L’espace extra-atmosphérique n’est pas exactement un environnement convivial, c’est pourquoi nous faisons de grands efforts avant de stimuler les gens là-bas. Une fois que vous êtes à quelques centaines de kilomètres de notre planète rocheuse bien-aimée, les choses deviennent inconfortables en raison du manque d’oxygène, du froid extrême et des fortes doses de rayonnement.

En particulier, ce dernier pose un grand défi pour les voyages spatiaux à long terme, et les gens travaillent donc sur divers concepts pour protéger l’ADN des astronautes contre l’écrasement des rayons cosmiques. Cela est devenu de plus en plus évident alors que la NASA envisage de futures missions habitées sur la Lune et sur Mars. Alors apprenons-en plus sur les dangers posés par les rayons cosmiques galactiques et les éruptions solaires.

Rayonnement de l’espace

Lorsque le prêtre et physicien jésuite allemand Theodor Wulf a escaladé la tour Eiffel en 1910 avec un électromètre, il voulait montrer que les sources naturelles de rayonnement ionisant proviennent du sol. Et tandis que les lectures au sommet de la tour étaient inférieures au niveau du sol, elles étaient toujours beaucoup plus élevées que ce à quoi on pourrait s’attendre si le sol était la seule source. Quelques années plus tard, Victor Hess entreprend plusieurs vols risqués en ballon jusqu’à des altitudes de 5,3 km pour mesurer systématiquement le niveau de rayonnement en observant le taux de décharge d’un électroscope. Ses expériences ont montré que les niveaux de rayonnement augmentent au-dessus de ~ 1 km, et il a conclu à juste titre qu’il doit y avoir une source de rayonnement pénétrant l’atmosphère depuis l’espace.

Les rayons cosmiques qui pleuvent sur Terre sont principalement des protons (~ 90%), des noyaux d’hélium (~ 9%) et des électrons (~ 1%). De plus, il y a une petite fraction de noyaux plus lourds et une minuscule bouffée d’antimatière. Ces particules nous sont envoyées par le Soleil et d’autres accélérateurs de particules naturelles galactiques et extragalactiques comme les supernovae ou les trous noirs.

Comment la Terre nous protège

Ceinture de Van Allen et localisation de l’anomalie de l’Atlantique Sud
Crédit: Marko Markovic, domaine public

Heureusement pour nous, le champ magnétique terrestre dévie de nombreuses particules chargées afin qu’elles ne touchent jamais l’atmosphère. Certains d’entre eux sont capturés dans deux anneaux en forme de beignet autour de la Terre, les ceintures de Van Allen. De plus, l’atmosphère fait également un bon travail de protection. Les rayons cosmiques primaires frappant les atomes de notre atmosphère produisent une pluie de particules secondaires avec des énergies beaucoup plus faibles de sorte que la plupart d’entre elles n’atteignent pas le sol.

L’exposition moyenne aux radiations ici sur Terre est d’environ 3 mSv par an. En fonction de votre altitude, environ 0,39 mSv (13%) est contribué par le rayonnement cosmique. Voler en avion à 12 km d’altitude augmente votre exposition aux radiations d’environ 10 fois par rapport au niveau de la mer. Les choses sont encore pires si votre itinéraire de vol est proche des pôles géomagnétiques où se concentrent les particules chargées. Si vous êtes intéressé par la dose de rayonnement que vous recevrez lors de votre prochain vol, consultez la page Web NAIRAS de la NASA. Il fournit une carte globale des débits de dose de rayonnement pour différentes altitudes qui sont produits en temps quasi réel à partir des mesures de l’activité solaire et des rayons cosmiques.

Doses sur l’ISS, la Lune et Mars

Comparaison des doses de rayonnement. Notez l’échelle logarithmique.
Crédit: ASA / JPL-Caltech / SwRI, domaine public

Pour un membre d’équipage de l’ISS, la dose de rayonnement moyenne est d’environ 72 mSv pour un séjour de six mois au maximum solaire: elle est environ 50 fois plus élevée que sur Terre. Parce que la contribution des particules solaires varie avec le cycle solaire de 11 ans, on pourrait penser que la dose de rayonnement est plus faible pendant le minimum solaire. Mais en fait, la dose est environ deux fois plus élevée que pendant le maximum solaire.

En effet, la source dominante de rayonnement sur l’ISS est les rayons cosmiques galactiques (GCR), qui sont déviés par le champ magnétique du Soleil. L’intensité du GCR est la plus élevée pendant le minimum solaire lorsque le champ magnétique du Soleil est le plus faible. Même un grand événement de particules solaires (SPE) comme une éruption solaire ou une éjection de masse coronale ne peut pas blesser beaucoup les astronautes de l’ISS, mais balaie à la place d’autres particules chargées, réduisant ainsi le flux GCR pendant des semaines. Cet effet est connu sous le nom de diminution de Forbush.

