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Le vaisseau générationnel : réflexions et simulations

Vaisseaux interstellaires approchant de l'exoplanète Proxima b du Centaure et observés depuis le desk panoramique d'un vaisseau soeur. Au loin, on distingue l'étoile Proxima du Centaure (rouge) autour de laquelle elle gravite à une distance de 0.05 UA soit 7 millions de km et qui est 0.124 a.l. soit 7842 UA plus proche que le système binaire d'Alpha du Centaure (jaune et orange) situé à 4.367 a.l. Document T.Lombry, maquette créée par le designer Mark Rademaker.

Recherches théoriques

En juin 2019, des chercheurs et un public venus du monde entier ont convergé vers le centre d’exposition spatial Erasmus de Noordwijk, aux Pays-Bas, pour le tout premier atelier de l'ESA consacré aux voyages spatiaux générationnels. Cela vaut la peine de l'évoquer car non seulement il fut organisé par une agence spatiale en activité mais il a permis aux professionnels et au public d'échanger des idées, une manière de donner aux uns et autres autres un espoir de concrétiser leurs rêves, un moteur très important du progrès. On y reviendra.

A cette occasion, les scientifiques ont présenté leurs idées dans des domaines de recherches aussi variés que l'ingénierie, la science des matériaux, l'architecture, l'astrophysique, la linguistique, la sociologie, la biologie, la physiologie, la zoologie, la philosophie, etc. Beaucoup d'entre eux souhaitaient répondre à des questions qui ne se posent généralement qu'après avoir supposé que nous pouvons réellement construire un vaisseau interstellaire et préserver le personnel en bonne santé pendant un millier d'années ou davantage.

Nous pouvons être heureux de constater que tous les chercheurs confirment les idées exprimées dans l'article consacré aux risques d'un voyage spatial générationnel qui finalement relèvent du bon sens et des principes de base de la survie dans un milieu clos isolé au milieu de l'espace.

Passons brièvement en revue les idées exprimées par les différents intervenants, compilation objective et sans critiquer leurs propos.

Dans sa présentation "World Ships: Feasibility and Rationale", l'ingénieur aérospatial Andreas Hein exposa les différents concepts de vaisseaux spatiaux générationnels. Dans son exposé sur la "Sociology of Interstellar Exploration: Annotations on Social Order, Authority, and Power Structures" qui est une version plus ciblée de sa présentation "Sociology of  World Ships", Elke Hemminger théorisa sur le type de structure sociale dont une tel projet d'échelle mondiale aurait besoin tandis que Hein développa l'hypothèse derrière l'idée de la "sociologie de l'exploration interstellaire".

L'artiste Angelo Vermeulen, biologiste de formation qui travaille aujourd'hui comme chercheur en systèmes spatiaux à l'Université de Technologie de Delft aux Pays-Bas, est spécialisé dans l'application de principes issus de la nature aux systèmes artificiels. Il décrit son travail comme une "recherche théorique en génie morphogénétique", une approche où la conception complexe émerge d'un petit ensemble de règles et de propriétés initiales - comme la façon dont les termites construisent de grands monticules naturellement ventilés et refroidis pour vivre sans aucun contrôle central sous des climats torrides. Il présenta son concept "Evolving Asteroid Starships: A Bio-Inspired Approach for Interstellar Space Systems".

Une partie de son travail intègre des recherches autour du programme MELiSSA de l'ESA qui a pour objectif de développer un système de survie en circuit fermé et économie circulaire qui recycle le dioxyde de carbone et les déchets organiques en nourriture, oxygène et eau. Alors que le but ultime de MELiSSA est de rendre possible des missions spatiales de longue durée, Vermeulen a également créé une société chargée de développer des applications commerciales terrestres de cette technologie - comme un centre d'assainissement modulaire qui peut fournir un traitement des eaux usées dans des environnements hors réseau ou des bactéries capables de réduire le cholestérol.

