Exposition aux radiations lors des missions lunaires dans le vaisseau spatial Orion

Als Ende November 2022 das amerikanische Raumschiff Orion zu seiner ersten Mondumrundung aufbrach, saßen im Cockpit die beiden Dummy-Astronauten – „Helga“ und „Zohar“. Die beiden Fluggäste sollten während der 25 Tage dauernden Artemis-I-Mission die Strahlung registrieren, der lebende Astronauten während eines Flugs zum Erdtrabanten an Bord einer Orion-Kapsel ausgesetzt wären. Nach einer Analyse der gewonnenen Daten präsentieren die an der Mission beteiligten Wissenschaftler nun die ersten Messergebnisse in der Zeitschrift „Nature“.

Zwar hat es schon während früherer Weltraummissionen Strahlenmessungen gegeben, sie fanden aber hauptsächlich auf dem amerikanischen Space Shuttle und der Internationalen Raumstation an Bord des europäischen Columbus-Laboratoriums im niedrigen Erdorbit statt. Die ISS kreist in 400 Kilometern Höhe um die Erde. Dort wird der Löwenanteil der Strahlung aus dem Weltraum vom Erdmagnetfeld abgeschirmt. Einige Strahlungsmessungen stammen auch von den Apollo-Mondmissionen aus den 1970er-Jahren.

Mit der Mission Artemis I wurde erstmals die kontinuierliche Strahlenbelastung in einem Orion-Raumschiff jenseits des erdnahen Orbits erfasst. Dort dominieren die ionisierende Strahlung des Van-Allen-Gürtels – dies sind zwei ringförmige Bereiche um die Erde, die sich in einer Höhe zwischen rund 700 und 6000 Kilometern befinden – der Sonnenwind, der schnelle geladene solare Teilchen ins All weht, sowie die kosmische Strahlung, die vorwiegend aus energiereichen Wasserstoff- und Heliumkernen besteht.

Um Informationen über die Strahlungsbelastung innerhalb der Orion-Kapsel zu erhalten, sind vor dem Start an verschiedenen Stellen des Raumschiffs Dosimeter angebracht worden. Die beiden Puppen – sie stammen vom Institut für Raumfahrtmedizin des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Köln und der israelischen Raumfahrtagentur Isa – hatte man mit unzähligen Sensoren bestückt. Diese sollten Daten liefern, welcher Strahlenbelastung die menschliche Haut, die Knochen und die inneren Organe im Weltraum ausgesetzt sind.

Les scientifiques ont modélisé les deux mannequins de mesure sur l’anatomie de femmes astronautes. Avec la mission lunaire habitée Artemis II, prévue pour l’année prochaine, une femme, Christina Hammock Koch, sera à bord pour la première fois. Afin de protéger au mieux l’astronaute des radiations pendant le vol, la NASA a besoin d’encore plus de connaissances sur l’exposition potentielle des femmes lors des vols spatiaux. Nous savons, grâce aux bombardements atomiques, qu’ils courent un risque plus élevé de cancer dû aux rayonnements ionisants que les hommes. Zohar portait également un gilet de radioprotection développé par une start-up israélienne. Celui-ci est rempli d’un liquide spécial destiné à protéger le corps principalement contre les électrons de haute énergie.

L’étude, à laquelle ont également participé des chercheurs des organisations spatiales américaine et européenne NASA et ESA, montre à quel point l’exposition aux rayonnements était élevée à quelle phase du vol vers la Lune et retour. Une demi-heure après son lancement le 16 novembre, le vaisseau spatial Orion a survolé la ceinture de radiation intérieure de Van Allen. La concentration de protons de haute énergie y est particulièrement élevée. En conséquence, la dose de rayonnement à l’intérieur de la capsule a sensiblement augmenté. Cependant, les valeurs mesurées n’étaient pas les mêmes partout. Dans certains cas, ils différaient quatre fois selon que les capteurs étaient installés dans des zones protégées ou moins protégées.

La charge mesurée la plus élevée a été mesurée dans le cockpit et la plus faible dans l’abri. L’équipage peut se retirer dans cette zone protégée en cas de fort rayonnement. Selon la NASA, les astronautes y sont à l’abri même des violentes explosions de rayonnement solaire, comme celles vécues ce printemps. Les fortes tempêtes solaires avaient des débits de dose aussi élevés que la ceinture de rayonnement interne de Van Allen, écrivent les chercheurs dirigés par Stuart George du Johnson Space Center de la NASA à Houston et Thomas Berger du DLR dans leur étude.

Cependant, aucun événement solaire n’a pu être détecté au cours de la mission de 25 jours d’Artemis I. Outre les protons et les électrons de la ceinture de rayonnement, les rayons cosmiques galactiques étaient particulièrement dominants. Selon les chercheurs, cela a été réduit à mesure qu’il tournait autour de la Lune en raison de son effet de protection.

Et les deux mannequins ? Ils auraient été exposés à une dose de rayonnement comprise entre 26,7 et 35,4 millisieverts tout au long de la mission – l’unité sievert sert à enregistrer le risque lié aux rayonnements ionisants. Ces niveaux seraient bien inférieurs à la limite de 600 millisieverts que les astronautes de la NASA sont autorisés à absorber tout au long de leur carrière. En Allemagne, la limite de rayonnement pour la population normale est d’un millisievert et pour les personnes professionnellement exposées aux rayonnements, elle est de 20 millisieverts par an.

Les scientifiques affirment que l’exposition aux radiations des missions Artemis prévues, qui dureront quelques jours ou semaines, ne dépassera probablement pas les limites actuelles de la NASA pour les astronautes – en supposant que des conditions de mission similaires à celles d’Artemis I soient remplies. Les chercheurs sont également confiants quant à l’exposition aux radiations d’un vol vers Mars. Les astronautes sont principalement exposés au rayonnement cosmique galactique, et celui-ci est constant en dehors du champ magnétique terrestre. La dose totale reste probablement bien inférieure à ladite limite de 600 millisieverts.

L’orientation du vaisseau spatial lors de la mission Artemis I a également eu un impact sur les niveaux de rayonnement à l’intérieur de la capsule. Cela était évident lorsqu’il a effectué un virage à 90 degrés dans la ceinture de radiations de Van Allen pour son vol lunaire. De manière inattendue, la dose de rayonnement a chuté de 50 pour cent. Le rayonnement entrant frappe désormais le vaisseau spatial principalement là où se trouve le blindage le plus puissant, expliquent les chercheurs. “Cela nous montre que de telles manœuvres de vol peuvent réduire considérablement l’exposition aux radiations de l’équipage à l’intérieur du vaisseau spatial”, explique Berger, physicien des radiations au DLR.

La capsule Orion est également équipée du dispositif de mesure de rayonnement et du système d’alerte HERA (« Hybrid Electronic Radiation Assessor »). Il se compose de trois capteurs de rayonnement installés dans des zones différemment protégées du vaisseau spatial. Si l’équipage est exposé à un événement de rayonnement à haute énergie, tel qu’une forte éruption solaire, un signal d’avertissement retentit. Dans ce cas, l’équipage se déplacerait vers une zone plus protégée.