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Dans notre analyse de fin 2015 (disponible sur notre site, ainsi que son résumé, dans la section anglaise) nous avions tenté de discerner ce à quoi pourrait bien ressembler le projet SpaceX de Mars Colonization Transport (MCT), qu’Elon Musk doit finalement dévoiler le 27 septembre lors du prochain congrès international d’astronautique. Cet exercice tenait compte des maigres indices glanés dans les diverses déclarations de l’entrepreneur, dont certaines modifiaient des informations précédentes (exemple : abandon de la formule de lanceur multi-corps, type Falcon Heavy) ou, au contrainte, semblaient confirmer des options fondamentales telles que le ravitaillement en orbite de parking terrestre par un second lanceur, la réutilisation totale et la descente sur Mars de l’ensemble de la navette interplanétaire (« landing the whole thing »). Depuis, d’autres indices d’origines diverses sont apparus sur les forums des passionnés. Examinons leur possible signification.

Un lanceur de 15 m de diamètre

Les choix lanceur mono-corps et récupérable nous avaient conduit, pour approcher la performance visée (100 T de Charge Utile déposée sur Mars) à accroître le diamètre de la baie de propulsion à 15 m, même s’il paraissait suffisant de limiter celui de l’étage proprement dit à 12,5 m (p.m. les deux premiers étages de la Saturn 5 lunaire avaient un diamètre de 10 m). Cette configuration permettait de loger un maximum de 31 moteurs de 300 T de poussée et d’atteindre une masse au décollage (GLOW) de 7750 T. Malheureusement, la forme arrière évasée du premier étage, certes favorable à la stabilité en phase d’ascension, est très défavorable pendant la rentrée (vol en sens inverse), d’autant plus qu’on dispose alors de moyens moins efficaces pour stabiliser la trajectoire. Comme il est difficile d’imaginer qu’on puisse diminuer la GLOW et donc la poussée au décollage, la solution est de porter le diamètre de tout l’étage à 15 m. Or c’est un des bruits qui courent sur les forums des « MCT-geeks » ; SpaceX aurait sollicité des fournisseurs d’outillages pour ce diamètre.

Une masse au décollage (GLOW) de près de 10000 T

A l’époque, on évoquait un Raptor de 250 Tf de poussée (taille optimale pour la masse selon SpaceX). Souhaitant quand même ne pas trop augmenter le nombre de moteurs (par rapport à ce qui est admis avec le Falcon Heavy), nous avions considéré qu’il fallait accroître la poussée du moteur à 300 Tf, ce qui restait logeable dans les 15 m de la baie. Le problème, c’est que même avec cette puissance, la performance souhaitée n’est pas atteinte (sauf à supposer nos hypothèses sur les masses de structure de la navette trop pessimistes) ; en effet on trouvait 90 T de CU (pour 100 visé) et de plus dans les conditions les plus favorables : Mars au périhélie et transfert de longue durée (de Hohmann). Or un des bruits est que SpaceX travaillerait sur un Raptor de 700 Tf ! Ce niveau de poussée unitaire permettrait de dépasser la poussée au décollage envisagée, atteinte avec 13 de ces moteurs, aisément logeables. Compte tenu du déficit de performance, on peut imaginer que SpaceX, une fois le diamètre de 15 m admis, cherchera à loger le maximum de moteurs. Voici l’allure comparée de deux versions, celle initialement envisagée (baie de 15 m, étage de 12,5 m, poussée de 31×300 Tf = 9300 Tf, GLOW de 7750 T) et une version encore plus puissante (baie et étage de 15 m, poussée de 17×700 Tf = 11900 Tf, GLOW de 9917 T).

Diamètre baie 15 m, avec en haut 31×300 Tf et, en bas, 17×700 Tf (masse au décollage accrue de 2166 T).

L’arrangement présenté permet le débattement tangentiel des 4 moteurs médians (disposés en carré) pour assurer le pilotage. L’efficacité en roulis aurait été meilleure avec l’utilisation de moteurs périphériques, mais ceux-ci sont trop serrés pour permettre un débattement significatif.

