Une étude publiée dans la revue Nature, le 18 Septembre, fait le point sur les radiations auxquelles seront exposés les astronautes voyageant dans l’espace au-delà de l’ISS. Elle repose sur les données recueillies par la mission Artemis-1 qui a orbité autour de la Lune en Nov/Dec 2022. Cela concerne, au-delà de l’orbite de l’ISS, les différentes régions de l’espace qu’il faudra traverser pour aller sur la Lune ou sur Mars, c’est-à-dire d’abord la barrière des Ceintures de van Allen (volumes toroïdaux de la magnétosphère terrestre piégeant une forte densité de particules énergétiques, créée par le champ magnétique généré par la rotation différente des couches du noyau de la planète), puis l’espace profond (de même nature au-delà de ces Ceintures, que l’on aille vers la Lune ou vers Mars).
Pour le dire tout de suite la présente étude ne modifie pas les grandes lignes de ce que l’on savait déjà avec les études effectuées précédemment, notamment celles menées sur la base des données recueillies (1) par la sonde MSL (porteuse de Curiosity et de son instrument de mesures RAD – Radiation Assessment Detector) entre 2011 et 2012 pour le voyage, et de 2012 à 2018 pour le séjour sur Mars ; (2) par le Lunar Reconnaissance Orbiter et son instrument de mesure CRaTER (Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation) lancé en 2009 et toujours opérationnel, et bien sûr (3) par les missions lunaires Apollo.
Pour le dire aussi tout de suite, les résultats ne semblent pas rendre impossibles de ce point de vue, les vols habités vers Mars, même si l’effet des radiations ne sera pas négligeable.
Rappelons que l’on distingue deux types de radiations, les radiations particulaires solaires, SeP (pour Solar energetic Particles) et les radiations particulaires galactiques, GCR (pour Galactic Cosmic Rays), en dehors bien sûr des rayonnements non particulaires (électromagnétiques). Les SeP sont constituées quasi exclusivement de protons (hydrogène ionisé c’est-à-dire noyaux d’atomes d’hydrogènes). On peut relativement facilement s’en protéger, par de l’eau (proton du Soleil contre proton de l’hydrogène de l’eau) comme on peut se protéger des radiations électromagnétiques sauf les plus courtes (rayons X ou gamma), rares. Les GCR, eux, sont constitués à hauteur de 88% par des protons (toujours noyaux d’hydrogène), 10% par des noyaux d’hélium et 2% par des HZE (noyaux atomiques de numéro atomique « Z » plus élevé que l’hélium, jusqu’au fer). Les HZE de Z élevé sont le véritable danger puisqu’ils percent tous les blindages « ordinaires », et avec d’autant plus d’effet que leur Z est élevé. Au contact d’un obstacle (par exemple la coque d’un vaisseau spatial), ils génèrent des rayons gamma (dont la longueur d’onde extrêmement petite leur permet de transpercer n’importe quel obstacle (et les corps humains en particulier !). Les GCR, qui proviennent du voisinage galactique, sont constants. L’intensité des SeP, elle, varie suivant le cycle d’activité solaire qui est de 11 ans. L’intensité se manifeste par un vent solaire plus dense et des tempêtes solaires plus ou moins fortes, « Solar Particle Events », SPE, et de temps en temps des « Coronal Mass Ejections », CME. Le vent solaire a l’avantage de repousser les GCR ce qui fait qu’il y a moins de SeP pendant le haut des cycles solaires.
En termes de radiations, il faut distinguer la « dose absorbées » et la « dose équivalente ». La première mesure l’énergie absorbée par quantité de matière « touchée ». Son unité est le Gray (Gy) qui est égal à 100 rad (mesure ancienne). La dose équivalente prend en compte un facteur qualitatif (« Q ») fonction du type de particule et du type d’organe touché, évalué lui-même en fonction de son pouvoir de pénétration (« LET » pour Linear energy Transfer »). On la mesure en Sievert (« Sv »), égal à 100 rem (ancienne mesure). A noter que la nocivité d’une dose de radiation est fonction non seulement de la quantité reçue mais aussi de la durée pendant laquelle elle est reçue. La même quantité sera d’autant plus nocive qu’elle est reçue (ou absorbée) dans un laps de temps plus court.
