Une mission humaine vers Mars pose de nombreux problèmes. Dans l’état actuel de nos connaissances, nous savons qu’un voyage sur Mars implique un grand nombre de contraintes, notamment sur les effets d’un tel voyage sur l’organisme humain.  Donc que savons-nous concrètement d'un vol prolongé en absence de pesanteur, des conditions de travail à la surface de Mars et de la capacité des astronautes à supporter un retour à la gravité terrestre après un séjour de plusieurs années dans l'espace ?

 

        1.    Un voyage sans gravité

 

            Tout d’abord l’une des difficultés majeurs d’un voyage comme celui-ci c’est l’absence de pesanteur. En effet, dans l’espace la gravité est inexistante ce qui peut provoquer chez l’astronaute des vertiges, des nausées, des vomissements provoqués par une modification de l’équilibre humain. 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 nous positionner à 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. Mais les otolithes ne donnent pas confirmation, car leur action dépend de la gravité. C’est alors que les astronautes peuvent ressentir des vertiges, des nausées, et une étrange sensation de désorientation. C'est ce que les astronautes et les scientifiques appellent le mal de l’espace (SMS ou Space Motion Sickness). Ainsi, pendant les toutes premières heures de la mission, les astronautes peuvent très bien ne pas être à même de réaliser certaines tâches qui demandent de la concentration et une bonne forme physique. Ce dérèglement de l’oreille interne est en général temporaire car l’homme s’adapte plus ou moins rapidement à cet environnement et durent entre quelques heures et quelques jours. Mais il est déjà arrivé auparavant que ce mal de l’espace réapparaisse lors de vol à longue durée.

Mais ce déséquilibre est également gênant lors du retour sur Terre, car les astronautes ont du mal à tenir une posture correcte, surtout lorsqu’ils ferment leurs yeux et les effets semblent être proportionnels à la durée de la mission. Par conséquent il nécessaire pour un voyage sur Mars de trouver une solution à ce problème de pesanteur. Dans certains cas, des hommes revenus d’une mission vomissaient après un mouvement de tête trop rapide. Ce sont des répercussions inquiétantes car que va-t-il se passer une fois que les astronautes auront retrouvé une certaine gravité sur le sol martien ? Ils devront probablement rester allonger pendant plusieurs jours en espérant que leur travail n’en sera pas affecté.

 

 

    Cependant le déséquilibre humain n’est pas l’unique problème lié à l’absence de pesanteur. Les os et les muscles sont considérablement touchés. La fragilisation des os est très importante dans des conditions comme celle-ci. Sous gravité zéro, la colonne vertébrale grandit et les astronautes prennent quelques centimètres donc la structure osseuse est d’autant plus importante. Le calcium et certains sels minéraux tels que le phosphore quittent les os et ceux-ci se fragilisent considérablement. 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 handicapants. Dans les cas les plus graves, ils aboutissent à un blocage de l'urètre, ce qui nécessite alors une intervention chirurgicale. 

Pendant un vol spatial, un problème de ce genre pourrait compromettre la mission, d'où l'importance d'avoir à bord un astronaute ayant des compétences en chirurgie et possédant le matériel approprié. Une nourriture riche en calcium, des exercices physiques quotidiens intenses et réguliers, ou le port de pantalons spéciaux (pantalons pingouins) faisant travailler tous les muscles permettent de lutter contre cette décalcification des os.

Penguin Prophylactic Body-Loading Suit

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    De plus, sur Terre, les muscles maintiennent leur fonction, leur masse et leur force en s'opposant en permanence à la gravité terrestre. En apesanteur, certains muscles ne servent plus à rien (n'ayant plus rien à supporter), et commencent à s'atrophier c'est-à-dire qu’ils diminuent. 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. 

Les effets peuvent persister plusieurs semaines ou même quelques mois après le retour sur Terre. Des exercices physiques (tapis de courses, vélo, appareils de musculation) intenses et quotidiens permettent de lutter contre l'atrophie musculaire, sans cependant la stopper complètement. Le principal problème avec l'atrophie musculaire concerne le retour sur Terre. On observe une incapacité des astronautes à rester dans la position debout. Les muscles des jambes, qui normalement contribuent à la circulation du flux sanguin vers la tête, n'ont plus assez de force pour jouer leur rôle. C'est pourquoi les cosmonautes de la station Mir qui rentrent sur Terre sont transportés dans une position assise dès qu'ils sortent de leur Soyouz. Ils ne pourraient pas supporter d'être debout (intolérance orthostatique).

