Rayons et radiations - Vivre ailleurs - La vie dans l'espace

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Nécessités
 


Les rayons cosmiques, les radiations solaires, leurs effets et comment
s’en protéger...

 
      
      Les rayons cosmiques ne sont pas des rayons (ondes électromagnétiques) à proprement parler, mais des flots de particules et de noyaux atomiques  arrivant de l’espace (de tous côtés), parfois à très grandes
vitesses.
Certaines astroparticules qui composent les rayons cosmiques  atteignent et dépassent 1020 eV (ce qui correspond  à 16 Joules, soit l’énergie pour soulever une brique de plusieurs centimètres avec un seul proton).

Les rayons cosmiques sont composés à 88% de protons,  9% de noyaux d’héliums et le 3% restant est composés d’antiprotons, électrons, positrons et particules neutres (rayons gamma, neutrinos et neutrons). Ils composent 14% de la radioactivité naturelle à la surface de la Terre.
Cependant, il en existe d’autres sortes, mais ce sont les plus fréquents…
 

On ne sait d’ailleurs toujours pas d’où ils viennent exactement, pourquoi, leur rôle (et aussi pourquoi), et ni comment elles se créer…
 

Leur source est inconnue car ces astroparticules ne sont pas "traçables" : en raison de leur charge électrique, leur course est déviée par les champs magnétiques qu’elles rencontrent et vouloir reconstituer leur trajectoire est aussi vain que d’essayer de savoir par où est passée une bille de flipper (par exemple…).
 

Ces rayonnements cosmiques sont découverts en 1912 avec es observations Victor Franz Hess et sont d’abords identifiés à travers leur rôle dans l’ionisation de l’atmosphère terrestre…


Image de bombardement de rayons cosmiques, vue animée par ordinateur.
Image de bombardement de rayons cosmiques, vue d'artiste.
Schéma de rentrée des rayons cosmiques dans l'atmosphère.

 



Effets : sur le corps


 
Les rayons cosmiques ont divers effets sur le corps humain
lors d’une exposition trop intense et trop longue.



 
Un endommagement du système nerveux : ce qui entraîne des déficiences cognitives, tels que des déficits de mémoires, des pertes de connaissances, des difficultés de concentration.

 
Les effets aigus : ils sont dus à de fortes doses reçues sur une courte durée et ils entraînent la destruction des cellules et des organes exposés, ils engendrent donc des effets sanitaires observables à plus ou moins court terme. Il peut s'agir par exemple de brûlures de la peau, de vomissements, de destruction de la moelle osseuse ou de la muqueuse intestinale, pouvant entraîner le décès de la personne exposée. On observe ces effets seulement lors d’une exposition à des doses très fortes.
    
 
Les effets "stochastiques" : c'est à dire différés dans le temps : sont dus à une transformation des cellules qui plusieurs années après l'irradiation peuvent entraîner sur la population exposée, des maladies telles que des leucémies ou divers cancers. Mais il n'existe pas de moyens biologiques pour différencier, par exemple, un cancer du poumon dû au tabac et un cancer dû à l'exposition aux rayonnements ionisants, c'est pourquoi les études épidémiologiques réalisées le sont sur des populations (en effectif suffisant) ayant été significativement exposées aux rayonnement ionisant ;   en ce qui concerne l'exposition à de faibles doses (de l'ordre du micro sievert ou même du milli sievert (soit une unité de mesure d'équivalent de dose de rayonnement ionisant)), les effets, s'ils existent, sont tellement faibles qu'il serait très difficile, voire impossible de les déceler grâce à des études épidémiologiques.

 
Sur l’ADN : comme pour les cellules, il y a destruction de l’information génétique, et perte, ou multiplication incontrôlée de cette dernière… On ne connaît pas encore les conséquences, pouvant être bonne, ou au contraire mauvaise pour l’Homme.  
 


 
Il faut savoir que notre atmosphère est assez épaisse pour nous protéger (presque) entièrement de ces rayons/radiations cosmiques, mais dans l’espace, on ne peut pas recréer une atmosphère, donc nous sommes menacés par ces particules spatiales.
Et encore, il se pourrait qu'elles envoient deux fois plus de radiations aux effets néfastes (dégâts sur l'ADN, mais pas seulement), que selon les premières estimations...




L'ISS, la zone actuelle la plus exposée
aux radiations et rayons en tous genres...







Effets : sur le matériel

 
Mauvaises exécutions du processeurs ; "soft errors" : Les rayons cosmiques sont suffisamment chargé électroniquement pour altérer l’état d’un composant électronique d’un circuit intégré, pouvant ainsi provoquer des erreurs transitoires telles que des corruptions de données dans la mémoire vive.  Avec les transistors devenant de plus en plus petit, cela devient une plus grande préoccupation. Pour réduire ce problème, Intel a proposé un détecteur de rayon cosmique qui pourrait être intégrés aux futurs microprocesseurs ayant une faible finesse de gravure, permettant au processeur d’exécuter de nouveau la dernière commande suivant le rayon cosmique.

