Exploration spatiale - le blog de Pierre Brisson

Une étude du Département « Nutrition and Integrative Physiology » de l’Université de Floride publiée en septembre 2023* met en évidence un danger, peut-être envisagé mais jusqu’ici jamais exposé, pour les astronautes qui mèneraient de longues missions dans l’espace profond. Il s’agit de l’effet de l’irradiation par les ions HZE et de l’apesanteur sur les capacités d’érection du sexe de l’homme. Le danger n’est pas négligeable car d’après les expériences menées sur des rats par les chercheurs de l’université susnommée, ces capacités semblent sérieusement et durablement affectées par les deux facteurs en cas de séjour long dans l’espace profond. C’est une contrainte qu’il convient de prendre en compte avant de lancer la première mission habitée vers Mars. En effet cette mission et les suivantes ne pourront pas être un aller-retour rapide mais devraient nécessiter une trentaine de mois hors de la Terre dont, surtout, deux fois six mois de voyage.

*voir lien ci-dessous, en fin d’article.

Les deux facteurs (radiations HZE et microgravité) induisent un risque accru de stress oxydant (excès de radicaux libres) et de dysfonction endothéliale* qui sont génératifs de dysfonction érectile du pénis. L’article souligne que la stimulation des fibres nerveuses non adrénergiques et non cholinergiques** (NANC) et la production d’oxyde nitrique (NO) par l’endothélium entourant les corps caverneux du pénis (CC) et les petites artères à l’intérieur et à l’extérieur de cet organe, sont des facteurs cruciaux pour le déclenchement et le maintien de l’érection. Il souligne également qu’un facteur de stress physiologique qui réduit la biodisponibilité de NO peut avoir un effet délétère disproportionné sur la fonction érectile et sur la simulation des fibres nerveuses. Des études antérieures ayant démontré des altérations de la fonction endothéliale et de la biodisponibilité du NO dans les vaisseaux centraux et périphériques à la suite d’un vol spatial, il est raisonnable de supposer que les astronautes « au long cours » puissent être exposés à un risque élevé de dysfonction érectile.

*l’endothélium est une monocouche cellulaire qui tapisse l’ensemble des vaisseaux sanguins du corps animal. C’est un organe à part entière qui joue un rôle fondamental dans le contrôle du tonus vasomoteur, dans le trafic cellulaire et macromoléculaire et dans le maintien de la fluidité sanguine (Wikipedia).

**système neuro-végétatif (ou « système nerveux autonome » c’est-à-dire non commandé par la volonté).

Pour ce qui est de l’apesanteur, les auteurs nous disent que le modèle de décharge des membres postérieurs, « HLU » (« hindlimb unloading ») à 30 degrés, qu’ils ont utilisé, l’a déjà été souvent comme alternative aux vols spatiaux dans les recherches car il simule de façon considérée satisfaisante, d’importantes réponses physiologiques à l’apesanteur, telles que l’atrophie musculaire différentielle ou les déplacements céphaliques des fluides. Dans cette situation le corps développe des adaptations cardiovasculaires similaires à celles observées en microgravité, telles que l’hypovolémie (déficit de sang dans le système circulatoire, entrainant une diminution de la perfusion des organes, ce qui entraîne leur dysfonctionnement), ou la réduction de capacité à élever la résistance vasculaire périphérique en cas de besoin.

