Représentation d'artiste de la plate-forme de véhicule proposée par Manned Orbiting Laboratory (MOL). Crédit :Douglas Aircraft Co., 1967
Outre les dangers bien connus de l'espace - températures glaciales, pressions écrasantes, l'isolement - les astronautes sont également confrontés à des risques de rayonnement, qui peuvent causer des maladies ou blesser des organes.
Bien qu'il ne soit pas considéré comme une menace imminente pour les missions actuelles, les astronautes pourraient un jour être confrontés au rayonnement des vents solaires et des rayons cosmiques galactiques. Combien de rayonnement, quel genre, et quels seraient les impacts sanitaires anticipés de cette exposition sur les astronautes sont des questions ouvertes parmi les agences spatiales.
Jeffery Chancelier, chercheur au Département de physique et d'astronomie de la Texas A&M University et doctorant dans le programme de physique appliquée, a passé plus d'une décennie à étudier ces questions dans le cadre de quatre missions de la NASA. Récemment, collaborant avec le médecin et astronaute Serena Aunon-Chancellor (NASA/University of Texas Medical Branch) et le directeur associé du programme de recherche humaine de la NASA pour la planification de la recherche en exploration John Charles (NASA), Chancellor a examiné les implications sur la santé de l'exposition aux rayonnements spatiaux sur les orbites polaires à basse altitude.
Les chercheurs ont utilisé comme cas de test le Manned Orbiting Laboratory (MOL), quels documents de mission ont été récemment déclassifiés.
Le MOL a été conçu en 1963 et a subi une planification de 1965 à 1969, mais n'a jamais réellement volé.
"C'était un profil orbital tellement unique, " dit le chancelier. " Polar, basse altitude... Je ne pouvais pas deviner quels en seraient les effets. Donc, J'ai décidé de prendre du recul et d'appliquer des méthodes informatiques et numériques avancées à ce profil de mission."
Ils ont découvert que le blindage relativement minimal du véhicule spatial du programme MOL et son orbite polaire à forte inclinaison auraient laissé l'équipage vulnérable à de fortes expositions au rayonnement cosmique et aux événements de particules solaires. Si la mission s'était poursuivie jusqu'en 1972, les astronautes auraient dû faire face à des doses toxiques de rayonnement lors d'un événement solaire massif.
Les résultats ont été publiés dans Médecine aérospatiale et performance humaine en janvier 2018.
L'étude a été soutenue par le bureau du directeur du renseignement national et a largement utilisé les superordinateurs du Texas Advanced Computing Center (TACC).
LES YEUX DANS LE CIEL
Le Manned Orbiting Laboratory a été conçu comme un laboratoire expérimental pour les vols spatiaux habités, mais a été remanié en tant que plate-forme de reconnaissance secrète en 1965 au plus fort de la guerre froide. Le véhicule aurait voyagé en orbite terrestre basse et aurait survolé à plusieurs reprises les régions polaires nord et sud pour mieux espionner l'Union soviétique. Ce type d'orbite est plus exposé aux rayonnements que les orbites plus proches de l'équateur, car il est moins protégé par le champ gravitationnel de la Terre.
Les rayons cosmiques galactiques (GCR) et les événements imprévisibles de particules solaires (SPE) constituent une menace importante pour les astronautes lors de missions d'exploration sur la Lune ou sur Mars. Chaque source de rayonnement a un impact unique sur la santé des tissus, conception de blindage, et les stratégies d'atténuation pendant les opérations de vol spatial. Les scientifiques ne savent pas comment une exposition simultanée et prolongée à ces rayonnements affectera la santé humaine à court ou à long terme. Crédit :Dr Rebecca Blue, MARYLAND
En août 1972, trois ans après l'arrêt de la planification de la mission MOL en raison de l'émergence de satellites sans pilote - la Terre a connu un événement de particules solaires historiquement important. Le chancelier s'est demandé comment un rayonnement typique aurait eu un impact sur les pilotes de MOL qui ont orbité pendant 30 jours dans le vaisseau à blindage mince et comment un événement massif comme celui de 1972 aurait affecté une personne prise en vol.
Les chercheurs se sont concentrés sur le rayonnement de deux sources :les vents solaires et les rayons cosmiques galactiques. On pense que certains rayonnements spatiaux traversent les parois des navettes, tandis que certains font barrage au blindage et provoquent une cascade d'ions métalliques libres. Une partie traverse le corps; le reste dépose son énergie sur la peau ou même à l'intérieur du corps, affectant les organes.
Déterminer les niveaux de rayonnement que les pilotes MOL auraient subis derrière le blindage léger du véhicule a nécessité une bonne partie de l'exploration de données, extrapolation et simulation. Chancelier et ses collaborateurs ont modélisé le profil de l'orbite du MOL, la météo spatiale et les forces géomagnétiques de ces années, et le transport de particules et d'ions lourds qu'une telle trajectoire aurait rencontrés.
En combinant ces facteurs, les échantillonner, et les simuler des milliers de fois sur le supercalculateur Lonestar5 de TACC, Le chancelier et ses collaborateurs ont constaté que, sous des conditions normales, l'équipage du MOL aurait enduré 113,6 millisieverts (mSv; une mesure de la dose de rayonnement) sur sa peau et 41,6 mSv sur les organes hématopoïétiques (par exemple, moelle osseuse ou ganglions lymphatiques) au cours d'un vol de 30 jours, bien dans les limites d'exposition des astronautes de la NASA.