 
 
L’exposition aux rayons cosmiques étant plus importante dans l’espace que sur Terre, il est important  de protéger les astronautes (les premiers effets sont  ressentis après quelques mois de voyage), mais également leur matériel : primordial pour l’évolution de notre espèce…


 

Se protéger des rayons cosmiques

 
Les matériaux plus denses et plus épais ne sont pas forcément meilleurs.
Les rayonnements cosmiques frappant des boucliers métalliques peuvent produire des gerbes de particules secondaires encore plus dangereuses.
En général, des matériaux plus légers comme l’eau et d'autres "neutre éléctriquement" fournissent une meilleure protection.



Les parois :
 
Tous ce qui contient de l’hydrogène liquide peut protéger des flux de protons solaires. En effet son noyau est un proton, les particules ionisantes ne se désintégreront pas à son contact (particule unique). Il n’y aura donc pas de dispersion d’énergie lors du choc. On utilise aussi les caissons de nourriture, d’eau  ainsi que des parois en plastique et les réservoirs de carburant pour protéger la santé des astronautes. Des métaux légers comme l’aluminium sont très utilisés car ils permettent de limiter la diffusion d’atomes de masse importante.
« L’eau est meilleure que les métaux pour la protection », dit Marco Durante, de l’Université technique de Darmstadt en Allemagne,
« parce que ce sont les nucléons qui bloquent les rayons cosmiques. Et les molécules d’eau contiennent plus de nucléons par volume qu’un métal ».

L'eau gelée est donc un excellent isolent et matière protectrice contre les rayons cosmiques
 
Les parois de la station spatiales ne doivent pas dépasser une certaine épaisseur. Les parois serviraient de cible aux particules qui entraîneraient des réactions en chaîne dans la paroi, produisant l’émission de nouvelles particules supplémentaires. Les doses de radiations reçues seraient alors beaucoup trop importantes.
 

Il suffirait alors d’une couche de glace compacte (2 à 3m) (même si 40cm d'eau pourrait suffir)
entre deux murs d’une certaine épaisseur, pour empêcher ces particules cosmiques de passer,
et d’atteindre les habitants.




 
Les combinaisons spatiales :
 
Ces équipements sont utilisés pour protéger les astronautes lors de leurs sorties dans l’espace et des effets du décollage et de l’atterrissage. Le but des combinaisons spatiales est de permettre à l’homme de lui constituer un événement favorable à la vie qui lui permet de respirer, d’empêcher l’évaporation de ses fluides dans le vide, de le rendre aveugle à cause des rayons solaires et de le protéger des radiations spatiales.
 
Le nombre de couches de protection des combinaisons dans l’ISS ont progressivement augmenté avec le temps et sont passées de 11 à 19. De l’eau s’écoule dans les différentes composantes de la combinaison afin d’améliorer la protection offerte à l’astronaute.
 
La combinaison comporte deux vêtements principaux : le sous-vêtement de corps pour le confort (LCVG) au-dessus de laquelle l’astronaute porte sa combinaison pressurisée qui le protège des radiations spatiales (TMG). Ce sont les quatrième, cinquième, sixième, septième et huitième couches en Mylar aluminées (utilisées pour les filtres solaires et les couvertures isolantes) qui permettent de protéger les cosmonautes des rayons cosmiques. La huitième sert aussi d’isolant thermique, qui, mêlé au nylon, protège des micrométéorites.
 
Les matériaux utilisés doivent être souples, résistants et remplissent une fonction bien particulière pour faciliter les mouvements de l’astronaute tout en lui assurant un minimum de confort. Les fibres sont donc synthétiques et métalliques pour prévenir la formation de moisissures et de tissus bactériens. Lors des éruptions solaires, les astronautes préfèrent rester dans leurs navettes spatiales, en tournant leurs boucliers thermiques vers le soleil : en effet, leurs combinaisons ne peuvent les protéger intégralement à cause de l’énergie que ces particules dégagent.
 
C’est le couvre casque appelé Extravehicular Visor Assembly (EVVA) qui réduit l’impact des rayonnements sur le visage du cosmonaute. Elle le protège ainsi des rayonnements UV et des rayons cosmiques. Il doit aussi réfléchir la chaleur et la lumière, tout en permettant à l’astronaute de voir au travers; des protections oculaires sont utilisées pour pouvoir diminuer l’impact des rayonnements sur le cosmonaute.



