Au cours de la prochaine décennie, la NASA et la Chine prévoient d'envoyer les premières missions avec équipage sur Mars. Cela consistera pour les deux agences à envoyer des engins spatiaux en 2033, 2035, 2037 et tous les 26 mois par la suite pour coïncider avec l'opposition de Mars (c'est-à-dire lorsque la Terre et Mars sont les plus proches sur leurs orbites). L'objectif à long terme de ces programmes est d'établir une base sur Mars qui servira de plaque tournante pour les futures missions, bien que les Chinois aient déclaré qu'ils avaient l'intention de faire de leur base une base permanente.

La perspective d'envoyer des astronautes sur le voyage de six à neuf mois vers Mars présente plusieurs défis, sans parler des dangers auxquels ils seront confrontés lors de la conduite d'opérations scientifiques à la surface. Dans une étude récente, une équipe internationale de scientifiques a mené une enquête sur l'environnement martien - des sommets du mont Olympe à ses recoins souterrains - pour trouver où le rayonnement est le plus faible. Leurs découvertes pourraient éclairer les futures missions sur Mars et la création d'habitats martiens.

L'équipe était dirigée par Jian Zhang, professeur adjoint à l'École des sciences de la Terre et de l'espace (ESS) de l'Université des sciences et technologies de Chine. Il a été rejoint par des collègues de l'ESS et du CAS Center for Excellence in Comparative Planetology en Chine, de l'Institut de physique expérimentale et appliquée (IEAP) de Kiel, en Allemagne, et de l'Institut des problèmes biomédicaux de l'Académie russe des sciences (RAS) et du Institut Skobeltsyn de physique nucléaire (SINP) à Moscou. L'article qui décrit leurs découvertes a récemment été publié dans le Journal of Geophysical Research :Planets .

Lorsqu'il s'agit de missions vers Mars et d'autres endroits au-delà de l'orbite terrestre basse (LEO), le rayonnement est toujours une préoccupation constante. Comparée à la Terre, Mars a une atmosphère ténue (moins de 1% de la pression atmosphérique), et il n'y a pas de magnétosphère protectrice pour protéger la surface du rayonnement solaire et cosmique. En conséquence, les scientifiques émettent l'hypothèse que les particules nocives, en particulier les rayons cosmiques galactiques (GCR), pourraient se propager et interagir directement avec l'atmosphère et même atteindre le sous-sol de Mars.

Cependant, le niveau d'exposition aux rayonnements dépend de l'épaisseur de l'atmosphère, qui varie en fonction de l'altitude. Dans les zones basses comme le célèbre système de canyons de Mars (Valles Marineris) et son plus grand cratère (Hellas Planitia), la pression atmosphérique est estimée à plus de 1,2 et 1,24 kPa, respectivement. C'est environ le double de la moyenne de 0,636 kPa et jusqu'à 10 fois la pression atmosphérique à des endroits à haute altitude comme Olympus Mons (la plus grande montagne du système solaire).

Le Dr Jingnan Guo, professeur estimé de l'IEAP de l'Université Christian-Albrechts et membre de l'Académie chinoise des sciences (CAS), était le Ph.D. du professeur Jian Zhang. superviseur et co-auteur de l'article. Comme elle l'a expliqué à Universe Today par e-mail :

"Une élévation différente signifie une épaisseur atmosphérique différente. Les endroits à haute altitude ont généralement une atmosphère plus mince au sommet. Le rayonnement de particules à haute énergie doit traverser l'atmosphère pour atteindre la surface de Mars. Si l'épaisseur atmosphérique change, le rayonnement de surface peut également changer. Ainsi l'altitude pourrait influencer le rayonnement de surface de Mars."

À cette fin, l'équipe a examiné l'influence des profondeurs atmosphériques sur les niveaux de rayonnement martiens. Cela comprenait la dose absorbée mesurée en rads; l'équivalent de dose, mesuré en rems et sieverts (Sv); et les débits de dose efficaces pour le corps induits par les GCR. Cela consistait à modéliser l'environnement radiatif à l'aide d'un simulateur de pointe basé sur le logiciel GEometry And Tracking (GEANT4) développé par le CERN.

