Contrer les effets de la microgravité

1. Problèmes des séjours prolongés en microgravité

Problèmes physiologiques

          De nombreux sites internet proposent une synthèse des problèmes de santé dus à la microgravité, par exemple celui de Wikipedia [3]. Parmi tous les problèmes connus, il en existe au moins trois qui méritent une attention particulière dans le contexte d'un voyage aller-retour vers Mars.

• Le premier concerne le volume sanguin, qui diminue. En effet, comme cela est illustré sur la figure ci-dessus, en microgravité, le sang monte plus facilement au cerveau, ce qui amène l’organisme à réduire le volume sanguin, par voie urinaire, au début de la mission spatiale. Tant que les astronautes restent en microgravité, ce n’est pas un problème, au contraire, mais lorsqu’ils retournent sur la terre ferme, terrestre ou martienne, cette diminution peut entrainer des chutes de tension importantes. Il ne faudrait pas que les astronautes perdent connaissance au moindre effort entrepris lors de la première sortie hors de l'habitat !
• Le deuxième problème est lié à la masse musculaire qui diminue également de façon significative au niveau des jambes et du dos qui ne travaillent plus autant qu'avant. Il faudra nécessairement plusieurs jours de réadaptation à chaque fois que les astronautes changeront de niveau de pesanteur, sans compter d'éventuels problèmes de coordination sensorimotrice.
• Enfin, le troisième problème concerne la masse osseuse qui se réduit considérablement, ce qui augmente les risques de fracture lors du retour en pesanteur martienne ou terrestre.

Ces problèmes sont suffisamment importants pour que les spécialistes s'en inquiètent et suggèrent des contre-mesures efficaces efficaces [1,2,5,6,7]. Certains exercices musculaires et certaines substances diminuent les effets de l'impesanteur, mais pas totalement. De fait, de nombreux experts préconisent la "gravité artificielle" lors des transferts entre la Terre et Mars.

Expériences de gravité artificielle

Voir à ce sujet l’étude de l’International Academy of Astronautics [7]. Voici quelques éléments importants du rapport :

• Le principal problème lié à l'utilisation d'une centrifugeuse ou à la mise en rotation d'un vaisseau spatial est la gêne ou le malaise occasionné par la force de Coriolis lors du déplacement des astronautes à l'intérieur de celui-ci, ou même lors d'un simple mouvement de leur tête. Ce malaise peut même déclencher un vomissement dans les cas extrêmes.
• Missions spatiales russes : en 1975, les tortues de Cosmos 782 n'ont eu aucune perte musculaire significative après un séjour prolongé en 0,3G, qui semble un minimum acceptable. Idem pour les rats de Cosmos 936 en 1977 qui n'ont pas eu non plus de perte osseuse significative.
• Expérience russe terrestre : plusieurs personnes ont été placées plusieurs jours dans une centrifugeuse de 10 mètres de rayon avec une vitesse de rotation variable. Pour une vitesse de 1 tour par minute, aucune gêne n'a été ressentie. Une petite gêne apparait à 1,8 tour par minute et une gêne importante à 3,5 tours par minute (gêne lors des déplacements seulement).
• Il y a une adaptation à la gêne ou au malaise provoqué par la force de Coriolis. Au bout de quelques jours, les malaises finissent par s'estomper, sauf dans les cas de rotations très rapide.
• R.W. Stone suggère que le rapport entre la force centrifuge et la force de Coriolis doit être inférieur à 1/4 pour que ce soit acceptable d'un point de vue facteurs humains.

2. Les solutions

Solution 1 : rotation d’un grand vaisseau

On se souvient tous du vaisseau du film 2001 Odyssée de l’Espace. Une sorte de tore géant est mis en rotation. Comme dans un manège, les forces en jeu poussent vers l’extérieur. Il est donc possible de marcher sur la paroi circulaire la plus éloignée du centre et de faire le tour du vaisseau. L’inconvénient majeur de cette solution est la dimension du tore. Il faut envoyer plusieurs modules et procéder à un assemblage complexe en orbite. D’autre part, un tel vaisseau ne convient pas à une rentrée atmosphérique et encore moins à un atterrissage.