Cependant, les sorties à l’extérieur seront rares : les robots se chargeront des réparations extérieures, et les vaisseaux serviront aux humains pour les différentes expéditions.



Différents "murs de glace"...
Le "premier" robot réparateur de l'espace, ici dans l'ISS (piloté par réalité virtuelle)...
Extrait de Star Wars, épisode I - Réparation du vaisseau (par les droïdes, dont R2-D2), et sortie du blocus de Naboo.
Extrait de l'épisode I de Star Wars,
scène du blocus ; présentant ici des droïdes réparateurs (astromechs) (dont R2-D2 !)...


 

Les rayonnements solaires
 


Vents solaires :
 
Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Ce flux varie en vitesse et en température au cours du temps en fonction de l'activité solaire, par exemple lors d’éruptions solaires. Pour les étoiles autres que le Soleil, on parle généralement de vent stellaire.  La magnétosphère terrestre s'oppose au vent solaire, c’est par ailleurs l’action de ce vent solaire et de ses particules ionisées qui sont considérés actuellement comme la cause du dessèchement lent et continu de Mars comme de l’appauvrissement de son atmosphère  depuis la disparition de son champ magnétique naturel.
 
Les particules de ces vents solaires peuvent générer sur Terre des courants continus sur les lignes à haute tension de grandes longueurs, ce qui provoque des surchauffes dans les transformateurs des postes électriques.
 
Malgré les effets néfastes des vents solaires sur l’équipement électronique, ceux-ci sont quasi inoffensifs pour le corps humain.


Éruptions solaires :

Une éruption solaire ou tempête solaire est un évènement primordial de l'activité du Soleil. La variation du nombre d'éruptions solaires permet de définir un cycle solaire d'une période moyenne de 11,2 ans.
 
Les éruptions solaires n’ont pas vraiment d’effet sur le corps humain, même si elles peuvent blesser les astronautes, toutefois elles ont un effet majeur sur les composants électroniques : les émissions de plasma qu’elles provoquent peuvent perturber les transmissions radioélectriques terrestres (orage magnétique) et provoquent l'apparition des aurores polaires en entrant en interaction avec le champ magnétique terrestre et la haute atmosphère. Ces orages magnétiques ont un effet sur l’électronique et ont ainsi par exemple en novembre 2003 forcé les contrôleurs aériens à modifier la trajectoire de certains avion ou encore provoqué une coupure d’électricité d’environ une heure en Suède.

 
Éjection de masse coronale :
 
Une éjection de masse coronale est souvent liée à une éruption solaire, mais ce n’est pas toujours le cas : les ÉMC, des explosions en forme de ballon de vent solaire, sont des phénomènes à grande échelle : leur taille peut atteindre plusieurs dizaines de rayons solaires. Elles modifient les caractéristiques du vent solaire, se déplaçant à très grande vitesse dans le milieu interplanétaire (entre 100 km/s et 2 500 km/s) et peuvent parcourir la distance Terre-Soleil en quelques jours (typiquement trois jours). Une ÉMC atteignant la Terre peut provoquer un orage magnétique en interagissant avec le champ magnétique terrestre. On observe alors des phénomènes de reconnexion magnétique et certaines lignes de champs peuvent s'ouvrir, affaiblissant ainsi le « bouclier » magnétique de la Terre.
 
On estime aujourd’hui que chaque décennie, il y a un risque de 12% de chances que la Terre subisse une éjection de masse coronale qui provoquerait un orage magnétique (12% suffisants pour provoquer d'assez gros dégâts)…
Pour l’anecdote, le 23 mai 1967, une puissante éruption solaire accompagnée d'une ÉMC ont interféré avec les radars de l'hémisphère nord pendant plusieurs jours. Cette interférence avait été initialement interprétée comme un brouillage intentionnel des radars par les soviétiques, un acte considéré comme un acte de guerre. Des bombardiers nucléaires de contre-attaque furent presque lancés par les États-Unis…

 
Radiations solaires :
 
Dans l’espace, les astronautes de l’ISS sont 6 fois plus irradiés par les UVs du Soleil, que sur Terre, ce qui amène encore une fois à tous genres de maladies…
 


Pour contrer toutes ces menaces, il n’y aura donc pas de hublot (ils sont trop lourds, mais il n’y a également pas de sable à faire chauffer là-haut). Cependant, il y aura des écrans à retranscription directe, comme dans certains futurs avions : actuellement, l’Homme regarde le Ciel, et son environnement bien mieux par ordinateur, et écran ; ce qui lui permet d’être encore plus précis…



Un exemple visible de rayonnement solaire, et de ses vents :
les aurores boréales aux deux pôles...
Les vents solaires en images...
Éruptions solaires
(soit les éjections de masses coronales).
 
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