Une fois sur Mars, les astronautes retrouveront certes une gravité, mais elle sera bien plus faible que la gravité terrestre. La gravité martienne ne vaut qu'un tiers de la gravité terrestre, et un homme de 60 kg ne pèse plus que 19 kg sur Mars, le poids d'un enfant qui possède néanmoins la force physique d'un adulte. On pourrait penser que cette baisse de la gravité est plutôt un avantage. Mais il ne faut pas oublier qu'à moins que le vaisseau ne soit équipé d'un système de pesanteur artificiel, les astronautes viennent de passer de nombreux mois sous pesanteur zéro. Et le retour à une gravité, même aussi faible que la gravité martienne, sera très dur. Ce sera malheureusement le moment ou l'activité physique sera particulièrement intense, car il s'agira d'assembler la future base martienne. Le moindre mouvement demandera un effort de volonté et la fragilité des os pourra causer des fractures mal venues.

 

 

    Par ailleurs lors d’un voyage comme celui-ci la répartition du sang est modifiée. Sur Terre, la gravité force le sang à s'accumuler dans la partie inférieure du corps. En apesanteur, ces mécanismes disparaissent, et on observe alors une redistribution de la masse sanguine. En l’absence de gravité la répartition du flux sanguin est modifié, le sang monte plus facilement vers le haut du corps ce qui augmente la pression artérielle. 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 : qui est liée à la tête, thoracique et cervicale). 

L'organisme humain va interpréter cette irrigation importante de la partie supérieure du corps comme une augmentation du volume sanguin. En effet, les oreillettes du cœur, qui comportent des capteurs sensibles au changement de volume (des volorécepteurs), vont se dilater. Les volorécepteurs, excités par la dilatation des oreillettes, vont diminuer la sécrétion de l'hormone antidiurétique (ADH) par l'hypophyse (glande du cerveau). Il y aura alors une élimination urinaire massive (fuite d'eau et de sels minéraux) et une diminution de la sensation de soif. Donc l’absente de gravité constitue une modification importante du système cardio-vasculaire.

Une fois revenu sur Terre, certains effets se font ressentir, même si l'appareil cardio-vasculaire finira par retrouver des conditions normales de fonctionnement. Le cœur bat plus vite, pour compenser la diminution de volume sanguin. Le sang s'accumule de nouveau dans la partie inférieure du corps et quitte le cerveau, ce qui conduit à des faiblesses et même des évanouissements dans la position debout. L'intolérance orthostatique (difficulté à se tenir debout lors d’un séjour prolongé dans l’espace) posera probablement les mêmes problèmes que sur la Terre car même si la gravité sur Mars est beaucoup plus faible, elle est tout de même existante. Les scientifiques se demandent s’il sera nécessaire de porter des combinaisons anti-G (identiques à celles utilisées par les pilotes de chasse pour empêcher le sang de quitter la tête pendant les manœuvres à haut facteur de charge). Mais ce que nous ne pouvons affirmer c’est le bon rétablissement du système cardio-vasculaire après un tel voyage, étant donné qu’une telle expédition ne s’est encore jamais réalisée. 

 

 

 

    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). Après le retour sur Terre, il faut de 6 à 8 semaines pour retrouver une situation normale. Mais l'instrument Tchibis, permet de réguler la circulation du sang au niveau des jambes. Les Russes l'ont utiliser deux semaines avant un retour sur Terre ce qui a permit la réadaptation beaucoup plus facile. 

Tchibis

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Ce type d'anémie ne compromet pas la santé ou les performances d'un équipage. Mais associée à une diminution du volume sanguin, cette situation présente des risques dans le cas de blessures ou d'hémorragie pendant le vol. C’est pour cela que la présence d’une personne doté de connaissances en médecine sera nécessaire, pour pouvoir intervenir (voir opérer) et réaliser des transfusions sanguines.

