Impact des rayonnements ionisants sur les missions d'exploration spatiale habitées

Les rayonnements ionisants sont omniprésents dans l'environnement spatial. L'atmosphère terrestre nous en protège presque totalement au niveau de la mer. Si le champ magnétique terrestre assure aussi une certaine protection en orbite basse, il n'en est pas de même à grande distance de la Terre et les astronautes en mission d'exploration y seront donc exposés. C'est pourquoi il est important d'évaluer le risque qu'ils peuvent représenter, dans le contexte de missions futures d'exploration humaine.

SOURCES DES RAYONNEMENTS IONISANTS

Il y a quatre sources principales de rayonnements ionisants dans le système solaire :

• Le vent solaire, émis en permanence par le soleil, constitué principalement d'électrons et de  protons avec une énergie de l'ordre du keV.
• Les événements énergétiques transitoires solaires, éruptions solaires ou plus exactement éjections de masse coronale. Ces événements, d'une durée de quelques heures à quelques jours, génèrent une quantité considérable de protons et de noyaux d'atomes plus lourds, avec des énergies de l'ordre du MeV et jusqu'à plusieurs dizaines de MeV.
• Les rayons cosmiques anormaux, constitués d'atomes ionisés une seule fois, sont des atomes neutres ionisés par les autres sources et accélérés par le champ magnétique solaire. Leur énergie caractéristique est de l'ordre de 100 MeV.
• Les rayons cosmiques galactiques, constitués de noyaux d'atomes avec les abondances normales dans l'univers, produits par des événements extrêmement énergétiques en dehors du système solaire.  Leur énergie caractéristique est de l'ordre du GeV.   

Les sources de rayonnements ionisants les plus importantes sont les rayons cosmiques galactiques (GCR) et les protons de haute énergie issus d'événements solaires transitoires. En effet, d'une part, le flux de rayons cosmiques anormaux est faible devant celui de rayons cosmiques galactiques d'énergie individuelle plus élevée, et d'autre part, il est facile de se protéger du vent solaire constitué de particules de faible énergie.

Toutes ces sources de rayonnements sont variables en fonction de l'activité magnétique solaire. Celle-ci est variable à toutes les échelles de temps. Elle a son origine dans les courants de plasma à l'intérieur du soleil, qui produisent diverses manifestations externes : champ magnétique global, taches, boucles magnétiques, éruptions, éjections de masse coronale. Tous ces phénomènes sont liés au moins statistiquement.

Les événements énergétiques solaires sont liés aux éjections de masse coronales (CME) produites par une restructuration des lignes de champ magnétique solaire. Celles-ci accompagnent souvent les éruptions solaires observables dans le domaine des rayons X. Bien qu'on connaisse des précurseurs des CME, on ne sait pas prévoir précisément quand elles vont se produire. On ne sait pas non plus prévoir quel va être le flux de particules de haute énergie reçu au niveau de la Terre d'après l'observation de la CME et/ou de l'éruption au voisinage du soleil à mieux qu'un ordre de grandeur près.

La fréquence des événements transitoires solaires suit le cycle d'activité solaire de 11 ans en moyenne, dont les taches solaires sont la manifestation la plus visible, qui est lui-même modulé à plus long terme. On ne sait pas la prévoir à une échéance supérieure à deux ans dans le meilleur des cas.

Ce cycle détermine aussi l'intensité du champ magnétique solaire global. Celui-ci limite le flux de GCR dans le système solaire interne. Le flux de GCR est donc plus faible quand l'activité solaire et la probabilité de CME sont plus grandes. Les cinquante dernières années ont été marquées par une activité solaire particulièrement intense par rapport à son niveau des deux mille dernières années, déterminé à l'aide de marqueurs isotopiques sur la Terre. On peut donc s'attendre à une fin prochaine de cette période et à une augmentation du flux de GCR dans les prochaines décennies, jusqu'à 50% ou plus. Les événements énergétiques solaires pourraient devenir plus rares, mais plus puissants selon certains modèles.