Solution 2 : rotation de modules reliés par un câble

          Cette idée a été proposée dans plusieurs scénarios, dont Mars Direct, afin de rétablir une pesanteur artificielle. L'idée est simple, il suffit de tendre un câble entre l'habitat et un autre module, par exemple le système de propulsion ou le système énergétique, et de mettre le tout en rotation autour du barycentre. L’APM a travaillé sur le sujet il y a quelques années. Richard Heidmann a en effet encadré le travail d’étudiants qui ont validé le déploiement d’un tel système en microgravité simulé, dans le cadre d’expériences scientifiques réalisées lors de vols paraboliques du CNES.

Physiquement, la force centrifuge est analogue à une force gravitationnelle exercée dans la direction opposée au barycentre avec une intensité qui dépend de la vitesse de rotation et de la distance au barycentre. Cette rotation ne doit être mise en oeuvre qu'après la phase de propulsion et doit s'arrêter avant l'insertion en orbite martienne. On peut moduler la vitesse de rotation pour obtenir un équivalent de la gravité terrestre ou un équivalent de la gravité martienne, au choix. Il existe également une étude de la NASA de 2009 qui reprend ce principe avec une structure métallique dépliable à la place du câble (un peu comme une échelle de pompier), les deux modules reliés étant la partie propulsive de la fusée NTR (Nuclear Thermal Rcoket) et l'habitat. Le point négatif de cette approche est sa complexité, avec des coûts en R&D non négligeables et quelques risques supplémentaires à prendre en compte. Il faut notamment éviter que l'habitat se désolidarise du système de propulsion ou que la rotation ne puisse plus être maîtrisée selon certains axes.

Solution 3 : centrifugeuse à bras court

L'idée est de placer dans l'habitat une petite centrifugeuse et de demander aux astronautes de l'utiliser tous les jours pendant une durée qui reste à déterminer. C'est probablement l'idée la plus simple à mettre en œuvre, car la masse et la taille d'une telle centrifugeuse (de l’ordre de 5 mètres de diamètre) sont compatibles avec les contraintes d'un habitat. On peut noter que c'était la solution retenue dans le scénario de mission martienne de l'ESA (2004) et que de nombreuses études physiologiques ont été menées sur ce sujet par le MEDES, qui dispose d’une telle centrifugeuse et d’autres matériels permettant de contrer les effets de la microgravité [5]. La personne doit être placée la tête vers le centre de la centrifugeuse, de sorte que l’accélération amène le sang vers le bas du corps, comme en situation debout sur Terre. Cela conduit l’organisme à compenser le manque de sang dans le cerveau en produisant plus de sang (ou à réduire les pertes dues au séjour en microgravité). Le "space cycle" développé à l'école de médecine de l'Université de Californie Irvine est également une idée intéressante [6]. Les astronautes pourraient subir la force centrifuge et en même temps pratiquer un exercice musculaire.

Conclusion

          Plusieurs solutions sont donc possibles pour contrer les effets des longs séjours en microgravité. On peut également noter que les Japonais ont beaucoup travaillé sur un module additionnel de l’ISS dans lequel il était envisagé de placer une centrifugeuse [4]. Malheureusement, ce module n’a jamais été lancé, la direction de l’ISS redoutant que les mouvements de la centrifugeuse nuisent à d’autres expériences (et, disons-le franchement, la préparation aux missions martiennes habitées n’étant pas la priorité de l’équipe de direction de l’ISS).

Références :

[1]      G.Antonutto, D.Linnarsson, C.J.Sundberg, P.E. di Prampero, Artificial Gravity in Space: vestibular tolerance assessed by human centrifuge spinning on Earth, Acta Astronautica vol. 27, pages 71–73, 1992.

[2]      G.Antonutto, P.E. di Prampero, Cardiovascular deconditioning in microgravity: some possible counter measures, European Journal of Applied Physiology 90(3), pages 283–291, 2003.

[3] Article Wikipédia sur l’adaptation physiologique dans l’espace : https://fr.wikipedia.org/wiki/Adaptation_humaine_%C3%A0_l%27espace

[4] Article Wikipédia sur le module japonais avec centrifuge : https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifuge_Accommodations_Module

[5] Etude du MEDES : https://www.medes.fr/a-la-une-a-la-clinique/nouvelle-etude-de-simulation-de-la-micropesanteur/

[6] Space Cycle, Irvine University, article Space.com : https://www.space.com/1635-space-cycle-exercise-orbit.html

[7] Laurence Young, Kazuyoshi Yajima and William Paloski (ed.), Artificial Gravity research to enable human space exploration, Cosmic Study of the International Association for Astronautics, 2009. Disponible sur le site de l’IAA : https://iaaspace.org/studies/#SA-SGcompleted

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