Pour ce qui est des radiations, il est à noter que jusqu’à présent aucune expérimentation prenant en compte le rôle spécifique des HZE n’avait été menée. Pour mémoire les HZE sont les ions lourds (ions d’atomes « métalliques » c’est-à-dire de numéro atomique – nombre « Z » de protons – supérieur à l’hélium – n°2, l’hydrogène ayant le n°1) qui constituent 2% de 98% des rayonnements corpusculaire galactiques (Galactic Cosmic Rays, « GCR »), les 2% pour mener les 98% à 100% étant les électrons (les 98% étant, eux, constitués de 88% de noyaux d’hydrogène – protons- et de 10% de noyau d’hélium). L’énergie de ces ions HZE (et d’autant plus que leur numéro Z est élevé) est telle qu’ils ne peuvent être repoussés par les technologies que nous maîtrisons aujourd’hui. Leur impact est particulièrement destructeur des tissus humains (plus, à quantité égale, que les protons constitutifs des radiations solaires). Selon les auteurs, « bien que la NASA ait fixé des limites strictes pour l’exposition des astronautes aux rayonnements (GCR et solaires, SeP – Solar energetic Particles), son modèle ne mentionne pas de composante ionique HZE en raison des recherches limitées sur les effets biologiques des ions lourds ». Un des apports de cette étude (base du présent article) est qu’elle a pu pour la première fois les prendre en compte spécifiquement grâce au développement d’un nouveau simulateur de GCR au Laboratoire des radiations spatiales de la NASA (NSRL). Il en ressort que l’endothélium vasculaire est particulièrement affecté par l’exposition aux radiations HZE qui entraîne une plus grande incidence de l’apoptose (mort cellulaire génétiquement programmée), des changements morphologiques tels que le rétrécissement des cellules, l’élargissement des espaces entre les jonctions cellulaires et le détachement de la membrane basale, des niveaux élevés de production de xanthine oxydase (une enzyme qui conduit à l’oxydation de xanthine en acide urique), la diminution des niveaux de NO ainsi que la production accrue de superoxyde. Or comme déjà dit ci-dessus, c’est principalement par la production d’oxyde nitrique, qui permet la relaxation des muscles lisses et l’augmentation du flux sanguin vers les corps caverneux du pénis, que s’effectue l’érection du pénis.

Selon les auteurs, « cette recherche démontre les conséquences à long terme de l’exposition à l’HLU et à la GCR simulée sur la réactivité vasculaire de l’artère pudendale interne distale (l’afflux de sang nécessaire à l’érection passe par cette artère) et des corps caverneux ». Dans l’expérience, l’intervention HLU de 4 semaines a été couplée à une exposition GCR pour imiter l’environnement auquel les astronautes seraient confrontés lors d’une mission plus séjour, sur la Lune ou sur Mars. Les résultats démontrent que les altérations les plus délétères de la réactivité vasculaire ont été produites principalement par les GCR, et qu’elles ont été observées après une période de récupération prolongée (équivalente à une vingtaine d’années) à la suite d’un vol spatial simulé, avec séjour d’une durée telle qu’on l’envisage aujourd’hui (dans un « village » lunaire ou sur Mars). Ces résultats suggèrent que la fonction neurovasculaire des tissus érectiles peut être altérée pendant le reste de la durée de vie sexuelle des astronautes après leur retour sur Terre à la suite d’un séjour prolongée dans l’espace lointain.

Que faire ?

Il faut d’abord convenir que ces effets sont non seulement extrêmement regrettables mais aussi sérieusement inhibants si l’on envisage une colonisation de la planète Mars. Il est évident qu’en l’état, on ne pourrait pas contraindre une population quelconque à accepter une telle altération de leurs capacités (même si l’insémination artificielle resterait peut-être possible, c.à d. si la spermatogénèse n’a pas été altérée).

Il faut ensuite, recommander que les études se poursuivent surtout pour développer des remèdes (au sens large) permettant d’annuler les effets négatifs.

