Comment terraformer Mars : expérience scientifique et perspectives pour un TPE

Si la possible terraformation de Mars alimente les romans de science‑fiction, elle intéresse également les scientifiques. C’est un fait, l’Homme transforme son environnement depuis la nuit des temps et cherche à coloniser d’autres planètes du Système solaire. C’est le cas de Mars - la plus prometteuse pour la terraformation -. Sauf que la planète rouge présente tout de même des caractéristiques très hostiles à la vie humaine.

Pourquoi Mars ? points communs et obstacles

Mars possède quelques points communs avec la Terre : sa vitesse de rotation, l’inclinaison de son orbite, ou encore l’aspect de sa surface témoignant d’un climat plus chaleureux dans le passé. Pourtant, les images montrant de larges lits et réseaux de rivières, ainsi que les couches de sédiments et traces d’érosion découvertes par la mission Mars Exploration Rovers, nous ont appris que la planète Mars a été chaude, humide et pourvue d’une atmosphère dense durant les premiers 500 millions d’années de son histoire.

Actuellement, l'atmosphère martienne est très ténue. La pression en surface est seulement de 600 Pa. Soit 0,6 % de la pression terrestre ! Outre le fait qu'il règne une température glaciale d'environ -50 °C, toute personne se promenant à la surface de Mars sans combinaison pressurisée verrait donc son sang se mettre à bouillir de façon instantanée. Nous savons que la température à la surface de cette planète varie entre -143 ºC aux pôles et +27 ºC à l’équateur. La surface de cette planète est hostile à la vie, étant exposée aux UV et constituée d’un régolite très oxydant.

Qu’est‑ce que la terraformation ? objectifs et enjeux

La terraformation consisterait alors à modifier le climat, la surface, et les propriétés actuels de la planète, afin de la rendre habitable. Telle est la promesse de la terraformation - modifier une planète de façon à la rendre habitable pour la vie terrestre. L’idée de terraformation a été suggérée pour la première fois dans les années 1930, uniquement dans le domaine de la science‑fiction. Cependant, dans les années 1960, les scientifiques ont commencé à y réfléchir sérieusement.

D’après l’étude « Making Mars habitable » publiée dans Nature en 1991, terraformer la planète rouge signifierait lui redonner une seconde jeunesse, en relançant le champ magnétique perdu et en densifiant son atmosphère. La première étape du processus consisterait à reconstituer une atmosphère chaleureuse, en augmentant la température de Mars d’au moins 60 °C. Il s’agirait de « polluer » son atmosphère par augmentation de la concentration en dioxyde de carbone, afin de profiter de l’effet de serre.

Mécanismes physiques et « feedback » positif

Les calottes polaires et le sol de Mars contiennent du dioxyde de carbone gelé (glace carbonique), qui serait libéré sous forme de gaz si la planète se réchauffait; ce qui rendrait l’atmosphère plus dense, et augmenterait le réchauffement de la planète. En résumé, plus la planète se réchauffe, plus son atmosphère devient dense et elle se réchauffe encore. Trouvez dans l’article où il est question de ‘feedback positif’. Expliquez ce que cela signifie dans ce contexte.

La terraformation implique ainsi un effet de serre auto‑amplificateur : la quantité de gaz à effet de serre étant proportionnelle au carré de la température désirée, un réchauffement de 10°C ne nécessite que 4% des efforts requis pour obtenir un réchauffement de 50°C. La température de la surface monte et le gaz carbonique est produit en plus grandes quantités par les calottes polaires et le sous-sol, augmentant encore la pression et la température de l’atmosphère.

Méthodes proposées pour réchauffer Mars

Comment pourrait‑on réchauffer Mars, ou provoquer le relâchement de la glace carbonique dans l’atmosphère? Beaucoup d’idées ont été proposées, par exemple: mettre des miroirs sur orbite autour de Mars afin d’envoyer davantage de lumière vers sa surface; saupoudrer les pôles de poussière noire afin de diminuer leur albedo (brillance), pour qu’ils absorbent davantage la chaleur du Soleil; introduire des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Les miroirs géants: d’après une étude de Christopher McKay et Robert Zubrin, une élévation de 4 °C de la température de la calotte polaire pourrait suffire à déclencher le processus. Pour ce faire, l’utilisation de miroirs géants (les plus légers possibles) pour réfléchir la lumière du Soleil vers les pôles est envisagée. « Des miroirs d’une dimension de l’ordre de 100 km de rayon sont nécessaires pour vaporiser le CO2 dans la calotte polaire sud », écrivent-ils. « S’ils étaient fabriqués dans un matériau semblable à celui des voiles solaires, ces miroirs auraient une masse de l’ordre de 200 000 tonnes. S’ils étaient fabriqués dans l’espace à partir de matériaux provenant d’astéroïdes ou de la lune martienne, il faudrait environ 120 MWe‑années d’énergie pour produire l’aluminium nécessaire ».
Les gaz à super effet de serre: des modèles atmosphériques détaillés ont montré que l’un des meilleurs gaz à super effet de serre pour cette opération est le perfluoropropane, dont la quantité totale nécessaire serait d’environ 26000 fois la quantité de gaz semblables rejetés chaque année sur Terre par l’industrie. Cela signifie que l’on ne peut pas produire ces gaz sur Terre pour ensuite les transporter sur Mars. Il faudra les produire sur place.
L’impact d’astéroïdes ou de comètes: dans un résumé présenté pour la 56e Lunar and Planetary Conference, Leszek Czechowski propose une solution : faire s'écraser sur la surface de Mars un très gros astéroïde qui aurait préalablement été extrait de la ceinture de Kuiper. L'impact d'un tel astéroïde libérerait ainsi d'énormes quantités d'eau et de gaz.

