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Nous pouvons distinguer trois contraintes fondamentalement différentes ayant chacune des effets divers : il s'agit de l'état du surpesanteur (lors du décollage ou la rentrée dans l'atmosphère), de l'état d'impesanteur (pas ou très peu de gravité) puis du rayonnnement ionisant qui est beaucoup plus intense dans l'espace que dans la Terre. Finalement, nous aborderons un sujet qui est de moins en moins mis à l'écart, et qui a une très grande importance dans les missions de longue durée : les facteurs humains, soit les problèmes de comportements et psychologiques.

 

 

1 - L'état de surpesanteur.

 

Un homme qui subit une poussée équivalente à la puissance de celle du décollage ainsi que celle de l’atterrissage est considéré comme étant dans un état de surpesanteur.

En effet cette homme subira jusqu'à sept fois son poids. Il faut savoir que cet état de surpesanteur sera ressenti pendant une courte période ; c'est pour cette raison qu'il est facilement supporter par l'homme. Cette état aura lieu durant deux moments spécifiques d'un vol spatial : au décollage (à cause, lors du décollage, d'une accélération d'environ 4,6G qui durera environ 6 minutes puis, lors de l'atterrissage, une décélération approchant les 7G pendant une durée de 3 à 4 minutes).

 

Par la suite cette poussée va entraîner un mouvement soit vers la bas ou soit vers le haut des liquides internes du corps humain, c’est-à-dire plus particulièrement le sang de l’individu. 


 

C’est cet effet de surpesanteur qui entraîne le déplacement des liquides et donc du sang, provoquant ainsi deux situations particulières pour l’organisme :

 

        - soit le sang se déplace vers le haut du corps, et dans ce cas, cela aboutit soit à des hémorragies(certains vaisseaux sanguins éclatent à cause de la pression), soit a des apparitions de violents maux de têtes, de voiles rouges …

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hémorragie cérébrale due à un état de surpesanteur.

 

       - soit le sang se déplace vers le bas du corps, et dans ce cas, on note une absence de circulation sanguine dans le cerveau, ce qui entraîne parfois des troubles de conscience, l’apparition d’un voile gris, et parfois même des pertes de connaissances.

 

Pour pouvoir réduire (même faire disparaître) ces effets, les accélérations sont subies selon l'axe ventre-dos aussi bien au départ qu'au retour (les astronautes regardent le zénith).

 

2 - L'état d'impesanteur et ses effets.

 

L'impesanteur est un état théorique et idéal qui n’existe pas en réalité : il subsiste toujours des forces parasites, donc une pesanteur résiduelle (il ne faut donc pas confondre cet état avec l’état d’apesanteur, c’est-à-dire l’absence totale de pesanteur). A bord d’un véhicule spatial, on parle donc en général de micropesanteur, dont la valeur est proche du millionième de la pesanteur terrestre.

 

L'état d'impesanteur est l'élément le plus important à prendre en compte lors d'un vol spatial. En effet, cet état provoque de nombreux troubles et modifications sur l'Homme. Nous développerons donc les différents troubles causés par cet état d'impesanteur, en traitant chacun de ces troubles l'un après l'autre.

 

  • Le mal de l'espace

 

Cette notion définit l’ensemble des symptômes variés que présente le spationaute lors d’un vol spatial, ces symptômes pouvant aller du simple mal de tête à d’importantes sensations de désorientation.

 

 

 

D'autre part, les corpuscules de Pacini (récepteurs de pression au niveau de la peau et notamment dans la plante des pieds) ne sont plus stimulés donc ils ne peuvent pas nous indiquer le haut et le bas ce qui donne l'impression d'avoir la tête en haut alors que c'est le contraire.

Les astronautes ressentent alors diffrents symptômes : cela va du mal de tête au vomissement avec nausées, en passant par une étrange et désagréable sensation de désorientation. C'est le fameux mal de l'espace (SMS ou Space Motion Sickness). Ainsi, pendant les toutes premières heures de la mission, les astronautes peuvent très bien ne pas être à même de réaliser certaines tâches qui demandent de la concentration et une bonne forme physique.

 

C'est l'oreille interne, grâce aux otolithes (petites particules de calcium qui se déplacent librement sous l'effet de la gravité et dont la position est connue par l'intéraction avec les cils) et aux canaux semi-circulaires, qui nous permet de positionner le haut et le bas et de  ressentir les mouvements de notre corps. En impesanteur, l'oreille interne ne fonctionne plus correctement. les signaux qui proviennent des yeux et des canaux semi-circulaires indiquent au cerveau que la tête vient tourner. Mais les otolithes ne donnent pas confirmation, car leur action dépend de la gravité.

canaux semi-circulaires

Les structures d'une oreille humaine.

Vue microscopique d'un corpuscule de Pacini.