Pour ce qui est de l’apesanteur, on est face à deux problèmes, celui du voyage et celui du séjour sur Mars et à un « sous-problème » du second, qui pour le moment reste caché ou non étudié, celui de l’effet d’une pesanteur non pas nulle mais faible, à l’intérieur du corps. Pour ce qui est du premier, on peut bien sûr envisager la gravité artificielle par mise en rotation du vaisseau transportant les humains. J’ai abordé le sujet et la possibilité plusieurs fois dans ce blog. C’est sans doute la difficulté la plus facile à surmonter. Pour ce qui est du second (le séjour en surface), on est dans un autre cas de figure puisqu’en surface de Mars, au datum – l’équivalent du niveau de la mer -, la gravité sera de 0,38g (contre 1g – soit 9,81 m/s2 – en surface de la Terre, au niveau de la mer). Restituer un poids normal, globalement, dans cette situation sera également facile puisque les hommes devront, de toute façon, porter une protection contre les radiations dans tous les cas où ils ne seront pas sous la protection d’une épaisseur d’environ 2 m de régolithe (avant d’atteindre ces 2 m, plus l’épaisseur sera importante, plus la protection sera bonne). Par ailleurs à l’extérieur des locaux viabilisés, l’équipement de survie, indispensable, rajoutera plusieurs dizaines de kg (masse et poids) de telle sorte que l’astronaute en EVA (en activité extérieure à la base viabilisée) aura un poids terrestre. Reste le sous-problème de la pesanteur à l’intérieur du corps. Le poids total de l’homme équipé n’aura aucun effet sur l’effort que devra fournir le cœur pour alimenter le cerveau en sang. Cet organe essentiel, dans un crane dont le volume n’est pas extensible, « fonctionnera » toujours sous une pesanteur de 0,38g donc en surpression. Je laisse les médecins réfléchir à la solution.

Pour ce qui est des radiations de HZE, qu’on ne peut empêcher de pénétrer le corps pendant le voyage, il faudra voir comment, une fois arrivé, réparer les dégâts causés à l’aller et au retour. Vu l’ampleur des risques et la certitude de leur concrétisation, il est impossible d’envisager qu’un homme puisse en ressortir indemne. Les capacités d’auto-réparation du corps devront donc être fortement stimulées. Cela « jouera » pour certains organes. Notamment, pour contrer le stress oxydatif, on peut envisager d’absorber des anti-oxydants à haute dose (mais en faisant quand-même très attention au dosage !). Pour les autres, les problèmes restent à déterminer précisément puis à traiter. En principe, d’après l’expérience que l’on peut tirer des séjours dans l’ISS, la durée d’exposition compte beaucoup. On a constaté un vieillissement marqué d’un des jumeaux Kelly dans l’ISS, Scott, malgré les moyens déployés pour le maintenir au même niveau que son frère Mark. Or en dessous de l’ombrelle des Ceintures de Van Allen, les HZE sont beaucoup moins nombreux que dans l’espace profond. Il faudra donc s’efforcer d’écourter le voyage mais cela suppose la mise au point de vaisseaux à propulsion nucléaire, ce qui n’est pas encore le cas. Sur Mars, le problème sera différent puisque le sol fera écran pour une partie, tandis que l’atmosphère atténuera l’intensité de dose pour le reste. « L’un dans l’autre » on ne devrait pas avoir une intensité de radiations plus élevée que dans l’ISS. Mais, avec une proportion plus élevée de HZE (donc une « dose » identique, en Gray), une « dose-équivalente », en Sievert, plus élevée, les dommages pour la santé devraient être supérieurs. Mais cela ce sera pour la vie « à l’extérieur » pas sur pour la vie dans les habitats. Sur Mars le risque sera en fait presque nul puisqu’heureusement on pourra vivre dans ces habitats et agir à l’extérieur en direct via robots interposés, avec de courtes interventions physiques. Il faudra « simplement » suivre l’évolution de l’irradiation de chacun, occasionnée par les sorties, et moduler la durée/fréquence de ces dernières en fonction des doses-équivalentes atteintes.

La conclusion c’est que, plus que jamais, on doit prévoir que la première mission habitée soit une mission médicale (outre le fait qu’elle devra aussi être exobiologique mais les deux se rejoignent) et que les membres de cette mission soient des personnes relativement âgées mais encore physiquement aptes à supporter les épreuves…et rester efficaces. On ne peut humainement imposer à des hommes et des femmes jeunes, de prendre des risques d’impuissance ou d’infertilité que l’on connaît sérieux.

On est donc au tout début d’une recherche médicale capitale et on ne peut rien dire sur son issue.

Ce n’est pas une raison d’abandonner le rêve d’installer une branche de l’humanité sur Mars. Mais il faut avoir conscience que maîtriser le risque sanitaire est à mettre au niveau des autres défis : construire un vaisseau spatial capable de transporter équipement et personnes en quantité suffisante puis de repartir du sol de Mars et se reposer sur Terre ; maîtriser le support vie nécessaire pour vivre au moins 30 mois en dehors de la Terre ; disposer d’une source d’énergie suffisante pour permettre la vie dans le vaisseau spatial, la vie sur Mars et le retour sur Terre.