Des objectifs de performance ambitieux

La configuration de lanceur de notre étude ne permettait pas d’atteindre les performances voulues. Or, lors d’une interview récente, à propos de la difficulté que représente pour les passagers le long voyage de transfert envisagé classiquement (6 mois ou plus), Elon Musk a durci ces exigences, indiquant qu’une durée de 3 mois conviendrait.

Depuis le parking en LEO à 300 km (nota : d’autres lieux de parking sont envisagés : orbite elliptique, point de Lagrange lunaire…), les DV à fournir (hors pertes par gravité) sont :

• lorsque Mars est au voisinage de son périhélie :

4,48 km/s pour un voyage de 91 jours (ex. : 26.6.2003 / 25.9.2003)

• lorsque Mars est au voisinage de son aphélie :

6,72 km/s pour un voyage en 92 jours, valeur totalement prohibitive

5,02 km/s pour 122 jours (4 mois), durée encore intéressante.

Performances de la nouvelle configuration

La capacité supplémentaire introduite par l’accroissement de poussée, qui se traduit non seulement au niveau de la navette interplanétaire mais également pour le ravitailleur, permet-elle d’atteindre ou d’approcher ces performances ?

Trajectoire calculée (optimisation approchée, non algorithmique). Pgr : pertes par gravité ; Pae : pertes aérodynamiques.

En répartissant les 2166 T de GLOW gagnées de façon quasi optimale entre la masse de propergol du premier étage (et aux 4% pour la masse accrue des réservoirs) et celle de la navette (qui fait office de second étage pour la mise en LEO), les calculs de trajectoire conduisent aux masses suivantes pour le vol opérationnel :

et pour le vol de ravitaillement en LEO, pour lequel la masse de la navette, automatique, sans volume d’habitation ni capsule de secours, est supposée réduite de 109 à 89T, on obtient :

Après ravitaillement, en supposant 5% de déperdition (de la charge du ravitailleur) dans l’opération de transvasement, la navette interplanétaire se trouve donc dotée de 730 T de propergol.

L’Isp de 380 s [1] retenue correspond à des moteurs adaptés au vide, avec divergent déployable.

La masse en transfert calculée dans l’étude était de 244 T, pour une CU de 90 T et un trajet long (8 à 9 mois). Nous souhaitons revenir à la CU de 100T, donc la masse en transfert devient 254 T.

Notons que la réduction du temps de trajet permet de diminuer le stock de nourriture et de la part d’eau qui ne pourra être recyclée, à raison de 2 kg/jour/passager. Ces ingrédients ne doivent cependant pas être comptés comme charge utile, même si les résidus finals (déchets organiques, eaux sales) seront reçus et recyclés avec bonheur par la colonie.

Avec ces données, on obtient le DV maximal suivant :

DV = g₀ Isp Ln (1 + Masse propergol / Masse finale)

DV = 9,81 x 380 x Ln (1 + 730 / 254) =  5,05 km/s

La configuration calculée répondrait donc aux exigences de voyage de 3 mois (4 dans le cas extrême). Ipso facto, la dose de radiations ionisantes serait divisée par 2 !

Et pour contourner l’apesanteur ?

Des séjours de 6 mois en apesanteur sont monnaie courante dans l’ISS et ne provoquent pas de séquelles à long terme. Néanmoins, surtout pour des transports de passagers « en masse », il serait souhaitable de recréer une pesanteur artificielle (martienne) à bord, de telle sorte que les visiteurs débarquent au mieux de leur forme. Or il y a un moyen simple d’y arriver, inspiré de celui déjà proposé dans le projet Mars Direct.

Les modèles de colonisation, tel celui que nous sommes en train d’étudier (colonie de 1000 résidents construite en 20 ans) nécessitent plusieurs vols de MCT par fenêtre synodique (6 dans notre cas). En reliant deux par deux les navettes en transfert, il est possible de recréer une pesanteur martienne (0,38 g) par mise en rotation de l’ensemble (par exemple, à 2 tours/mn, valeur bien tolérée), pour une distance entre les deux centres de masse de 170 m.