Cependant, lors du « pire scénario » de la tempête solaire de 1972, leur peau aurait été exposée à 1, 770 mSv, alors que leurs organes auraient subi 451 mSv, les deux dépassent les limites d'exposition de la NASA.
Basé sur des études animales, Le chancelier et ses collègues prévoient qu'une telle exposition aurait causé des nausées, vomissement, fatigue, et éventuellement des brûlures cutanées à l'équipage. Sans instigation rapide de contre-mesures médicales, les risques auraient pu être encore plus graves.
"Les missions MOL en orbite polaire auraient eu encore moins d'opportunités de communication avec les contrôleurs au sol que les missions de la NASA en orbite beaucoup plus près de l'équateur - et celles-ci n'étaient pas trop fréquentes - donc toute mission en vol au moment de cet événement solaire aurait probablement été terminée immédiatement, " dit Charles, co-auteur de l'étude. « Il est difficile de dire si cela aurait été assez tôt pour éviter des effets aussi désastreux sur les pilotes. »
Bien que l'étude ait exploré les missions historiques du MOL, les chercheurs avaient en tête les futurs vols spatiaux commerciaux, comme celles proposées par SpaceX ou Virgin Galactic, qui parcourra probablement une orbite similaire pour mieux montrer la beauté de la Terre depuis l'espace.
"Je pense que la recherche aura un impact énorme sur les vols spatiaux commerciaux, " a déclaré le chancelier. " Cela donne un aperçu aux personnes qui essaient de trouver des idées pour les hôtels en orbite, ou à SpaceX ou Virgin Galactic qui veulent faire des vols touristiques, en termes de ce qu'ils doivent faire pour protéger l'équipage et les clients."
Leurs méthodes pour prédire avec précision l'exposition et les impacts des rayonnements spatiaux sont également pertinentes pour les voyages vers la Lune ou d'autres planètes.
Le profil de la mission MOL en fonction de la longitude de l'orbite, latitude et altitude. L'orbite à forte inclinaison nécessite des passages directement au-dessus des régions polaires nord et sud. L'inclinaison, montré sur la figure comme i, est défini comme l'angle entre la trajectoire orbitale et l'équateur terrestre. Les grandes flèches mettent en évidence la direction nord par rapport au sud des voies au sol. Ici, nous pouvons facilement voir que les altitudes inférieures correspondent à la zone autour de la Russie et les altitudes les plus élevées sont au cours de la transversale des régions polaires, minimiser l'exposition aux rayons cosmiques et aux protons solaires énergétiques. Crédit :Jeffrey Chancelier, Texas A&M
SURMONTER LES LIMITES DE LA PREDICTION DES RAYONNEMENTS DANS L'ESPACE
Les efforts visant à simuler le risque de rayonnement spatial ne sont pas nouveaux. En réalité, les archives historiques montrent qu'ils faisaient partie de la recherche spatiale de la NASA et du ministère de la Défense depuis le début. Mais des décennies d'études ont apporté peu de réponses concrètes ou de mesures pratiques pour atténuer les rayonnements, selon les scientifiques.
« Malgré des années de recherche, compréhension de l'environnement radiatif de l'espace, et le risque qu'il fait peser sur les astronautes de longue durée reste limité, " Le chancelier et son équipe ont écrit dans un article paru dans Microgravité naturelle en avril 2018. "Compte tenu de l'avenir des vols habités, with efforts now to rapidly expand capabilities for human missions to the moon and Mars, there is a pressing need to improve upon the understanding of the space radiation risk, predict likely clinical outcomes of interplanetary radiation exposure, and develop appropriate and effective mitigation strategies for future missions."
Chancellor says that until recently scientists did not have the capabilities to do radiation simulations accurately.
"We were making assumptions and approaching the problem in the best possible way based on what we had available, " he said. "But this is an area where better algorithms and more powerful computers make a big difference in what's possible. I don't think we would've made this progress or understood what we're seeing without the ability to use high-performance multicore computers. It's a game-changer."
Each of the three test cases from the Manned Orbital Laboratory that the team ran on Lonestar5 required 150, 000 computational hours and generated 2.5 terabytes of data.
"Tracing 10^11 or 10^15 particles in terms of every interaction at every micron or smaller involves a humongous computational load. The fact that I could parallelize the problem and have 1, 000 processors running each computation and do that in three to four hours instead of three to four months is a huge benefit, " he said. "The more samples you take, the more accurate the results and the more confidence you have."
Not only that:the speed-up may one day enable improved decision-making for those working in mission control.
Chancellor used Lonestar5 for most of his computations, but when he re-ran some of his computations on Stampede2, TACC's latest supercomputer and one of fastest in the world, he was able to obtain a result in five minutes as opposed to five hours.
"It's smoking fast, " Chancellor said. "When I first started getting results off of Stampede, I called my friend who works in mission control for radiation at NASA and said, 'You guys have to get on this.'"
This rapid turnaround could enable NASA to run much more accurate models than they currently do to determine, en temps réel, how a solar storm or other cosmic event might impact astronauts—a capability that may one day save lives.