Le défi est immense mais parmi les hommes il y en a toujours eu qui ont eu d’autant plus envie d’escalader les montagnes qu’elles étaient plus hautes.

Lire

Neurovascular dysfunction associated with erectile dysfunction persists after long-term recovery from simulations of weightlessness and deep space irradiation par Manuella R. Andrade et al. étude publiée le 26 septembre 2023 par the FASEB Journal, DOI: 10.1096/fj.202300506RR.

Liens:

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37990646/

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2014cosp…40E.267B/abstract

Illustration de titre: l’homme sur Mars, vue d’artiste, crédit NASA/CalTech. L’homme en scaphandre contemple le paysage de son nouveau monde. Il est arrivé sur ce promontoire avec un rover pressurisé. Le cercle qui encadre la vue est un des hublots du véhicule au travers duquel ses compagnons ont pris la photo. Au fond, loin devant, des lumières brillent, celles de la base, leur foyer. Sa femme l’y attend, avec ses enfants. Ils les ont eus sur Mars par des moyens naturels et il est aujourd’hui en bonne santé, son irradiation se situant à l’intérieur des doses « acceptables ».

Tous mes meilleurs voeux à mes fidèles lecteurs! Que cette année 2024 nous rapproche un peu plus des vols habités vers et sur Mars.

dans cet esprit, j’adresse également tous mes meilleurs voeux à Elon Musk et ses équipes pour qu’ils réussissent, dès le premier semestre, un vol orbital parfait du Starship, avec redescente sur Terre du vaisseau, intact, jusqu’à la totalité de ses tuiles de protection thermique.

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 23 12 22

Cet index reprend l’intégralité des articles publiés dans le cadre de la plateforme letemps.ch

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19 réponses

  1. Une première mission habitée vers Mars nécessita en effet une trentaine de mois hors de la Terre dont deux fois six mois de voyage, mais uniquement si on se limite à des propulseurs chimiques comme ceux du Starship (ou de Saturn en son temps). Aujourd’hui, des études de divers types de moteurs nucléaires laissent espérer, à terme, des réductions de temps de transit à 3 mois voire 45 jours, et des missions totales limitées à quelques mois.

    Certes, ce n’est pour demain. Mais les gouvernements en ont entendu parler. Il est chaque jour plus improbable qu’ils autorisent d’exposer des équipages aux dangers de très longues missions quand il n’y a pas d’urgence et qu’on sait pouvoir réduire ces dangers un jour sensiblement. Or s’il ne faut pas d’autorisation pour faire des conférences, il en faut pour des tirs réels.

    Ces nouveaux risques confirment la crainte qu’un premier voyage vers Mars ne soit ni pour demain, ni d’une durée de trente mois comme l’impose la technologie actuelle. Quel que soit le regret qu’on puisse en ressentir.

    1. Bien sûr qu’il faut rechercher à réduire le temps de voyage. En dehors des risques pour la santé, personne ne sera heureux de rester enfermé pendant 6 mois. De toute façon le Starship « classique » restera nécessaire pour aller jusqu’à l’orbite pour y amener des passagers ou y apporter des charges utiles diverses. Par ailleurs ce n’est pas parce qu’on arrivera sur Mars en 45 jours qu’on pourra repartir vers la Terre immédiatement. Il faut que la position respective des planètes le permettent et les « fenêtres de tirs » existeront toujours.
      .
      Pour ce qui est des départs vers Mars, je ne crois pas que le problème soit l’obtention d’une autorisation par un gouvernement. Il y en aura toujours pour en donner. Je crois plutôt que ce sera le simple bon sens. Si le danger radiatif tel que présenté dans l’étude sur laquelle j’ai écrit mon article est confirmé ou plutôt tant qu’on ne trouvera pas de parade à ce danger, on ne trouvera pas d’hommes pour partir.
      .
      Ceci dit je pense que la réponse aujourd’hui à ce nouveau défi, c’est la recherche médicale pour contrer l’effet des radiations ou la création d’un champs magnétique autour du vaisseau qui ne représente pas une masse et une dépense d’énergie trop importantes. Il ne faut pas renoncer avant d’essayer.

