Un aperçu de l’expansion planifiée de l’humanité entre la Terre et la Lune

Entre l’orbite terrestre basse et la Lune se trouve une région de l’espace mesurant 384 400 km de large, appelée espace cislunaire. Au cours des prochaines décennies, plusieurs agences spatiales enverront des missions dans cette région pour soutenir le développement des infrastructures qui conduiront à une présence humaine permanente sur la Lune.

Cela comprend les habitats orbitaux et de surface, les aires d’atterrissage, les véhicules de surface, les technologies d’utilisation des ressources in situ (ISRU) et d’autres éléments qui permettront l’exploration et le développement à long terme de la surface lunaire.

Pour toutes les parties concernées, l’espace cislunaire recèle un immense potentiel en termes d’applications scientifiques, commerciales et militaires. Le niveau d’activité considérablement accru sur et autour de la Lune rend primordiale la connaissance du domaine spatial (SDA) – c’est-à-dire la connaissance de toutes les opérations dans une région de l’espace.

Il est également nécessaire de garantir le succès et l’utilisation continus de la région couverte. Dans une récente papier publié dans Progrès dans les sciences aérospatialesune équipe d’ingénieurs en aérospatiale a examiné les missions prévues pour les décennies à venir et a évalué l’état et les lacunes de leur connaissance du domaine spatial.

L’étude a été menée par Brian Baker-McEvilly, étudiant diplômé en génie aérospatial à l’Embry-Riddle Aeronautical University (ERAU). Il a été rejoint par David Canales, professeur adjoint de génie aérospatial à l’ERAU, et Surabhi Bhadauria et Carolin Frueh, doctorante et professeure adjointe à l’École d’aéronautique et d’astronautique de l’Université Purdue.

Connaissance du domaine spatial

Également connue sous le nom de « connaissance de la situation spatiale », la SDA est essentielle aux opérations dans l’espace. Comme l’a expliqué Baker-McEvilly à Universe Today par courrier électronique :

« La SDA consiste essentiellement à avoir une connaissance complète de tous les objets d’une région spécifique sans nécessairement avoir de communication directe avec ces objets. Elle est essentielle à la sûreté et à la sécurité des engins spatiaux car elle fournit des informations précieuses sur les objets à proximité qui ont le potentiel d’influencer l’issue de leur mission.

« Quelques exemples généraux de l’importance de la SDA sont les suivants : les informations aident à éviter les collisions, garantissent des informations de suivi précises et fournissent des connaissances sur d’autres activités spatiales. »

Comme l’indique la NASA, l’objectif du programme Artemis est de « créer un programme durable d’exploration et de développement lunaires ». De même, la Chine, Roscosmos et l’ESA espèrent créer des habitats lunaires et des infrastructures connexes pour permettre une présence humaine permanente sur la Lune.

L’un des éléments clés de ces programmes est la création d’habitats dans la région polaire sud de la Lune (le bassin pôle Sud-Aitken). Ces activités nécessiteront un soutien considérable sous forme de livraisons de charges utiles, et l’exportation de ressources lunaires nécessitera également des missions régulières vers et depuis la surface lunaire. Compte tenu de ce niveau d’activité, SDA sera plus vital que jamais.

De nombreux projets

Conformément au programme Artemis, la NASA a l’intention d’effectuer le premier vol circumlunaire avec un vaisseau spatial Orion avec équipage (Artemis II) au plus tôt en septembre 2025. Il sera suivi par Artemis III en septembre 2026, la première mission avec équipage vers la surface lunaire depuis Apollo 17 en 1972.

Pour ce faire, un vaisseau spatial Orion avec équipage sera lancé en orbite lunaire à l’aide du Space Launch System (SLS). Le système d’atterrissage humain (HLS) fourni par SpaceX, le Starship HLS, sera lancé séparément, ravitaillé en orbite, puis rejoint le vaisseau spatial Orion autour de la Lune.

Une fois le transfert des deux astronautes vers le HLS terminé, ils voleront vers la surface lunaire et passeront environ 30 jours à mener des expériences et à récupérer des échantillons. Au-delà d’Artemis III, la NASA commencera à se concentrer sur le déploiement des éléments centraux de la Lunar Gateway, qui sera lancée en 2027 à bord d’une fusée Falcon Heavy.

La mission Artemis IV suivra en septembre 2028 et verra pour la première fois un équipage de quatre personnes se transférer d’un vaisseau spatial Orion vers la passerelle lunaire. Après cela, la NASA a l’intention d’envoyer une mission par an sur la surface lunaire et de déployer les éléments du camp de base Artemis. Il s’agira notamment des éléments suivants :

En outre, la Chine et la Russie ont annoncé leur intention de créer la Station internationale de recherche lunaire (ILRS), qui rivaliserait avec l’infrastructure proposée par la NASA.

Le calendrier proposé comprend trois phases. La phase de reconnaissance se conclura par la mission Chang’e-7 (lancement en 2026), qui continuera d’explorer la surface lunaire autour du bassin pôle Sud-Aitken pour rechercher des ressources et évaluer les sites possibles pour un futur habitat.

La deuxième phase, celle de la construction, se déroulera entre 2026 et 2035 et verra le déploiement des éléments qui composent l’ILRS.

Parallèlement, l’Agence spatiale européenne (ESA) a réalisé de nombreuses études et propositions pour une base lunaire internationale qui aurait la même fonction que la Station spatiale internationale (ISS). Parmi les propositions précédentes, on trouve le village lunaire de l’ESA, qui consisterait en une installation s’étendant sous la surface et un dôme recouvert de régolithe qui permettrait d’accéder à la surface.