Les sources de rayonnements ionisants sont donc variables à toutes les échelles de temps et nos moyens de prévision sont aujourd'hui très limités. La prévision des événements solaires à court terme (effets d'une CME observée, mécanisme de déclenchement de la CME) et à long terme (niveau d'activité solaire) doit faire l'objet d'un programme de recherche soutenu, d'autant plus que les effets potentiels dépassent le seul domaine spatial.

EFFETS DES RAYONNEMENTS ET DOSES RECUES

Ces rayonnements ionisants ont des effets sur la matière vivante et aussi sur la structure des matériaux. Les matériaux des systèmes électroniques, contrôlés à très petite échelle, sont particulièrement vulnérables. Ces effets sont maintenant bien connus. On peut distinguer des effets de dégradation à long terme et des effets immédiats des impacts de particules de très haute énergie. Les effets à long terme sur l'électronique sont négligeables devant les effets sur l'homme : dans un vaisseau spatial, l'équipage mourra bien avant les composants électroniques ! Par contre l'architecture des systèmes doit tenir compte des impacts de particules à très haute énergie, pouvant mettre instantanément hors d'usage des composants discrets, pour garantir la sécurité des astronautes.

Les effets des rayonnements ionisants sur l'homme sont de deux ordres : des effets dus à l'accumulation à long terme de doses faibles, amenant à augmenter les risques de cancer, de maladies cardiovasculaires et de désordres neurologiques, et des effets dus à des doses élevées reçues en un temps court, amenant à court terme stérilité, vomissements, brûlures, atteintes immunitaires. Les effets des ions lourds de très haute énergie des GCR sont encore très discutés : les incertitudes sur leur impact à long terme sont grandes. Les effets possibles, outre le risque de cancer avec des mécanismes de déclenchement peut-être différents de ceux liés aux rayonnements de plus faible énergie, sont des problèmes cardiaques ou neurologiques à long terme. D'autre part, le cristallin est affecté par les impact d'ions lourds, entraînant un risque élevé de cataracte à moyen terme. La recherche sur ces sujets doit se poursuivre, à bord de l'ISS et par des expériences au sol.

Les orbites basses bénéficient de la protection du champ magnétique terrestre. Toutefois les astronautes, hors du bouclier atmosphérique,  sont exposés à des doses de rayonnements non-négligeables. Des limites ont été définies pour l'exposition chronique sur l'ensemble de la carrière d'un astronaute, due principalement aux rayons cosmiques, et pour les expositions à court terme dues aux événements solaires. Le principe est toujours de limiter l'exposition au plus bas niveau raisonnablement possible (ALARA). Les approches sont différentes entre la NASA et les autres agences spatiales, mais aboutissent à des doses limites similaires. Les limites données par la plupart des agences sont basées sur les recommandations de l'ICRP (International Commission on Radiological Protection). On arrive ainsi à une exposition maximale à long terme de 1000 mSv pour une carrière d'astronaute. La NASA utilise une approche amenant à une limite à long terme variable selon l'âge et le sexe (croissante avec l'âge, inférieure pour les femmes). On va ainsi de 370 mSv (femme, 25 ans) à 1470 mSv (homme, 55 ans).  Il s'agit de limiter l’augmentation de risque de mourir d'un cancer de 3% quel que soit l'individu. Aucun astronaute n'a approché les limites définies par les diverses agences spatiales à ce jour, la dose reçue au cours d'une mission type de l'ISS étant d'environ 70 mSv. Pour comparaison, la limite acceptable d'exposition à la radioactivité artificielle (hors médecine) du public en France est fixée à 1 mSv/an et la dose effectivement reçue, très majoritairement due à l'irradiation naturelle et médicale, est d'environ 4 mSv/an.

Les chiffres ci-dessus se rapportent aux missions en orbite basse. On n'a pas défini de dose acceptable pour les missions d'exploration. Hors de la magnétosphère terrestre, le débit de dose dû aux GCR est plus de quatre fois supérieur à celui de l'orbite basse. Par ailleurs, les missions d'exploration au-delà de l'orbite lunaire seront nécessairement longues, ce qui amène à se poser la question des moyens de protection contre les rayonnements ionisants.