Selon la quantité et la durée d’absorption, les radiations peuvent avoir des effets aigus à court terme ou « seulement » des effets retards (« stochastiques »). Une dose de 2 à 4 Gy sur quelques heures peut être mortelle dans les 20 à 40 jours (« effet aigu »). Au-delà d’une certaine dose d’ailleurs on ne compte plus qu’en Grays. Seuls les SPE qui peuvent effectivement durer quelques dizaines de minutes ou quelques heures, sont susceptibles de générer de tels effets aigus, les GCR certes constants, n’étant pas assez intenses. Les effets retards (des SPE comme des GCR) peuvent survenir des mois ou des années après l’absorption. Il peut s’agir de divers troubles organiques, dont des cancers. En 1995, une réglementation sanitaire internationale, au bénéfice de la population des astronautes de la Station Spatiale Internationale, a fixé des limites (« ALARA » pour « As Low As Readily Achievable ») d’expositions cumulées qui, si elles sont dépassées, sont estimées induire un risque de 3% d’augmentation d’apparition ultérieure de cancer (« REID » pour « Risk of exposure Induced Death »). Les limites ont été « ajustées » en 2022 à 600 mSv (millisieverts) pour toute une vie, indifféremment pour les hommes et les femmes (mais la référence reste la femme de 35 ans !). Cette quantité est la « NASA effective dose ». Par ailleurs la durée de l’exposition, « PMD » (« Permissible Mission Duration ») est limitée à 3 ans*. Au-delà de cette limite, de multiples sous-limites sont fixées selon les organes (dont une pour les « BFO », Blood Forming Organs et une autre pour les yeux) avec également des durées.
*NB : Une mission martienne doit durer 30 mois soit 2 fois 6 mois de voyage plus 18 mois de séjour sur Mars.
La traversée des Ceintures de Van Allen est un moment dangereux et l’étude précitée insiste beaucoup dessus. Elle fait remarquer notamment que l’orientation de la masse d’une protection au droit des rayonnements (en fait seulement les SeP) est très efficace (ce qui est évident mais cela a été chiffré). Par ailleurs il semble qu’on sache concevoir des caissons. D’après l’étude, la dose équivalente était quatre fois supérieure dans la cabine (capteur HSU2) à celle qui existe dans un prototype de caisson (capteur HSU1). Je ne m’étendrai pas là-dessus car les vaisseaux spatiaux passent très vite au travers de ces Ceintures et l’expérience a prouvé qu’on pouvait le faire sans dommage pour aller sur la Lune (ou sur Mars !) puisque la quasi-totalité des astronautes qui ont fait ce voyage, ont vécu une très longue vie par la suite.
L’étude sur les données d’Artemis-1 concernant l’effet des GCR confirme la difficulté mais non l’impossibilité de les atténuer. Pendant les 25 jours où Artemis-1 se trouvait dans le domaine où les GCR dominent (l’espace après les Ceintures de Van Allen), il n’y a eu pratiquement pas de variations entre les capteurs, en termes de dose absorbée (Gray) quelles que soient leurs positions dans la capsule. Et malheureusement, lors du voyage de la mission MSL (Curiosity) les SeP enregistrés par RAD ne représentaient que 3% du total (23% du total en franchissant la Ceinture de Van Allen intérieure, la plus riche en protons). Il semble donc qu’« on n’échappera pas » aux GCR ! Cependant :
(1) un bouclier épais réduit la dose équivalente (-30% pour une augmentation de 80% de la masse du bouclier). Ce facteur rassurant ne peut toutefois pas l’être vraiment puisqu’on fait tout son possible pour alléger la masse des vaisseaux interplanétaires pour leur permettre d’emporter plus de charge utile. A moins qu’un jour, on construise des « cyclers » (vaisseaux spatiaux qui font la navette d’une orbite à l’autre sans s’arrêter), on pourra peut-être les gainer d’une croûte de régolithe lunaire ?