  2. oui champ magnetique et egalement un vaisseau tournant sur lui meme et enfin un vaisseau tres grand capable d assurer aux astronautes un « confort de vie » correct: nous sommes la dans le futur assez proche . pour l instant nous disposons de starship qui permet tout de meme de relier MARS mais dans des conditions difficiles et dangereuses.

    nb: a propos de moteur on parle actuellement des essais du moteur a detonations rotatives: 25 pcent de puissance en plus et 25 pcent de consommation en moins ce qui est enorme.

    1. Oui j’ai entendu parler de ce moteur à détonations rotatives. Les perspectives qu’il ouvre sont fantastiques car la masse que l’on doit arracher à l’attraction terrestre est composée à plus de 90% d’ergols.
      Moins d’ergols, c’est non seulement moins de masse d’ergols c’est aussi moins de masse de réservoirs. Pour rappel, la masse sèche du premier étage (SuperHeavy) du Starship est de 260 tonnes, la masse des ergols est de 3600 tonnes (dont 800 de méthane et 2800 d’oxygène). Comme quoi il ne faut pas désespérer des possibilités de progrès même dans le domaine de la propulsion chimique.

  3. absolument d autant que le decollage fera necessairement appel a la propulsion chimique la propulsion atomique etant reservee a l espace.
    reste le probleme des radiations: la seule solution est le blindage (eau et polyethylene) plus ou moins etendu de l espace de vie de l equipage mais c est lourd! raison de plus de disposer de moteurs puissants.

  4. Il faut bien distinguer deux problèmes d’irradiation potentielle de l’équipage dans un vaisseau spatial propulsé à l’énergie nucléaire. Il y a le cas — aussi valable pour un vaisseau à propulsion chimique et déjà présenté ici par M. Brisson — des divers rayonnements cosmiques rencontrés au cours du voyage pour lesquels effectivement un champ magnétique entourant le vaisseau pourrait détourner et piéger au moins les particules chargées (protons et ions lourds), mais pas les rayons X et gamma, pour lesquels seul un blindage pourrait être (plus ou moins) efficace selon leur dureté.
    Dans le cas d’un réacteur nucléaire (donc à fission nucléaire) présent à bord, les rayonnement alpha et beta qui en sont issus (provenant des produits de fission qui restent confinés) sont facilement absorbés par un écran ad hoc. Il reste les rayonnement gamma et les neutrons qui ne sont pas confinables. Pour les premiers, on ne peut que les atténuer, mais pas les éliminer complètement, pour ramener leur niveau à une dose convenable. Pour les neutrons, issus de la réaction de fission nucléaire, ils sont la source d’activation de tous les matériaux métalliques environnants qu’ils rencontrent, ceux-ci devenant à leur tour sources de rayonnements : par exemple, le cobalt-59 et le fer-58 de l’acier devenant le cobalt-60 qui se désintègre en nickel-60, avec une très forte émission de rayons gamma énergétiques lorsque ce dernier se stabilise finalement en un isotope non radioactif. Il existe heureusement des matières « neutrophages » comme le bore ou le cadmium, des éléments relativement légers faciles à mettre en œuvre dans un blindage.
    Dans le cas d’un hypothétique futur réacteur à fusion nucléaire à bord d’un vaisseau spatial, il n’y aura bien sûr plus de produits de fission radioactifs, mais il y aura toujours des matières radioactives créées par l’activation des matières environnantes due aux neutrons issus des réactions de fusion, et cela d’autant plus que l’énergie cinétique de chacun des neutrons de la fusion est de l’ordre d’au moins 14 MeV (soit 51’000 km/s) contre seulement 1 à 2 MeV (19’000 km/s) pour chaque neutron issu de la fission. Dit en passant, il serait judicieux de pouvoir tirer parti de ces vitesses énormes pour assurer la propulsion par fusion nucléaire (« Direct Fusion Drive », DFD, avec un impulsion spécifique théorique de l’ordre de 10’000 secondes !)… Mais M. Haldi pourrait certainement nous en dire plus.