 Nous ne savons également rien des phénomènes qui peuvent affecter l'érythropoïèse (la formation des globules rouges) pendant un voyage de longue durée. Mais les globules blancs (particulièrement les Lymphocytes T) sont également affectés. Ils sont responsables de la défense de l’organisme, et lors d’un voyage dans l’espace, le système immunitaire s’affaiblit : diminution du nombre ; manque de réactivité et de prolifération dans le cas d’une attaque. Ce phénomène devient alors préoccupant s’il y a le moindre risque d’infection car en apesanteur les bactéries, virus, champignons microscopiques flottent bien plus longtemps que dans un environnement soumis à la gravité. 

L’air devra donc être purifié en permanence, même si depuis le premier vol dans l’espace en 1961 aucune infection aggravée par une baisse des capacités du système immunitaire ne s’est produite. Une fois que le corps est maintenu par la gravité (terrestre ou martienne), l’ensemble du système immunitaire retrouve son état normal.

 

 

    Enfin, l’absence de pesanteur provoque des modifications du système respiratoire. En présence de gravité, le volume qui pénètre dans la partie supérieur du poumon et deux fois plus élevé que celui qui pénètre dans la partie inférieur. Dans l’espace, on ne constate rien de tel, la respiration est homogène ; de même pour la quantité de sang capillaire qui irrigue les poumons. Le volume pulmonaire (en rapport avec la concentration des gaz présents dans le sang) diminue, le mécanisme respiratoire faisant intervenir de manière plus importante l'abdomen. Les scientifiques ne peuvent garantir que les conséquences de ces perturbations du système immunitaire seront minimes.

 

 

    Par conséquent, l’impesanteur entraine des modifications importantes de l’organisme humain. C’est donc un risque pour tous les astronautes qui se lanceront vers Mars. Mais la mise en place d’une gravité artificielle ne serait pas la solution finale à tous ses problèmes ?  En effet la seule manière connue de rétablir un semblant de gravité dans un vaisseau spatial est de le maintenir en rotation autour d'un axe. Cette idée a été émise (comme beaucoup d'autres) par Tsiolkovski (1857-1935), le pionner russe de l'astronautique.Il est clair que l'établissement d'une gravité artificielle combiné à la pratique d'exercice physique permettra de combattre les principaux inconvénients d'un vol de longue durée dans l'espace. Elle ne devra pas forcément être égale à la gravité terrestre. Pendant la dernière partie du voyage, elle pourra être progressivement amenée à 1/3 de la gravité terrestre, pour simuler les conditions à la surface de Mars. L'adaptation à l'environnement martien sera alors facilitée. La gravité jouera aussi un rôle en plaquant les particules qui flottent dans l'air (en particulier les germes microbiens).Cependant, sa mise en œuvre n'éliminera pas les problèmes  psycologiques et physiologiques. Le danger des radiations sera toujours présent. 

 

 

        2.    Les radiations

        D’autre part, 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.

Ceintures de Van Allen 

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a4/Ceinture_de_Van_Allen.svg/500px-Ceinture_de_Van_Allen.svg.png

 

vents solaires 

https://orbitmars.futura-sciences.com/explo-contraintes.php (adaptée par Tessa DUPONT)

Le principal danger provient donc 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.

Cependant le satellite SOHO (Solar Observatory and  Heliospheric Observatory) pourra probablement prévenir les astronautes de certaines éruptions solaires, si celui est toujours en fonction.

 Satellite SOHO

https://orbitmars.futura-sciences.com/explo-contraintes.php

Dans l'espace les matériaux inertes ou vivants sont sensibles aux protons de forte énergie émis par le Soleil et aux ions lourds émis par les supernovae. Ces derniers éléments favorisent l'apparition de radicaux libres capables de briser localement l'ADN tandis que les ions lourds et les rayons X peuvent en théorie provoquer des mutations génétiques. Problème, les experts ignorent à ce jour s'il y a des risques de cancer.

https://www.astrosurf.com/luxorion/Bio/adn-elements-lourdss.jpg

https://www.astrosurf.com/luxorion/Bio/adn-elements-lourdss.jpg

L’image ci-dessus, représente un échantillon d'ADN sanguin prélevé chez un astronaute d'ISS et marqué par fluorescence. Tous les brins d'ADN colorés sont des segments d'ADN brisés qui ont mal été réparés.