(2) l’étude estime qu’en l’état de nos connaissances une mission sur Mars (aller et retour) serait possible, même s’il serait préférable de choisir une période pendant laquelle les GCR sont moins intenses (haut du cycle d’activité solaire), tout simplement parce que le voyage n’est pas suffisamment long pour qu’on reçoive une dose équivalente supérieure à 600 mSv, en quasi-totalité des GCR.
Citation :
Artemis I measurements can be extrapolated to exemplary Mars missions for a similar point in the solar cycle, as the GCR field is approximately constant outside the Earth’s magnetosphere on this scale. The experimentally derived dose equivalents for such a mission are about 30% lower than those reported in the literature so far and potentially within the 600 mSv limit. However, the details of future missions will depend heavily on shielding, trajectory, modulation of GCR with the solar cycle and severity of solar particle events. Orion is a small and massive spacecraft and therefore shows large improvements in radiation exposures compared with measurements on planetary science missions… Radiation protection policy aims to keep exposure ‘as low as reasonably achievable’ (ALARA), which suggests short missions in heavily shielded vehicles. Programs have good reasons to prefer long missions in light vehicles. It is therefore clear that effective management of radiation risk will remain a key challenge for human space exploration.
Fin de citation.
Il faut prévoir au mieux l’impact des radiations pour pouvoir en atténuer les conséquences. En ce qui concerne les missions habitées sur Mars, il semble évident qu’il faudrait envoyer dans la première mission robotique des « sœurs » des mannequins « péri-lunaires » Helga et Zohar (pour le moment Artemis-1 n’a séjourné que 25 jours dans le domaine des radiations GCR). A noter que le problème se pose pour le voyage, non pour le séjour sur le sol de Mars puisque à ce stade la protection sera possible (couche de glace d’eau ou de régolithe au-dessus des habitats).
Avant d’obtenir de nouvelles données avec les « sœurs de demain des fantômes d’aujourd’hui », je rappelle la situation telle qu’on l’évalue actuellement :
La dose équivalente pendant un aller et retour « normal » Terre / Mars / Terre (deux fois six mois) est estimée à 0,40 Sieverts (donc seulement 0,20 Sv pour un voyage dans un seul sens) au niveau de la moelle osseuse, sans protection. Mais elle tomberait à 0,27 Sv derrière la protection d’un écran de 15 cm d’eau (donc 0,14 Sv pour un seul voyage) qui arrêterait une grande partie des protons. La dose équivalente résultant d’un seul SPE est nettement plus dangereuse car forte et brève puisqu’elle peut dépasser 1 Sv sans protection (elles atteignent rarement ce niveau). Mais un écran d’eau de 15 cm permettrait de réduire la dose équivalente d’un tel SPE à 0,25 Sv. Par ailleurs, la vitesse des particules SeP inférieure à celle de la lumière (ils ont une masse), permet de mieux anticiper ces « événements ». Un poste d’observation sur Terre ou, mieux, au voisinage de Mercure, pourrait donner un préavis de plusieurs heures aux voyageurs vers Mars et leur permettrait, d’organiser leurs réserves d’eau et de nourriture pour faire bouclier et se préparer à séjourner dans le caisson protégé. D’autre part les probabilités de souffrir de plus d’un SPE par mission sont statistiquement très faibles.
En fin de compte il faut garder présent à l’esprit que les recommandations ALARA sont quand même très précautionneuses puisque leur critère est de fixer comme seuil une dose équivalente qui n’augmenterait pas le risque de cancer de plus de 3%. Ce pourcentage ne me semble pas rédhibitoire si l’on ne fait le voyage aller et retour qu’une seule fois dans sa vie. Il serait même encore acceptable si on le faisait deux fois.
Illustration de titre (crédit étude Nature, voir lien (1) ci-dessous) et définitions : Instruments pour l’étude des radiations à bord d’Artemis I. (a) Instrumentation et mannequins (« fantômes ») Helga et Zohar du MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) à l’intérieur d’Orion (capsule spatiale mise en orbite lunaire par le SLS pour la mission Artemis 1). Il s’agit du système « HERA » (Hybrid Electronic Radiation Assessor) de la NASA, du système « EAD » (ESA Active Dosimeter) de l’ESA, ainsi que des instruments « CAD » (Crew Active Dosimeter) de la NASA et les détecteurs « M-42 » du DLR. Le système HERA (HSU1, HSU2, HPU) et les EAD ont été fixés à divers endroits de la capsule Orion (bénéficiant d’une protection différente). CAD et M-42 ont été placés sur les surfaces avant et arrière des mannequins (peau) et M-42 à l’intérieur (organes) de ces mêmes mannequins. (b) situation à l’intérieur du vaisseau spatial Orion.