Une autre contribution importante à l’exposition aux radiations à bord de l’ISS provient des protons piégés dans la ceinture de Van Allen. L’exposition est la plus importante lorsque l’ISS traverse la soi-disant Anomalie de l’Atlantique Sud (SAA) où la ceinture de rayonnement se rapproche de la surface de la Terre. La plupart du temps, l’ISS orbite confortablement à l’intérieur de la ceinture de Van Allen, mais pendant les 5% du temps de mission que l’ISS passe dans la SAA, il peut être responsable de plus de 50% de la dose totale de rayonnement absorbée.

La Lune, par contre, est exposée à toutes sortes de rayons cosmiques car elle est située beaucoup plus loin et n’a ni champ magnétique ni atmosphère. Ici, des SPE comme la grande tempête solaire qui s’est produite en août 1972, peu de temps entre les missions lunaires Apollo 16 et Apollo 17, peuvent mettre la vie des astronautes en danger. Récemment, l’expérience Lunar Lander Neutrons and Dosimetry (LND) à bord de l’atterrisseur chinois Chang’E 4 a mesuré l’exposition aux radiations sur la surface lunaire. Avec environ 500 mSv / an, la dose de rayonnement est près de 200 fois plus élevée que sur Terre.

Les plans de missions habitées vers Mars sont déjà en cours et l’exposition aux radiations est l’une des principales préoccupations. Les estimations de la dose de rayonnement pour un voyage vers Mars sont basées sur les mesures du détecteur d’évaluation des radiations (RAD) sur le rover Curiosity. Au cours d’un voyage aller-retour de 360 ​​jours, un astronaute recevrait une dose d’environ 660 mSv. En supposant que l’équipage passerait 18 mois à la surface en attendant que les planètes se réalignent, il sera exposé à 330 mSv supplémentaires. Ainsi, l’exposition totale pour un astronaute qui va et vient sur Mars sera d’environ 1000 mSv. Cela équivaut à la limite d’exposition des astronautes de la NASA pendant toute leur carrière, et correspond à un risque de 5,5% de décès par cancer radio-induit. Par conséquent, bien qu’il existe certainement un risque grave pour la santé, l’exposition aux radiations n’est pas une étape décisive pour une mission sur Mars.

Protéger les voyageurs de l’espace

Le plan de radioprotection du vaisseau spatial Orion comprend la construction d’un abri contre les sacs de rangement lors d’un événement SEP.
Crédit: NASA

Les astronautes à bord de l’ISS sont partiellement protégés contre les radiations par la coque en aluminium de la station. Les matériaux à faible numéro atomique offrent la protection la plus efficace contre le rayonnement spatial, y compris les particules secondaires comme les neutrons. Ces matériaux légers sont également moins chers à transporter dans l’espace. L’ISS a équipé ses quartiers d’équipage de briques en polyéthylène qui réduisent la dose de rayonnement de 20%.

Si jamais nous construisons des colonies sur la Lune, elles seront probablement enterrées sous le sol lunaire pour être protégées des SPE et autres rayons cosmiques. En revanche, cela augmenterait également l’exposition aux neutrons secondaires, comme l’ont montré les mesures de l’expérience de sonde à neutrons lunaires Apollo 17.

Le vaisseau spatial Orion de la NASA prévoit d’amener des gens sur la Lune en 2024 et éventuellement sur Mars. Étant donné que la masse supplémentaire pour le blindage dédié serait tout simplement trop chère, leurs plans de radioprotection incluent la possibilité de construire un abri à partir de fournitures à bord, y compris de la nourriture et de l’eau en cas de SPE.

N’oublions pas que les rayonnements spatiaux sont non seulement dangereux pour l’homme mais aussi pour les équipements électroniques. Les interactions de particules à haute énergie peuvent facilement endommager les systèmes électroniques critiques d’un vaisseau spatial et entraînent une perte totale ou partielle de mission pour entre un et deux satellites par an. Les SPE extrêmes peuvent même influencer des équipements sur Terre comme la tempête solaire de 1972 qui aurait provoqué l’explosion accidentelle de deux douzaines de mines marines américaines au Vietnam.

Pour l’avenir des voyages dans l’espace, des concepts de blindage actif plus avancés font actuellement l’objet de recherches. Il s’agit notamment de puissants champs magnétiques ou électrostatiques et de «bulles» de plasma entourant un vaisseau spatial pour dévier les particules chargées. Bien sûr, la radioprotection n’est que l’un des nombreux défis posés par les voyages spatiaux à long terme, mais espérons que nous trouverons des moyens de garder nos astronautes en sécurité et en bonne santé.

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