Un des couples de navettes de la flottille en transfert, encore en configuration de gravité artificielle, approche de sa destination. Les centres de masse des deux véhicules sont distants de 170 m et l’attelage tourne à 2 tours/minute autour d’un axe permettant aux panneaux solaires de rester éclairés perpendiculairement.

Ainsi les deux principaux facteurs environnementaux négatifs pour l’état physique des voyageurs sont maîtrisés !

Évolution dimensionnelle

Avec l’augmentation de la masse d’ergols et le passage du diamètre de 12,5 à 15 m, le premier étage voit sa hauteur totale passer de 71 à 64 m, ce qui en fait un étage assez trapu et pourrait éclairer la rumeur selon laquelle les pieds déployables type Falcon, nécessaires vu l’élancement considérable de cette fusée, pourraient être remplacés par des pieds rétractables, sortant longitudinalement de l’arrière.

La navette elle-même pourrait, dans notre projet, voir sa largeur atteindre également 15 m, ce qui permettrait de loger les réservoirs d’ergols, dont la capacité s’est accrue de 1100 à 1600 T environ (pour répondre aux besoins extrêmes de DV). L’intégration des moteurs serait aussi grandement facilitée.

La hauteur totale de notre tentative de MCT (sans les pieds) est quant à elle de près de 110 m. C’était la taille de Saturn5 – Apollo. Mais ici le diamètre est 50% plus important et la masse au décollage 3,4 fois plus grande.

Image donnant une idée des proportions d’un MCT de 15 m de diamètre et près de 10000 T au décollage, propulsé par 17 moteurs de 700 Tf. Le véritable MCT en sera-t-il voisin, ou SpaceX nous surprendra-t-il une nouvelle fois par ses innovations ?

Autres bruits

(attention : informations non vérifiées, données sous toutes réserves).

• Des vols cargo seront expédiés avant la première expédition, de façon à ce que les pionniers disposent de tout le nécessaire pour leur survie et pour démarrer l’installation de la colonie. Non, les vols Falcon Heavy/Red Dragon, dont le premier est annoncé dès 2018, ne sont pas destinés prioritairement à des charges scientifiques, mais à ces missions cargo préparatoires.
• Parmi ce qui devrait être pré expédié, il faudra trouver le générateur électronucléaire. Celui-ci pourrait faire 20 T, délivrer 5 à 10 MWe et être capable de s’enfouir tout seul dans le sol !
• On aurait aperçu chez SpaceX toute une collection de combinaisons spatiales prototypes, dont on attend toujours qu’elles soient dévoilées… Mais on ne sait pas si l’innovation touche seulement le design (oublier les scaphandres à la 20000 lieues sous les mers) ou également la technologie.

Capacités de financement

Indépendamment de la participation future des agences, par effet d’entraînement, le financement du développement du MCT et de la mise en place à la surface de Mars des moyens d’installation d’un premier établissement humain permanent risque de reposer pour l’essentiel sur la réussite industrielle d’Elon Musk. Celui-ci a d’ailleurs à de nombreuses reprises fait des commentaires qui ne laissent pas de doute sur sa stratégie « martienne » :

• refus, malgré la pression des marchés, de mettre SpaceX en bourse « tant que le MCT ne sera pas opérationnel », et ceci, afin de ne pas entraver sa marche vers l’objectif Mars [2] ;
• financement des développements par les profits des marchés commerciaux ;
• utilisation de développements sous contrat (ex. Dragon 2) pour financer les technologies et matériels requis ;
• développements industriels (Tesla Motors, Solar City, mais aussi constellation de satellites Internet, HyperLoop ?) indispensables car « il faudra beaucoup d’argent pour permettre la colonisation » ;
• créateur d’une capitalisation de plus de 45 milliards $ (en une douzaine d’années) dont il détient environ 20 %, Elon Musk imagine, du fait de la synergie panneaux solaires – batteries – véhicules électriques qu’il est en train de créer, que cet empire pourrait valoir un jour 1000 milliards $ ! Cette projection ambitieuse est fondée à ses yeux sur le fait que l’industrie de l’énergie solaire ne touche aujourd’hui que 1% du marché potentiel ; on imagine que même avec « seulement » quelques centaines de milliards de capitalisation, les profits dégagés permettent de financer le rêve martien du multi-entrepreneur…

