le voyage dans l'espace

Le rêve de l'Homme est bien entendu de voyager dans l'espace et de conquérir des planètes, malheureusement le voyage dans l'espace pose énormément de problemes.

Pas de gravite

L'absence de pesanteur a d'abord un effet important sur le sens de l'équilibre. C'est l'oreille interne, grâce aux otolithes, (de petites particules de calcium qui se déplacent librement sous l'effet de la gravité et dont la position est connue par l'interaction avec des cils) et aux canaux semi-circulaires, qui nous permet de positionner la verticale et de ressentir les mouvements de notre corps. En apesanteur, l'oreille interne ne fonctionne plus correctement. Les signaux qui proviennent des yeux et des canaux semi-circulaires indiquent au cerveau que la tête vient de tourner.

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Des os plus fragile

Sans la gravité, la colonne vertébrale grandit. Le calcium et certains sels minéraux (phosphore) quittent les os (ostéoporose) et ceux ci se fragilisent considérablement (surtout les os qui portent le poids du corps). Par exemple, la quantité de calcium présente dans l'urine des astronautes qui ont participé à la mission Skylab avait augmenté de 60 à 100 %, ce qui représentait une perte moyenne de presque 0,5 % par mois. Les niveaux élevés d'acide urique, de calcium, de phosphore et de potassium dans l'urine peuvent aussi conduire à l'apparition de calculs rénaux. Extrêmement douloureux, ils peuvent rapidement devenir incapacitants.

Atrophie des muscles

Leur masse et leur force s'oppose en permanence à la gravité terrestre. En apesanteur, certains muscles ne servent plus à rien, et commencent à s'atrophier. L'atrophie musculaire réduit l'habilité, la force, la locomotion et le maintien d'une posture correcte. C'est également la source de douleurs musculaires et ligamentaires.

Le systeme cardio-vasculaire

Sur Terre, la gravité force le sang à s'accumuler dans la partie inférieure du corps. Les battements du cœur, la contraction de certains muscles des jambes et les valvules situées au niveau des veines contrarient ce phénomène. En apesanteur, ces mécanismes disparaissent, et on observe alors une redistribution de la masse sanguine. Une importante quantité de sang (1,5 à 2 litres) quitte les membres inférieurs pour s'accumuler au niveau de la partie supérieure du corps (région céphalique, thoracique et cervicale).

La diminution du volume sanguin en apesanteur est également accompagnée par une diminution du nombre de globules rouges, une sorte d'anémie spatiale (10 à 15 % de globules rouges en moins et même plus suivant la durée de la mission).

Les radiations

Dans l'espace, les astronautes pourraient être exposés à des rayonnements particulièrement dangereux. Les risques de cette exposition sont nombreux : mutations, cancers, diminution de la durée de la vie, cataracte. Pour la suite de la discussion, nous exprimerons les doses de radiation en utilisant le REM, une unité couramment utilisée aux Etats-Unis. En Europe, nous utilisons plutôt le Sievert, 1 Sievert étant égal à 100 rems.

Dans la navette spatiale ou dans la future station spatiale internationale, l'équipage est soumis à un rayonnement de 30 millirems par jour (l'équivalent de deux radiographies de la poitrine par jour). Par comparaison, une personne vivant dans une région au niveau de la mer reçoit seulement 100 à 150 millirems par an (soit 1% du rayonnement en orbite). La dose approche les 200 à 300 millirems pour une personne vivant en altitude, dans une région montagneuse par exemple. Le rayonnement que l'on reçoit de manière naturelle sur Terre provient de la radioactivité des roches et des particules secondaires issues de l'interaction du rayonnement cosmique avec la matière. Notez ici que ce rayonnement naturel joue un rôle bénéfique en stimulant les mécanismes de réparation dont le corps dispose pour lutter contre les effets destructeurs des radiations.

A partir de quelle dose les effets néfastes commencent-ils à apparaître ? Une personne soumise à 75 rems ne présente pas de troubles de santé. Entre 75 et 200 rems, certaines personnes commenceront à présenter des symptômes (vomissements, perte d'appétit, fatigue), alors que d'autres continueront à bien se porter (il existe effectivement une large plage de tolérance entre les individus). Si la dose dépasse les 300 rems, plus aucune personne n'échappe aux symptômes. La mortalité apparaît également à ce niveau. 50 % des personnes meurent à 450 rems, 80 % à 600 rems. Une dose de 1000 rems est toujours létale. Ces effets sont ceux que l'on peut observer lorsqu'un individu est exposé brièvement à une forte dose de radiations. A part les cas extrêmes, il est possible de récupérer après quelques semaines ou quelques mois, le temps pour les systèmes de réparation d'intervenir. Mais il faut prendre en compte un autre risque : celui de développer dans les années qui suivent un cancer. Les particules énergétiques peuvent effectivement toucher l'ADN et réveiller un oncogène, qui conduira à un cancer. Pour une dose de 100 rems, on estime en général que le risque de développer un cancer fatal dans les 30 ans est de 1,8 %.