En 2019, l’ESA et le cabinet d’architecture international Skidmore, Owings & Merrill (SOM) ont proposé une série de modules semi-gonflables déployés le long du bord d’un cratère lunaire.

Le dernier projet en date est le fruit d’une collaboration entre l’ESA et le cabinet d’architecture international Hassel. Leur proposition, le Lunar Habitat Master Plan, consiste en un système d’habitat modulaire et évolutif pouvant accueillir jusqu’à 144 personnes. Dans le cadre de leur étude, Baker-McEvilly et ses collègues ont examiné ces plans et identifié deux tendances majeures. Comme il l’a raconté :

« Deux grandes tendances émergent de ces missions : l’importance de mettre en place des opérations durables et la valeur stratégique du pôle Sud lunaire. De nombreuses missions futures ont pour objectif de tester de nouvelles technologies qui soutiennent des opérations durables sur la Lune, telles que des méthodes de collecte d’eau du régolithe lunaire pour les astronautes, des méthodes d’atterrissage efficaces pour soutenir les mouvements constants vers et depuis la surface de la Lune, ou l’utilisation de trajectoires orbitales qui nécessitent peu de carburant pour rester à l’intérieur.

« Le pôle Sud lunaire est un élément clé de l’espace cislunaire car il constitue un emplacement géographique efficace pour ces opérations durables. Le pôle Sud possède des cratères ombragés en permanence qui contiennent des concentrations d’eau dans le régolithe. De plus, l’orbite de halo quasi-rectilinéaire (NRHO) qui abritera Gateway passe la majeure partie de sa trajectoire dans la ligne de mire du pôle Sud et nécessite très peu de carburant pour se maintenir sous les perturbations extérieures. »

Comment s’y rendre

Un autre aspect clé de leur étude concernait la dynamique de l’environnement cislunaire et les défis que pose l’envoi d’engins spatiaux de la Terre vers la Lune. Ces défis sont bien connus, grâce aux décennies d’envoi de missions robotiques dans cette région, sans parler des missions habitées du programme Apollo.

Dans les décennies à venir, cette région devrait devenir assez encombrée de satellites, de vaisseaux spatiaux, de la passerelle lunaire et d’autres installations orbitales. Les choses sont encore compliquées par le fait que tout objet dans l’espace cislunaire devra faire face au problème des trois corps. Baker-McEvilly a déclaré :

« [The] « La dynamique du domaine cislunaire devient un défi en raison de l’introduction du troisième corps dans le problème de la mécanique orbitale. À l’heure actuelle, le problème des trois corps n’a pas de solution sous forme fermée, et un vaisseau spatial sous l’influence à la fois de la Terre et de la Lune ne se déplace plus dans le sens traditionnel képlérien des deux corps que beaucoup connaissent. Cela entraîne la défaillance de nombreuses méthodes traditionnelles en astrodynamique, ce qui nécessite de nouveaux modèles et méthodes pour résoudre les problèmes. »

Au final, ils ont identifié quelques familles d’orbites qui mettent en évidence la géométrie unique des trajectoires périodiques dans le problème des trois corps, ainsi que des orbites qui pourraient avoir une utilisation stratégique à l’avenir. Cependant, comme l’a ajouté Baker-McEvilly, ces trajectoires ne sont pas exhaustives et il en existe bien d’autres qui ont été bien documentées.

Inconvénients

Après avoir passé en revue les missions existantes et prévues qui se rendront sur la Lune dans les décennies à venir, Baker-McEvilly et ses collègues ont identifié plusieurs lacunes concernant la SDA. Ils ont également formulé des recommandations sur la manière de les combler. Comme il l’a indiqué :

« Les méthodes SDA utilisées pour surveiller les objets autour de la Terre qui s’appuient sur des capteurs terrestres ne se traduisent pas directement par la possibilité de visualiser des objets dans l’espace cislunaire. La distance importante qu’un capteur terrestre doit parcourir pour atteindre des zones de l’espace cislunaire dépasse les capacités de nombreux capteurs, en particulier des systèmes radar.

« Pour les capteurs capables de couvrir cette distance, comme le Deep Space Network, ils sont souvent déjà surchargés et sont trop précieux pour être uniquement dédiés au SDA.

« Un autre inconvénient est la difficulté des conditions d’éclairage que les capteurs optiques doivent surmonter pour observer les objets situés dans les profondeurs de l’espace cislunaire. Des problèmes tels que la Lune qui bloque physiquement la vue des missions situées de l’autre côté de la Lune ou la lumière réfléchie par la Lune qui efface la lumière réfléchie par un vaisseau spatial entravent les capacités des capteurs optiques.

« En conséquence, il existe d’importantes régions de l’espace cislunaire qui ne sont pas toujours visibles par les réseaux de capteurs actuels. »

Comme l’a souligné Baker-McEvilly, les chercheurs étudient de nombreuses approches pour combler le manque de capacités SDA cislunaires. Parmi les possibilités, citons le placement de capteurs sur la Lune, l’amélioration du réseau de capteurs terrestres ou la mise en œuvre de constellations de capteurs basés sur satellite dans tout l’espace cislunaire.

Selon lui, une combinaison de ces solutions est la plus adaptée pour combler le fossé entre les astres lunaires et les astres célestes. Il espère également que leur étude fournira aux chercheurs, aux étudiants et à ceux qui s’intéressent à l’exploration lunaire une base sur l’état actuel de l’espace cislunaire et les problèmes auxquels il est confronté.

« Les problèmes clés mis en évidence dans l’analyse de l’exploration cislunaire et de la SDA peuvent inciter certains lecteurs à prêter plus d’attention à ces points et à proposer leur propre travail qui contribue à la solution ou empêche des échecs similaires de se répéter », a-t-il déclaré.