Avant Mars: découvrez pourquoi nous devons améliorer la protection contre les rayons cosmiques!

Marcher sur la Lune a été l’un des exploits les plus palpitants de l’humanité. Aujourd’hui, les scientifiques prévoient de nouvelles expéditions lunaires et rêvent même de Mars.

L’année prochaine, la mission Artemis II de la NASA enverra quatre astronautes en orbite autour de la Lune afin de tester le vaisseau spatial avant de procéder à des atterrissages futurs. L’année suivante, deux astronautes devraient fouler le sol lunaire pendant une semaine dans le cadre de la mission Artemis III de la NASA.

Et enfin, un voyage vers Mars est envisagé pour les années 2030. Cependant, une menace invisible se dresse : les rayons cosmiques.

Lorsque nous observons le ciel nocturne, nous voyons des étoiles et des planètes proches. Dans les zones sans pollution lumineuse, nous pouvons même apercevoir des météores filer dans le ciel. Mais les rayons cosmiques – composés de protons, de noyaux d’hélium, d’ions lourds et d’électrons – restent invisibles. Ils proviennent d’étoiles en explosion (rayons cosmiques galactiques) et de notre propre soleil (événements de particules solaires).

Ils ne font pas de distinction. Ces particules, chargées d’une grande énergie et se déplaçant à grande vitesse, peuvent arracher des électrons aux atomes et perturber la structure moléculaire de n’importe quel matériel. Ainsi, ils peuvent endommager tout sur leur passage, machines et humains compris.

Le champ magnétique terrestre et l’atmosphère nous protègent de la plupart de ces dangers. Mais hors de cette protection, les voyageurs spatiaux seront exposés de manière routinière. Dans l’espace lointain, les rayons cosmiques peuvent briser les brins d’ADN, perturber les protéines et endommager d’autres composants cellulaires, augmentant le risque de maladies graves telles que le cancer.

Le défi de la recherche est clair : mesurer comment les rayons cosmiques affectent les organismes vivants, puis concevoir des stratégies pour réduire leurs dommages.

Idéalement, les scientifiques étudieraient ces effets en envoyant des tissus, des organoïdes (structures semblables à des organes fabriquées artificiellement) ou des animaux de laboratoire (comme des souris) directement dans l’espace. Cela se fait, mais c’est coûteux et compliqué. Une approche plus pratique consiste à simuler le rayonnement cosmique sur Terre à l’aide d’accélérateurs de particules.

Les simulateurs de rayons cosmiques aux États-Unis et en Allemagne exposent des tissus, des plantes et des animaux à différents composants des rayons cosmiques séquentiellement. Une nouvelle installation d’accélérateur international en construction en Allemagne atteindra des énergies encore plus élevées, correspondant à des niveaux trouvés dans l’espace qui n’ont jamais été testés sur des organismes vivants.

Mais ces simulations ne sont pas totalement réalistes. De nombreuses expériences administrent la dose totale de la mission en un seul traitement. Cela revient à utiliser un tsunami pour étudier les effets de la pluie.

Dans l’espace réel, les rayons cosmiques arrivent comme un mélange de particules à haute énergie frappant simultanément, et non pas un type à la fois. Mes collègues et moi avons suggéré la construction d’un accélérateur à plusieurs branches qui pourrait lancer plusieurs faisceaux de particules réglables en même temps, recréant le rayonnement mixte de l’espace lointain dans des conditions de laboratoire contrôlées. Pour l’instant, cependant, ce type d’installation n’existe que sous forme de proposition.

Au-delà de meilleurs tests, nous avons besoin d’une meilleure protection. Les boucliers physiques semblent être la première défense évidente. Les matériaux riches en hydrogène tels que le polyéthylène et les hydrogels absorbant l’eau peuvent ralentir les particules chargées. Bien qu’ils soient utilisés, ou prévus pour être utilisés, comme matériaux de vaisseau spatial, leurs avantages sont limités.

Les rayons cosmiques galactiques, ceux qui proviennent d’étoiles éloignées en explosion, sont tellement énergétiques qu’ils peuvent pénétrer à travers les boucliers physiques. Ils peuvent même générer un rayonnement secondaire qui augmente l’exposition. Ainsi, une protection efficace en utilisant uniquement des boucliers physiques reste un défi majeur.

L’armure de la nature

C’est pourquoi les scientifiques explorent des stratégies biologiques. Une approche consiste à utiliser des antioxydants. Ces molécules peuvent protéger l’ADN des produits chimiques nocifs produits lorsque les rayons cosmiques frappent les cellules vivantes.

La supplémentation en CDDO-EA, un antioxydant synthétique, réduit les dommages cognitifs causés par un rayonnement cosmique simulé chez des souris femelles. Dans l’étude, les souris exposées au rayonnement cosmique simulé ont appris une tâche simple plus lentement comparées aux souris non exposées. Cependant, les souris ayant reçu l’antioxydant synthétique ont eu des performances normales malgré l’exposition au rayonnement cosmique simulé.

Une autre approche consiste à apprendre des organismes aux capacités extraordinaires. Les organismes en hibernation deviennent plus résistants aux radiations pendant l’hibernation. Les mécanismes de protection contre les radiations par l’hibernation ne sont pas encore totalement compris. Néanmoins, il est possible d’induire des conditions semblables à l’hibernation chez des animaux non hibernants, les rendant plus résistants aux radiations.

Les tardigrades – de minuscules créatures également connues sous le nom d’ours d’eau – sont également extrêmement résistants aux radiations, surtout lorsqu’ils sont déshydratés. Bien que nous ne puissions pas hiberner ou déshydrater les astronautes, les stratégies utilisées par ces organismes pour protéger les composants cellulaires pourraient nous aider à préserver d’autres organismes lors de longs voyages spatiaux.

Des microbes, des graines, des sources alimentaires simples et même des animaux qui pourraient plus tard devenir nos compagnons pourraient être maintenus dans un état protégé pendant un certain temps. Dans des conditions plus calmes, ils pourraient ensuite être ramenés à pleine activité. Ainsi, comprendre et exploiter ces mécanismes de protection pourrait s’avérer crucial pour les futurs voyages dans l’espace.

Une troisième stratégie se concentre sur le soutien des propres réponses au stress des organismes. Les stress environnementaux sur Terre, tels que la famine ou la chaleur, ont poussé les organismes à évoluer vers des défenses cellulaires qui protègent l’ADN et d’autres composants cellulaires. Dans un préimprimé récent (un document qui n’a pas encore été évalué par des pairs), mon collègue et moi suggérons que l’activation de ces mécanismes par des régimes spécifiques ou des médicaments pourrait offrir une protection supplémentaire dans l’espace.

Les boucliers physiques seuls ne suffiront pas. Mais avec des stratégies biologiques, davantage d’expériences dans l’espace et sur Terre, et la construction de nouveaux complexes d’accélérateurs dédiés, l’humanité se rapproche de la réalisation des voyages spatiaux routiniers. Avec la vitesse actuelle, nous sommes probablement à des décennies de résoudre complètement la protection contre les rayons cosmiques. Un plus grand investissement dans la recherche sur les radiations spatiales pourrait raccourcir ce délai.

L’objectif ultime est de voyager au-delà de la bulle protectrice de la Terre sans la menace constante de particules invisibles à haute énergie endommageant nos corps et nos vaisseaux spatiaux.