EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Première mission habitée sur Mars ; comment réduire la dose de radiations

L’un des problèmes majeurs qu’aura à affronter la première mission habitée sur Mars est la dose de radiations reçues. Nous sommes en effet à la limite de ce qu’un homme peut recevoir. Il faut absolument trouver des moyens de réduire ces doses. Heureusement plusieurs solutions existent, toute une « panoplie » en fait, et il faudra toutes les utiliser. Nous serons cependant contraints de ne pas trop augmenter, par rapport à un vol robotique, la masse transportée et l’énergie nécessaire pour la propulsion du vaisseau. In fine la dose pourrait être réduite de 50%.

Les radiations

Sans protection, la dose de radiation reçue serait d’environ 960 mSv (330 pour le transit aller, 220 pour le séjour sur Mars, 410 mSv pour le transit retour) hors SPE (tempête solaire qui peut entraîner des doses de 1000 à 10.000 mSv). Rappelons que la dose ALARA (As Low As Reasonably Achievable)  a été définie par la CIPR (Commission Internationale de la Protection Radiologique) en 1990. Pour l’Espace, la NASA a ajusté plusieurs fois la valeur. Actuellement elle est de 600 mSv pour une « carrière » d’astronaute et à 250 mSv lors d’un SPE. Excéder les 600 mSv fait courir un risque de cancer accru de 3% par rapport au risque encouru par un homme non exposé ayant une vie très saine. Mais un Américain moyen, fumeur, sédentaire et en surpoids a déjà un risque accru de 6% par rapport à cet idéal.

Parmi les radiations, il faut distinguer essentiellement les SeP (Solar energetic Particles) reçues du vent solaire (SW) et les GCR (Galactic Cosmic Rays). Les premiers sont constitués quasi exclusivement de protons (atomes d’hydrogène privés de leur électron) et les seconds de protons, antiprotons, électrons, positrons et noyaux d’atomes au-delà de l’hélium. On appelle ces derniers, les HZE (High, Z – atomic number – Energy). Ces noyaux se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. Les SeP du SW sont arrêtés par les protons (donc les matières riches en hydrogène, l’eau ou le polyéthylène, surtout haute densité, « PEHD »). Les HZE sont d’autant moins arrêtés par les blindages que leur Z est élevé. De plus leurs impacts sur les protections créent des rayons gamma, très nocifs pour les organismes vivants. Les SeP proviennent du Soleil, ils sont donc monodirectionnels. Les GCR qui proviennent de l’ensemble de la Galaxie, sont omnidirectionnels.

Les périodes de voyage

Heureusement, la densité des SeP du SW varie avec l’activité solaire qui suit un cycle de 11 ans et, cerise sur le gâteau, en haut de cycle, le SW réduit la densité des GCR. Certes les hauts de cycle représentent un danger puisque c’est pendant cette période que le Soleil peut nous envoyer le vent de ses tempêtes, les SPE (Solar Particle Event) et ceux-ci peuvent être l’occasion de CME (Coronal Mass Ejection) encore plus dangereux. On peut cependant jouer avec ce premier facteur pour réduire nos doses de radiations. L’idéal est de partir en périodes moyennes du cycle mais surtout ne pas attendre le bas du cycle (trop de GCR). Ce n’est pas très facile à cause des fenêtres de voyage (cycle synodique Terre-Mars tous les 26 mois, plus précisément 780 jours). Mais on peut trouver des solutions « moyennement bonnes » ou « les moins mauvaises ». Pour cela un départ de première mission habitée en 2033 serait assez favorable (le dernier haut de cycle était en 2025 et le prochain bas de cycle aura lieu en 2030). Les fenêtres de 2029 et 2031 pourraient donc être utilisées pour des missions robotiques préparatoires.

L’eau et le polyéthylène PEHD

Comme mentionné plus haut, les protections matérielles possibles sont de deux types : l’eau et le Polyéthylène haute densité (PEHD). Pour couvrir de grandes surfaces, le PEHD convient mieux que des matelas remplis d’eau. On peut donc revêtir les parois internes du Starship-vaisseau d’une couche de 15 cm de ce matériau, en se limitant à 250 m² ce qui correspondra à 465 m³. Cela créerait quand même dans le starship une zone protégée de 10 mètres de hauteur et de 7,70 m de diamètre et donnerait aux douze astronautes un espace de vie confortable (la moitié de l’espace viabilisable du Starship). Cela réduirait les GCR de 25%, les SeP du Sw de 90% et les SeP des SPE de 50 à 70% (c’est pour cela qu’une enveloppe d’eau supplémentaire à certains endroits et un « storm shelter » restent indispensables). Les avantages annexes sont : le renfort mécanique des parois et l’isolation thermique et acoustique. Bien entendu il faudra penser à l’ignifugation car le HDPE est inflammable à 130°C (on se souvient tous du drame de Crans-Montana). Un revêtement de Nomex, déjà utilisé dans l’iSS est indispensable. La masse, 300 kg, sera à ajouter aux 35,6 tonnes de HDPE.

