La Cité des Nuages
C’est donc dans la haute atmosphère de cette planète que s’est installée la Cité des Nuages : 16 km de diamètre, 392 niveaux, des hôtels, des casinos, des raffineries… Le tout flotte dans le vide d’une atmosphère, grâce à d’imposants « répulseurs ».
Cette image très poétique est-elle vraiment de la fiction ?
Des géantes gazeuses sans pitié
Jupiter : une sonde, des windbots, et beaucoup d’ambition
Une agence spatiale a-t-elle imaginé se promener dans l’atmosphère de la géante gazeuse la plus proche de nous ? La seule mission 
à avoir réellement plongé dans l’atmosphère de Jupiter reste la sonde Galileo probe, en décembre 1995. Elle a collecté 58 minutes de données météorologiques locales avant d’être pulvérisée sous l’effet de la chaleur et de la pression.
Depuis, le JPL a réfléchi à des « aérobots » (vaisseau aérien robot). Il s’agit de ballons capables de flotter entre 1 et 10 atmosphères de pression. Le but serait d’analyser la composition chimique de l’atmosphère jovienne, mesurer les vents et les turbulences, photographier de l’intérieur certains « objets » intéressants comme la Grande Tache Rouge, voire larguer des mini-sondes encore plus profondément. Le problème pour un ballon, c’est que le dihydrogène (H2) présent dans l’atmosphère de Jupiter est déjà un gaz très léger. Il faut donc que le ballon ait un intérieur chauffé pour être moins dense que l’atmosphère. Cette énergie serait alimentée par le rayonnement infrarouge de Jupiter ou possiblement du soleil. Différentes sortes d’aérobots ont été étudiées au JPL avec les ballons expérimentaux ALICE (1993-1997) et le banc d’essai PAT (1996-1997). 
Le but du programme ALICE était de tester des ballons à fluide réversible (ce qui permet ainsi de contrôler l’altitude). Pour le programme PAT, l’objectif était de tester un ballon avec 10 kg de charge utile et un pilotage autonome. Cette recherche sur les ballons se voulait globale, autant pour explorer l’atmosphère de Jupiter que celle de Titan ou Vénus.
Une autre étude portée par le JPL en 2015, financée à hauteur de 100 000 $ par le programme NIAC de la NASA a envisagé des « windbots » (des robots à vent). Issus des expériences des années 1990, il s’agit d’engins sans ailes ni ballons qui exploiteraient l’énergie des turbulences atmosphériques. Cela leur permettrait de se maintenir en altitude contrairement aux sondes comme Galileo. Le concept explique que la sonde « rebondirait » ainsi dans l’atmosphère afin de récolter de précieuses données. Ces données seraient alors utiles pour comprendre la météorologie non seulement sur Jupiter mais aussi sur notre Terre. Concrètement, il s’agit d’un polyèdre équipé de plusieurs rotors sur différentes faces. Cela lui permet de créer une portance, de 
changer de direction et d’extraire l’énergie du vent (un peu comme pour une montre automatique). Les variations de température et même le champ magnétique de Jupiter pourraient être d’autres sources d’énergie. Le responsable du projet compare l’idée à celle d’une graine de pissenlit qui tourne en tombant et reste longtemps en l’air. Mais plusieurs choses restent indéterminées, notamment : quelle est la portance nécessaire pour la viabilité du windbot ? Quelle taille doit-il avoir ? 10 mètres ou 100 mètres de diamètre ? Le projet s’est arrêté là.
Pour le moment, aucune de ces missions n’a été retenue pour Jupiter.
Mais est-ce qu’une ville pourrait s’installer là-bas ? Ce serait impensable. Même dans les couches supérieures, les vents peuvent atteindre plus de 500 km/h, les températures sont extrêmes (de -80 à -145°C), mais surtout : la ceinture de radiations de Jupiter reste l’un des environnements les plus hostiles du système solaire.
Saturne : SPRITE et DragonfLy
Pour Saturne, il n’a pas été sérieusement envisagé de faire flotter quoi que ce soit dans l’atmosphère de la planète. En revanche, la 
sonde de descente atmosphérique SPRITE a été proposée dans le cadre du programme New Frontiers de la NASA. Elle avait pour objectif de mesurer la composition et la structure de l’atmosphère jusqu’à au moins dix fois la pression atmosphérique terrestre. Finalement, c’est le programme Dragonfly qui lui a été préféré.