Liens:
1) Etude publiée dans Nature le 18 septembre 2024 « Space radiation measurements during the Artemis I lunar mission » par Stuart P. George et al. du « Space Radiation Analysis Group », Johnson Space Center, Houston, TX, USA. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07927-7
2) Futura Science :
3) Futura science 2013 (RAD) ;
https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_assessment_detector
4) Post de Jean-Philippe Robert sur Linkedin :
5) Space.com
6) CRaTER
https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Reconnaissance_Orbiter
7) RAD
https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_assessment_detector
8) Février 24, Zeitschrift für Medizinische Physik
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S093938892300082X
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14 Responses
« Au contact d’un obstacle (par exemple la coque d’un vaisseau spatial), ils génèrent des rayons gamma »,de ce point de vue on peut se demander si l’option choisie par SpaceX pour le Starship, paroi en acier inoxydable, est bien judicieuse pour un vaisseau censé emmener un jour des astronautes dans un voyage vers Mars. Un tel matériau devrait a priori générer une « douche gamma » nettement plus importante qu’une paroi classique en aluminium. SpaceX n’a-t-elle pas eu en l’occurrence une vision à court terme, meilleur matériau d’enveloppe pour ce qui est de la résistance structurelle et de la tenue à la chaleur lors des rentrées atmosphériques, dans l’optique de vols en orbites terrestres ou, au plus, vers la Lune, mais potentiellement problématique dans la perspective de vols habités de plusieurs mois dans l’espace pour aller vers Mars? A ma connaissance, SpaceX n’a jamais évoqué cette question (comme pas mal d’autres d’ailleurs, ce qui est assez frustrant pour tout passionné de l’exploration spatiale qui s’intéresse sérieusement aux questions techniques que pose celle-ci).
Je suis d’accord pour considérer que l’acier inoxydable n’est pas la meilleure protection qu’on puisse donner aux astronautes!
suggestion:
Si on réalise un cycler, ne pourrait-on pas le concevoir comme une simple coquille, ou un manchon (un cylindre creux) à l’intérieur duquel le vaisseau spatial viendrait se loger (par l’arrière)? Il y resterait jusqu’à l’approche de Mars et en sortirait (par l’avant) pour descendre sur Mars.
Bien entendu on pourrait équiper ce manchon avec un minimum d’instruments pour pouvoir communiquer avec lui, avec des capteurs pour vérifier l’évolution de son état, et peut-être des réserves d’ergols pour compléter celle du vaisseau transporté. Car bien sûr il faudra l’entretenir et aussi pouvoir corriger la trajectoire.
Compte tenu de la masse, il faudrait pas mal d’énergie pour le mettre en mouvement mais on pourrait peut-être lui donner cette vitesse progressivement, en le chargeant de régolithe à chaque passage près du système Terre-Lune.
Par ailleurs, compte tenu de la coque que constituerait l’ensemble qui pourrait être également un systèmes de protection contre les radiations d’un réacteur à fission nucléaire, on pourrait aussi l’équiper d’un tel système, avec ses matières fissiles, plus facile à stocker que des ergols cryogéniques (d’autant qu’on activerait la réaction que lorsque elles seraient chargées dans le réacteur).
« Solution » bien compliquée, qui ne serait pas près de voir le jour!
Il vaut mieux concevoir un vaisseau directement de manière cohérente, dans une approche modulaire, avec des parois adéquates pour les modules d’habitation (et seulement ceux-ci), et idéalement un dispositif actif de protection tel qu’étudié récemment par la NASA et l’ESA (bouclier magnétique à bobines supraconductrices « en potiron », qui serait assez facile à installer sur les « boîtes de conserve » du concept que j’ai exposé ici précédemment) et un module énergétique et de propulsion qui dans mon idée devrait, au moins à terme (peut-être qu’on en resterait à une propulsion classique pour les tout premiers vols, c’est la « beauté » d’une conception modulaire!), effectivement être nucléaire pour toutes les opérations en orbite de transfert.