Une entreprise exaltante mais marquée au sceau du risque

Les réussites spectaculaires peuvent rassurer les parties prenantes (actionnaires, banques, clients) de cette vaste construction industrielle, dont Mars est le pinacle. Mais elles ne garantissent pas que les prochains défis seront surmontés… L’aventure se joue hors des sentiers battus, face à des concurrents solidement établis et féroces, et avec l’acceptation d’un niveau de risque inhabituel. Risques techniques, bien sûr, corrélatifs au niveau effréné d’innovation chez SpaceX et Tesla, mais, surtout, risques financiers, qui angoissent les milieux d’affaire et y provoquent de sérieuses critiques. Et ceci d’autant plus que si les défis techniques sont gagnés, c’est la plupart du temps sans respect des délais annoncés. Les décisions audacieuses se sont multipliées ces dernières années, essentiellement pour assurer le développement de Tesla :

• investissement de 5 milliards $ (avec Panasonic) dans la « Gigafactory » de batteries (inauguration fin juillet) ;
• annonce d’un objectif de production de 500000 voitures en 2020, contre 50000 en 2015 (mais l’objectif de 2016 a été revu mi-année à la baisse…) ;
• suite au succès historique des précommandes de la Tesla Model 3, décision d’avancer cet objectif à 2018, provoquant l’incrédulité et une dilution déplaisante du capital par l’émission de 1,4 milliard $ d’actions supplémentaires pour financer l’accroissement de cadence ;
• offre récente de rachat de Solar City (détenue également à environ 20% par Musk) pour 2,5 milliards $, opération jugée comme une nouvelle dilution du capital par les actionnaires de Tesla ;
• maintien persistant en rouge des principaux indicateurs financiers de Tesla (pertes récurrentes, endettement élevé, forte consommation du capital…), justifié aux yeux des dirigeants par l’ampleur du marché futur ;
• création au sein de SpaceX d’un branche satellites, avec l’annonce de l’objectif de lancer sa propre constellation de satellites défilants dédiés à la diffusion universelle d’Internet ; cette initiative a semblé par la suite abandonnée, pourtant SpaceX continue à publier de nombreuses offres d’emploi pour des spécialistes de ce domaine… Les concurrents sont très puissants !

Conclusion

L’ambition martienne d’Elon Musk ne devrait plus être considérée comme le rêve d’un utopiste. D’une part parce que les succès multiples et fracassants de l’entrepreneur ont assis sa crédibilité. D’autre part du fait qu’au fur et à mesure de la concrétisation de ses innovations, la stratégie de son approche de l’objectif martien se dessine de façon plus nette et convaincante, sur le plan technique bien sûr, mais aussi sur les plans économique et éthique, ce qui est fondamental.

En effet, à quoi servirait de s’établir sur une autre planète si cela ne conduisait pas à une réalisation utile et viable à long terme, c’est-à-dire capable d’offrir des avantages et prestations prouvant leur utilité à travers l’existence d’un marché et propres à assurer le financement de ses besoins en biens importés ? Ceci n’est qu’un développement de la vieille question : sur Mars, pour y faire quoi ? Sur ce point, Elon Musk s’est exprimé clairement : pour lui, la colonisation doit être un business, car elle ne saurait être subventionnée à long terme, ni être promise à un avenir sans trouver son autonomie et sa raison d’être.

Beaucoup d’idées ont été émises dans le passé en matière de biens et prestations que pourrait commercialiser la colonie, mais sans être jusqu’ici convaincantes. Le développement d’un moyen de transport interplanétaire peu coûteux et massif, comme l’ambitionne SpaceX, change totalement la donne. C’est pourquoi APM se penche sur ce que pourrait être le modèle économique d’une telle colonie. En attendant la grande annonce du 27 septembre 2016.

[1] Cette Isp est peut-être optimiste. Cependant, la valeur de 386 s a été atteinte par un moteur LOX/Méthane russe (en essai sol).

[2] L’entrée de Google au capital à hauteur de 900 millions $ a permis d’évaluer SpaceX à 12 milliards.