COMMENT S'EN PROTEGER ?

Le seul moyen permettant de se protéger aujourd'hui contre les rayonnements de haute énergie est un blindage, qu'il soit dédié ou conçu par une architecture astucieuse des composants existants. Le blindage doit être constitué si possible de matériaux de faible numéro atomique (forte proportion d'hydrogène) pour limiter les rayonnements secondaires dus aux impacts des particules sur les atomes du blindage. En effet, un matériau constitué d'éléments lourds, s'il est soumis à un rayonnement ionisant de haute énergie (au-delà du  MeV), va générer un rayonnement secondaire constitué des débris de noyaux soumis aux impacts, qui peut se révéler plus nocif que le rayonnement incident. Le polyéthylène est particulièrement efficace, de même que l'eau. S'il est possible de se protéger efficacement des CME avec des épaisseurs cumulées raisonnables, de l'ordre de 10cm, les mêmes épaisseurs n'atténuent les GCR de plus haute énergie moyenne que de 20% environ.

A la surface d'une planète, la situation est plus favorable car on peut tenir compte de l'effet de l'atmosphère éventuelle, mais aussi de l'écran constitué par la masse de la planète sur la moitié de la sphère céleste. L'atmosphère martienne assure une certaine protection contre les GCR, qui  sera mieux évaluée à la suite des mesures de l'instrument RAD sur Curiosity. A la surface d'une planète, il serait aussi possible d'utiliser les matériaux du sol pour constituer une protection : une couche de l'ordre du mètre assure une protection équivalente à celle des couches atmosphériques terrestres au-dessus de la troposphère. Des expériences de l'ESA sont en cours pour améliorer notre connaissance des capacités de blindage des matériaux artificiels ou naturels.

CONSEQUENCES POUR LES MISSIONS D'EXPLORATION

Une fois posé le problème des rayonnements ionisants, quelles sont les conséquences pour les missions d'exploration habituellement évoquées ?

Le risque des missions lunaires courtes est lié aux événements solaires : les doses cumulées dues aux GCR sont bien en dessous des limites acceptées aujourd'hui en orbite basse, comme l'ont montré les missions Apollo. Les doses reçues étaient de l'ordre de 12 mSv par mission. Les événements solaires mettant en danger la vie des astronautes sont rares sur une mission de l'ordre de la semaine, ce qui a conduit à considérer ce risque comme inférieur aux autres risques de la mission et donc à le négliger dans les spécifications initiales de l'architecture Constellation de la NASA. Cependant le MPCV/Orion a pu être conçu pour assurer une bonne protection sans grever le devis de masse. Noter que les neuf missions Apollo vers la Lune n'ont pas connu d'événement solaire important.

Les missions longues (plus de six mois) hors de la magnétosphère terrestre sont des missions à risque d'un point de vue radiologique. Les événements solaires deviennent aussi un risque sérieux pour la vie des astronautes du fait de l'allongement des missions, rendant nécessaire un abri blindé et des moyens d'alerte. Moyennant ces précautions, les risques des rayonnements ionisants à court terme peuvent être maîtrisés. Par contre, on ne sait pas se protéger efficacement contre les GCR qui déterminent le risque à long terme. Le risque de mourir d'un cancer serait augmenté de plusieurs % pour les participants à ces missions. En conséquence, dans l'hypothèse d'une station spatiale au point de Lagrange L2 du système Terre-Lune, souvent avancée aujourd'hui comme étape suivante de l'exploration, celle-ci devrait être visitée plutôt qu'occupée en permanence, à moins de pouvoir assurer une rotation des équipages plus rapide que sur l'ISS.

En ce qui concerne les missions à plus grande distance, le problème de la protection contre les événements solaires se pose de manière différente d'une mission lunaire. Alors que l'alerte peut être assurée par les moyens destinés à la Terre pour une mission lunaire (satellites d'observation solaire en orbite terrestre ou au point de Lagrange Terre-soleil L1), ce n'est plus possible pour des missions lointaines. Elles doivent donc disposer de leur propre moyen d'alerte, ou se reposer sur un réseau d'observation solaire couvrant la totalité du soleil et plus seulement l'axe soleil-Terre. Les quantités de provisions emportées pour la mission, constituées d'eau et de matières à forte teneur en eau, facilitent la constitution d'un blindage efficace contre les rayonnements de haute énergie. Avec un bon agencement interne du vaisseau, on peut ainsi créer un réduit bien protégé contre les événements solaires.

