Les amateurs de la saga « Star Wars » risquent d'être déçus. En effet, le voyage vers Mars n'est pas d'actualité. Cependant les expéditions vers la planète « rouge » sont prévues dans les décennies à venir. De nombreuses équipes travaillent déjà à la réalisation de cette aventure hors du commun. Quatre volontaires, dont trois Français et un Allemand, ont été choisis pour participer à une mission simulée vers Mars. Mais pourquoi ce projet ambitieux n'a pas encore vue le jour ? Pour réaliser cette excursion, l'homme devra remédier à de nombreux problèmes dont la durée du voyage qui est de 18 mois alors que l'homme n'a jamais séjourné plus de 14 mois dans l'espace. La distance de 56 à100 millions de km est en partie responsable du temps mis pour joindre la planète Mars. Quelles sont les autres contraintes qui empêchent la réalisation de ce projet ambitieux ? C'est ce que nous allons essayer de vous montrer dans ce blog. Dans un premier temps, nous évoquerons les problèmes liés à l'apesanteur et dans une seconde partie les problèmes liés aux radiations.
La loi de Newton stipule que deux corps ponctuels, de masse respective « m »
et « m’ » distants de « d » exercent l’un sur l’autre une force attractive de même valeur, de même direction, mais de sens opposé. Cette force notée
F « m » / « m’ » se calcul avec la formule suivante : F= (G x m x m') /
d2 avec G une constante de valeur 6,67.10-11unité du système international, « m » et « m' » en Kg , « d » en mètre et Fm /m’ en
newton.
Déterminons cette force d’attraction entre la planète terre dont la masse vaut 5,97.1024 kg et un astronaute d’une masse de 100 kg éloigné de différentes distances :
- Pour un astronaute situé sur terre soit à 6371 km du
centre de notre planète :
F terre / astronaute = (6,67.10-11*5,97.10+24*100)/(6371.103)2 = 9,81.10+2 N
- Pour un astronaute situé à 174 000 km de la Terre soit la distance Terre-lune / 2 :
- Pour un astronaute situé sur la Lune, soit à 384 000 km de la « planète bleu »:
F terre / astronaute = (6,67.10-11*5,97.10+24*100)/(3,84.10+8)2= 2,70.10-1 N
- Pour un astronaute situé à 2,96.107 Km de la planète terre soit la longeur Terre-Mars / 8 :
D'après la courbe représentant la force d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur un astronaute en Newton, en fonction de la distance qui les sépare, on observe que la force d’attraction gravitationnelle entre les deux corps diminue lorsque la distance qui les sépare augmente. Cette force se rapproche continuellement de 0 sans jamais l’atteindre. On en déduit que plus notre astronaute s’éloigne de la planète Terre plus la force gravitationnelle faiblit.
On peut donc dire qu’une fois dans l’espace, les astronautes sont donc soumis à une force d’attraction gravitationnelle très faible
que l’on peut qualifier de nulle ou presque. Ces hommes se trouvent alors en condition de chute libre.
Cette absence de force gravitationnelle peut affecter le corps humain si elle est supportée trop longtemps. Quelles peuvent-être les dysfonctionnements de notre corps liés à cette absence de force et donc à l’apesanteur ?
B - Conséquence de l'apesanteur sur l'astronaute
1 - L'influence sur les
os
Dans un premier temps, il faut savoir que sur Terre, le
calcium, dont le but est de reconstituer les os, ne se fixe pas de façon immuable (durable). Les os ont la capacité de se remodeler à l'aide de sels minéraux présents notamment dans
l'alimentation. Un apport de calcium au quotidien est donc nécessaire pour la construction et le maintien d’un squelette solide et en bonne santé.
Une fois dans l'espace, le calcium quitte les os et passe dans le sang des astronautes. Ces derniers les évacuent par l'intermédiaire de l'urine. Ce phénomène est appelé
l'ostéoporose. L’ostéoporose, parfois appelée décalcification, est une affection chronique du squelette qui rend les os de plus en plus fragiles. Lors de la mission Skylab, lancée en 1973,
la quantité de calcium présente dans l'urine des astronautes s'est accrue de 60% à 100%. De cette façon, les astronautes perdent 100 grammes de calcium par jour en sachant que le corps humain
possède une réserve d'environ un kilogramme. L'ostéoporose expose à un risque plus important de fractures, notamment du col du fémur, du poignet et des
vertèbres.
D'après l'étude d'un os sain (image de
droite) et d'un os ostéoporotique (image de gauche) observés au microscope optique, on observe que les tissus osseux des os ostéoporotiques sont présents en moins grande quantité
que pour les os sains. On en déduit qu'il y a une fragilisation des os lorsqu'il y a perte de calcium d'où le risque de
fractures.