En effet, Titan, une des lunes de Saturne est une cible plus accessible. Son atmosphère d’azote, deux fois plus dense que celle de la Terre, la rend particulièrement attractive pour l’exploration par « aérobot ». Là aussi, le JPL a étudié plusieurs concepts : ballon 
à hydrogène, ballon à surpression, et montgolfière chauffée par le rayonnement thermique de Titan. Finalement, c’est la mission Dragonfly qui retient l’attention. Il s’agit d’un drone à rotors de 450 kg qui doit se poser sur la surface de Titan en 2034. Il est alimenté par un générateur à radioisotopes qui lui permettra de tenir sa mission de 3,3 ans. Il pourra recueillir des échantillons à différents endroits et les analyser grâce à ses outils embarqués. Son lancement est prévu en 2028.
concept d’artiste de Dragonfly à la surface de Titan.
Vénus, la sœur de la Terre
Si les recherches sur nos géantes gazeuses ne permettent pas de trancher favorablement pour une Cité des Nuages, il existe néanmoins une candidate plus inattendue : notre planète voisine, Vénus.
Pourquoi est-elle inattendue ? Parce que la surface de Vénus, est un enfer au sens littéral du terme. Sa pression de surface équivaut à 92 fois celle que nous connaissons sur Terre. C’est la pression reçue par un engin sous-marin de recherche à 910 mètres de profondeur sur Terre. 
Pour mémoire, lorsque Jacques Piccard descend dans la fosse des Mariannes en 1960, son bathyscaphe (ci-contre), fabriqué en acier allié au chrome-nickel-molybdène, a subit 1086 bars, soit 12 fois la pression de Vénus. Mais dans la fosse des Mariannes, la température est de 1,5 à 2 °C. Sur Vénus, la température de surface oscille entre 437 et 497 °C. Pour donner une idée concrète de ce que cela représente, c’est une température suffisante pour que le plomb soit liquide et même vaporisé. Sur les plus hauts sommets de Vénus, le sulfure de plomb et le sulfure de bismuth tombent effectivement sous forme de « neige de métaux ». Ce givre se condense à partir de 2600 mètres d’altitude là où il fait un tout petit peu « moins chaud », en refroidissant sur les sommets des montagnes brûlantes. Et quand il vient à pleuvoir, les nuages chargés d’acide sulfurique lâchent des gouttelettes qui tombent mais s’évaporent avant même de toucher le sol. Ces 3 ingrédients : pression + température + acide sulfurique font de l’exploration de la planète un rêve lointain.
Un bathyscaphe serait donc abîmé par l’acide sulfurique et déformé par la combinaison de la température et de la pression. Son équipage ne survivrait pas longtemps avant de finir écrasé à l’intérieur. Dans ces conditions, les sondes soviétiques Venera, pourtant conçues pour résister, n’ont jamais survécu plus d’une heure à la surface. Autant dire que poser le pied sur Vénus est infaisable.
Néanmoins, à 50 kilomètres d’altitude l’environnement est radicalement différent. A l’heure actuelle, c’est littéralement la zone la plus similaire aux conditions terrestres dans tout notre système solaire. Elle est bien plus favorable que la surface de Mars, ou que n’importe quel autre endroit accessible. Voici plusieurs raisons :
• Trajet : le temps de voyage pour Vénus a de quoi faire relativiser le rêve martien : les fenêtres de tir sont plus fréquentes et la durée moyenne de voyage est bien plus courte.
• Atmosphère : l’atmosphère de Vénus est composée à 97 % de CO2. Notre air, lui, est plus léger que ce mélange. Résultat : une capsule remplie d’air respirable flotterait naturellement dans cette atmosphère, comme un ballon à hélium le ferait dans le ciel terrestre. Pas besoin de « répulseurs ». Il faudrait tout de même alimenter les dirigeables avec de l’hélium pour réduire la taille des ballons. Cela implique de l’apporter sous forme comprimée et de le déployer rapidement pendant la phase de gonflage.
• Gravité : la gravité vénusienne, même à 50 km d’altitude serait de 89 % celle de la Terre, là où Mars est de 38 %. Cela limite beaucoup de complications sur l’organisme des astronautes.
