Problème des radiations

On entend ici par radiation toute particule énergétique d'origine spatiale. Il s'agit notamment d'ions chargés positivement, de protons, mais aussi de neutrons et de photons de courte longueur d'onde. Les radiations représentent un danger potentiellement important pour les voyages dans l'espace. Il existe de nombreuses études sur le sujet, nous en citerons quelques-unes.

1. Radiations les plus dangereuses

On peut globalement distinguer 2 types de radiations dangereuses :

• Les radiations d'origine galactique (GCR=Galactic Cosmic Rays) sont typiquement des ions lourds qui proviennent de toutes les directions de l'espace. Ce sont des atomes, donc leur impact reste limité. Toutefois, en raison de leur vitesse et de leur masse, ils traversent littéralement les parois de protection du vaisseau et libèrent une grande quantité d'énergie à l'impact, ce qui provoque des cassures en cascade au niveau des molécules qui constituent les cellules vivantes.
• Un flux de protons solaires survient parfois lors des éruptions solaires (image ci-dessous, crédit NASA) qui durent quelques minutes à plusieurs heures (solar flares en Anglais). Lors de ces éruptions, une quantité phénoménale de protons sont éjectés du soleil et se répandent dans le système solaire. Sur Terre, cela provoque des fluctuations magnétiques et des perturbations des ondes radio. Dans un vaisseau spatial, cela peut être beaucoup plus grave. Ces protons ne sont pas aussi énergétiques que les ions lourds (car plus légers). La dangerosité provient de la forte densité du flux de protons. Cette densité varie en fonction de l'intensité de l'éruption solaire et de la distance au soleil. Comme ils sont moins énergétiques, il est plus facile de s'en protéger grâce à des parois renforcées. Ce n'est pas nécessairement du métal, il peut s'agir d'un réservoir d'eau. La mesure de la protection est équivalente à une épaisseur mais comme cela dépend de la densité du matériau qui fait office de protection, elle s'exprime plutôt en grammes par centimètre carré.

D'autres types de radiations existent, mais leur dangerosité est négligeable relativement aux ions lourds galactiques et aux protons solaires. Les ultraviolets du rayonnement solaire présentent un danger pour les yeux, notamment dans le vide de l'espace proche de la Terre, mais le danger est moindre sur Mars, et il est aisé de s'en prémunir à l'aide d'une visière filtrante au niveau du casque du scaphandre, ou du vitrage d'un habitat.

2. Travaux préliminaires de 1995

En décembre 1995 a eu lieu un Workshop sur les radiations à Houston au Texas. La référence des actes de la conférence est : "Shielding Strategies for Human Space Exploration, Edité par J. W. Wilson, J. Miller, A. Konradi, and F. A. Cucinotta, NASA Conference Publication 3360, Décembre 1997". Voici ci-dessous un tableau qui résume les principaux résultats, il est intéressant de les comparer à des résultats plus récents (voir ci-après).

3. Étude de Cucinotta et al, 2005

Dans le rapport de la Design Reference Architecture 5.0 de 2009, la NASA fait le point sur le problème des radiations. Nous avons déjà présenté par ailleurs une comparaison entre les doses reçues lors d'une mission de type conjonction et une mission de type opposition. Voici ci-dessous un autre tableau (simplifié) qui précise encore un peu plus les doses de radiations reçues en fonction de différents paramètres. La NASA précise qu'il est tiré de la référence suivante : Cucinotta, F.A.; Kim, M.H.; and Ren, L.; “Managing Lunar and Mars Mission Radiation Risks: Part I: Cancer Risks, Uncertainties, and Shielding Effectiveness". July 2005.

Commentaires : cette étude suppose une durée de voyage de 200 jours pour l'aller, un séjour sur Mars de 600 jours et 200 jours pour le voyage retour (donc 400 jours dans l'espace profond ("deep space"). C'est un scénario classique de conjonction. Ensuite, les 2 paramètres fondamentaux sont l'activité solaire "min" pour minimum ou "max" pour maximum (voir chapitre suivant pour ce que cela signifie). "Aug 72" fait référence à une éruption solaire qui a eu lieu en 1972 et dont les propriétés sont bien connues. On suppose donc qu'une éruption solaire équivalente a lieu lors de l'activité solaire maximum. Ensuite, le paramètre suivant indique l'importance de la protection. Prenons un exemple simple. Si la protection consiste en une épaisseur d'eau de 20 cm, elle vaut 20 g/cm2. Si la protection consiste en une épaisseur de cloison de 10 cm dont la masse volumique est de 2 g/cm3, cela vaut encore 20 g/cm2 (10x2). La colonne "% Fatal Risk" exprime le pourcentage des personnes qui mourraient d'un cancer ou d'une maladie grave dont la cause serait l'exposition aux radiations du voyage martien. Entendons-nous bien, cette mort ne serait pas immédiate. C'est un peu comme pour les fumeurs qui ne meurent jamais d'une cigarette en particulier, mais de l'effet long terme de la détérioration de certains tissus cellulaires, qui ne remplissent plus correctement leur rôle vital. Entre crochets figure l'intervalle des valeurs possibles pour ce pourcentage compte tenu des incertitudes, avec un indice de confiance de 95%. Sur Terre, le risque maximal autorisé est de 3% avec le même indice de confiance. Enfin, la dernière colonne indique l'exposition en millisieverts. On peut noter que ces valeurs sont du même ordre que celles de 1995.