Lorsque j etais jeune j avais imagine d entourer une cabine spatiale d un dispositif leger et gonflable avec un gaz correspondant a la composition de la haute atmosphere entourant lui meme un autre ballon gonfle avec un gaz a la composition de la basse atmosphere; puis ensuite j avais delece ces ballons pour les remplacer par 2 tores superposes dans lesquels je faisais tourner ces gaz a grande vitesse pour augmenter la probabilite de contact particule cosmique/particule du gaz le tout etant destine a reproduire artificiellement l interaction particule cosmique/atmosphere. Le volume des ballons ainsi que la concentration des gaz importaient et par la suite le souhaitais creer un champs magnetique destine a detourner ces particules chargees…ah lorsque j etais jeune j en ai fait des choses!
Et vous aviez raison Niogret.
C’est le rêve, l’audace non inhibéee qui conduit à l’invention et au progrès.
il est a noter qu a « mon epoque » cela n existait pas mais maintenant Aaron Kemmer au sein de MAX SPACE developpe ce genre de « ballon » avec un volume prevu de 1000m3 soit trois fois fois le volume de l ISS …cela change tout!
C est leger volumineux et « gonflable : a partir de la on peut en effet tout imaginer ! il suffit d emporter les bouteilles de gaz liquefie necessaires.
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peu volumineux au transport.
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D autant que le champ magnetique terrestre est tres faible :il doit etre assez facile de creer celui ci autour d un vaisseau comme starship en utilisant le vaisseau lui meme comme noyau de l electroaimant et sans depenser beaucoup d electricite …non ou je me trompe?
Sans doute un tel dispositif pourrait arrêter une bonne quantité de particules ionisées.
Cependant l’écran gazeux n’est valable, me semble-t-il, que s’il a une épaisseur suffisante. Toutes, les particules incidentes (on parle de protons et de noyaux atomiques plus ou moins lourds) ne peuvent pas en effet être arrêtées dès l’entrée dans le ballon. Certaines passeront à travers les mailles du filet (assez lâches puisqu’il s’agit d’un gaz) et en raison de leur vitesse, elles arriveront au vaisseau.
La contre-mesure pourrait être la vitesse à laquelle se déplace les particules-bouclier de gaz du ballon. Mais là aussi, le contrôle me semble très difficile car les particules incidentes peuvent se déplacer et impacter, à des vitesses aussi grandes que leur masse le permet (sans compter que le ballon doit être constitué d’un matériau résistant)!
Pour l epaisseur de gaz nous avons un grand degre de liberte: les parametres ajustables sont la taille du « ballon », le pression du gaz a l interieur et la vitesse communiquee au gaz dans cette enceinte par des turbines.
La vraie question concerne le noyau de l electroaimant: il faut qu il soit en fer qui possede des qualites ferromagnetiques alors que starship est en acier:cependant les aciers contiennent du fer et selon la proportion de fer certains aciers presentent des caracteristiques ferromagnetiques.
Quant a la qualite du materiau constituant le ballon je pense que Max Space maitrise la question.(sinon il ne proposerait pas ces structure).
Vous avez raison Niogret. On peut penser que Max Space a travaillé sur la qualité du matériau de l’enveloppe.
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Max Space est un nouvel espoir puisque Bigelow a fait faillite. Et il semble que les relations avec SpaceX soient bonnes puisqu’il est prévu un lancement de prototype par leurs soins en 2025.
Affaire à suivre donc!
L’article référencé ci-dessous donne une bonne illustration de comment arriver à limiter la dose reçue à 1 Sv au maximum sur 4 ans au maximum :
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021SW002749
« Our simulations show that for solar cycle 23 and aluminum shielding, the mission duration–assuming a 1 Sv mission limit–should not exceed approximately 4 years. »
Comme le souligne très justement M. Haldi, il semble évident que l’aluminium (en anglais nord-américain on dit « aluminum », d’une densité de 2,7 kg/dm³) est absolument à préférer à l’acier inox (avec du fer, du chrome, du cobalt, du nickel… et d’une densité trois fois plus grande, de près de 8 kg/dm³) qui est fortement activable et engendre des rayons gamma sous l’effet des ions lourds très énergétiques. Selon cet article, une densité surfacique de 20 à 30 g/cm² serait optimale, soit une épaisseur de 7,4 à 11,1 cm.