• Pression : à 50 km d’altitude, la pression atmosphérique est comparable à celle que l’on trouve sur Terre (≃ 1 bar). Ce qui veut dire que les précautions et les constructions ne sont pas les mêmes que celles nécessaires dans un sous-marin ou dans l’ISS. Idem pour la maintenance.
• Température et luminosité : la température oscille entre 0 et 30 °C. Encore une façon d’économiser de l’énergie. De plus, à cause de l’albédo de Vénus, la lumière solaire vient de toute part. Un panneau solaire peut très bien se tenir à la verticale et être alimenté des 2 côtés.
• Radiations : l’atmosphère y est suffisamment dense pour filtrer une bonne partie des rayonnements spatiaux. Sur Terre, la dose de radiation naturelle est d’environ 2 à 3 mSv / an. Sur Mars, c’est plutôt 230 mSv / an. Sur Vénus, la dose serait « proche de celle de la Terre ».
Difficile de nier le potentiel de cette sœur de la Terre. Si on compare le concept aux projets liés à Mars, le budget, les risques, la logistique : tout penche du côté de Vénus, pourvu qu’on reste dans son atmosphère.
Des ballons soviétiques en guise de pionniers
Avant de parler de villes flottantes, il faut d’abord aller y jeter un œil. Et c’est l’Union Soviétique qui a eu l’audace de le faire, en 
pleine Guerre Froide spatiale. Après les multiples sondes Venera (de 1967 à 1981), les missions soviétiques Vega 1 et Vega 2 larguent chacune un atterrisseur et un ballon en juin 1985. Ce double largage est le résultat d’une collaboration entre l’URSS et le CNES (l’agence spatiale française) et le fruit d’une idée de Jacques Blamont proposée aux Russes en 1967. Ces ballons ont flotté entre 50 et 55 km d’altitude, dans la zone dont nous venons de parler. Ils ont mesuré la température, la pression et la vitesse du vent. C’est une première mondiale, malheureusement un peu tombée dans l’oubli. Les batteries finissent par lâcher au bout de deux jours mais la preuve est faite qu’un engin peut évoluer dans cette zone de l’atmosphère vénusienne.
HAVOC : la Cité des Nuages façon NASA
Dale Arney et Chris Jones sont ingénieurs pour la NASA au Langley Research Center (l’aérodynamisme du module lunaire des missions Apollo y avait été testé). Après une réunion portant sur les missions habitées vers Mars, ces deux hommes se sont tout simplement interrogés sur l’équivalent d’une mission vers Vénus. C’est l’origine du concept HAVOC (Concept Opérationnel pour la Haute Altitude de Vénus) étudié entre 2014 et 2015. L’idée est simple : envoyer des astronautes dans l’atmosphère de Vénus, à bord d’un dirigeable gonflé à l’hélium, flottant à 50 km d’altitude.
Mais comme toujours, il faut bien un bémol, et le premier est de taille. Entre 50 et 55 km d’altitude, l’atmosphère est parcourue de brumes d’acide sulfurique. Pour se défendre contre ce brouillard jaunâtre et corrosif, les sondes Véga utilisaient le revêtement Téflon PTFE polytétrafluoroéthylène, mais il était lourd. La NASA a donc opté pour un revêtement stratifié multicouche qui permettrait de résister même à des concentrations élevées d’acide sulfurique. Il faut donc protéger l’ensemble des surfaces en contact avec l’extérieur, mais ce n’est pas impossible.
Une fois gonflé, le dirigeable atteint la longueur d’une fusée Saturn V — soit 111 mètres — avec une largeur trois fois supérieure. Autrement dit, un engin de la taille d’un immeuble de trente étages couché sur le flanc, flottant dans les nuages d’une planète à 40 millions de kilomètres de chez nous.
Le programme se détaille en cinq phases progressives. La première phase, consiste à déployer un dirigeable de 31 mètres qui testera sur place tout ce qu’il faudra maîtriser par la suite : la structure, l’énergie, l’aérocapture. La phase 2 envoie des astronautes en orbite autour de Vénus, sans descendre dans l’atmosphère dans un premier temps. La phase 3 : un test d’un mois dans l’atmosphère. La phase 4 : un an. Et la phase 5 ? Plusieurs dirigeables, une vraie colonie, l’installation d’une base humaine permanente dans le ciel de Vénus : une ville flottante.