L’eau sera aussi utilisée puisque de toute façon on devra en prendre avec soi pour le voyage, que la nourriture en contient un pourcentage très élevé ainsi que l’urine et les excréments. Il faudra gérer la répartition de ces différents composants mais ce n’est pas impossible. On récupère déjà l’urine dans l’ISS pour en extraire l’eau potable et les excréments pourront être utilisés comme engrais sur Mars (ou jeter en arrivant sur Terre). Il y a deux localisations pour cette « eau » protectrice :

1) on peut blinder chacune des couchettes des passagers. Avec 15 cm on peut réduire les radiations de ~25 % pendant les 7h de repos (29 % du temps), soit ~7 % de réduction sur la dose totale de transit. Il faut ajouter 6,6 tonnes de masse.

2) on peut blinder le storm shelter (volume estimé de 15 m3, séjours de quelques heures). Avec 40 cm de blindage, on réduit les SeP de SPE de 95% (dose résiduelle <50 mSv contre 1 000-10 000 mSv sans protection). La masse ajoutée est de 13 tonnes.

Les gilets astrorads

Les gilets astrorad sont des protections antiradiations individuelles mises au point par la société Stemrad (USA/Israël). C’est un équipement léger (masse 5 kg) qui peut être porté toute la journée (sauf la nuit !) sans aucune gêne (rappelons que le poids dans l’espace aussi bien sur Mars, gravité 0,38g, que dans « ma » station rotative, 0,5g, sera nettement plus faible que sur Terre). Ils permettraient de réduire la dose de radiations de 30 à 50% contre les SeP de SW et de 15 à 20% contre les GCR. Avec une estimation de protection efficace totale pendant le port, de 20 à 25%, on diminuerait la dose de radiations pendant les voyages aller et retour de 13%. La masse ajoutée ne serait que de 60 kg pour tout l’équipage.

A ces gilets, je voudrais ajouter des bonnets, également astrorad, pour la protection du cerveau et du cervelet. On en comprend l’importance. Il serait peu gênant dans la vie quotidienne et sa masse serait faible (1 à 2 kg par unité, 15 à 25 kg pour l’ensemble).  Il serait porté, comme les gilets, pendant la journée. La réduction de dose de radiations cérébrales serait de 20 à 25%.

Bilan masse

On arrive ainsi à une masse de protection/blindages de 55,3 tonnes :

HDPE : 35,6 t

Eau du storm shelter : 13 t

eau/nourriture/excréments : 6,6t

Gilets astrorads : 0,06t

Bonnets astrorads : 0,02 t

Pour mémoire la capacité d’emport en charge utile d’un starship est de 120 tonnes et la première mission habitée n’aura pour objet que de montrer que l’homme peut vivre sur Mars (cette première mission aura été précédée de deux missions robotiques, en 2029 et 2031, qui auront apporté l’essentiel des équipements lourds nécessaires).

Sur Mars, la téléopération des robots

Dans les livres de science-fiction, et chez d’autres personnes qui négligent le problème des radiations et du port de scaphandre, on fantasme sur des balades en surface de Mars, comme s’il s’agissait seulement de mettre un manteau et un chapeau et d’aller se promener dans le désert froid de la planète. En réalité ces promenades seront difficiles et dangereuses Il est en effet difficile de rentrer dans un scaphandre et difficile ensuite de vivre dans un scaphandre. Il ne s’agit pas seulement de se gratter le nez ou de s’essuyer le visage, il s’agit aussi de se nourrir et d’excréter. En plus, quand on est dehors, on reçoit des radiations. On en recevra toujours trop et la mission en surface de Mars durera au moins 18 mois (la dose est estimée à 220 mSv sans SPE, sans compter les rayons gamma créés au contact du sol par les impacts de particules).

La seule solution : ne pas faire de sortie (EVA) ou en faire le moins possible. Pour cela deux solutions, la vie dans les cavernes et la téléopération des robots (Optimus !) à partir de l’abri. La caverne pourra être creusée dans une falaise ou le flanc d’une colline par l’une des deux missions robotiques précédant l’arrivée de l’homme. Avec la mission habitée, les astronautes apporteront un kit de survie (notamment enveloppe d’isolation gonflable par l’air respirable) qu’ils adapteront à la cavité. A partir de là, ils pourront téléopérer, en direct, les divers robots dont ils auront besoin pour voir, observer, mesurer, et d’une manière générale, faire.

Il faut bien voir que le seul avantage d’aller physiquement, avec ses mains et son cerveau, sur Mars, est la nécessité de s’affranchir du time lag de 3 à 22 minutes dans un seul sens pour toute communication entre les deux planètes. Cet arrangement permettra de le faire. Et qu’on ne me dise pas que ce sera insupportable pour ce premier groupe de 12 personnes. Ils seront « bien contents » d’être à l’abri. Ils seront très occupés à agir par l’intermédiaire des robots, à réfléchir, à suggérer des opérations nouvelles nourries par leur action et leur réflexion, et à leurs échanges avec la Terre. Quand ils voudront faire une pause, ils auront tous les équipements nécessaires pour faire du sport en chambre, en regardant par la fenêtre (sans s’en approcher) ou sur leurs écrans (qui vaudront bien la fenêtre) tout ce qui se passe à l’extérieur…comme s’ils y étaient (les écrans pourront être disposés comme des fenêtres, dans l’habitat). Les 220 mSv qu’ils auraient dû recevoir « en plein air » seront ainsi considérablement réduits. Eventuellement à zéro mais peut-être un peu moins car on ne peut pas exclure la nécessité de quelques rares sorties.