Les trois méthodes évoquées pour réchauffer la Planète Rouge? mettre des miroirs, saupoudrer les pôles de poussière noire, et introduire des gaz à effet de serre (ou provoquer des impacts contrôlés pour libérer des volatils).

Scénarios chiffrés et temporalité

McKay et Zubrin pensent qu’une petite impulsion suffirait pour déclencher un réchauffement global. Ils suggèrent de commencer par la calotte polaire australe, qui est le grand réservoir de gaz carbonique de la planète. Par exemple, on peut utiliser un réflecteur solaire en Mylar, qui ressemble à une grande voile circulaire. Epais de 4mm, il aurait une masse de 200 000t et nécessiterait d’être fabriqué dans l’espace.

Si la température augmente, les glaciers pourraient fondre pour réactiver le cycle de l’eau (à l’état liquide) et la vie végétale apparaîtrait. La chaleur solaire aidant, une partie de l’eau s’évapora dans l’atmosphère. La vapeur d'eau étant un excellent gaz à effet de serre, elle accélérera le réchauffement global de la planète.

En une vingtaine d’années, la glace carbonique du pôle Sud va entièrement se sublimer, entraînant une pression atmosphérique proche de 100 mbar. La température va monter globalement de 10°C à la surface de la planète, et ce sera au tour du gaz carbonique du sous-sol d’être libéré. Cette libération est progressive, car il faut du temps pour que les couches de terrain profondes soient atteintes, mais les effets seront rapides : 20 mbar supplémentaires seront obtenus au bout de un an, 100 mbar au bout de 25 ans, … 400 mbar au bout de 400 ans. Théoriquement, en libérant le gaz, piégé entre 80 et 200m de profondeur, on pourrait obtenir 600 mbar de pression supplémentaire, mais dans 2500 ans seulement.

Champ magnétique artificiel et protection contre le vent solaire

Une autre étape de la terraformation de Mars est la création d’un champ magnétique artificiel, expliquée dans une étude de 2021 par des chercheurs incluant James Green, planétologue américain qui a travaillé à la NASA. En effet, le champ magnétique qui entoure notre planète nous protège de particules chargées à haute énergie qui nous arrivent du Soleil, et des effets du vent solaire qui semblent avoir appauvri l’atmosphère de Mars.

Mars possède deux petits satellites naturels (Phobos et Déimos), et grâce à eux, il suffirait de créer un anneau de particules chargées autour de la planète. Comme Phobos est la plus grande des deux lunes de Mars et orbite plus près d’elle - sur une trajectoire plutôt circulaire à environ 6000 km du sol martien -, les chercheurs proposent d’ioniser les particules de sa surface et de les accélérer afin de créer une sorte de tore de plasma. D’après eux, cela donnerait naissance à un champ magnétique suffisamment puissant pour protéger les colons humains qui voudraient s’y installer.

Biologie, oxygénation et production locale

Une fois l’atmosphère martienne considérablement épaissie, les colons pourront librement marcher à sa surface, sans combinaison spatiale, en respirant simplement à l’aide d’un masque de plongée et de bouteilles d’oxygène. La terraformation de Mars resterait cependant une entreprise complexe, car l’atmosphère reconstituée ne permettra pas immédiatement la présence de la vie animale à la surface de la planète. Les phanérogames ont besoin de 1 mbar au minimum de pression d’oxygène pour survivre, les mamifères et les hommes nécessitent 120 mbar, ainsi qu’un taux minimal d’azote.

McKay et Zubrin pensent que ce premier millibar pourrait être obtenu en moins d’un siècle par l’action de plantes et de bactéries génétiquement modifiées. Il serait tout de même nécessaire de fertiliser les sols avec des engrais organiques pour libérer du dioxygène et pouvoir respirer sur Mars. On peut accélérer la croissance de ces plantes en faisant fondre le pergélisol pour relâcher davantage d'humidité dans l'atmosphère : on augmente alors l’efficacité des bactéries aptes à extraire l’azote du sol et à le rejeter dans l’atmosphère.