D'autres experts ont examiné ce que cela signifie notre planète pour l'équipage de la deuxième génération et les suivantes d'un tel vaisseau : la Terre deviendra vite un mythe car pour eux il n'y aura pas d'autre vie que le voyage interstellaire. Dès lors, se posent des questions philosophiques et éthiques sur l'intérêt d'un tel voyage auxquelles répondirent d'autres intervenants (voir plus bas).

La colonie spatiale Orbis qui peut aussi se transformer en vaisseau générationnel dont voici une vidéo sur YouTube.

Andrew McKenzie et Jeffrey Punske, linguistes de l'Université du Kansas et de l'Université du sud de l'Illinois ont développé le problème linguistique dans leur exposé "Language development during interstellar travel". Ils estiment qu'"Un voyage durant plusieurs générations, la langue peut différer considérablement à l'arrivée de celle des passagers de départ." Ils ont évoqué ce problème en prenant l'anglais comme exemple : "Même si les écoles à bord maintenaient rigoureusement l'enseignement de "l'anglais de la Terre", les enfants développeraient leur propre dialecte anglais des vaisseaux, qui divergerait de l'anglais de la Terre au fil du temps." Le problème serait aggravé par le fait que ce "Vessel English" serait unique à chaque vaisseau, de sorte que les équipages de deux vaisseaux arrivant sur la même planète parleraient un dialecte différent, voire une langue complètement différente.

Le philosophe Neil Levy de l'Université Macquarie de Sydney et chercheur en éthique à l'Université d'Oxford, a examiné les implications morales dans un article pour Aeon et conclut : "Un navire générationnel ne peut fonctionner que si la plupart des enfants nés à bord peuvent être formés pour devenir la prochaine génération d'équipage. Ils auront peu ou pas de choix sur le type de projet qu'ils poursuivront. Au mieux, ils auront le choix entre différentes carrières à bord : chef, jardinier, ingénieur, pilote, etc. " En d'autres termes, leurs options de vie seront extrêmement limitées, tout comme la gamme d'expériences dont ils pourront profiter. Il pose alors la question : "Serait-il même éthique de les mettre dans cette situation ?"

La réponse dépend de ce que nous croyons justifié pour préserver notre espèce, compte tenu que Levy refuse d'envisager une "loterie de la vie", un tri sélectif des "meilleurs" membres d'équipage ou toute autre méthode de sélection moralement discutable. À la place, il relève le sous-entendu de la question : les résultats de la vie sont déjà définis par hasard dès la naissance du bébé dans le monde tel qu'il est; l'éventail des futurs possibles de tout enfant est limité par la pauvreté, la nationalité, la religion, la culture. Cela peut être injuste, mais nous l'acceptons comme faisant partie de la condition humaine. "S'interroger sur l'accessibilité des vaisseaux générationnels pourrait nous donner une nouvelle perspective sur l'acceptation ou non des contraintes que nous imposons aujourd'hui aux vies humaines, ici sur le plus grand vaisseau générationnel de tous les temps, notre planète."

Il y a plus que de simples obstacles technologiques à la colonisation du système planétaire le plus proche. D'une part, financièrement nous ne pouvons pas nous le permettre. Selon ses études, Andreas Hein de l'Initiative for Interstellar Studies (i4is) estime que l'économie mondiale, si elle continue de croître au rythme actuel, serait en mesure de couvrir les coûts de construction d'un vaisseau générationnel vers l'an 2500 ou 3000. Et ce n'est pas qu'une question de temps; nous ne pourrions probablement pas développer une économie suffisamment grande avec les seules ressources de la Terre. Nous devrions donc nous développer d'une manière ou d'une autre au-delà de notre planète. La colonisation de l'espace serait nécessaire à la fois pour réunir les fonds - par exemple grâce à l'exploitation minière des astéroïdes - et pour tester l'idée qu'il est possible de vivre dans un vaisseau spatial pendant des centaines d'années.

