alt=|vignette|Quelques équipements d'une mission sur Mars : véhicule pressurisé, habitat et vaisseau de retour (scénario NASA). thumb|Le vaisseau utilisé par l'équipage pour se diriger vers Mars (scénario NASA 2009).

La réalisation d'une mission spatiale habitée vers Mars est évoquée bien avant les débuts de l'astronautique, dès 1940. Initialement thème de science-fiction, elle devient pour certains, à la suite du débarquement de l'homme sur la Lune en 1969, la prochaine étape de la conquête spatiale. Mais la réussite de ce projet demande des moyens financiers encore bien supérieurs à ceux du programme Apollo, lui-même lancé grâce à un concours de circonstances particulièrement favorable (guerre froide, embellie économique). Un vol habité vers Mars est également un défi technique et humain sans commune mesure avec une expédition lunaire : taille des vaisseaux, système de support de vie fonctionnant en circuit fermé sur de longues durées (), fiabilité des équipements, qui ne peuvent être réparés ou dont la redondance ne peut être systématiquement assurée, problèmes psychologiques d'un équipage confiné dans un espace restreint dans un contexte particulièrement stressant, problèmes physiologiques découlant de l'absence de gravité sur des périodes prolongées et de l'effet des rayonnements sur l'organisme.

Depuis le début des années 1960, des études sur le sujet sont réalisées et explorent les scénarios et les solutions techniques. Plusieurs points sont particulièrement débattus : trajectoire en opposition ou en conjonction, recours à la propulsion nucléaire, taille de l'équipage, utilisation de l'aérocapture pour freiner l'engin à l'arrivée sur Mars, méthode d'atterrissage sur Mars, production du carburant du voyage de retour in situ, nombre et tonnage des engins spatiaux à lancer. Les avant-projets les plus aboutis émanent de la NASA, pionnière et agence spatiale civile la mieux dotée, qui affine une solution lourde () nécessitant de placer entre 850 et en orbite terrestre basse par une dizaine de lancements. D'autres sont élaborés par des groupes de passionnés regroupés dans des associations comme la , qui préconisent une solution moins coûteuse, Mars Direct, ou Mars Semi-Direct ne nécessitant que deux, trois ou quatre lancements selon les versions. Tous ces scénarios nécessitent que des technologies clés soient développées et testées, notamment l'aérocapture, la dépose de masses élevées sur le sol martien et l'extraction des ressources à partir de l'atmosphère ou du sol martiens.

Le projet doit mobiliser des ressources financières énormes et présente des risques importants, alors que le succès des missions robotisées sur Mars démontre la validité de cette approche pour explorer la planète. Grâce à ces missions, l'homme a découvert que Mars n'offrait pas un environnement particulièrement accueillant. L'étude in situ de la géologie de la planète par des astronautes et le mythe de la frontière, très vivace aux États-Unis, ne parviennent pas à convaincre les décideurs de franchir le pas. La NASA et SpaceX développent des engins, comme le lanceur lourd SLS et le vaisseau spatial interplanétaire Orion, qui pourraient contribuer à une mission martienne, mais il n'existe pas en 2019, au sein des agences spatiales et depuis l'abandon du programme Constellation, de projet cohérent même à long terme de mission habitée vers Mars qui ait commencé à être mis en œuvre.

Objectifs d'une mission habitée vers Mars Mars : la cible privilégiée de l'exploration spatiale

thumb|Prospection géologique dans un canyon martien (image d’artiste). Dans le domaine de l'exploration spatiale, Mars tient une place à part parmi les planètes du système solaire. Bien qu'elle soit plus éloignée du Soleil que la Terre (ensoleillement deux fois plus faible) et beaucoup plus petite que celle-ci (moitié du diamètre), Mars est la planète dont les caractéristiques sont les plus proches. La probabilité d'y découvrir des formes de vie présentes ou passées y est la plus importante. Mars est aujourd'hui une planète froide, sèche et presque dépourvue d'atmosphère, mais dans un lointain passé elle a été chaude et l'eau a coulé à sa surface. Plus éloignée de la Terre que Vénus, elle se situe néanmoins à une distance qui permet à un vaisseau spatial de l'atteindre entre six et neuf mois en suivant une trajectoire économisant la consommation d'ergols. L'eau ne coule plus à la surface, mais elle est abondante dans les calottes polaires et dans les zones ombragées des cratères situés à des latitudes même très basses. Les principaux éléments chimiques nécessaires à l'installation d'une colonie (oxygène, azote, hydrogène, carbone) sont présents soit dans l'atmosphère soit dans le sol de la planète.