Environ la moitié des astronautes est touchée par le mal de l'espace.

Lors du retour sur Terre, certains astronautes ont du mal à garder une posture droite, surtout les yeux fermés. Les effets semblent être proportionnels à la durée de la mission. Dans les cas les plus graves, ils ressentent des vertiges lorsqu'ils tournent sur eux-mêmes ou bougent un peu trop la tête et vont même jusqu'à vomir.

Ces effets sont assez inquiétants. En effet, lors d'un voyage vers Gliese 581d, que va-t-il se passer lorsque les astronautes vont débarquer à sa surface ? Combien de temps faudra-t-il attendre avant qu'ils ne puissent tavailler efficacement ? Quels sont les mesures qui permettraient de lutter contre ce problème ?

 

 

  

  • Une fragilisation des os

 

 

L'un des effets les plus graves de l'impesanteur concerne les os. Sous micropesanteur, la colonne vertébrale grandit de telle sorte que les astronautes gagnent quelques centimètres durant leur mission. Le calcium et certains sels minéraux (phosphore principalement) quittent les os (ostéoporose) et en conséquence, ceux ci se fragilisent considérablement (surtout les os qui portent le poids du corps).

 

 

Evolution du squelette d'une personne atteinte de ostéoporose.

(Les flèches bleues montrent que la personne rétrécit)

En effet, l'os est un tissu vivant en perpétuel remaniement. Il se construit grâce à des cellules appelées les ostéoblastes et se détruit grâce aux ostéoplastes. Ainsi, sur Terre, les os sont entièrement renouvelés tous les cinq ans en moyenne. Or en état d'impesanteur, c'est l'action des ostéoplastes qui dominent : l'os est donc petit à petit détruit et dissout. Les spationautes rejettent alors plus de calcium dans leur urine, et connaissent souvent une décalcification des os, ce qui fragilise considérablement le squelette de l’individu, même après son retour sur Terre.  Par exemple, ce fut le cas des astronautes qui avaient participé à la mission Skylab organisée par la NASA. La quantité de calcium présente dans leur urine avait augmenté de 60% à 100%.

Photographie d'une partie de l'équipage de la mission Skylab à la veille du départ.

Dans les cas les plus graves, lorsque les niveaux d'acide urique, de calcium, de phosphores sont très élévés dans l'urine, les spationautres peuvent souffrir de calculs rénaux voire d'un blocage de l'urètre. Ce bloquage nécessite une intervention chirurgicale. Pendant le vol spatial, un problème de ce genre pourrait compromettre le mission spatiale, d'où l'importance d'avoir à bord un astronaute ayant des compétences en chirurgie et possédant le matériel approprié.

 

  • Atrophie musculaire

 

Sur Terre, les muscles maintiennent leur fonction, leur masse et leur force en s'opposant en permanence à la gravité terrestre. En impesanteur, certains muscles ne servent plus à rien puisqu'ils n'ont plus rien à supporter. Ainsi, ces derniers commencent à s'atrophier. L'atrophie musculaire réduit l'habilité, la force, la locomotion et le maintien d'une posture correcte. C'est également la source de douleurs musculaires et ligamentaires. Les effets peuvent persister plusieurs semaines ou même quelques mois après le retour sur Terre. Des exercices (tapis de courses, vélo, appareils du musculation) intenses et quotidiens permettent de lutter contre l'atrophie musculaire, sans cependant la stopper complètement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Représentation des muscles de bras humains selon qu'ils soient atrophiés ou non. 

 

Le principal problème avec l'atrophie musculaire concerne le retour sur Terre. On observe une incapacité des astronautes à rester dans la position debout. Les muscles des jambes, qui normalement contribuent à la circulation du flux sanguin vers la tête, n'ont plus assez de force pour jouer leur rôle. C'est pourquoi les cosmonautes qui rentrent sur Terre sont transportés dans une position assise dès qu'ils sortent de leur vaisseau spatial. Ils ne pourraient pas supporter d'être debout (intolérance orthostatique).

 

Une fois sur Gliese 581d, les astronautes retrouveront certes une gravité, mais elle sera bien plus forte que la gravité terrestre ! Alors que ces derniers ont passé des années sous une pesanteur presque nulle !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La gravité sur Gliese 581d est donc 1.47 fois plus forte que la gravité sur Terre.  

Ce sera malheureusement le moment ou l'activité physique sera particulièrement le plus intense, car il s'agira d'assembler la future base sur cette exoplanète. Le moindre mouvement demandera un effort de volonté et la fragilité des os pourra entraîner de nombreuses fractures mal venues.

