Le sujet est complexe : nous n'avons pas, à l'heure actuelle, la technologie pour effectuer de tels déplacements interstellaires habités. Nos moyens de propulsion ne sont guère efficaces pour faire de longs trajets. A titre de comparaison il faudrait environ six mois pour rejoindre Mars et y atterrir avec notre technologie contemporaine; le trajet jusqu'à Pluton prendrait plus de quinze ans. Quand à rejoindre un système solaire différent (avec pour objectif l'exoplanète Proxima Centauri b par exemple), cela prendrait plusieurs millénaires.
Sur la base de plus de deux siècles de données historiques sur les moyens de transports, la vitesse atteignable par nos vaisseaux double à peu près tous les 15 ans. Si nous continuons ainsi, les nouvelles technologies de propulsion du prochain siècle nous permettront d'atteindre les dix premières étoiles les plus proches en quelques centaines d'années de voyage.
Vivre et mourir dans l'espace
Toute mission habitée voulant se rendre sur une exoplanète proche devra alors passer soit par un état d'hibernation, soit par un processus de cryogénisation, soit par un programme d'équipage multi-générationnel. Les deux premières options ne sont pas réalistes actuellement. En effet, la plus longue hypothermie thérapeutique n'a pas encore pu excéder deux semaines. Le processus de cryogénisation, qui consiste à congeler un organisme à environ -196°C dans l'espoir de le réanimer n'est pas encore au point. La seule technique viable pour que des humains puissent un jour marcher sur une exoplanète consiste à peupler un vaisseau avec un équipage de départ, de laisser cette population vivre et se reproduire dans le navire, puis de laisser la place à la nouvelle génération. Le cycle multi-générationnel se perpétue alors pendant des siècles jusqu'à l'arrivée du vaisseau. C'est la méthode la plus sûre puisque c'est aussi la plus aisée à simuler : nous pouvons reproduire numériquement l'évolution d'un groupe d'individus dans un système clos aux ressources limitées.
Pour ce faire, notre groupe de recherche (Frédéric Marin et Camille Beluffi de Strasbourg; Rhys Taylor de Prague et Loïc Grau de Grenoble) s'est penché sur la question de la survivabilité d'un équipage multi-générationnel dans un environnement aux ressources limitées. Dans un précédent article sur The Conversation, nous avons examiné quels devaient être les règles sociales et de reproduction pour qu'un équipage génétiquement sain arrive à sa destination finale après plusieurs siècles de voyage. Nous concluions sur la base du paradigme de la rareté en chiffrant la taille minimale de la population à bord à 98 personnes.
Mais il est évident que pour un voyage de plusieurs siècles, il serait souhaitable de voyager avec une marge et un excédent importants de ressources. Nous avons donc simulé numériquement le comportement multi-générationnel d'une communauté de 500 voyageurs interstellaires et déterminé les besoins alimentaires pour nourrir l'équipage de manière autonome.
Agriculture spatiale
Les astronautes de la Station Spatiale Internationale (ISS) ont besoin d'environ 1.8 kilogrammes d'aliments et d'emballages par jour. Donc, si nous devions nourrir l'équipage d'une mission interstellaire entièrement à partir d'aliments stockés, la masse requise atteindrait des millions de tonnes ! De plus, la quantité de vitamines contenues dans les aliments diminue avec le temps. La perspective de stocker les vivres n'est donc pas viable. En revanche, l'agriculture spatiale qui produit des aliments frais, recycle les nutriments et les matières fécales, génère de l'oxygène et purifie continuellement l'air, est de loin la meilleure option pour nourrir une population nombreuse et éviter les carences en vitamines.
En principe, une ferme spatiale peut transformer le vaisseau spatial en un système écologique complet et fermé. Des études de tels systèmes existent déjà, à l'instar de l’expérience Lada sur l'ISS, en cours depuis 2002. Cette expérience utilise une chambre ressemblant à une serre pour faire pousser des plantes afin de déterminer le taux de survie des cultures spatiales, les micro-organismes qu'elles pourraient avoir à affronter et la façon d'optimiser la productivité des cultures.
Quelle doit donc être la surface de terre agricole à l'intérieur du navire pour nourrir sa population ? Comment cela dépend-il de la technique agricole ? Nous apportons une réponse à ces questions. Nos simulations reposent sur des facteurs tels que les données biologiques, anthropométriques et démographiques, ainsi que sur l'activité physique de l'équipage. La dépense énergétique totale d'une taille de population donnée peut ensuite être traduite en quantité de nourriture pour déterminer la surface nécessaire à la production de nourriture dans le vaisseau spatial. Nous avons estimé les besoins caloriques annuels à bord en utilisant le principe de Harris-Benedict.
Des patates douces en micro gravité
En comparant ces chiffres avec les techniques agricoles conventionnelles et modernes, nous avons pu prédire la taille des terres artificielles à allouer dans le vaisseau à des fins agricoles. Il existe essentiellement trois techniques à utiliser : la géoponie, l'hydroponie et l'aéroponie. La première est la culture agricole que nous connaissons tous, la seconde est une vieille (mais efficace) technique horticole permettant de faire pousser des plantes sur un substrat de billes d'argile ou de sable, et la dernière permet aux plantes de pousser hors-sol, sans terre ni substrat. L'aéroponie est la méthode la plus efficace pour récolter de grandes quantités de tubercules avec un minimum d'espace et fonctionne également dans des conditions de faible gravité. Elle permettrait de produire suffisamment de patate douce pour nourrir un équipage multi-générationnel de moins de 500 personnes avec seulement 12 m2 de superficie agricole.
Toutefois un régime mono-alimentaire serait désastreux pour le corps humain. En améliorant ce régime alimentaire pour y inclure une grande variété de céréales, de légumes et de fruits ainsi que des produits laitiers et de la viande, la surface agricole finale est plus grande car elle nécessite un mélange d'aéroponie (pour les plantes, tubercules, légumes) et de géoponie (pour les animaux et de nombreuses variétés d'arbres). Il faut une surface de 450 m2 environ pour cultiver tous les aliments, mais aussi pour élever des animaux dans des conditions de vie décentes pour la production de protéines et de produits laitiers.
Vaisseaux géants
Si l'on pose l'hypothèse d'une gravité artificielle centripète égale à celle de la Terre produite par la rotation d'un vaisseau cylindrique, cette surface impose de fortes contraintes à l'architecture du navire. Ce dernier devrait donc être cylindrique et mesurer au moins 224 mètres de rayon et 320 mètres de long pour avoir assez d'espace cultivable. Ces mesures ne prennent pas encore en compte les quartiers civils, les salles techniques, les engins de propulsion ou les ponts de commandement et il est aisé d'estimer que les dimensions finales d'un vaisseau interstellaire devrait être au moins deux fois plus grandes. Si cela peut sembler terriblement volumineux, il ne faut pas oublier que la plus grande construction humaine du monde est la tour de Burj Khalifa de Dubaï, un gratte-ciel faisant 829,8 mètres de haut. La taille des futurs vaisseaux interstellaires habités n'est donc pas si éloignée de ce que nous pouvons construire aujourd'hui…