Apport de l'homme

Les agences spatiales lancent régulièrement des engins spatiaux automatisés ayant pour objectif l'étude scientifique de Mars. Plus de quarante sondes spatiales, orbiteurs, atterrisseurs et rovers, ont été envoyés vers Mars depuis le début des années 1960. Après un hiatus de près de 15 ans, il se lance depuis 1996 au moins une nouvelle sonde spatiale à chaque ouverture de la fenêtre de lancement vers Mars soit tous les 26 mois. Cet afflux d'engins, équipés d'instruments scientifiques de plus en plus sophistiqués et adaptables, a permis de recueillir énormément de données et d'effectuer de nombreuses découvertes. Malgré les progrès dans le domaine de l'électronique et de l'informatique utilisées par ces engins robotisés, l'envoi d'un équipage sur le sol martien présente plusieurs avantages importants : compréhension du contexte géologique : identification rapide (visuelle) du contexte géologique, détermination des roches identiques et différentes, manipulation des roches pour déterminer leur type, caractéristiques… ; sélection des échantillons de roches et de sol : détermination des échantillons les plus pertinents en fonction du contexte, mise en relation entre l'échantillon et son contexte géologique, identification d'échantillons présentant une valeur scientifique exceptionnelle ; analyse à l'aide d'instruments des échantillons collectés : manipulation des échantillons, adaptation des procédures d'analyse, prise en compte des résultats d'analyse pour les collectes d'échantillons postérieures ; réalisation de mesures sur le terrain : l'homme est à la fois plus rapide et ses mesures sont de meilleure qualité ; utilisation à distance de robots. Les robots martiens sont actuellement dirigés depuis la Terre. Compte tenu de la distance et donc du temps de latence (10 à ) l'utilisation de ces robots est fortement pénalisée. Le pilotage de robots depuis le sol martien caractérisé par des temps de latence de l'ordre de la seconde décuple la productivité du robot ; à long terme, notamment dans le cadre d'une base permanente, c'est le domaine des sciences du vivant qui pourrait connaître un développement scientifique très important. Les humains pourraient tester des écosystèmes fonctionnant en atmosphère très différente de celle de la Terre, que ce soit en termes de pression et de composition de l'air, ainsi qu'en pesanteur martienne, proche d'un tiers de la gravité terrestre. Des organismes génétiquement modifiés pourraient également être testés pour une meilleure adaptation aux conditions de vie martienne, d'abord dans les serres, puis en extérieur. Dans le cadre d'une colonisation de Mars, les sciences humaines et sociales pourraient également connaître d'importants développements.

Les objectifs d'une mission spatiale martienne

Des objectifs scientifiques sont avancés pour justifier l'envoi d'astronautes sur le sol martien. La désignation de ces objectifs dépend des moyens qui seront accordés aux équipages : nombre et durée des sorties extravéhiculaires, capacité des véhicules, équipements d'analyse disponibles sur place, équipements de mesure (stations météo, etc.), capacité de la foreuse, énergie disponible, implication des rovers robotisés, etc. La priorité sera donnée aux recherches qui ne peuvent être menées par des robots d'exploration. Trois domaines scientifiques sont concernés :

l'astrobiologie : recherche de la présence de vie passée ou actuelle pour en étudier les caractéristiques. Passe par la recherche de la présence d'eau. Les objectifs qui peuvent être cités aujourd'hui dans ce domaine pourraient être fortement modifiés avant le lancement de la première mission par les découvertes effectuées par les rovers robotisés ou à l'issue d'une mission de retour d'échantillons martiens. Ces recherches imposent que la région explorée présente des caractéristiques bien spécifiques, et nécessite la disponibilité d'un laboratoire bien équipé et un certain temps pour les sorties extravéhiculaires ; la géologie : étudier la géologie et la géophysique de la planète permet de mieux comprendre sa genèse, l'évolution de son climat avec des retombées sur notre compréhension de la formation et de l'évolution de la Terre. Les glaces de l'Amazonien constituent la cible prioritaire. La disponibilité de moyens de déplacement est essentielle pour remplir les objectifs dans ce domaine. Ces recherches nécessitent la disponibilité d'un laboratoire apte à étudier les échantillons recueillis et un grand nombre de sorties extravéhiculaires ; les sciences de l'atmosphère : mesures à l'aide de stations météorologiques secondaires.

À long terme, dans le cadre de bases permanentes, tous les domaines scientifiques sont concernés, en particulier celui de la biologie.

Compte tenu du coût énorme d'une mission martienne, il est très probable que les motivations politiques et sociétales joueront un rôle encore plus important que les objectifs scientifiques dans la décision de lancer le projet. Le seul programme spatial de cette envergure, le programme Apollo, a été lancé pour contrer l'influence de l'Union soviétique qui dominait à l'époque les États-Unis dans l'exploration spatiale dans un contexte de guerre froide entre les deux pays. Parmi les motivations non scientifiques, on peut citer : réaliser des progrès techniques grâce aux défis soulevés par le projet ; fédérer les nations autour d'un projet international ; démontrer la prééminence de son pays ou de son système politique dans un climat de forte rivalité entre nations (motivation du programme Apollo) ; poser les jalons d'une présence permanente sur Mars, pour explorer toujours plus loin et repousser les limites de la vie, de l'humanité et des connaissances scientifiques.

Complexité d'une mission martienne L'envoi d'un équipage à la surface d'un autre objet céleste constitue une prouesse dont atteste la complexité et le coût du programme Apollo (environ de dollars US), qui reste la seule tentative effectuée dans ce domaine. Depuis cette époque, les progrès techniques dans le domaine spatial sont restés relativement limités, hormis en électronique. En particulier, aucune percée décisive n'a été effectuée dans le domaine de la propulsion spatiale, ce qu'illustre la mise en œuvre sur des lanceurs récents de moteurs mis au point dans les années 1960. Or l'envoi d'hommes vers Mars constitue un objectif beaucoup plus complexe que l'atterrissage d'un équipage sur la Lune.

+Complexité d'une mission martienne : comparaison avec une mission Apollo Caractéristique de la mission Mission Apollo Mission martienne ImpactDurée de la mission 12 jours 640 jours ou 910 jours (scénario d'opposition ou de conjonction) - Nécessité d'un volume habitable important. - Protection contre les radiations.- Gestion des effets de l'apesanteur.