Pour sa part, Avi Loeb de l'Université d'Harvard et président du comité consultatif du projet Breakthrough Starshot lancé en 2016, considère que les voyages spatiaux sont si dangereux qu'il ne vaut pas la peine de faire un tel voyage, bien qu'il n'ait pas renoncé à l'idée que des humains puissent débarquer sur une lointaine exoplanète. Il envisage plutôt d'autres voies plus probables de colonisation, comme l'envoi d'un système doté d'intelligence artificielle qui construirait des cellules biologiques à partir des matières premières rencontrées, réassemblant la vie à partir de zéro, créant des créatures qui pourraient ou non ressembler aux êtres humains.

Mais Loeb est sceptique et n'y croit pas vraiment. Étant donné qu'il faudrait peut-être patienter un millénaire pour qu'un tel voyage se concrétise pour finalement découvrir que la planète visitée ne ressemble même pas à notre environnement, selon Loeb il est facile de comprendre que tous les efforts menés autour des voyages spatiaux générationnels, même ceux imaginés par les chercheurs les plus sérieux, ne sont rien d'autres que des rêves éveillés.

L'astrophysicien Paul M. Sutter de l'Université d'Etat d'Ohio et de l'Institut Flatiron de New York a publié des articles sur la difficulté des voyages interstellaires, en particulier le programme Breakthrough Starshot. Ce programme n'est pas une mauvaise idée, soutient-il, "C'est juste que le voyage interstellaire est ridiculement difficile." Dans une vidéo publiée sur YouTube, Sutter explique que la méthode de propulsion laser Starshot - qui nécessite de développer 100 GW pour propulser une voile solaire portant 1000 nanosondes de 1 g jusqu'à Proxima b du Centaure - ne transfèrera que quelques kilos de poussée à la voile (contre ~33000 tonnes pour la fusée Saturn V, cf. le rapport poids/poussée). 

A voir : Will Interstellar Travel Ever Be Possible?, P.M. Sutter

Interrogé sur l'utilisation de la même méthode pour déplacer un vaisseau spatial capable de transporter ne fut-ce qu'un seul humain, Sutter est sceptique: "Vous aurez besoin d'un million de fois plus d'énergie, ou cela prendra un million de fois plus longtemps". Bref, aucune des deux solutions ne semble réaliste.

Le coût prohibitif et la difficulté de l'exploration spatiale signifient également que les progrès sont lents. Selon Sutter, "Cela fait 50 ans [que l'homme débarqua sur la Lune] et nous ne pouvons pas faire beaucoup plus que ce que nous faisions dans les années 60. Suivez donc cette tendance pour déterminer ce que nous pourrions faire dans 50 ans."

Enfin, Michael Waltemathe, professeur de théologie à l'Université de la Ruhr à Bochum en Allemagne présenta les "Philosophical Aspects of Interstellar Exploration", couvrant l'éthique de la mission, les principes de non contamination dans l'espace et... la réponse du christianisme aux extraterrestres ! Ce fut heureusement la seule intervention irrationnelle et le seul dérapage dans ce débat scientifique. L'auteur cita l'ancien astronome en chef du Vatican, José Gabriel Funes, qui fit valoir qu'il devait logiquement être possible à un Dieu tout puissant d'avoir créé des espèces extraterrestres - et que sans le péché originel, ils pourraient même jouir d'une relation plus étroite avec leur créateur que les humains.

Voilà à quels genres de débats nous devrons nous attendre le jour où nous envisagerons sérieusement d'explorer l'Univers. À chacun de critiquer les propos de certains intervenants.

Le pouvoir de l'imagination

Paul Sutter souligna qu'un projet aussi ambitieux que la construction d'un vaisseau interstellaire est une vision à long terme et il n'est même pas certain qu'elle soit réaliste. Avi Loeb est plus pessimiste et la juge même irréaliste. A-t-il raison de le croire ?

Nos aïeux aussi géniaux furent-ils pensaient que la terre était plate et que le monde s'arrêtait aux limites de l'océan. Les aventuriers qui revenaient d'au-delà de l'horizon l'esprit plein d'images et de récits "fantasques" passaient pour des farfelus et des menteurs (cf. les récits de Pythéas). Toutefois, à mesure qu'on explora le monde, la crainte et l'incrédulité firent place à la curiosité et aux certitudes et à l'envie d'aller encore plus loin.

