Pourquoi Mes Enfants n’Iront pas sur Mars

Je vous parle souvent ici des rayonnements gamma, rayonnements X et autres rayons cosmiques ultra énergétiques en tous genres. Il faut se rappeler que l’atmosphère de la Terre ainsi que (et surtout) son champ magnétique, sont des boucliers très efficaces pour nous protéger des rayons cosmiques. Ce n’est plus le cas dès lors que l’on se trouve éloigné de ces précieux boucliers

La sonde Curiosity qui arpente actuellement la planète Mars est munie d’un détecteur de radiations nommé RAD (Radiation Assesment Detector). Afin de connaître en détail quelle dose de rayonnement est subie au cours d’un trajet Terre-Mars, les scientifiques de la NASA ont mis en route ce détecteur dès le départ de la sonde en décembre 2011, jusqu’à son arrivée en orbite de la planète rouge en juillet 2012. Les résultats de mesure viennent d’être publiés dans la revue Science, et ils sont édifiants.

Schéma de l'instrumentation de Curiosity

Deux sortes de rayons cosmiques peuvent poser un problème de santé à de futurs astronautes durant un long voyage : d’une part les rayons cosmiques galactiques (RCG), venant de l’extérieur du système solaire et produisant une exposition continue, et d’autre part les particules solaires énergétiques (PSE), qui sont sporadiquement accélérées près du soleil lors des éruptions et des éjections de masse coronale.

Les RCG sont des particules très énergétiques et très pénétrantes qui ne sont pas stoppées par les blindages somme toute modeste d’un vaisseau spatial, elles sont constituées de toutes sortes d’ions, avec une forte proportion de protons (85%) et d’hélium (particules alpha, 14%), dont l’énergie peut s’élever jusqu’à 1000 MeV/nucléon. Le 1% restant est constitué d’ions énergétiques à grand numéro atomique (dénommés HZE, hauts Z énergétiques).

Les PSE sont principalement des protons de plus faible énergie, environ quelques centaines de MeV. Les événements PSE peuvent induire des flux très importants mais sur des périodes très courtes. Leur énergie plus réduite que celle des RCG fait que les blindages utilisés dans un vaisseau spatial sont plus efficaces pour les atténuer.

A partir des flux de particules mesurés tout au long du trajet, les physiciens américains ont calculé la dose équivalente correspondante, de la même manière que l’on peut calculer la dose équivalente que l’on subit quotidiennement par la radioactivité naturelle, lorsqu’on passe une radio, ou lorsqu’on travaille à Fukushima…

Eruption solaire, source de protons (PSE)

Le calcul d’une dose équivalente prend en compte toutes les différences existantes pour les différentes particules en jeu, leur nature (proton, photon X, ion, …), leur énergie, et leur types d’interactions avec les cellules biologiques de nos organes. La dose équivalente est exprimée en Sievert (Sv) ou en milliSievert (mSv). 

Pour fixer les ordres de grandeur, voici quelques valeurs de doses :

• Radioactivité naturelle en France au niveau de la mer : 2 mSv par an
• Limite maximale pour un travailleur de l’industrie nucléaire : 20 mSv par an
• Radio du thorax : 0,05 mSv
• Scanner abdomino-pelvien : 12 mSv
• Dose moyenne reçue en 1986 par un habitant vivant à 30 km de Tchernobyl : 50 mSv
• Dose moyenne reçue en quelques mois par un «liquidateur» de Tchernobyl : 100 mSv
• Dose reçue entre mars 2011 et mars 2012 par le « liquidateur » de Fukushima le plus exposé : 679 mSv

Le détecteur RAD de Curiosity est constitué de deux sous-systèmes : un détecteur silicium et un scintillateur, permettant d’obtenir deux mesures différentes et redondantes. Il était placé sur le dessus du Rover dans la sonde Mars Science Laboratory. Les parois de la sonde ainsi que les réservoirs de carburant fournissaient un blindage aux rayonnements relativement représentatif de ce que pourrait être celui d’une mission habitée.