Plus récemment, des données complémentaires ont été collectées par la sonde MSL, elles confirment l'ordre de grandeur des risques.

4. Activité solaire

Qu'est-ce que l'activité solaire maximum et minimum ? L'activité solaire est très irrégulière mais suit néanmoins un cycle régulier d'environ 11 ans. Comme on peut le voir ci-dessous, le dernier pic était à peu près en 2000. En 2009, il y avait une activité minimum mais en 2011, l'activité a subitement repris avec un maximum pour 2012 (puis 2023, mais le graphique s'arrête avant). En période d'activité solaire, les éruptions sont beaucoup plus fréquentes et des flux de protons sont éjectés dans tout le système solaire. Ces éjections sont relativement directionnelles, ce qui fait que leur impact sur la Terre ou sur un vaisseau spatial dépend fortement des conditions initiales de l'éruption. En général, il est possible de prédire l'arrivée de ce "vent solaire" en observant le soleil au télescope. Les éruptions sont en effet gigantesques et on perçoit nettement les panaches qui dépassent de la couronne solaire.

5. Impact des radiations

Examinons la littérature concernant l'épidémiologie et les effets cliniques des radiations. Il faut distinguer les irradiations soudaines des irradiations longues à faible dose. On utilise également 2 types d'unité, le Gray et le Sievert qui sont homogènes mais pas tout à fait équivalentes. Voir à ce sujet l'excellent article de Wikipédia. Pour faire simple, on utilise généralement le Gray pour des expositions courtes et intenses et le Sievert pour des expositions longues et faibles.

• Si l'irradiation est soudaine et inférieure à 1 Gray, les effets cliniques immédiats sont réversibles sans traitement, il n'y a pas besoin d'hospitalisation. Les cellules de nos organes sont en effet capables, dans une certaine mesure, de s'autoréparer, et d'autres de se dupliquer pour remplacer les cellules défectueuses (comme lors de la cicatrisation de plaies). En ce qui concerne le voyage vers Mars, le risque de subir une irradiation supérieure à ce seuil n'est pas nul. Il faudrait pour cela qu'il y ait une éruption solaire de bonne intensité, que celle-ci envoie son flux de protons précisément vers la région où se situe le vaisseau spatial, que les astronautes soient mal protégés et que la situation persiste plusieurs dizaines de minutes sans que ces derniers ne prennent les mesures de protection qui s'imposent. Sachant cela, pour que les doses reçues restent en deçà du seuil de 1 Gray, les études montrent qu'il faut et suffit que la paroi soit suffisamment épaisse pour absorber une grande partie de l'énergie du flux de protons. Sachant également que les réserves en eau seront très importantes, l'idée généralement retenue est de placer ces réserves autour du lieu de vie des astronautes. En ce qui concerne la surface martienne, des études complémentaires doivent être menées, mais il semble que l'épaisseur de l'atmosphère ajoutée à celle de la combinaison spatiale apporte une protection suffisante pour que les doses reçues restent en deçà de la dose de 1 Gray (sur Terre, 6 mbar de pression sont équivalentes à 6 cm d'eau au-dessus de nos têtes). Attention, cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas d'impact sur la santé, cela veut seulement dire que pour une irradiation inférieure à 1 Gray, l'impact n'est pas immédiatement ressenti et qu'il n'y a pas de médicament ou de mesure médicale à prendre suite à une telle exposition.
• S'il y a irradiation sur une longue période, on n'observe des lésions que pour des doses supérieures à 5 mSv / jour et pour un total de plusieurs Sieverts. A priori, ce n'est pas le cas des missions martiennes, puisqu'il y a moins de 1 mSv par jour en moyenne et pour un total de l'ordre de 1 Sievert.
• Effets cancérogènes :

  • une dose de 2 à 6 Sieverts est suffisante
  • le délai d'apparition des cancers est de 10 à 15 ans
  • à dose égale, le risque est 2 à 10 fois moindre pour des doses fractionnées
  • les leucémies touchent les sujets irradiés globalement pour des doses supérieures à 1 Sv
  • certains types de radiations sont plus dangereuses que d'autres
  • les cancers concernent typiquement la thyroïde, le sein, le poumon, la leucémie

• Pour prévoir la fréquence des risques, on fait les hypothèses (parfois controversées) suivantes : cumul des doses, effets proportionnels aux doses, pas de seuil. Ces hypothèses sont pessimistes car la fréquence des cancers après radiothérapie est inférieure au taux attendu si on extrapole à partir du taux associé à une exposition à 1 Sievert. Autrement dit, les doses ne se cumulent pas aussi simplement ou les effets ne sont pas proportionnels.

