Colonisation de l’espace

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

Habitat spatial en construction de type tore de Stanford, Dessin d’artiste pour la NASA, 1975.

Ressources et technologies nécessaires

Construire des colonies dans l’espace demande 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 façon à favoriser l’accès à ces différentes ressources. Les parties suivantes développent les points étudiés par les études des scientifiques et des différentes agences spatiales.

Transport

Accès à l’espace

Depuis les débuts de la conquête spatiale et les premières fusées dans les années 1960, la technologie de l’accès à l’espace depuis la Terre n’a pas évolué de façon majeure, et reste fondée sur des lanceurs spatiaux consommables en dehors de la navette spatiale américaine qui arrêtera son service en 2011^[18]. Les technologies actuelles permettent d’obtenir un indice constructif (rapport entre la masse des structures et la masse des ergols) de l’ordre de 10 %. Pour mettre en orbite basse des charges allant de quelques tonnes à quelques dizaines de tonnes au maximum, cela conduit à des lanceurs à plusieurs étages, pouvant peser des centaines de tonnes au décollage. La masse de la charge utile ne représente que quelques pour cent de la masse du lanceur au décollage. La masse à laquelle un lanceur peut donner la vitesse de libération qui permet d’échapper à l’attraction terrestre, soit 11 km/s, est 4 à 5 fois plus faible que la performance en orbite basse qui nécessite 8 km/s, ce qui multiplie le coût au kg d’autant.

Le coût est actuellement de plusieurs milliers d’euros par kg mis en orbite en excluant les coûts de développement du lanceur. La fusée Ariane 5 peut envoyer 20 tonnes en orbite basse pour un coût de lancement de l’ordre de 150 millions d’euros soit 7 500 euros par kg de charge utile^[19]. Pour le ravitaillement de la station spatiale internationale en orbite basse, cela se chiffre de 11 300 euros par kg pour le vaisseau russe Progress à 43 000 euros par kg pour le véhicule automatique de transfert européen^[20]. Il faut compter 14 000 euros pour envoyer des charges utiles légères en orbite basse avec le futur lanceur Vega^[21]. 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^[22].

Malgré ces chiffres élevés, le coût de lancement est néanmoins marginal dans le coût total de certaines missions spatiales hors les coûts de développement du lanceur. Par exemple les 422 millions de dollars de coût du lancement par la très onéreuse Titan IVB ne représentent que 13 % des 3.27 milliards de dollars du budget de la Mission Cassini-Huygens^[23].

Cependant, le coût du transport jusqu’à l’orbite terrestre et au-delà est considéré comme une des principales limites à la conquête spatiale d’après la NASA qui pense résoudre le problème en utilisant des fusées bien plus légères grâce à de nouveau matériaux^[24], ou en utilisant pour la colonisation les ressources de planètes, lunes ou astéroïdes avec une gravité bien plus faible que celle de la Terre et donc des coûts réduits pour le transport comme étudié par Robert Zubrin^[25] ou O’Neill et la NASA^[14]. Il y a aussi des projets théoriques à très long terme pour construire un ascenseur spatial, mais de nombreux problèmes restent à résoudre^[26].

Transports dans le système solaire

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

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 réduire potentiellement le problème des coûts et de durée de transport une fois dans l’espace^[27]. La propulsion VASIMR pourrait réduire la durée de transport entre la Terre et Mars, qui est de deux ans actuellement, à seulement 39 jours^[28].

Sur la Lune, une possibilité étudiée par la NASA est de construire une catapulte électromagnétique pour lancer les matières premières aux installations en orbite pour un coût bien moins élevé que des matières premières expédiées depuis la Terre^[29],[14]. D’après des études théoriques réalisées par Jerome Pearson, consultant pour la NASA, un ascenseur spatial lunaire pourrait être utilisé. Contrairement à l’ascenseur spatial terrestre, il peut être construit avec des technologies existantes mais aucun programme de construction n’a encore été fixé^[30].