 

Le détecteur RAD (NASA/JPL/Caltech)

Les mesures ont été effectuées durant 253 jours, entre le 6 décembre 2011 et le 14 juillet 2012. Curiosity étant munie d’un générateur isotopique au plutonium-238 étant lui-même une source de rayonnements, les physiciens ont soustrait ce bruit de fond des mesures. Ils sont également parvenus à isoler les deux composantes de rayonnement cosmique, et à en calculer la dose équivalente pour chacune d’entre elles. En effet, durant le voyage, 5 événements PSE ont eu lieu.

Les résultats sont les suivants : la dose équivalente pour les RCG vaut 1,84 mSv/jour ; la dose équivalente intégrée pour les PSE durant les 253 jours du trajet : 24,7 mSv. Rapporté en dose équivalente par jour, on obtient au total une valeur de 1,94 mSv/jour dont 5% provient des événements solaires.

La durée généralement envisagée par les agences spatiales pour un trajet d’une mission habitée vers Mars est de 180 jours. En considérant un blindage de vaisseau similaire ainsi qu’une activité solaire du même ordre que celle que connut Curiosity sur sa route, on peut calculer facilement la dose totale subie par l’équipage du vaisseau, sans oublier l’aller et le retour: 180x2x1,94 = 697 mSv. 

Mais les astronautes ne feraient pas uniquement un poser de pied pour repartir aussitôt ! Il faut également tenir compte d’une certaine durée de séjour sur place. Et il se trouve que Mars ne possède pas de champ magnétique et d’atmosphère protecteurs comme la Terre… On peut raisonnablement penser que pour un trajet aller-retour de 1 an, la mission devrait durer au moins plusieurs mois sur la planète rouge. Considérant un séjour de 4 mois, soit 120 jours, la dose équivalente à ajouter se monte à 232 mSv, qui est probablement sous-évaluée car une bonne partie du temps serait passée sans protection contre les rayonnements.

Tous comptes faits, en revenant sur Terre sains ( ?) et saufs, nos astronautes auront été exposés à une dose équivalente au minimum de 930 mSv sur une durée de 16 mois.

Cette dose est égale à celle que le français moyen reçoit naturellement au niveau de la mer (radioactivité du sol, radon, rayons cosmiques) en 465 ans… et est  bien supérieure à celle du liquidateur de Fukushima le plus atteint…

 

Répartition de la dose moyenne reçue en France (CNRS/IN2P3)

Curieusement (ou pas) la NASA s’est fixé une limite maximale de dose pour la totalité d’une carrière d’astronaute il y a plusieurs années, et elle vaut 1000 mSv. Cette limite a été calculée (cyniquement) pour correspondre à un risque de mort par cancer radio-induit de 3%... (rappelons que les limites de doses les plus élevées chez nous sont celles de l’industrie nucléaire est sont de 20 mSv/an). Une carrière d’astronaute serait donc équivalente à 50 ans de travailleur du nucléaire…

On voit que le chiffre obtenu pour la dose du voyage Terre-Mars avec séjour est presque identique à la limite fixée par la NASA.

De futurs astronautes explorateurs de Mars ont vraiment intérêt à bien profiter de leur séjour, car il est fort probable qu’ils auront de gros soucis de santé à leur retour, et de toute façon, ils auront dépassé leur quota de dose et ne pourront plus jamais espérer retourner dans l’espace…

Désolé, mes p'tits gars, c'est non, vous ne serez pas plus liquidateurs de centrale nucléaire accidentée qu'explorateurs de Mars!...

Références :

Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory

C. Zeitlin et al.

Science (31 May 2013) Vol. 340 no. 6136 pp. 1080-1084

Fukushima: les doses des liquidateurs

S. Huet

http://sciences.blogs.liberation.fr/home/2012/06/fukushima-les-doses-des-liquidateurs.html