Vaisseau spatial vintage. D.R.

Il y a quelques siècles, les meilleurs ingénieurs ne croyaient pas que le corps humain supporterait les accélérations des premières automobiles (0.2 g). Il y a moins d'un siècle, ils ne pensaient pas qu'on pourrait franchir le "mur du son". Il y a quelques décennies, ils ne croyaient pas que l'homme pourrait vivre en dehors de l'atmosphère. Quelles certitudes aurons-nous demain ? Disons-nous plutôt en écho aux inventeurs que nous pouvons relever de tels défis et trouver des solutions à des problèmes complexes grâce à la recherche.

Sous une forme ou une autre, la majorité des chercheurs qui s'intéressent au voyage spatial générationnel sont d'avis qu'il n'est pas possible d'envisager toutes les applications d'une percée technologique ou scientifique tant qu'elle n'est pas rendue publique (cf. le "Hype Cycle" dans l'article consacré aux technologies du futur). Comme dans la recherche d'un itinéraire, nous ne pouvons pas commencer à tracer un parcours si on ne connait pas les étapes intermédiaires; mais avec le recul et donc du temps, les tendances à court et à long termes deviennent plus évidentes, dévoilant parfois de manière inattendue une voie royale.

L'histoire des sciences nous a démontré qu'aucun astrologue, futurologue, ingénieur spatial ni même un chef d'État ne peut prédire l'avenir de l'astronautique. Il a fallut des rêveurs et des génies pour que le public prenne conscience d'abord par la littérature puis le théâtre et le cinéma qu'on pouvait imaginer un "voyage dans la Lune". Si les romans de Jules Verne eurent tant de succès c'est parce qu'ils sortaient du cadre traditionnel de la littérature et de la vie quotidienne des lecteurs. Les scénarii étaient originaux et le lecteur pouvait presque concrètement imaginer une autre manière d'explorer le monde.

Mais que ce soit dans les romans, dans les meilleurs films "d'anticipation" des années 1950 à 1970 avec leurs maquettes en carton-pâte ou en trompe-l'oeil ou les derniers "blockbusters" en images de synthèse, ces fictions nous montrent une vision de l'avenir ancrée dans leur époque avec des anachronismes qui nous font sourire aujourd'hui mais qu'on ne percevait pas alors (comme par exemple le canon de Jules Verne qui lança un obus habité vers la Lune en 1870 ou la règle à calcul utilisée par M.Spock dans "Star Trek" dans les années 1980). On y reviendra à propos des technologies du futur.

Quel impact ont pu avoir ces images sur l'inconscient collectif ? Il existe certainement mais il est difficile voire impossible à quantifier. Si des spectateurs comme Edison, Tesla, von Braun ou Kennedy n'avaient pas lu ces livres ou assisté à ces représentations ou vu ces films, triomphe de la créativité d'artistes de génie, qui sait si la NASA et l'ESA existeraient aujourd'hui. Il n'y aura peut-être pas eu de mission Apollo, pas de rover sur Mars, pas de Voyager en mission aux confins du système solaire. Sans ces sauts imaginaires dans l'inconnu, sans spéculer sur ce que pourrait être l'avenir de l'humanité avant sa concrétisation, nous n'arriverons jamais à un endroit différent du présent.

Qui sait, un jour, là-bas sur une lointaine planète, un homme et une femme issus d'une ultième génération humaine se pencheront sur l'archéologie spatiale de l'humanité à l'époque où elle vivait encore sur la mythique Terre. Aussi archaïque que cela leur paraîtra, ils se diront qu'ils ont eu raison, que tous les espoirs sont permis.

Mais réfléchir et discuter ne coûte rien. En théorie tout est possible mais cela fait rarement avancer les projets car il manque l'étape cruciable de l'application concrète. Pour avancer plus concrètement dans la question de savoir si un vaisseau spatial générationnel est humainement viable ou non, des chercheurs ont eu la bonne idée de tenter d'approcher cette problématique grâce aux simulations numériques.