Les missions minimales vers un astéroïde proche amènent à des doses de 200 à 500 mSv, dues principalement aux GCR, ce qui approche la limite à long terme en orbite basse donnée par la NASA pour certaines personnes. Pour une mission vers Mars, qui est aujourd'hui le but ultime de l'exploration spatiale, la dose reçue cumulée serait de l'ordre de 800 à 1000 mSv, donc proche de la limite donnée aujourd'hui pour une carrière d'astronaute, quelle que soit l'agence ou la personne concernée. Ces valeurs sont applicables quel que soit le phasage de la mission par rapport au cycle d'activité solaire : le risque d'événement énergétique solaire et d'exposition résiduelle qui lui est liée compense la réduction de flux de GCR en période de forte activité. L'augmentation de flux de GCR attendue dans les prochaines décennies, si elle accroît certainement les risques à long terme cités ci-dessus, ne remet pas en question les conclusions générales.

Dans le cadre d'une mission d'exploration lointaine, on est donc dans le domaine d'une augmentation du risque de décès à long terme de quelques %, mais pas dans le domaine de la certitude de décès, ni dans celui des effets des radiations à court terme : les GCR ont un débit de dose faible et on peut arriver à contenir les doses dues à un événement solaire important dans les limites acceptées aujourd'hui. Par contre, il y a un risque élevé de dommages au cristallin dus aux ions lourds entraînant une cataracte à moyen terme. Le risque de dommages neurologiques à long terme est aussi une inconnue. Le seul moyen envisageable de réduire les risques à long terme de l'exposition aux GCR serait d'utiliser des moyens de propulsion avancés permettant de diminuer le temps de mission.  

Bibliographie

[1] « A History of Solar Activity over Millenia » Ilya G. Usoskin, Living Rev. Solar Phys. (2008 rev. 2010), cité Avril 2012

[2] « Cosmic Ray Modulation : an Empirical Relationship with Solar and Heliospheric Parameters », H. Mavromichalaki, E. Paouris, T. Karalidi, Solar Phys. (2007)

[3] « Prediction of Galactic Cosmic Ray Intensity Deduced from that of Sunspot Number », P. Lantos, Solar Phys. (2005)

[4] « Long Term Variations of Cosmic Rays and Terrestrial Environment », Ilya G. Usoskin, Frontiers of Cosmic Rays Science (2003)

[5] « An Analysis of Solar Energetic Particle Spectra Throughout the Inner Heliosphere », Douglas J. Patterson, (2002)

[6] « Solar Enegetic Particles Variations », D.V. Reames, (2002)

[7] « Carrington Flare of 1859 as a Prototypical Worst-Case of  Solar Energetic Particles Event », L.W. Townsend, E.N. Zapp, D.L. Stephens, J.L. Hoff, IEEE Transactions on Nuclear Science (2003)

[8] « Cosmic Rays in the Current Deep Solar Activity Minimum », Y. Stozhkov, N. Svirzhevsky, G. Bazilevskaya, M. Krainev, A. Svirzhevskaya, V. Makhmutov, V. Logachev, E. Vashenyik,  22nd European Cosmic Ray Symposium in Turku, Finland (2010)

[9] « Solar Cycle Prediction », K. Petrovay, Living Rev. Solar Phys. (2010), cité Avril 2012

[10] « Coronal Mass Ejections : Models and their Observational Basis », P.F. Chen, Living Rev. Solar Phys. (2011), cité Avril 2012

[11] « Space Weather : The Solar Perspective », R. Schwenn, Living Rev. Solar Phys. (2006 rev. 2010), cité Avril 2012

[12] « The Theory of Anomalous Cosmic Rays », J.R.Jokipii, J. Giacalone, Space Science Reviews (1998)