Quelle masse d’aluminium cela ferait-il ? Le Starship aurait un volume de 1000 m³. Habiller la surface d’un cylindre de 1’000 m³ (pour 9 m de diamètre et 16 m de haut) et de 580 m² de surface demanderait environ 116 à 174 tonnes d’aluminium sur une épaisseur de 7,4 à 11,1 cm.
Intéressant! Merci Monsieur de Reyff.
Pour apprécier la conséquence sur la poussée nécessaire, de l’utilisation de l’aluminium au lieu de l’acier, il faudrait connaître le poids exact de la coque du SuperHeavy et de son vaisseau. Je ne connais que la masse sèche de l’ensemble (coque et équipements): 300 tonnes (soit 200 tonnes pour le SuperHeavy et 100 tonnes pour le Starship-vaisseau).
Re bonjour
Alors oui Max Space est a suivre et me fait penser au modele SPACE X ! phenomenale creativite.
Il ne reste plus qu a calculer le nombre se spires a realiser autour de Starship (avec du fil de cuivre isole ou aussidu fil d aluminium isole mais moins conducteur par contre plus protecteur contre les rayons cosmiques parvenant a traverser nos pieges…et l affaire est jouee! le but etant d obtenir un champs magnetique de 5*10puissance -5 Tesla ; mais la aussi on a un grand degre de liberte et on pourra si l energie electrique est suffisante augmenter l intensite du champ magnetique et ameliorer ainsi l effet proctecteur contre les particules chargees…
Incroyable : il y a 40 ans et meme plus lorsque j avais reve de cela j etais loin de me douter que ca pourrait arriver parce que les ballons n existaient pas .
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Reste le probleme de la gravite articielle sur le vaisseau Space x tel qu il existe actuellement:
—–plusieurs seances par jour de machines derivees du principe du trampoline…
—–ou bien le vaisseau presentant un diametre de 9 metres : y creer une centrifugeuse destinee a plusieurs seances chaque jour pour l ensemble de l equipage ce devrait suffire.
Dans le futur toutefois j en reviens a mon vaisseau d une centaine de metres de diametre sur 30 a 40 metres de hauteur , circulaire en forme de tore et propulse depuis le sol par 30 a 40 moteurs type Raptors et assistes par 30 a 40 modules type ssrb et destine a ne quitter le terre qu une seule fois pour etre place en orbite afin d etre soit en « garage comme station spatiale » soit apres etre mis en rotation sur lui meme a 2 tours par minute a partir vers Mars. les translations de materiels et equipages se faisant depuis le sol par des navettes de starship…ainsi que l entretien.
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quitte a etre dans le reve …autant continuer jusqu au bout !
Au problème de radiation, il faut ajouter à la souffrance cardiaque observée après un séjour en apesanteur. Pas étonnant quand on sait que l’activité sur Terre permet aux vaisseaux sanguins de fonctionner comme aide au muscle cardiaque. Alors quelle sera l’activité cardiaque en gravité réduite martienne?
Pléthore de problèmes cardiovasculaires pour les futurs colons martiens?
https://www.science-et-vie.com/corps-et-sante/coeur/dans-lespace-votre-coeur-bat-deux-fois-moins-fort-que-sur-terre-179978.html
Figurez-vous que moi et mes amis avons déjà pensé à ce problème.
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Il n’est pas mineur et pour le moment personne ne peut dire si l’homme pourra vivre dans une gravité de 0.38g.
Il faudra en faire l’expérience lors de la première mission habitée et en tirer les conclusions. On ne peut qu’espérer.
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Ceci dit, je déplore (pour ce qui est du voyage et non du séjour) que ni la NASA ni l’ESA n’ont voulu jusqu’à aujourd’hui, mener d’expérience de gravité artificielle. La Mars Society le recommande depuis les années 1990 par mise en rotation de deux masses (dont l’habitat).