Simuler un voyage spatial générationnel

Si nous envisageons un jour de coloniser Proxima b, l'exoplanète gravitant autour de Proxima du Centaure située à 4.24 années-lumière - qui exige déjà 20 années de voyage dans le cadre du projet Breakthrough Starshot - , la question fondamentale est de savoir si d'un point de vue biologique des êtres humains peuvent s'engager dans un tel voyage ?

L'astrophysicien Frédéric Marin de l'Université de Strasbourg et expert mondial du rayonnement des trous noirs, a décidé d'aborder cette question dans une série d'articles de recherche produits à compte propre pendant son temps libre. Il a été inspiré dans son étude par le travail de Nick Kanas, un professeur de psychiatrie qui a étudié les astronautes de la NASA pour comprendre l'effet psychologique des mois passés à bord de la station ISS. Kanas a publié de nombreux articles et livres sur le sujet, évaluant l'impact sur l'environnement humain du confinement, du stress, de la microgravité et de l'isolement de la Terre. Il décrit son propre travail comme un précurseur de la conception de missions spatiales de longue durée.

Vaisseau générationnel imaginé par Adrian Mann.

Ces recherches visaient à savoir si des voyages habités vers les planètes extérieures du système solaire et au-delà sont possibles. Marin s'est rendu compte que très peu de personnes avaient essayé de traiter sérieusement la question d'un point de vue biologique et sociologique. Il s'est également rendu compte qu'il avait les compétences nécessaires pour essayer d'y répondre. En effet, en tant qu'astrophysicien, Marin est habitué d'élaborer des modèles simulant les interactions entre particules dans l'espace. Il a donc conçu une simulation dans laquelle chaque unité représente non pas une particule mais un être humain dans un environnement clos, avec une certaine probabilité de vivre sainement, de succomber à la maladie, et finalement de transmettre du matériel génétique à la génération suivante. À leur tour, les humains de la prochaine génération sont nés avec des attributs aléatoires et d'autres basés sur la "consanguinité" de leurs parents. La question directrice était de savoir si un équipage initial d’une taille donnée serait suffisant pour effectuer un voyage de 200 ans sans dépasser la capacité du vaisseau, de mourir en masse ou d'arriver à destination avec une consanguinité excessive. Selon Marin, "Vous pouvez utiliser les données de la biologie, de l'anthropométrie, de l'anthropologie, des mathématiques pour les calculer. C'est une étape théorique, mais c'est la première étape."

En 2017, Marin publia un article (en PDF sur arXiv) concernant un programme appelé HERITAGE qui tente de simuler la croissance d'une population humaine isolée au fil du temps afin de prédire si un équipage initial d'une taille donnée serait suffisant pour effectuer un voyage interstellaire générationnel et arriver à destination avec suffisamment de diversité génétique pour peupler une nouvelle planète. En utilisant le modèle de Cameron Smith (2014), il a constaté que certains scénarii sont plus viables que d'autres, la simulation dans laquelle la population croît sans contrôle des naissances conduisant par exemple à une issue fatale en raison de la surpopulation.

En 2018, en collaboration avec le physicien Camille Beluffi, de la startup CASC4DE, ils ont appliqué la même technique pour calculer la taille de l'équipage nécessaire pour se rendre jusque Proxima b. Dans l'article qu'ils ont publié (en PDF sur arXiv), ils estiment que "98 personnes sont nécessaires pour assurer un taux de réussite de 100% pour un voyage spatial de 6300 ans vers l'exoplanète tellurique la plus proche connue à ce jour." Selon Marin, au moins théoriquement, cela prouva qu'il n'était pas impossible pour les humains de maintenir un pool génétique sain pendant le voyage jusque Proxima b. Reste à présent à tenter de savoir comment pouvons-nous réaliser ce projet ?

Pour répondre à ces questions concrètes, Marin a estimé l'espace nécessaire pour produire de la nourriture. L'astuce, a-t-il proposé dans un article publié en 2019, serait de cultiver des légumes par l'aéroponie - un système de culture très efficace où les brouillards nutritifs sont pulvérisés sur les racines des plantes suspendues - et de faire produire des protéines supplémentaires par des animaux, mais qui exigent plus d'espace.