[13] « Solar Climate Change could Cause Rougher Space Weather », Royal Astronomical Society Press Release, Friday, 30 March 2012

[14] Centre Canadien d'hygiène et de sécurité au travail, www.cchst.ca

[15] Institut national de recherche et de sécurité pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles (INRS), http://www.inrs.fr/accueil/risques/phenomene-physique/rayonnement-ionisant/effet-sante.html

[16]« Space Radiation Organ Doses for Astronauts on Past and Future Missions », F.A. Cucinotta, Space Physiology and Medecine (2007), http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070010704_2007005310.pdf

[17] « Overview of Solar Energetic Particle Event Hazards to Human Crews »,  L.W.  Townsend, Solar and Space Physics and the Vision for Space Exploration conference (2005)

[18]  « Space Radiation Cancer Risk Projections for Exploration Missions : Uncertainty Reduction and Mitigation », F.A. Cucinotta, W. Schimmerling and Al., NASA TP-2002-210777 (2001)

[19] « Radiation Risk Acceptability and Limitations », F.A. Cucinotta (2010)

[20] « Biological Effects of Space Radiations », G. Reitz, ESA Workshop on Space Weather proceedings (1998)

[21] « The spatial distribution of galactic and anomalous cosmic rays in the heliosphere at solar minimum », Z. Fujii, F.B. McDonald, Advances in Space Research 35 (2005)

[22] « Galactic Cosmic Ray Composition, Spectra, andTime Variations », E.M.Wiedenbeck, Solar and Space Physics and the Vision for Space Exploration conference (2005)

[23] « Radiation on Planetary Surfaces », M.S. Clowdsley et al., Solar and Space Physics and the Vision for Space Exploration conference (2005)

[24] « Shielding Space Explorers From Cosmic Rays », E.N. Parker, Space Weather (2005)

[25] « The Cosmic Ray Radiation Dose in Interplanetary Space – PresentDay and Worst-Case Evaluations », R.A. Mewaldt et al., 29^th International Cosmic Ray Conference Pune (2005)

[26] « Plymouth Rock : An Early Human Mission to Near Earth Asteroids Using Orion Spacecraft », J. Hopkins et al. (2010)

[27] « Lunar soil as shielding against space radiation », J. Miller et al., Radiation Measurements (2009)

[28] « Exploration Systems Architecture Study – Final Report », NASA (2005) http://www.nasa.gov/exploration/news/ESAS_report.html

[29] « Human Exploration of Mars Design Reference Architecture V5.0 », NASA (2009)

[30] « The ISECG Global Exploration Roadmap », K Laurini, Human Space Exploration Community Workshop on the GER, (2011)

[31] « ISECG GER Mission Scenario Details: Moon Next », R. Martinez, Human Space Exploration Community Workshop on the GER, (2011)

[32] « Space Exploration Vehicle Concept Fact Sheet », NASA (2010)

[33] « Deep Space Habitat Configurations Based on International Space Station Systems », D. Smitherman, Future In-Space Operations Presentation (2012)

[34] « ISECG GER Mission Scenario Details: Asteroid Next »,R. Martinez, Human Space Exploration Community Workshop on the GER, (2011)

[35] « Human Exploration Small Steps », A. Thomas, D. Craig, P. Troutman, Human Space Exploration Community Workshop on the GER, (2011)

[36] « A Phobos-Deimos Mission as an Element of the NASA Mars Design Reference Architecture V5.0 », S.J. Hoffman, Second International Conference on the Exploration of Phobos and Deimos (2011)

[37] « Challenges for Electronics in the Vision for Space Exploration », K.A. LaBel, 29^th International Cosmic Ray Conference Pune (2005)

[38] « The Heliosphere's Interstellar Interaction : No Bow Shock », D.J. McComas, Science (2012)

[39] « Galactic Cosmic Radiation Leads to Cognitive Impairment and Increased Ab Plaque Accumulation in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease », J.D. Cherry et al., PLoS One (2013)

[40] « Deep space environments for human exploration », J.W. Wilson et al., Advances in Space Research (2004)