thumb|upright=1.2|Habitat spatial en construction de type tore de Stanford, dessin d'artiste pour la NASA, 1975.|alt=Vue d'artiste d'un habitat spatial.
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 l'exploration spatiale.
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 quatre 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.
Histoire scientifique
Le concept de colonisation de l'espace est étroitement lié à celui du vol spatial, de l'astronautique et la conquête de l'espace et repose sur les mêmes pères fondateurs.
Le pionnier de l'astronautique russe, Constantin Tsiolkovski, est le premier à évoquer le concept de la colonisation de l'espace de manière scientifique dans son ouvrage de 1903, La fusée dans l'espace cosmique, où il décrit l'utilisation de l'énergie solaire, d'une gravité artificielle par rotation et l'utilisation d'une serre pour créer un écosystème fermé Tsiolkovsky, K. E., Исследование мировых пространств реактивными приборами Na-ootchnoye Obozreniye (La fusée dans l'espace cosmique), étude scientifique, Moscou, 1903.. Il est également le premier à concevoir le projet d'un ascenseur spatial dans son livre de 1895 Spéculations sur la Terre et le ciel et sur Vesta Space Elevator Gets Lift, Bob Hirschfeld, 31/1/2002, TechTV, G4 Media, Inc. Il résume son point de vue sur l'avenir de l'humanité dans une de ses citations les plus célèbres :
Le physicien allemand Hermann Oberth propose, en 1923, l'utilisation de stations orbitales permanentes et de voyages interplanétaires dans un livreOberth, H., Die Rakete zu den Planetenraumen (La fusée dans l'espace interplanétaire), R. Oldenbourg, Munich, 1923. qui est sa thèse de doctorat rejetée comme utopiste par l'université de Munich Hermann Oberth, Father of Space Travel, at Kiosek.com. mais acceptée par l'université Babeş-Bolyai de Roumanie la même année Jürgen Heinz Ianzer, Hermann Oberth, pǎrintele zborului cosmic (« Hermann Oberth, père du vol cosmique »), , 11, 13, 15..
thumb|left|upright=1.3|Projet de station orbitale par Wernher von Braun, 1952.|alt=Vue d'un projet de station orbitale de 1952.
Le scientifique slovène Herman Potočnik est le premier à concevoir une station orbitale en forme de roue placée en orbite géostationnaireNoordung, H. (Potocnik), Das Problem der Befahrung des Weltraums (Le problème du vol spatial), Schmidt and Co., 1928.. Un des anciens assistants d'Oberth, l'astronauticien Wernher von Braun, reprend en 1952 les idées de PotočnikVon Braun, Werner., Crossing the Last Frontier, Colliers, 1952. avec le projet d'une station spatiale en forme de roue tournant sur elle-même afin d'assurer une gravité artificielle d'un diamètre de servant de poste avancé et de camp de base pour une installation permanente sur la Lune dans la région de Sinus Roris et pour l'exploration de Mars. L'Américain Robert Goddard, un autre père de l'astronautique, est le premier à évoquer l'idée d'utilisation d'une arche spatiale à propulsion nucléaire afin de sauver l'humanité d'un Soleil mourant et de l'emmener vers un autre système planétaire Goddard, R. H., The Ultimate Migration (manuscript), Jan.14, 1918, The Goddard Biblio Log, Friends of the Goddard Library, Nov. l l, 1972.. La peur d'une critique scientifique lui fit placer le manuscrit dans une enveloppe scellée et il ne fut publié que après Histoire de la colonisation de l'espace, NASA, 2002.. L'utilisation de ressources extraterrestres pour la conquête de l'espace est également énoncée par Goddard en 1920.
L'astrophysicien suisse Fritz Zwicky en 1948Zwicky, F., Morphological Astronomy, The Halley Lecture for 1948, delivered at Oxford, May 2, 1948, The Observatory, vol. 68, août 1948, . et l'astronome américain Carl Sagan en 1961Sagan, C., The Planet Venus, Science, vol. 133, no. 3456, mars 24, 1961, . sont les premiers à émettre l'idée d'une terraformation afin de transformer les conditions de vie d'un monde pour que l'humanité puisse le coloniser. Le physicien anglais Freeman Dyson met en avant en 1960 le concept qu'une civilisation avancée pourrait avoir complètement entouré son étoile d'habitats spatiaux ou d'astéroïdes, créant ainsi une sphère de DysonDyson, F. J., Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation, Science, vol. 131, 3 juin 1960..
En 1975 la NASA publie une série d'études sur le sujet, réalisée en collaboration avec plusieurs universités Space Settlements, A Design Study, NASA, 1975.. Ce rapport estime que pour que la colonisation spatiale soit possible, des milliers de lancements sont à envisager, ce qui nécessiterait un système de lancement bien plus économique que les fusées consommables de l'époque. C'est dans ce contexte qu'est développée la navette spatiale américaine, initialement un lanceur réutilisable, mais qui ne sera finalement que partiellement réutilisable en raison des coûts de développement et des restrictions budgétaires à la suite de l'arrêt progressif de la course à l'espace après la conquête de la Lune.
Le physicien américain Gerard K. O'Neill, dans son livre de 1977 La Haute Frontière : colonies humaines dans l'espace, développe l'idée d'une colonisation massive avec des habitats spatiaux gigantesques.
Après une pause en raison de l'arrêt de la course à l'espace qui était liée à la guerre froide, le concept de colonisation de l'espace devient moins ambitieux mais plus réaliste, avec l'établissement de la station spatiale internationale de bases permanentes sur la Lune et ensuite sur Mars par la mise en place d'un programme à moyen et long terme de la NASA et de l'ESA. De nombreux autres projets de colonisation du Système solaire sont aussi étudiés par les scientifiques depuis des dizaines d'années, mais aucun n'a eu de financements assurés comme celui de la NASA.
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 thumb|upright=1.2|Décollage de la mission Apollo 11 à bord d'une fusée Saturn V le 16 juillet 1969.|alt=Décollage de la mission Apollo 11 (1969).
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 a arrêté son service en 2011« Le lancement de Discovery reporté à février », Cyberpresse.ca, le 3 décembre 2010.. Les technologies actuelles permettent d'obtenir un indice constructif, c'est-à-dire le 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 , est 4 à 5 fois plus faible que la performance en orbite basse qui nécessite , 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 en orbite basse pour un coût de lancement de l'ordre de 150 millions d'euros, soit euros par kg de charge utileLes industriels et l'ESA s'accordent sur le plan de sauvetage d'Ariane 5, Les Échos du 30 avril 2003 • page 14. Pour le ravitaillement de la station spatiale internationale en orbite basse, cela se chiffre de euros par kg pour le vaisseau russe Progress à euros par kg pour le véhicule automatique de transfert européen. Il faut compter euros pour envoyer des charges utiles légères en orbite basse avec le futur lanceur VegaVega : Test réussi du moteur P80, Flashespace.com, 01.12.06. Pour envoyer une charge utile de plus de en orbite basse, ou 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 Budget du programme Apollo à history.nasa.gov.
Malgré ces chiffres élevés, le coût de lancement est 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 lanceur par la très onéreuse Titan IV ne représentent que 13 % des 3.27 milliards de dollars du budget de la Mission Cassini-Huygens JPL-NASA Cassini-Huygens mission Quick Facts..