Les calculs indiquent qu'en utilisant ces techniques, l'espace total nécessaire pour nourrir un équipage de 500 personnes serait de 0.45 km2 soit la même superficie que la Cité du Vatican. Cette zone serait répartie autour d'un cylindre en rotation lente afin d'engendrer une gravité artificielle, cruciale afin que les humains conservent leur masse musculaire et leurs fonctions corporelles normales tout au long du voyage. Pour supporter ce projet, Marin a proposé une structure spatiale composée d'un cylindre de seulement 25 mètres de hauteur mais d'un rayon de 224 mètres, similaire au concept emblématique du Tore de Stanford de la NASA - qu'on retrouve dans les illustrations de Don Davis (1975) notamment et dans le film "Interstellar" de Christopher Nolan (2014).

A gauche, le concept du Tore de Stanford. Cette structure mesure 1 mile de diamètre (1609 m) et effectue un tour/minute pour simuler la pesanteur terrestre. Le grand miroir réfléchit la lumière du Soleil dans les zones d'habitats situées dans l'anneau extérieur qui peut accueillir 10000 personnes. L'usine se situe à l'extrémité de l'axe. Illustration de Rick Guidice réalisée en 1976. A droite, gros-plan sur les paysages d'une colonie spatiale istallée dans l'anneau du Tore de Stanford. L'environnement reproduit les conditions de vie terrestres et notamment les 4 saisons ainsi que le cycle de 24 heures. Les conditions météos sont également contrôlées. Illustration de Peter Rubin, 2013. La NASA envisage (à très long terme) de monter une telle structure sur le point L2 de l'orbite Terre-Lune (c'est-à-dire au-delà de l'orbite lunaire).

Selon Marin, un indicateur de la viabilité de ce type de voyage interstellaire semble s'opposer à tous les autres projets. Alors que le projet Breakthrough Starshot énumère des défis importants à surmonter pour atteindre Alpha du Centaure avec des microsondes pesant juste un gramme, les calculs de Marin décrivent un vaisseau plus vaste que le plus grand porte-avions jamais construit par la Navy. Mais peut-on seulement déplacer un vaisseau spatial aussi massif dans l'espace ?

Alors qu'Avi Loeb précité est généralement sceptique face à des concepts aussi extravagants, l'idée de construire un vaisseau spatial de 500 personnes lui paraît plausible. Théoriquement, il n'y a aucun problème à déplacer une charge beaucoup plus importante avec le même système de propulsion laser que Starshot utilisera. Mais il y a un autre obstacle. "Une fois que vous quittez la protection offerte par le champ magnétique de la Terre, vous vous exposez à des particules solaires et cosmiques très énergétiques qui, en un an, endommageront une fraction importante des cellules de votre cerveau. C'est également un risque dont devront tenir compte les équipages qui iront sur Mars, sans même penser à un voyage qui durera des centaines d'années."

Malgré ces difficultés, Marin et ses collègues pensent qu'il est possible de trouver un moyen de mener à bien une mission spatiale générationnelle. "Il ne fait aucun doute que notre avenir est dans l'espace. D'une manière ou d'une autre, nous devrons quitter la Terre ... À un moment donné, il y aura un risque qu'un astéroïde nous frappe, ou finalement le Soleil se réchauffera au point d'évaporer tous les océans sur Terre. En fin de compte, pour survivre, nous devrons déménager."

Vu sous cet angle catastrophique, il est évident que pour éviter ce funeste destin, l'humanité devra se trouver une nouvelle Terre. En aura-t-elle les moyens est une autre question à laquelle seuls nos descendants pourront répondre dès lors qu'ils seront face au mur et contraints de prendre une décision qui engagera leur avenir. En étant optimiste, souhaitons-leur bon vol !

Pour plus d'informations

La colonisation de l'espace

La Lune (colonisation)

La colonisation de Mars

Les colonies spatiales en images

100-Year spaceship

NASA

ESA

Paul M. Sutter, YouTube Channel
Académie Internationale d'Astronautique
(IAA).

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