De plus, en apesanteur, les os du corps humain ne sont plus sollicités par l'Homme. La colonne vertébrale n'est plus compressée
par la force de gravité, les vertèbres se séparent légèrement les unes des autres et le corps de l'astronaute s'allonge. Ainsi, les astronautes gagnent quelques centimètres et
ressentent des maux de dos dans l'espace.
Sur terre, 60% des 639 muscles qui composent notre corps,
s'opposent continuellement à la gravité terrestre. Ce sont les muscles anti-gravifiques : les muscles du mollet (gastrocnémiens), les quadriceps, les muscles du dos et du cou. Or, dans l'espace,
les muscles sont très peu sollicités car la force gravitationnelle est faible. Lorsque nous laissons nos muscles au repos (les muscles sont inactifs), Ils s'affaiblissent, perdent de la masse
musculaire et du tonus, et donc, rétrécissent. On appelle ce phénomène : l'atrophie musculaire. Lors d'un voyage d'une dizaine de jours dans l'espace, la masse musculaire diminue
en moyenne de 20 %. Les astronautes sont alors sujets à une atrophie musculaire. Cette perte de masse musculaire peut s'avérer dangereuse pour l'astronaute.
Des coupes transversales de muscles de rats
montrent les effets de l'apesanteur sur les muscles (les muscles d'un rat sur Terre sur l'image de gauche et les muscles d'un rat dans l'espace sur l'image de droite). On peut se rendre
compte que les muscles diminuent de taille dans l'espace, c'est l'atrophie musculaire.
3 - L'influence sur la circulation sanguine
Sur terre, le coeur répartit le sang
dans tout le corps. Le sang est naturellement attiré vers les membres inférieurs. Cela est provoqué par la gravité terrestre. Ainsi pour alimenter les organes supérieurs le corps doit
fournir un travail plus important afin d'avoir une masse sanguine similaire dans chaque membre de notre corps.
Une fois dans l'espace, le sang ne retombe plus vers les membres inférieurs et se déplace aussi facilement vers le haut que vers le bas du
corps à cause de l'apesanteur. Or, le coeur continue à repartir le sang vers les organes supérieurs. En effet, le coeur est toujours disposé à fonctionner comme sur terre.
Ainsi on retrouve une accumulation de sang dans les membres supérieurs. C'est le syndrome de la "tête pleine". De la même façon, les jambes d'un Homme dans l'espace deviennent plus
minces.
Sur ce schéma, on peut voir un
astronaute sur Terre (on earth) : son sang est également réparti dans son corps, lui donnant l'allure de tout être humain sur notre planète. On y voit de plus un astronaute voyageant
dans l'espace (in space) : son sang se concentre au niveau de la partie supérieure de son corps et délaisse les membres inférieurs, donnant à notre astronaute un effet de " tête pleine " et
des jambes excessivement minces.
Après cette étude, on peut constater que la force
gravitationnelle s'exerçant sur les astronautes a un effet néfaste sur eux. Les os et les muscles s'affaiblissent et le sang ne retombe pas vers les organes inférieurs. Tous ces
éléments constituent des énormes dangers pour la santé de l'astronaute. Mais pour arriver à son objectif : Mars, l'astronaute ne doit pas seulement régler le problème de l'apesanteur.
Il doit également lutter contre les problèmes des radiations.
A - L'Espace source de Radiation
Les radiations
regroupent l'ensemble des rayonnements, c'est à dire des flux d'énergie qui traversent l'espace ou la matière sous forme d'ondes ou de particules. Il existe des radiations
cosmiques (constituées des rayons alpha et beta) et des radiations solaires (constituées de rayons gamma et X).
Les radiations cosmiques sont des particules énergétiques spatiales parvenant jusqu'à nous de manière isotrope (de toutes les directions), depuis l'espace. Les particules solaires,
émises par le Soleil, sont bien plus énergétiques que les radiations cosmiques mais sont plus rares, elles se produisent en effet moins d'une fois par an. C'est ce que
l'on appelle le vent solaire. Parce qu'elles sont bien plus énergétiques, ces radiations sont donc plus dangereuses pour l'Homme.
Les radiations sont dîtes ionisantes, en effet, elles produisent des ions par modification du nombre d'électrons d'un atome ou par scission d'une molécule. La
dose reçue par l'Homme se calcule en milisievert ou en REM. La vitesse de ces particules est très élevée. Elles peuvent atteindre une vitesse de 0,99 fois la vitesse de la lumière. Les
radiations sont majoritairement composées de protons (85%) mais aussi d'atomes plus lourds. Ainsi, la plupart des particules traversent aisément les blindages des vaisseaux spatiaux. C'est
le cas des radiations X et gamma mais pas des radiations alpha et beta. Ces dernières possèdent une faible force de pénétration, ce qui fait qu'elles sont arrêtées par des matériaux de petite épaisseur .