Plusieurs groupes de développement de la NASA, de l’ESA, des Agences spatiales russe et chinoise ainsi que d’autres scientifiques ont étudié la faisabilité de projets de colonies spatiales en divers endroits du système solaire. Bien qu’ils aient déterminé qu’il y a des matières premières exploitables sur la Lune et les astéroïdes géocroiseurs, que l’énergie solaire est disponible en grande quantité et qu’aucune nouvelle découverte scientifique majeure n’est nécessaire, ils ont évalué qu’il faudrait des prouesses techniques d’ingénierie, une meilleure connaissance de l’adaptation humaine à l’espace et surtout d’énormes moyens financiers pour concrétiser de tels projets. Presque tous les projets sont donc réduits à un niveau d’évaluation théorique ou ont même été abandonnés.

La seule présence humaine permanente dans l’espace est actuellement celle de la station spatiale internationale, qui n’est cependant pas autonome. En 2008, l’unique projet avec un plan de financement était une base permanente de 4 astronautes sur la Lune qui utiliserait des ressources locales prévue par la NASA pour 2019-2024, mais son budget a été remis en question en 2010. L’ESA, ainsi que les agences spatiales russe, japonaise et chinoise projettent quant à elles d’établir un avant-poste sur la Lune après 2025.

D’autres études théoriques de colonies spatiales situées sur d’autres satellites naturels, astéroïdes ou planètes comme Mars ont été étudiées par les scientifiques, et certains d’entre eux pensent que les premières colonies pourraient être des stations spatiales situées en orbite planétaire ou solaire. Des études encore plus prospectives et ambitieuses ont été réalisées, depuis la colonisation des lunes de Jupiter jusqu’à l’établissement de colonies de centaines de milliers d’individus ou de la terraformation de certaines planètes, mais celles-ci sont encore plus théoriques et nécessiteront de grandes avancées scientifiques et techniques qui ne seront possibles qu’à très long terme.

Le directeur de la NASA jusqu’en 2009, Michael Griffin, a identifié la colonisation de l’espace comme étant l’objectif ultime des programmes spatiaux actuels, mais la nécessité pour l’humanité de coloniser l’espace dans un futur proche ou lointain n’est cependant pas unanimement acceptée par la communauté scientifique, et un débat a toujours lieu à ce sujet.

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^[25]. Les colonies sur la Lune et sur Mars pourront utiliser les ressources locales, bien que la Lune ait des quantités insuffisantes en hydrogène, en carbone et en azote mais beaucoup en oxygène, en silicium et en métaux^[31]. Les astéroïdes géocroiseurs contiennent de grandes quantités de métaux, oxygène, hydrogène et carbone, ainsi qu’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^[32]

Énergie

La station spatiale internationale et ses panneaux solaires vus depuis la mission STS-130 en approche.

L’énergie solaire, abondante et fiable en orbite terrestre, 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, ni 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)^[33], 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^[34]. 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^[35],[36]. Particulièrement en impesanteur, la lumière solaire peut être utilisée directement avec des fours solaires faits de toiles métalliques ultralégères pouvant générer 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 les zones situées aux pôles lunaires ont un ensoleillement permanent. Mars est plus loin du Soleil et subit parfois des tempêtes de poussières atténuant 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 en plus, une plus grande régularité d’ensoleillement^[37].

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 missions martiennes par la NASA^[38]. 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, dans le régolite de surface et les géantes gazeuses. Une des grandes difficultés 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 par rayonnement infrarouge.

Communications

Comparée aux autres besoins, la communication est facile pour l’orbite terrestre ou lunaire, la plupart des communications actuelles passant déjà par satellite. Cependant les communications avec Mars et au-delà souffriront de retards dus à la propagation de la lumière et autres phénomènes ondulatoires. Pour Mars, cela représente de 3 à 22 minutes selon sa proximité avec la Terre (pour une communication simple sans réponse)^[39] et plus longtemps pour les colonies plus éloignées. Les communications avec des colonies situées autour d’autres étoiles se chiffreraient en années pour les plus proches.

Habitabilité

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 éléments 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^{[40],[41],[42]}.

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 afin d’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 de l’eau et de l’oxygène pour les astronautes, mais cette dernière technologie doit être encore validée^[38].

Le projet Biosphère II, en Arizona, a montré qu’une biosphère petite, complexe, confinée et artificielle pouvait supporter 8 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^[43].

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

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-poste 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.