Le retour sur Terre se ferait par largage d’une capsule d’astronautes, juste avant qu’une fusée à 2 étages ne s’allume et rejoigne l’orbite avec son module de retour. Amateurs de sensations, ne cherchez plus…
Ci-dessous une vue d’artiste cherchant à illustrer les colonies humaines (cliquer sur les images). Il semble que ce ciel bleu dépourvu d’acide sulfurique avait pour but de mettre en valeur l’habitat de la mission. L’illustration suivante montre ce fameux ciel jaunâtre, une version « corrigée » de ce à quoi ressemblerait plutôt la mission HAVOC en réalité.
Second bémol : le vent. Les vents détectés par les sondes Vega étaient de 240 à 250 km/h à 53-54 km d’altitude. Ce serait gênant si un objectif précis était recherché. Mais les ballons ont justement pour but de « chevaucher » ces vents et de corriger simplement leur dérive polaire. Néanmoins en phase de colonisation, il faudra pouvoir effectuer des rendez-vous atmosphériques. C’est là que les choses se compliquent. Il faudrait alors changer d’altitude pour trouver des zones plus « calmes » et permettre ces rendez-vous. Cela consommerait plus d’énergie mais en pratique ce n’est pas impossible.
En attendant HAVOC, il y a DAVINCI, VERITAS et EnVision
HAVOC n’est pas un projet ou un programme de mission à proprement parler : l’objectif est d’analyser une mission complexe et de tester des idées d’architecture pour l’exploration humaine. Mais des missions concrètes vers Vénus arrivent bel et bien dans les années qui viennent.
Trois missions ciblent Vénus dans les années 2030 : DAVINCI et VERITAS côté NASA, EnVision côté ESA. Chacune avec ses propres objectifs.
La mission DAVINCI+(Étude de l’atmosphère profonde de Vénus : gaz rares, chimie et imagerie)
Va larguer une sonde dans l’atmosphère qui descendra jusqu’à la surface. La sonde tentera de répondre à différentes questions, notamment : est-ce que Vénus a pu ressembler à la Terre par le passé ? Si oui, notre voisine aurait connu pendant des millions d’années les conditions qui permettaient la vie, avant de devenir un enfer planétaire. On ne comprend pas encore vraiment la raison de ce changement.
La sonde DAVINCI+ sera lancée en 2029. Elle commencera sa mission en 2030, en effectuant deux survols de la planète. En 2031, elle effectuera une entrée atmosphérique puis terminera avec une entrée atmosphérique en 2031.
VERITAS (Émissivité de Vénus, radioscience, InSAR et Spectroscopie
Est un orbiteur qui sera lancé en 2031. Son objectif est de cartographier toute la planète et de déterminer ce qui compose la surface de Vénus. Elle cherchera notamment la présence d’eau (passée ou actuelle) et analysera la géologie de la planète afin d’en apprendre plus sur son fonctionnement et sur son histoire. Elle pourrait disposer d’un nanosatellite si ce dernier dispose du financement nécessaire. Cela complèterait la mission en apportant des données sur les gaz qui composent une partie de l’atmosphère de la planète.
EnVision, de son côté, a été retenue par l’ESA avec un lancement ciblé « au début des années 2030 ». Là aussi, son objectif est de cartographier la planète dans sa globalité, mais aussi de sonder sa structure (du noyau jusqu’à la haute atmosphère). Le but est de comprendre pourquoi Vénus et la Terre ont évolué différemment. L’ESA avait déjà exploré la planète avec Venus Express, de 2005 à 2014.
Une colonie autonome ?
Une colonie vénusienne qui atteindrait et dépasserait la phase 4-5 aurait besoin de s’agrandir. Au début, la vie de la colonie consisterait à exporter essentiellement des données scientifiques. Malgré cela, cette colonie serait-elle viable ?
Vénus contient 96,5 % de CO2 dans son atmosphère. Avec l’électrolyse (coûteuse en énergie), le CO2 donnerait alors de l’O2 et du carbone. Le dioxygène indispensable pour notre air et notre eau. En fonction de l’électrolyse, le carbone permettrait d’obtenir du graphite, du graphène, des nanotubes de carbone, ou du carbone amorphe par exemple. Une imprimante 3D sait déjà utiliser ces produits. Le graphite est utile pour l’électrolyse. Le graphène est sans doute le matériau le plus résistant au monde. Les nanotubes de carbone servent à fabriquer des matériaux composites.