Les organes les plus sensibles aux radiations sont le système lymphatique, les gonades et la moelle osseuse, suivi des poumons, de la peau, des yeux, des reins et du foie. Le système nerveux central, les os et les muscles sont peu sensibles. Le risque de développer un cancer est un peu plus grand pour les femmes, à cause du cancer du sein.

En moyenne, un voyage vers Mars de 2 à 3 ans soumettrait l'équipage à un rayonnement de 50 rems, augmentant ainsi la probabilité de mourir d'un cancer d'un petit %. A la surface de Mars, la dose sera de 9 rems par an (6 rems par an pour les habitations enfouies sous le régolite martien), soit une moyenne de 7,5 rems.

Les rayonnements du milieu interstellaire peuvent être de nature corpusculaire (électrons, protons, noyaux lourds) ou photonique (rayons gamma, X, ultraviolet, infrarouge, visible ou radio). Les trois principales sources de radiations sont les ceintures de Van Allen qui entourent la Terre, les particules émises par le Soleil (vent et éruptions solaires) et les particules des rayons cosmiques.

La Terre est entourée de deux champs magnétiques circulaires (les ceintures de Van Allen) qui offrent un avantage et un inconvénient. D'un côté, les deux ceintures stoppent une bonne partie du rayonnement qui baigne le milieu interplanétaire. D'un autre côté, elles sont radioactives et l'homme sera très certainement obligé de les traverser pour partir vers Mars. La ceinture interne est riche en protons (les particules les plus énergétiques se rencontrent entre 3000 à 4000 km d'altitude), alors que la ceinture extérieure héberge plutôt des électrons (les particules les plus énergétiques se rencontrent à 20 000 km d'altitude). Les ceintures de Van Allen ne posent pas de problèmes pour les vols qui se déroulent à une altitude inférieure à 500 km. Par contre, leur traversée dans le cas d'un voyage vers Mars devra se faire rapidement, pour éviter que les astronautes ne soient exposés à des doses massives de rayonnements ionisants. Une solution élégante consisterait à quitter la Terre depuis les pôles, mais le bilan énergétique de la mission serait sans aucun doute trop important pour que cette option soit retenue.

Le Soleil émet en permanence dans l'espace un flux de particules (le vent solaire) qui doivent être prises en compte. Mais le principal danger provient des éruptions solaires, des phénomènes très brefs qui ne durent en général que quelques heures et qui se produisent à la surface du Soleil, lors de sursauts d'activités. Les éruptions solaires libèrent une quantité de particules très énergétiques (de 40 à 500 méga-électron volts), en particulier des protons, qui peuvent tuer un équipage très rapidement. Une éruption solaire peut en effet délivrer plusieurs centaines de rems dans un intervalle de quelques heures. Il est donc impératif de détecter très rapidement ce type d'évènement. La distance importante qui va séparer le vaisseau spatial de la Terre et le délai des communications ne permettront peut être pas au contrôle de mission de donner l'alerte à temps (dans le pire des cas, il faut donner l'alerte en 30 minutes !). Le vaisseau devra être équipé d'un télescope X pour observer le Soleil. Une éruption solaire pourrait cependant très bien se déclencher dans une région inobservable par l'équipage du vaisseau. La mise en place de satellites d'observation autour du Soleil, dont les résultats seraient communiqués en temps réel au vaisseau, sera sans doute indispensable.

Le rayonnement cosmique comprend surtout des protons énergétiques et des atomes très lourds (des métaux comme le fer ou le nickel, des actinides). Ces particules très lourdes et très énergétiques (plusieurs gigaélectron-volts) sont les plus dangereuses. Contrairement aux éruptions solaires, le rayonnement cosmique est constant. L'équipage est ainsi exposé à des doses très petites, mais de manière continue pendant toute la durée du vol (20 à 50 rems par an, soit 35 rems en moyenne). La dose reçue dépend en fait de l'activité solaire. Lorsque celle-ci est à son minimum, le rayonnement cosmique est plus important (effectivement, l'activité magnétique du Soleil protége le système solaire contre les rayons cosmiques de l'espace interstellaire). Une des manifestations les plus spectaculaires du bombardement par les rayons cosmiques est le phénomène de flash lumineux, observé pour la première fois par Aldrin lors de la mission Apollo 11. Lorsque des particules frappent leur rétine, les astronautes voient des éclairs lumineux, même les yeux fermés. Aldrin a ainsi noté un éclair par minute.