Risques et contraintes sur la santé

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^[44],[45] 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^[46], incluant un risque accéléré de perte et de fracture osseuse, une réparation osseuse altérée, etc. ;
• les atteintes cardio-vasculaires^[47], troubles du rythme cardiaque et diminution des fonctions cardio-vasculaires ;
• les risques immunologiques et infectieux^[48], dysfonctionnement immunitaire ; allergies et auto-immunité ; modification des interactions entre les microbes et l’hôte ;
• les altérations des muscles squelettiques^[49], réduction de la masse, de la force et de l’endurance musculaire ; susceptibilité accrue aux lésions musculaires ;
• les problèmes d’adaptation sensorielle et motrice^[50], diminution des capacités pour la réalisation de tâches opérationnelles durant le vol, l’entrée, l’atterrissage et réadaptation ; cinétose ;
• les problèmes d’ordre nutritionnel^[51],[52], nutrition inadaptée… ;
• les problèmes comportementaux et liés au facteur humain^[53], 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 ;
• problèmes liés aux rayonnements spatiaux^[54], carcinogénèse ; risques sur le système nerveux central ; risques tissulaires chroniques et dégénératifs… ;
• et les risques environnementaux^[55],[56], 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.
• Vie en faible gravité
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  Le commandant Iouri Onoufrienko en exercice à bord de l’ISS. La marche sur tapis roulant est l’un des moyens les plus efficaces 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 à court terme des effets comme une désorientation ou 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.
  En situation de microgravité ou d’impesanteur, le système musculo-squelettique n’est plus soumis aux contraintes que lui impose la gravité sur Terre, entrainant son altération progressive. Après un vol spatial, des modifications sont constatées 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^[57]. 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^[58]. L’exercice physique seul ne semble pas suffisant pour maintenir constante la masse osseuse et des moyens pharmacologiques sont en cours d’évaluation^[59].

  De même, les muscles squelettiques, moins sollicités, sont également altérés avec l’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^[60],[61].

  

  

  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 entrainement intensif ou l’utilisation de centrifugeuses. Une évolution physiologique d’astronautes soumis à l’impesanteur au très long terme, voire toute leur vie depuis leur naissance ou sur plusieurs générations, pourrait être, selon l’ESA, une atrophie des jambes qui auraient perdu leur motilité, mais des bras qui garderaient une musculature comparable à celle d’un humain toujours soumis à l’attraction terrestre^[62]. Les biologistes et neurophysiologistes de l’ESA ont souligné que la survie au long terme en impesanteur était moins un problème qu’un retour sur Terre après un séjour de très longue durée^[62].

• Rayonnements spatiaux
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  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^[63]. Ce rayonnement provient essentiellement des particules émises par le rayonnement solaire, des rayons cosmiques et de la ceinture de Van Allen entourant la Terre^[64]. 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^[63].

  Les particules émises par ces rayonnements envoient une énergie suffisante pour modifier les molécules d’ADN, pouvant 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 étant remplacées naturellement par de nouvelles cellules. Par contre, lors d’une exposition particulièrement longue ou intense, les capacités de réparation de l’ADN sont dépassées et les cellules seront endommagées ou tuées, entraînant des problèmes de santé à court ou long terme^[65].

  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^[65]. La vulnérabilité d’un individu aux rayonnements dépend de sa sensibilité aux radiations, de son âge, de son sexe et de son état de santé général ; d’autres variables, comme l’impesanteur ou la température corporelle, peuvent également intervenir^[65].

  Certaines affections aigües 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 entrainer la mort. L’exposition aux rayonnements ne provoque habituellement pas d’effets aigus, sauf en cas d’exposition à d’importantes éruptions solaires produisant des niveaux de radiation très importants^[65] et pouvant être mortels^[66]. Le principal problème est l’exposition chronique aux rayonnements spatiaux entrainant des effets à long terme comme des cataractes, une stérilité, des cancers^[65],[63], voire un vieillissement prématuré^[67]. Un effet noté, mais non encore étudié scientifiquement, est que 80 % des enfants d’astronautes, toute nationalité confondue, 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^[68].

  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^[69] et de son groupe de travail sur les rayonnements^[70]. Les normes sont établies en suivant les recommandations établies par l’International Commission on Radiological Protection^[71] et le National Council on Radiation Protection and Measurements^[72]. 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^[65].