6. Solutions et contre-mesures

Il est théoriquement possible de créer un champ magnétique puissant et constant. Les radiations étant essentiellement constituées d'ions chargés positivement, le champ les dévierait. Cette solution reste toutefois difficile à mettre en œuvre car pour produire ce champ, il faudrait une grande quantité d'énergie et donc une grande pénalité de masse.

Dans le rapport de référence de la NASA, une liste de solutions est proposée :

• Augmentation de la protection : il n'est pas question d'avoir des parois très épaisses, car cela conduirait à un vaisseau très lourd et la minimisation de la charge utile est une priorité. En revanche, il est possible d'augmenter la protection simplement grâce à une organisation structurelle appropriée du vaisseau. Les matériaux riches en hydrogène (l'eau par exemple !) peuvent être positionnés contre les parois, de même que tous les objets qu'il faut embarquer dans le vaisseau. On pourrait atteindre ainsi une protection de plusieurs décimètres par centimètre carré autour du lieu de vie des astronautes. Dans les tableaux ci-dessus, l'hypothèse la plus optimiste était de 20g/cm2. C'est sans doute une valeur a minima qu'on doit pouvoir augmenter grâce à un agencement approprié de tous les objets présents dans le vaisseau.
• Des contre-mesures sont à l'étude. En fonction des organes à protéger, il est possible d'intervenir pour faciliter la réparation des tissus ou/et éviter le développement de maladies spécifiques. Aucun remède miracle n'est toutefois à envisager dans ce domaine.
• Les individus ne sont pas tous égaux devant les risques de cancer suite à l'exposition aux radiations. Des recherches sont en cours pour déterminer la prédisposition des personnes en fonction de leur patrimoine génétique.
• Il faut poursuivre les travaux sur les risques liés aux radiations pour affiner les modèles et réduire les incertitudes.

Rappelons également qu'il y a eu ces dernières années de nombreuses avancées concernant la lutte contre le cancer. Les remèdes sont d'autant plus efficaces que la détection est précoce. Un suivi médical adapté aux astronautes faciliterait la précocité de la détection et augmenterait ainsi la probabilité de guérison.

Conclusion

Selon les données actuelles, il est possible que les doses reçues lors d'un voyage aller-retour vers Mars soient supérieures à ce qui est aujourd'hui admissible. Toutefois, les limites imposées sur Terre sont extrêmement strictes. Si l'exposition spatiale est à la limite de l'admissibilité, les risques sont très faibles. Si les estimations sont correctes et que le vaisseau est aménagé pour la circonstance, les doses reçues conduiraient à un risque de développer un cancer fatal inférieur à 5% et qui ne surviendrait que 10 à 15 ans plus tard, alors que les astronautes seraient sur Terre et pourraient être suivis de près médicalement. De tels risques sont-ils éthiquement inacceptables ? N'oublions pas que les astronautes seront sélectionnés et que le mode de vie (manger trop gras, boire de l'alcool, ressentir un stress au travail, etc.) a également un impact sur la probabilité de développer un cancer. Autrement dit, les astronautes sélectionnés, dont le mode de vie est généralement très sain, auraient finalement un risque cancérigène du même ordre que la moyenne des individus. Et enfin, s'il y avait un appel à volontaires pour un tel voyage avec une information complète et sans ambiguïté des risques, y aurait-il des difficultés à trouver des candidats ? Assurément non. Soyons donc pragmatiques, les radiations ne sont pas assez fortes pour nous dissuader de tenter les voyages vers Mars !

Articles complémentaires APM sur les radiations :

MSL confirme les niveaux de radiations attendus lors des transferts Terre-Mars, par Richard Heidmann.

Radiations : l’épouvantail remis en cause, par Richard Heidmann.

La NASA ne voit plus les radiations comme un « show-stopper *», par Pierre Brisson.

Les affirmations inexactes d'une étude sur les radiations, par Robert Zubrin (traduction Pierre Brisson).

... Envie de lire la suite ?

Cet article est disponible dans sa version complète pour les membres APM avec une cotisation à jour.

Déjà membre ? Me connecter. Sinon, devenez membre aujourd'hui et ne ratez aucune info sur Mars !

Si vous avez déjà été membre, rendez-vous sur la page Mon Compte pour renouveler votre cotisation.