Les astronautes pourraient être victime de cancer, et dans l’espace, il est difficile de le soigner (chimiothérapie impossible), de le dépister. Leurs chances de survies, sur Mars, ou pendant le voyage sont très minces. Le cancer peut toucher tous les tissus, l'épiderme comme les organes internes, y compris le cerveau (tumeur cérébrale) et le sang (leucémie).

On ignore exactement le nombre de mutations nécessaires au développement d'un cancer, sans doute moins de dix, et son développement est parfois inattendu. Ci-dessous, dans la partie gauche du dessin, la tumeur apparaît lorsque l'ADN cellulaire subit une mutation génétique (suite à un facteur héréditaire, un aliment cancérigène, une pollution, une radiation, etc). La cellule commence alors à se diviser plus rapidement que la normale. C'est la phase d'hyperplasie.

Les différentes étapes de l'évolution d'une tumeur maligne à la surface de la peau. Document (c) 1999 BSCS ans Videodiscovery. Inc adapté par l'auteur.

Si la tumeur est toujours présente dans les tissus d'origine, on atteint le stade de cancer in situ. Il peut rester inoffensif et en l'état de manière permanente. Si certaines cellules subissent de nouvelles mutations, la tumeur peut envahir les tissus avoisinant et contaminer les cellules via le réseau sanguin ou la lymphe. A ce stade la tumeur est dite maligne. Les cellules qui se sont échappées peuvent provoquer de nouvelles tumeurs ailleurs dans le corps, il s'agit des métastases. Seule une intervention chirurgicale précoce et parfois une chimiothérapie permettent d'extraire ou de tuer les cellules cancéreuses. Quelques liens vers des instituts de recherches contre le cancer sont repris en fin de troisième page.

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. Ces "flashes" sont perçus par les astronautes en orbite. Des particules rapides frappent en effet régulièrement la rétine des astronautes, produisant de faux signaux qui se manifestent comme autant de flashes dans leurs yeux. A priori inoffensifs, pendant plus de 30 ans personne ne s'en est vraiment inquiété jusqu'au jour où le Dr. Francis A. Cucinotta du Radiation Health Office du centre spatial Johnson de la NASA étudia les dossiers médicaux de 295 astronautes. A défaut de données épidémiologiques, jusqu'en 2001 on ignorait quels étaient les effets des radiations sur le développement des cancers ou des cataractes (opacification progressive du cristallin).

Le Dr Cucinotta démontra qu'il existait un lien entre l'augmentation de la dose de radiation et le risque de cataracte, phénomène qui n'apparaissait pas chez les astronautes ayant été exposé à des doses inférieures. Aujourd'hui 48 astronautes retraités sont concernés par cette maladie, principalement ceux ayant participés aux missions lunaires et aux activités extravéhiculaires.

 

https://www.guide-vue.fr/sites/default/files/schema-cataracte_0.jpg   

La chirurgie permet aujourd'hui de remplacer cette petite lentille bien utile, mais dans l’espace ou sur Mars, une chirurgie est loin d’être évidente. La cataracte présente plusieurs stades évolutifs, plus ou moins handicapants. Elle se manifeste par des images qui paraissent plus sombres ou dédoublées, des halos autour des lumières et des modifications des couleurs. Dans la pire des situations, le cristallin devient totalement opaque et le seul remède consiste à le remplacer par un implant souple. 

 

 

 

 

De plus, lorsqu'on arrête le moteur, le cœur continue néanmoins à produire pendant un certain temps de la chaleur, qu'il faut évacuer ; ceci consomme un supplément d'hydrogène dans de mauvaises conditions d'utilisation.

 

Le gain en en masse ne serait probablement que de l'ordre de 20 %. Cela reste séduisant, et explique que cette technologie soit considérée dans les projets officiels. De notre point de vue cependant, celle-ci ne « paie pas » son droit d'entrée (surcoût du programme martien de l'ordre de 10 %). Et malheureusement ce type de propulsion n’offre pas un gain de temps très important sur la durée du voyage et côute relativement cher (tests avant l'utilisation). 

