orbite autour de la Terre, du Soleil, d'un autre objet céleste ou situés à un point de Lagrange. La stratégie d'exploration et de colonisation actuelle est pour les États-Unis l'implantation d'une base permanente sur la Lune en vue d'expérimenter de nouveaux systèmes et technologies astronautiques, mais aussi d'utiliser les ressources du satellite naturel de la Terre afin de faciliter l'exploration de Mars par des missions habitées^[79],[16], qui serait une première étape. La station spatiale internationale servira à étudier les effets néfastes de longs séjours dans l'espace sur les astronautes et à développer des mesures pour lutter contre ceux-ci. La recherche de planètes extrasolaires habitables est également devenue un objectif officiel. Un des buts déclarés du gouvernement des États-Unis est de rechercher de nouvelles ressources sur d'autres planètes pour faciliter l'exploration du système solaire, mais aussi pour promouvoir ses intérêts scientifiques, sécuritaires et économiques, tout en favorisant la coopération internationale^[79]. L'Union Européenne^[80] et la Russie^[81] prévoient la même stratégie, toutes deux privilégiant également la coopération internationale devant les énormes moyens demandés.

[modifier] Projets en cours ou financés

[modifier] Station spatiale internationale

Article détaillé : Station spatiale internationale.

Sortie extravéhiculaire pour assembler la station lors de la mission STS-116 par les astronautes Robert Curbeam (à gauche) et Christer Fuglesang. En arrière-plan, le détroit de Cook, en Nouvelle-Zélande.

La station spatiale internationale dont la construction a commencé en 1998 permet une présence humaine permanente dans l'espace depuis le 2 novembre 2000, date de la première expédition. Elle est située en orbite terrestre basse à 350 km d'altitude. La construction de la station sera achevée en 2010 et elle sera maintenue en opération au moins jusqu'en 2016. La station qui a un équipage de trois personnes abritera six personnes afin d'utiliser à plein ses capacités de recherche scientifique^[82]. La construction est réalisée par une coopération internationale entre 16 nations comprenant les États-unis, la Russie, le Japon, le Canada, les onze pays européens composant l'ESA et le Brésil. En juin 2008, 163 individus de 16 pays avaient visité la station spatiale, dont 107 de la NASA, 27 de l'Agence spatiale fédérale russe, 12 de l'ESA et 5 touristes spatiaux.

Un des buts principaux de la station est la recherche scientifique en utilisant les conditions spécifiques régnant à son bord, incluant la biologie (recherche médicale et biotechnologies), la physique (mécanique des fluides, science des matériaux, mécanique quantique), l'astronomie (incluant la cosmologie), la météorologie^[83],[84] et les nanotechnologies^[18]. Au-delà de la recherche programmée, la vie quotidienne à bord de la station a permis d'apprendre beaucoup du quotidien des astronautes dans un tel environnement. Par exemple l'équipage de la station utilise un temps universel coordonné situé à équidistance entre ses deux centres de contrôle de Houston et Moscou, et crée des nuits artificielles en couvrant les fenêtres de la station, le soleil se levant et se couchant 16 fois par jour^[85] ou se repose ou fait des expériences dans la partie la plus silencieuse de la station non prévue à cet effet, le véhicule automatique de transfert européen Jules Vernes^[18].

La partie médicale de la recherche concerne en grande partie l'adaptation humaine à l'espace et l'étude des effets d'une absence de gravité prolongée sur le corps humain en vue de futures missions de longue durée^[83]. Le projet officiel de la NASA est d'utiliser la station spatiale internationale comme support de ses prochaines missions sur la Lune et Mars^[16].

[modifier] La Lune