Aspects technologiques, éthiques et limites

« C’est un gros défi », rappelle le magazine Science News, parce qu’il ne suffit pas juste d’ajouter de l’oxygène dans l’air. Il faut que cette atmosphère ait atteint une épaisseur suffisante pour retenir la chaleur: une journée sur Mars peut, à l’heure actuelle, régulièrement descendre sous les moins 100 degrés Celsius. La quantité d'énergie à apporter au système semble en effet colossale. Cela signifie-t-il qu'il faille tirer un trait définitif sur l'idée d'une terraformation de Mars ? Peut-être pas.

Néanmoins, certains chercheurs sont persuadés de l’impossibilité de réaliser une telle prouesse, du moins pas avant très longtemps. C’est le cas de Franck Montmessin, directeur de recherche CNRS au Laboratoire « Atmosphères, milieux, observations spatiales », qui confie à Trust My Science : « À l’heure actuelle, c’est parfaitement impossible, car nous n’en avons pas les moyens technologiques. Il faudrait déployer des moyens incommensurablement plus importants que ceux que nous prévoyons pour la première mission humaine sur Mars. C’est un projet qui, à mon sens, ne peut s’envisager que sur les siècles à venir ».

Il n’est donc pas possible d’envisager une terraformation de Mars à grande échelle tant que nous ne saurons pas s’il existe une forme de vie, même très primitive, sur la planète rouge. Nul ne sait encore ce qui peut se cacher dans le sous-sol martien. Il se peut ainsi que l’on réveille accidentellement des micro‑organismes dangereux pour l’homme ou pour les végétaux qu’il désire implanter. En bons explorateurs et scientifiques, et en accord avec le traité de protection planétaire, nous devrons explorer Mars complètement, à la recherche de traces de vie, avant de contaminer nos recherches scientifiques avec des organismes terrestres, ou de provoquer une compétition entre vie terrestre et martienne.

Colonisation à court terme : bases et technologies existantes

Constuire une première base permanente sur Mars ne semble pas trop ardue. On se pose près d’un endroit où il y a de la glace ou de l’eau à faible profondeur ; on assemble les modules qui constitueront le « noyau » de la base. Ensuite, on installe des systèmes de recyclage de l’air, de l’eau et des déchets, alimentés en énergie par des panneaux solaires. Mars ne recevant que 30 à 40 % de l’énergie solaire reçue par la Terre, il faudra en poser sur de vastes étendues.

Les colons pourront également utiliser ces panneaux pour la production de nourriture : en effet, il est prévu de faire pousser des plantes par culture hydroponique sous serres. D’autres structures, gonflables, pourront servir d’habitat. En fait, aucune révolution technologique n’est vraiment nécessaire pour s’installer sur Mars. Chris McKay, cofondateur des conférences The Case for Mars en 1980 et célèbre exobiologiste de la NASA, travaille d’arrache‑pied sur les possibilités de coloniser Mars.

Science‑fiction, enseignement et débat éthique (idées pour un TPE)

La terraformation d'exoplanètes est un thème classique de la science‑fiction. Difficile en effet d'envisager coloniser la Galaxie sans passer par cette étape cruciale qui permet de rendre habitable la surface d'une planète. Dans ce rêve d'expansion, Mars est bien sûr la première étape.De nombreux récits ont ainsi traité le sujet de la terraformation de la Planète rouge. Le plus connu est certainement la Trilogie de Mars de Kim Stanley Robinson.

La plupart des élèves ont un intérêt naturel pour l’astronomie et les problèmes d’environnement: cet article concerne clairement les deux domaines, et aborde différents aspects des sciences traditionnelles, y compris la géologie. Il comporte aussi un questionnement éthique sur la terraformation, qui peut être soulevé en cours d’éducation personnelle, sociale et sanitaire (PSHE: personal, social and health education). Cet article donne matière à des exercices de compréhension et à des débats en classe, à partir de diverses questions qui dépassent les frontières disciplinaires traditionnelles.

Trouvez dans l’article où il est question de ‘feedback positif’. Expliquez ce que cela signifie dans ce contexte.
Quelles sont les trois méthodes évoquées pour réchauffer la Planète Rouge?
Comment changeraient nos repères temporels si nous vivions sur Mars? Les jours et les nuits seraient‑ils plus courts ou plus longs? Aurions‑nous encore des saisons? Quelle serait la durée d’une année? La gravité est‑elle plus forte sur Mars ou sur Terre?
La grande question: “devrait‑on?” provoquera sans doute beaucoup de discussions, et vous pouvez demander aux élèves si leur réponse à cette question pourrait dépendre des circonstances.

Review: Dans les bons récits de science fiction, les idées les plus fantaisistes doivent être théoriquement réalisables, de telle sorte que dans un futur plus ou moins lointain le progrès technologique transforme peut‑être la fiction futuriste en fait quotidien. Cet article donne une bonne introduction au sujet, et peut servir de point de départ pour une recherche plus approfondie si cette idée stimule l’intérêt des élèves.