Dans ce cas, il sera aussi très utile de continuer à garder une protection astrorad, sur le devant du corps, derrière et sur la tête. Cette protection peut être ajoutée sans difficulté à l’extérieur des scaphandres (6 à 7 kg-masse en plus, soit 2,28 à 2,66 kg-poids en plus). La dose moyenne de radiations sur Mars sans protection ne serait que de 0,7 mSv par jour, en moyenne, soit 0,12 mSv pour une EVA de 4 heures. Cependant, compte tenu de la durée du séjour et de la possibilité de se protéger, pourquoi ne pas le faire et prévenir une montée brusque de la moyenne ?

La durée des voyages

Bon ! nous avons bien avancé. On peut cependant aller plus loin, en réduisant la durée des voyages, aller et retour. Si on suit la trajectoire de Hohmann pure, on aura deux voyages d’environ 8,5 mois et un séjour sur place de 18 mois. Rappelons que la durée du cycle synodique entre les deux planètes est de 26 mois. Il y a trois raccourcis possibles, sans dépenser trop d’énergie en plus.

Premièrement, réduire le voyage Terre Mars, à 6 mois. On arrivera près de Mars plus vite et il faudra un peu freiner mais pas trop puisque la force gravitationnelle de Mars est relativement faible et qu’on est presque à l’apogée de la trajectoire de l’ellipse.

Deuxièmement, réduire la durée du voyage de retour. Là, c’est plus difficile pour les raisons inverses du voyage aller. On peut cependant sans trop de difficultés (surtout si on va faire une escale en L1 du système Terre-Lune, voir article précédent) diminuer cette durée d’un mois (7,5 mois au lieu de 8,5 mois). Cela réduira la dose de radiations de 55 mSv, tout en augmentant un peu la masse d’ergols. C’est toujours bon à prendre car cette augmentation d’ergols reste dans nos possibilités, comme le montre le bilan ergols ISRU :

Transit Mars->Terre : Δv ~2,5 km/s, 120 tonnes d’ergols ;

Freinage propulsif vers L1 : Δv ~900 m/s, 50 tonnes d’ergols ;

Retour Starship L1 -> Terre : Δv ~1,5 km/s, 50 tonnes d’ergols

Total 220 tonnes d’ergols pour un starship qui a une capacité d’emport de 1200 tonnes.

NB : Les 8,5 mois sont la durée lors d’une configuration synodique favorable. Elle varie compte tenu de l’excentricité de l’orbite de Mars et du fait que les planètes lorsqu’elles se « retrouvent » en termes de longitude solaire, peuvent être plus ou moins éloignées (en fonction de la proximité de Mars à son aphélie). En opposition « aphélique », la durée d’une trajectoire Hohmann pure peut durer 9,5 mois. Par ailleurs rappelons-nous que nous devons prendre en compte le cycle solaire de 11 ans pour éviter de voyager au maximum ou au minimum de l’activité de notre étoile. C’est pour cela que 2033 nous offre une fenêtre particulièrement intéressante pour lancer la première mission habitée : La trajectoire pour atteindre Mars sera courte et le Soleil moyennement actif.

Petit problème résiduel : si on raccourcit l’aller à 6 mois, on va avoir 2 mois de plus sur Mars (18 + 2) car n’oublions pas que le cycle est de 26 mois et qu’il n’est pas question de repartir avant la date. La solution pour ne pas rallonger ce premier séjour sur Mars, c’est de partir de la Terre deux mois plus tard. On redescend à 31,5 mois (aller et retour compris) hors de la Terre au lieu de 35 mois (en fait 32,5 car il faut ajouter 1 mois de séjour dans la station située en L1). Ça ne change pas grand-chose sur le freinage à l’approche de Mars, ni sur l’impulsion au départ, et la totalité du blindage (55,4 tonnes) mais cela suffit comme éloignement de la Terre pour les hommes qui vivront cette mission.

Les médicaments

La pharmacologie radioprotectrice est un domaine qui progresse vite. Des médicaments comme l’amifostine ou des antioxydants ciblés pourraient compléter le système physique, sans aucun coût en masse ou en volume. Mais on ne peut pas compter que sur eux et il vaut toujours mieux prévenir que guérir !

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L’un dans l’autre, on descend ainsi la dose totale de radiations de 920 à 420-490 mSv et là, on est bien dans les limites du tolérable. Il n’y a pas à hésiter. Allons-y, préparons-nous ! Pour la suite (vivre sur Mars), on verra après.

NB: les chiffres ont été obtenus avec l’aide de l’intelligence artificielle claude.ai

Copyright Pierre Brisson

https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/03/radiation-protection-technical-brief-ochmo.pdf

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