L’acide sulfurique (H2SO4) est particulièrement utile dans l’industrie chimique terrienne. Sur Vénus, il n’y aurait qu’à « cueillir » la brume pour en récolter et l’utiliser (75 à 85 % de la composition des nuages). Il est également possible de l’utiliser comme source d’hydrogène (H2). Mais ce n’est pas tout, en utilisant la réaction de Sabatier sur du CO2 et de l’H2 on obtiendrait une molécule de méthane et 2 molécules d’eau. Le méthane pourrait être utilisé comme carburant de propulsion des dirigeables et des villes flottantes dans un circuit quasi fermé. De façon plus directe, il est possible de décomposer thermiquement le H2SO4 puis, suivi ou pas d’une électrolyse on peut obtenir selon le besoin : de l’eau, du dioxygène, de l’anhydride sulfurique et du souffre.
On trouve également 3,5 % d’azote dans cette atmosphère, ça paraît peu par rapport aux 78 % de l’atmosphère terrestre. En réalité, sur Vénus, la masse de l’atmosphère est 90 fois supérieure à celle de la Terre (ce qui explique la pression atmosphérique au sol). Conclusion, il y a en réalité 4 fois plus d’azote sur Vénus que sur Terre… De quoi terminer largement le mélange nécessaire pour que les colons aient de l’air terrien à respirer. De plus, pour une colonie, l’azote mélangé à l’hydrogène récupéré, ce sont des engrais illimités pour les plantes. Des plantes, c’est également de la production de nourriture et d’oxygène. Il ne serait même pas utile d’avoir un substrat, l’hydroponie et l’aéroponie ont prouvé qu’elles pouvaient avoir des rendements supérieurs à l’agriculture classique (c’est le cas sur l’ISS). L’azote liquide pourrait aussi servir de propulsion froide notamment pour sécuriser et ajuster les points de rendez-vous.
Finalement, la colonie serait une usine de produits chimiques et de produits transformés. Elle pourrait exporter ses produits à partir d’éventuels transporteurs à destination de Mars ou ailleurs. Même si cela parait ambitieux, l’énergie disponible et les ressources présentes donnent tout de suite un aspect beaucoup plus réaliste à cette colonie qu’à une colonie martienne.
Cette expérience serait d’ailleurs bien plus parlante et réalisable que celle de Biosphère 2 (voir l’article sur les mégastructures). Car il ne s’agit pas d’un circuit complètement fermé. L’équipage puise les ressources de la planète et les transforme. Il peut corriger ses besoins en exploitant plus ou moins l’atmosphère.
On peut noter au moins 2 carences pour la colonie : l’hélium (trop rare et compliqué à extraire de l’atmosphère de Vénus) et les métaux. Peut-on envisager la création de dirigeables en graphène ? Bien utilisé, ce matériau peut être plus résistant que l’acier, tout en étant beaucoup plus léger. Il est résistant à l’acide sulfurique mais de façon imparfaite, il faudrait alors le couvrir de téflon pour le rendre indestructible. Vénus possède le carbone, le méthane et l’eau, on l’a vu ; mais elle possède aussi le fluor (fluorure d’hydrogène) et le chlore (chlorure d’hydrogène) dans son atmosphère. De quoi faire du téflon, mais il faut qu’il soit de qualité. La pyrolyse nécessaire (entre 590 et 900 °C) peut se faire à l’aide d’un four solaire, une énergie abondante sur Vénus.
Il s’agit là d’une interprétation optimiste de la mission HAVOC, mais en restant réaliste, cela pourrait ressembler à :
Phase 1 : tout est importé depuis la Terre.
Phase 2 : tout est importé depuis la Terre.
Phase 3 : l’air, l’eau et la nourriture sont produits à petite échelle localement.
Phase 4 : Le méthane et l’azote liquide sont produits localement. Les matériaux structurels sont produits localement.
Phase 5 : L’hélium importé depuis la Terre est progressivement remplacé par de l’air et des ballons beaucoup plus grands (à base de polymères multicouches et étanches fabriqués sur place). L’électronique reste une question centrale, notamment l’électronique de puissance.