  Les agences spatiales doivent étudier les risques encourus et développer des technologies de protection adéquates.
  Les installations devront être entourées de boucliers 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 de poids important 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^[64]. Des concepts plus exotiques existent, tel celui consistant à créer une sorte de magnétosphère miniature capable de protéger les astronautes des rayonnements^[64].

• Nutrition
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  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 aux futurs colons, indispensable pour des missions spatiales de longue durée, 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^[73]. 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^[74]. 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^[74]. Le problème sera aggravé dans les colonies spatiales les 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.

• Psychologie
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  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^[53]. 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 entrainé 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^[75].

  Les facteurs de risque 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^[53].

  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 vaisseau, par une mauvaise communication, par des troubles du sommeil ou un isolement social^[75].

  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 entraînant 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^[76].

  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 pouvant survenir, est indispensable pour assurer un sommeil de qualité, mettre en place une répartition et un planning précis des charges de travail^[53].

• Viabilité à long terme
• 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^[77]. 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) alors que les colons sont soumis au droit de la nation propriétaire du vaisseau ou de la base où ils résident (article VIII)^[77], comme c’est le cas sur 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^[78], 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^[79].
• Reproduction
• 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^[68]et sera primordial pour la survie au long terme des colonies. La reproduction dans l’espace a déjà été expérimentée de nombreuses fois sur une multitude d’espèces d’insectes, poissons, amphibiens et mammifères avec des succès, mais aussi avec certains échecs qui ont révélé que la pesanteur était un facteur important dans la reproduction.Par exemple, des expériences ont montré qu’une période de pesanteur 3 heures après la fécondation était nécessaire pour assurer la symétrie bilatérale sur des larves de grenouilles^[68]. Des œufs de poulet n’ont pu être fécondés en orbite et des expériences sur des tritons, les Pleurodèle de Waltl, menées en 1996 et 1998 par les spationautes Claudie Haigneré puis Léopold Eyharts à bord de la station Mir lors des missions franco-russes CASSIOPEE puis PEGASE, ont montré l’apparition d’anomalies lors de la fécondation et du développement embryonnaire^[68]. Lors d’une expérience soviétique, « 5 rats femelles et 2 mâles sont restés 19 jours en orbite, sans engendrer de naissances après leur retour sur Terre. Mais il n’est pas certain qu’ils aient copulé »^[68], la microgravité pouvant gêner l’accouplement dans les positions habituelles aux animaux.Par contre, le poisson Oryzias latipes s’est reproduit avec succès en 1994^[68], avec la naissance de 8 alevins malgré quelques échecs dus à la difficulté des animaux à se positionner lors de 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^[68] ».La tentative de concevoir un enfant de manière naturelle a été tentée en 1982 à bord de Saliout 7 par un rapport sexuel entre la cosmonaute Svetlana Savitskaya et un des deux autres occupants masculins de la station, mais aucun enfant n’a été conçu^[68]. La possibilité elle-même de pouvoir réaliser 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^[68].« On constate que 80 % des enfants d’astronautes sont des filles, toutes nations confondues. Et tout aussi curieusement, on peut noter que cette dichotomie se révèle identique pour les enfants des pilotes de chasse, qui attribuent cela au fait qu’ils traversent souvent de puissants faisceaux radar, et que les micro-ondes peuvent avoir un effet létal sur les spermatozoïdes mâles^[68] ». S’il était confirmé et sans solution, ce déséquilibre reproductif pourrait tout à la fois favoriser l’expansion des populations spatiales (plus de mères potentielles) et modifier en profondeur leurs structures sociales et familiales : domination démographique et donc politique des femmes, obligation de renoncer à la monogamie…
  

  

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

• 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 environ 2000 ans^[80].

  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 néanmoins se poser.

  Les chercheurs en biologie ont tendance à adopter la règle du « 50/500 » émise par Franklin et Soulé^[81]. Cette règle dit qu’une population de base (N_e) de 50 individus est nécessaire à court terme pour éviter un niveau inacceptable de consanguinité alors qu’à long terme une population N_e de 500 individus 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 essaie 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^[14].

• 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 de la Terre. Il pourrait même être stipulé que l’établissement d’une telle colonie serait le premier acte d’autoreproduction de la vie terrestre^[14].

  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^[14].

  La création de vaisseaux robots autorépliquants 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^[82].

• Projets dans le système solaire

• Stratégie

• 

  

  Points de Lagrange

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