 

 

 

 

Propulsion électrique de forte puissance

 

 

La propulsion électrique de forte puissance est basée sur des moteurs ioniques. L’une des premières expériences avec ce type de moteurs, fût réalisée par la sonde Deep Space 1 en 1998.

Deep Space 1

https://jmm45.free.fr/sondes/deepspa1/deepspa1.htm

Ces moteurs sont nettement supérieurs aux moteurs chimiques classiques. Même si leur puissance reste modeste, ils sont très efficaces sur des longues durées. Certes, ce type de moteurs met du temps à prendre de la vitesse, cependant son accélération constante, produit (à long terme) une poussée assez importante. C’est pourquoi cette propulsion est en grande partie utilisée pour des vols interplanétaires.

 Les moteurs ioniques consomment essentiellement du gaz neutre (Xénon). Les atomes sont ionisés et les noyaux atomiques sont séparés des électrons avant d’être accéléré par un champ magnétique (ou électromagnétique). Puis, ils sont éjectés par celui-ci, créant ainsi la poussée de la navette.

Les ions positifs sont neutralisés par un flux d’électron pour éviter que ceux-ci ne reviennent en arrière. C’est ce qui donne cette lumière bleue si particulière.

L’avantage d’une telle propulsion est la consommation très faible de carburant comparé aux autres formes de propulsion. Ce qui permet la construction d’un vaisseau plus léger.

Cependant, une telle puissance électrique nécessite 10MégaWatts qui devront être fournit soit par des panneaux solaires de très grandes tailles soit des réacteurs nucléaires. 

De plus, la mise en œuvre d’un système propulsif ionique est généralement facile, puisque, outre le fait que le principe de propulsion soit assez simple, l’énergie électrique qu’il utilise est, à ce jour, assez bien maitrisée, ce qui apporte une plus grande flexibilité au niveau de la réalisation et de l’intégration du moteur au vaisseau spatial.

Moteurs ioniques

https://www.electriclove.info/wp-content/uploads/2012/07/ion_head.jpg

 

 

        Mais d’autres moteurs similaires aux moteurs ioniques, pourraient être utilisés lors d’un voyage vers Mars. Par exemple le moteur à plasma, qui fonctionne toujours avec une propulsion électrique très puissante, permettrait d’atteindre Mars en 3-4mois.

Le VASIMR, est un modèle composé d’un moteur à plasma. Il a été développé par le physicien et astronaute Franklin Chang-Diaz.

Le plasma est une soupe très chaude constituée d’un mélange d’électrons et de noyaux. Pour le confiner il faut utiliser des champs magnétiques très puissants. En général ce type de moteur comporte de l’hydrogène qui est ionisé, puis transformé grâce à des micro-ondes. Après avoir été accéléré, ils sont expulsés par une tuyère magnétique.

On peut de plus faire varier (en sens inverse) poussée et impulsion spécifique. Avec un tel moteur, le trajet vers Mars se ferait en deux temps :

• Accélération continue, avec une éventuelle gravité artificielle.
• Ensuite la navette ferait un demi-tour à l’approche de la planète Mars. Elle finirait alors son voyage en marche arrière pour facilites la mise en orbite autour de Mars.

 

 

 

            

 

                  Moteur à plasma

        

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/98/Vasimr-fr.jpg/500px-Vasimr-fr.jpg                                                               https://www.lpp.fr/Sedina-Tsikata-post-doctorante

 

 

 

 

        Par conséquent, l’ensemble de ces technologies constituent une bonne base pour un voyage sur Mars, mais coûte extrêmement cher à la NASA et aux autres organismes qui lui sont associés. De plus certaines technologies n’ont jamais été utilisées sur des vaisseaux propices à accueillir l’homme. Seul une propulsion chimique cryogénique a été testée dans des conditions similaires au voyage vers Mars. Pour les deux autres : la propulsion nucléothermique et la propulsion électrique de fortes puissances n’ont été utilisés que sur des sondes.

Donc de nombreux tests restent encore à être réalisé, pour utiliser la propulsion la plus efficace. Cependant de telles conditions sont très dures à reproduire sur Terre.