C’est le bémol du projet : l’électronique viendrait forcément de la Terre dans un premier temps. L’exploitation des métaux nécessaires est impossible sur la planète. Cela implique de rester sous « perfusion » de la Terre pour ces ressources. Les planétologues reconnaissent qu’il serait même plus simple de capturer un astéroïde à exploiter en orbite de Vénus que de descendre en enfer. Même un ordinateur non conventionnel comme le SiC nécessite quelques métaux et du silicium qui ne seraient disponibles qu’à la surface de Vénus. Le SiC de la 
NASA pourrait même résister aux températures de la surface de Vénus, mais pas encore à la pression. La NASA s’est aussi penchée sur cette question avec son programme initialement baptisé AREE (Rover autonome pour environnements extrêmes) qui est un projet du issu du NIAC (2016-2018). L’idée est simple : supprimer l’électronique et penser différemment l’exploration spatiale. Jonathan Sauder qui est derrière cette idée, propose de tout remplacer par de la mécanique horlogère, ce qui permettrait d’envoyer des robots dans les zones les plus hostiles restées inexplorées (comme Vénus). Le résultat serait proche des calculateurs mécaniques du 19ème siècle. L’énergie pourrait être éolienne, assistée de ressorts (avec le principe de la montre automatique, comme pour les windobts). A cause de sa lente rotation, Vénus a des nuits de 58 jours. Cela implique de se repérer, y compris dans l’obscurité et éviter des obstacles. C’est pourquoi Sauder a proposé une production participative (crowdsourcing) qui a eu lieu en 2020 avec 15 000 $ pour le vainqueur. Cela a permis de recevoir les propositions de gens qui aiment bricoler.
Le défi avait pour but de détecter l’environnement immédiat du futur rover. Ce rover devait être capable d’éviter :
– les pentes supérieures à 30 degrés d’inclinaison.
– Les rochers de plus de 35 cm de haut
– Les trous et les creux de plus de 35 cm de profondeur.
Un prototype a ensuite été développé dans la foulée. Le test a été réalisé dans une chambre de simulation de l’atmosphère de Vénus. 
Cela a permis de mettre à l’épreuve le système de recul automatique face à un obstacle, tout en faisant le constat que la température et la pression n’avait pas engendré de dégâts notables. Depuis, le projet a été rebaptisé HAR-V. En effet, un rover 100 % mécanique serait trop limité. HAR-V transporterait donc quelques équipements modernes tout en conservant une robustesse mécanique. Sauder ambitionne d’utiliser le vent comme source d’énergie afin de faire avancer le rover. Une partie de cette énergie pourrait également être stockée dans un ressort. Le rover semble attendre son heure dans un carton. Mais si une exploration de la surface de Vénus devait avoir lieu avec un rover-automate, il n’y a pas de doute que le prototype serait l’un de ses ancêtres. Si des robots parviennent un jour à extraire du silicium et même quelques métaux, la colonie serait alors totalement autonome. Notons qu’un robot efficace sur Vénus le serait tout autant dans certains environnements volcaniques terriens et même pour des centrales nucléaires ou des zones irradiées
L’exploitation de l’atmosphère de Vénus qui pourrait être le cœur battant d’une colonie, est pour le moment spéculative même si cela reste envisageable. Cette colonie serait une petite ville de chercheurs en tous genres, mais surtout une raffinerie d’atmosphère. Il faudrait autant de chimiste que de développeurs informatiques. Elle serait basée sur l’industrialisation, la robotisation et la transformation chimique de l’atmosphère afin de produire tout ce qui est nécessaire à sa survie. Sans les machines adaptées pour mettre en place la colonie, rien ne serait envisageable (système ISRU, collecteur atmosphérique, condenseur, réacteur Sabatier, réacteur CVD, craqueur, électrolyseur, imprimantes 3D, ateliers de synthèse des composites et matériaux, robotisation globale),
Ce qui reste à trouver, comme presque toujours dans ce genre de programme, c’est la volonté d’une agence spatiale et des budgets solides et stables.
Sites officiels :
NIAC
SPRITE
Dragonfly
La neige de métaux lourds
Le programme HAVOC
Venus: The Atmosphere, Climate and Environment
Le SiC (ordinateur au silicium et au carbone, avec quelques métaux)
Quelques films concernés :
