La sonde spatiale Orion de la mission Artemis I embarque, dans le cadre de l’expérience MARE, deux « fantômes » humains équipés de nombreux détecteurs de rayons cosmiques. Les informations recueillies par les détecteurs permettront pour la première fois de vérifier la connaissance, cruciale pour la présence humaine dans l’espace lointain, des effets des rayons cosmiques sur la santé des astronautes qui doivent vivre et travailler dans un environnement dépourvu de protection effets de la magnétosphère de notre planète.
Parmi les nombreux dangers qui guettent les astronautes entreprenant de longs voyages spatiaux, parmi les plus graves et en même temps les plus difficiles à éliminer, figure l’exposition à des doses nocives de rayonnement cosmique. Les données recueillies au cours de l’expérience MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment) contribueront à assurer la sécurité des futurs pionniers de l’espace lointain.
Dans ce cadre, deux fantômes humains (essentiellement des mannequins de crash test de haute technologie) équipés de nombreux détecteurs de rayonnement cosmique ont été placés à bord du vaisseau spatial Orion pour la mission Artemis I. A l’invitation du Centre spatial allemand (DLR) de Cologne, coordinateur du projet MARE, l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) de Cracovie participe à l’expérience.
« MARE est la suite d’une série d’expériences menées sur la Station Spatiale Internationale entre 2004 et 2009 dans le cadre du projet MATROSHKA, auquel nous avons également participé. À l’époque, les données de dose de rayonnement étaient nécessairement collectées en orbite terrestre basse. Désormais, grâce à la mission Artemis I de la NASA, des fantômes humains bourrés de détecteurs de rayonnement ont pour la première fois dépassé la portée de protection non seulement de l’atmosphère terrestre, mais aussi de la magnétosphère », déclare le professeur Pawel Bilski (IFJ PAN).
Le rayonnement cosmique, auquel les astronautes voyageant à de grandes distances de la Terre doivent être exposés, est de nature extrêmement complexe. Sa composante galactique vient de l’espace lointain et contient toutes sortes de particules et de noyaux atomiques naturels, avec une très large gamme d’énergies, souvent bien au-delà des valeurs rencontrées dans les conditions terrestres.
Une autre source de particules de haute énergie, cette fois au sein de notre système planétaire, sont les éruptions sur le Soleil, peu fréquentes, mais impliquant de sérieux risques pour la santé et même la vie des astronautes. De plus, les particules de vent solaire s’accumulent en permanence autour de la Terre dans deux zones en forme de beignet de la magnétosphère appelées les ceintures de Van Allen. Bien que ces ceintures ne soient situées qu’à quelques milliers de kilomètres d’altitude, elles doivent être parcourues deux fois lors de toute expédition longue distance avec équipage.
L’objectif principal de la NASA pendant la mission Artemis I était de tester le vaisseau spatial avec équipage Orion dans un vol circumlunaire sans équipage. Le manque de passagers a été décidé d’être exploité pour vérifier les connaissances actuelles sur les effets du rayonnement cosmique sur le corps humain. En conséquence, deux fantômes féminins nommés HELGA et ZOHAR, pesant chacun 39 kg, ont été placés à l’intérieur d’Orion. Le fantôme ZOHAR était vêtu d’un gilet de protection AstroRad, fabriqué par la société israélienne StemRad.
Afin d’obtenir des informations sur les doses de rayonnement cosmique absorbées par diverses parties du corps humain, des ensembles de petits détecteurs passifs de rayonnement au fluorure de lithium ont été placés tous les trois centimètres dans les fantômes. De plus, des détecteurs actifs au silicium ont été installés sur des sites d’organes clés. Au total, plus de dix mille détecteurs passifs et 34 détecteurs actifs ont été installés dans les deux fantômes.
« La contribution de notre institut à l’expérience MARE est principalement constituée de 276 détecteurs thermoluminescents passifs dans le fantôme ZOHAR et de 288 détecteurs supplémentaires dans 12 ensembles de mesure à la surface des deux fantômes. Ces détecteurs se présentent sous la forme de fines pastilles blanches de quelques millimètres de diamètre. » dit le professeur Bilski.
Le principal matériau utilisé pour la production des détecteurs d’IFJ PAN est le fluorure de lithium enrichi d’adjuvants soigneusement sélectionnés. Ceux-ci provoquent l’apparition de niveaux d’énergie métastables supplémentaires dans le matériau. Lorsque des particules de rayons cosmiques traversent un matériau composé de cette manière, l’ionisation des atomes se produit. Certains des électrons qui sont assommés se retrouvent ensuite dans les niveaux métastables où ils peuvent rester pendant des mois, comme dans un piège. Ce qui est essentiel, c’est que plus les particules de rayons cosmiques traversent le détecteur, plus les électrons sont piégés.
La dose de rayonnement enregistrée par le détecteur au fluorure de lithium peut être lue grâce au phénomène de thermoluminescence. En laboratoire, les détecteurs individuels sont progressivement chauffés à des températures de plusieurs centaines de degrés Celsius. L’énergie fournie fait que les électrons commencent à sauter hors des pièges énergétiques métastables successifs. Certains d’entre eux se recombinent rapidement, accompagnés de l’émission de photons. Le résultat est une lueur, connue par les physiciens sous le nom de thermoluminescence.
« Nos détecteurs au fluorure de lithium fonctionnent de telle manière que la quantité de lumière émise lorsqu’ils sont chauffés est proportionnelle à la dose déposée par les particules de rayons cosmiques qui ont interagi avec le matériau. La lecture des données est donc fiable et relativement simple, quoique C’est parce que différents pièges dans le matériau ont des propriétés différentes et se vident à des températures différentes », explique le professeur Bilski.
Les mesures dans le cadre de l’expérience MARE visent principalement à vérifier les connaissances existantes sur les effets du rayonnement cosmique sur le corps humain. La priorité est de réduire au minimum le risque pour les astronautes, mais la recherche a aussi une dimension purement pratique. En effet, il s’agit de s’assurer que des normes de sécurité trop contraignantes ne limitent pas l’activité humaine dans l’espace lointain.
Si le retour du vaisseau spatial Orion de la mission Artemis I est réussi, les détecteurs des fantômes ZOHAR et HELGA reviendront bientôt à IFJ PAN pour la lecture des données. Les résultats préliminaires sur les doses de rayonnement cosmique qu’ils ont enregistrées seront présentés par l’équipe internationale de l’expérience MARE dans les premiers mois de l’année prochaine.
Fourni par l’Institut de physique nucléaire PAN