    1. Bonjour Niogret. On n’en est pas encore là. Normalement des panneaux solaires déployables étaient prévus et ils pourraient être suffisants si on ne s’éloigne pas trop du Soleil, c’est à dire de la Terre. Mais le sujet de l’approvisionnement en énergie pour les besoins internes au vaisseau est un des points importants à développer.

      1. et bien les panneaux solaires fonctionnent sur Mars puisque les sondes qui sont actuellement en sont equipees mais bien sur la lumiere solaire parvenant a Mars est plus faible que pres de la terre: en fait connait on actuellement la depense energetique de starship ?

        1. les panneaux solaires seraient comme ceux de la station spatiale internationale c est a dire immenses et nombreux ce qui dans le cadre d un systeme en rotation type MIKE DA ROSA risque de poser le probleme de leur orientation vis a vis du soleil pendant le voyage.

          1. Je crois que personne ne peut répondre à ces interrogations pour le moment. La seule chose qu’on ait vu sur le sujet, était la très esthétique présentation de lignes de panneaux solaires déployés en ailes de papillon (ou de libellule). L’imagination est donc libre.

  5. Bonjour Christophe De Reyff
    Sans vouloir vous importuner pouvez vous me rafraichir la memoire :
    la stratosphere s etend jusqu a 50 kms et contient surtout de l ozone :elle capte surtout les rayonnements secondaires dus aux rayons cosmiques ;
    la mesosphere s etend de 50 a 80 kms , est tres peu concentree, et contient surtout de l o2 du n2 et du co2;
    c est bien comme ca que ca marche?

  6. L’irradiation solaire reçue sur Mars est encore de 43% de celle reçue sur la Terre. Donc, effectivement, les modules photovoltaïques sont encore efficaces, disons avec environ 100 watts-crète par mètre carré.
    Mars n’a pas de stratosphère, une couche normalement située entre la troposphère et la mésosphère et donc n’a pas d’ozone stratosphérique…
    Pour la structure verticale de l’atmosphère de Mars, je vous renvoie à l’excellent article de Wikipedia :
    https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Mars#Vertical_structure
    et pour ce qui de l’ozone, ici :
    https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Mars#Oxygen_and_ozone

  7. Après avoir lu l’article et notamment la phrase suivante :

    Il s’agit de l’effet de l’irradiation par les ions HZE et de l’apesanteur sur les capacités d’érection du sexe de l’homme.

    On peut se poser la question suivante : qu’en est-il de l’effet de l’irradiation sur les femmes ? A-t-il été mesuré spécifiquement ? si non pourquoi ? Si oui, quel sont les résultats ? L’anatomie féminie est-elle par nature moins fragile ou plutôt, les conséquences sont-elles différentes ? Si avérée, une différence selon le sexe pourrait générer une révolution copernicienne dans la conquête spatiale habitée par…..la femme, du coup. L’homme (masculin) deviendrait alors spectateur dans cette conquête de la pénétration de l’espace profond et rien, non vraiment rien ne serait plus humiliant pour l’internationale des machos.

    1. La science progresse pas à pas et, non, pour le moment, l’étude sur les dommages causés à l’appareil reproducteur féminin n’a pas été menée de façon aussi poussée.
      Un ami médecin (le Dr JP Dederding) soulevait une « autre question implicite: ces radiations sont elles aussi nocives pour les ovocytes et une fois fécondé l’implantation en muqueuse utérine (endomètre) sera t elle effective, avec pour conséquence le développement d’un embryon humain ».

      Toujours est-il que nous restons avec un gros point d’interrogation. L’étude sera difficile et longue.

      Ceci dit je vois mal l’exploration en espace profond réservé aux femmes. Je pense que, pour commencer, la plupart des femmes refuseraient de la mener seules, sans compagnon masculin. Quant à la colonisation on ne pourrait même pas l’envisager. La guerre des sexes est pour moi une fiction.

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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