Sur Terre, ces rayonnements ne
menacent pas la santé de l'Homme, car l'atmosphère, ainsi que le champ magnétique de la Terre, nous protègent de la plupart de ces rayons en les stoppant. Les astronautes qui évoluent en orbite
basse autour de la Terre sont également protégés. Cependant, lorsqu'ils quittent ces zones de protection, notamment pour rejoindre la planète rouge, les rayonnements deviennent dangereux et
problématiques pour l'astronaute puisque l'atmosphère et le champ magnétique ne les protègent plus.
Ce graphique indique la dose annuelle de rayonnement que recevrait un astronaute exposé aux rayons cosmiques d'origine galactique. La dose de rayonnement est exprimée en
milisieverts, unité qui pondère la quantité de rayons reçus par leur pouvoir ionisant. Selon les normes internationales, les personnes qui travaillent dans le domaine nucléaire ne doivent pas
recevoir plus de 20 milisieverts par an. Les astronautes évoluant dans l'espace interplanétaire, lors d'un voyage vers Mars par exemple, recevraient une dose environ dix fois
supérieure. Les radiations de la ceinture de Van Allen, qui entoure la Terre peuvent aussi infliger des lourds dommages aux astronautes mais la durée d'exposition à ces sources est
brève.
B-
Un danger pour le corps humain
Le rayonnement solaire constitue l'un des principaux risques pour la
santé durant un vol spatial. Le danger réside dans le fait que ce rayonnement émet suffisamment d'énergie pour modifier ou briser les molécules d'ADN. Ce qui peut endommager ou tuer une cellule.
Il peut en résulter de graves problèmes de santé à long terme. Suite à la ionisation des atomes présents dans l'espace par les rayons , des électrons sont libérés et
traversent le système solaire à grand vitesse. Durant ce trajet, les électrons libérés entrent en contact avec d'autres électrons formant de nouveaux ions. Ils sont capables de
traverser les blindages de la navette spatiale. De plus, ils peuvent facilement traverser les tissus, déchirer les cellules d'un homme et fracasser la molécule d'ADN entraînant l'apparition
de défauts dans le code génétique, rendant possible une mutation voire la mort de la cellule. Cela peut se traduire de différentes façons :
- Par ionisation d'un atome constituant la molécule d'ADN modifiant la structure de l’ADN. C'est l'effet direct.
- Par ionisation des molécules d'eau (H2O) provoquant des radicaux libres. Les radicaux libres sont des
molécules qui peuvent se retrouver dans l'organisme et s'accoupler à des éléments
de nos cellules. Dans l'opération, ils peuvent détruire des cellules saines de notre organisme, et provoquer des modifications structurelles des molécules d’ADN. C'est l'effet
indirect.
Une cellule ainsi endommagée peut devenir cancéreuse ou bien non fonctionnelle. Le système immunitaire de la cellule tente alors
de rétablir les dommages, ce qui est dans la majorité des cas efficace. Si cette réparation n'est pas réalisée par la cellule lorsque des dégâts sont trop importants, une
mutation ou bien une mort cellulaire se produit. La mort cellulaire se produit durant le cycle cellulaire à savoir au cours de la mitose. En effet, tant qu'une cellule ne se divise pas, elle reste
fonctionnelle. Les cellules sont bien plus sensibles durant la mitose qu'en interphase. On parle donc de mort retardée. En plus d'une mort cellulaire, des inflammations sur les
personnes concernées apparaissent.
Lorsqu'un organisme entier est irradié à une dose élevée pendant un temps court, on
observe une suite de symptômes qui dépendent de la dose reçue. Cette suite de symptômes appelé syndrome d’irradiation aiguë comporte trois
phases.
- La Pordrome est caractérisée par des vomissements, de la diarrhée, de la nausée, et de l’anorexie.
- La phase latente, pendant laquelle les
symptômes disparaissent.
- Les trois syndromes. Le syndrome hématopoïétique durant laquelle on observe une diminution du nombre de cellules sanguines circulantes. Le
syndrome gastro-intestinal. La phase latente est plus courte que pour le syndrome hématopoïétique. Enfin, le syndrome neurovasculaire. La phase latente ne dure que quelques heures, des
tremblements et des convulsions sont observées conduisant au coma puis à la mort en deux à trois jours.