Connu sous le nom de Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS), ce logiciel utilise des algorithmes de probabilité de Monte Carlo pour simuler les interactions des particules avec l'atmosphère et le terrain martiens. Comme l'a illustré le Dr Guo :

"Nous utilisons une approche de Monte Carlo appelée 'GEANT4' pour modéliser le transport et l'interaction des particules énergétiques avec l'atmosphère et le régolithe martiens. L'environnement de Mars est configuré en tenant compte de la composition et de la structure atmosphérique de Mars et des propriétés du régolithe.

"Les spectres de particules d'entrée au-dessus de l'atmosphère de Mars sont également obtenus à partir de modèles calibrés de données qui décrivent l'environnement de rayonnement de particules omniprésent dans l'espace interplanétaire qui comprend des particules chargées de différentes espèces qui sont principalement des protons (~ 87%), des ions d'hélium (12 %) ainsi que de petites traces d'ions plus lourds tels que le carbone, l'oxygène et le fer."

Ils ont découvert que des pressions de surface plus élevées peuvent réduire efficacement la quantité de rayonnement d'ions lourds (GCR), mais qu'un blindage supplémentaire est toujours nécessaire. Malheureusement, la présence de ce blindage peut conduire à des "douches de rayons cosmiques", où l'impact des GCR contre le blindage crée des particules secondaires qui peuvent inonder l'intérieur d'un habitat avec différents niveaux de rayonnement neutronique (c'est-à-dire le flux de neutrons). Ceux-ci peuvent contribuer de manière significative à la dose efficace de rayonnement que les astronautes absorberont.

Ils ont déterminé que le flux de neutrons et la dose efficace culminaient à environ 30 cm (1 pied) sous la surface. Heureusement, ces découvertes offrent des solutions en ce qui concerne l'utilisation du régolithe martien pour le blindage. Dit le Dr Guo :

"Pour un seuil donné de dose efficace annuelle de rayonnement biologiquement pondérée, par exemple 100 mSv (une quantité souvent considérée comme le seuil en dessous duquel le risque de cancer radio-induit est négligeable), la profondeur de régolithe requise varie entre environ 1 m et 1,6 m . Dans cette plage, dans un cratère profond où la pression de surface est plus élevée, le blindage de régolithe supplémentaire nécessaire est légèrement plus petit. Alors qu'au sommet du mont Olympe, le blindage de régolithe supplémentaire nécessaire est plus élevé."

Sur la base de leurs découvertes, les meilleurs sites pour les futurs habitats sur Mars seraient situés dans des zones basses et à des profondeurs de 1 m et 1,6 m (3,28 à 5,25 pieds) sous la surface. Par conséquent, les basses terres du nord, qui constituent la majeure partie de l'hémisphère nord (alias Vastitas Borealis), et Valles Marineris seraient des endroits très appropriés. En plus d'avoir une pression atmosphérique plus épaisse, ces régions ont également une abondance de glace d'eau juste sous la surface.

Si tout se passe comme prévu, les astronautes poseront le pied sur la surface martienne dans un peu plus d'une décennie. Cela consistera en des transits d'une durée de six à neuf mois (sauf le développement d'une technologie de propulsion plus avancée) et des opérations de surface pouvant aller jusqu'à 18 mois. En bref, les astronautes devront faire face à la menace d'un rayonnement élevé pendant jusqu'à trois ans. En tant que telles, des stratégies d'atténuation détaillées doivent être élaborées bien à l'avance.

La NASA et d'autres agences spatiales ont investi un temps, une énergie et des ressources considérables pour développer des conceptions d'habitat qui tirent parti de l'impression 3D, de l'utilisation des ressources in situ (ISRU) et même du blindage électromagnétique pour assurer la santé et la sécurité des astronautes. Cependant, il reste des questions sans réponse sur l'efficacité de ces stratégies dans la pratique, en particulier si l'on considère le temps que les équipages passeront sur la surface martienne.

"Notre étude peut servir à atténuer les risques de rayonnement lors de la conception de futurs habitats martiens en utilisant des matériaux de surface naturels comme protection", a déclaré le Dr Guo. "Des recherches comme celle-ci seront donc d'une valeur considérable lorsque les planificateurs de mission commenceront à envisager des conceptions pour les futurs habitats martiens qui reposent sur des matériaux de surface naturels pour assurer la radioprotection."