 

  • Action sur le système cardio-vasculaire et diminution du nombre de globules rouges

 

A la surface de la Terre, la gravité force le sang à s'accumuler dans la partie inférieure du corps. Les battements du coeur, la contraction de certains muscles des jambes et les valvules situées au niveau des veines contrarient ce phénomène. En impesanteur, ces mécanismes disparaissent, et on observe alors une redistribution de la masse sanguine. Une importante quantité de sang (1,5 à 2 litres) quitte les membres inférieurs pour s'accumuler au niveau de la partie supérieur du corps (région céphalique, thoracique et cervicale). Les astronautes ont l'impression d'avoir des jambes de poulet alors que l'afflux brusque du sang au niveau de la tête se traduit par une sensation de bien-être. L'organisme humain va interpréter cette irriguation importante de la partie supérieure du corps comme une augmentation du volume sanguin. Il y aura ensuite une élimination urinaire massive (fuite d'eau et de sels minéraux) et une diminution de la sensation de soif. L'état d'impesanteur ne modifie pas de manière critique le rythme cardiaque et la tension artérielle. Toutefois, l'appareil cardio-vasculaire fonctionne quand même dans des conditions anormales pendant le vol spatial.

 

Une fois revenu sur Terre, certains effets se font ressentir, même si l'appareil cardio-vasculaire finira par retrouver des conditions normales de fonctionnement. Le cœur bat plus vite, pour compenser la diminution de volume sanguin. Le sang s'accumule de nouveau dans la partie inférieure du corps et quitte le cerveau, ce qui conduit à des faiblesses et même des évanouissements dans la position debout (instabilité orthostatique).

 

 

 

 

Schéma du circuit nerveux.

Dans ce circuit nerveux, des récepteurs de pression (barorécepteurs), sont situés dans la crosse aortique et dans les sinus carotidiens. Ils informent en permanence le système nerveux des valeurs des tensions ; celui-ci prend alors les mesures qui s'imposent en agissant sur le rythme cardiaque et la puissance de contraction et en modifiant le calibre de certains vaisseaux.

A gauche une vertèbre saine et à droite une vertèbre décalcifiée.

La diminution du volume sanguin en impesanteur est également accompagnée par une diminution du nombre de globules rouges, une sorte d'anémie spatiale (10 à 15 % de globules rouges en moins et même plus suivant la durée de la mission).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Après le retour sur Terre, il faut de 6 à 8 semaines pour retrouver une situation normale. Ce type d'anémie ne compromet pas la santé ou les performances d'un équipage. Mais associée à une diminution du volume sanguin, cette situation présente des risques dans le cas de blessures ou d'hémorragie pendant le vol. Nous ne savons également rien des phénomènes qui peuvent affecter l'érythropoïèse (la formation des globules rouges) pendant un voyage de longue durée. Le vaisseau spatial devra comporter des réserves de sang et l'équipage devra être capable de réaliser des transfusions sanguines. L'étude d'un substitut sanguin pour pallier à des pertes importantes pourrait aussi être nécessaire.

Vue microscopique de globules rouges dans le sang.

  • L'affaiblissement du système immunitaire

 

Les globules blancs, présents dans le sang, responsables de la défense de l'organisme, sont également touchés loirs d'un vol spatial. Le système immunitaire voit effectivement une diminution très nette du nombre et des fonctions (réactivité, prolifération dans le cas d'une attaque) des lymphocytes T lesquelles sont une variété de globules blancs impliqués dans l'immunité à médiation cellulaire.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ce phénomène devient préoccupant s'il y a le moindre risque d'infections. En impesanteur, les bactéries, les virus ou les champignons microscopiques flottent bien plus longtemps dans l'air que dans un environnement soumis à une gravité (artificielle ou non). Des filtres devront être utilisés autant que possible pour purifier l'air. Pour l'instant, aucune infection aggravée par une baisse des capacités du système immunitaire ne s'est produite en vol. Mais le risque existe. La sensibilité à des infections pendant le voyage vers Gliese 581d et les risques encourus lors du retour sur Terre ne sont pas à prendre à la légère. Notons que là aussi, la situation est réversible une fois revenu sur Terre et le système immunitaire retrouve son état normal.

 

  • Effets sur le système respiratoire

 

 

 

 

Vue microscopique d'un globule blanc appelé lymphocyte T.

Tableau expliquant la composition du sang humain

L'étude des effets de l'impesanteur sur le système respiratoire constituait l'un des thèmes abordé lors de l'expérience Neurolab emporté par la navette spatiale américaine Columbia en avril 1998. Sur Terre, lors d'une inspiration, le volume qui pénètre dans la partie supérieure du poumon est deux fois plus élevé que celui qui pénètre dans la partie inférieure. En impesanteur, on n'observe rien de tel, et la respiration est homogène. C'est la même chose pour la quantité de sang capillaire qui irrigue les poumons. Le volume pulmonaire (en rapport avec la concentration des gaz présents dans le sang) diminue, le mécanisme respiratoire faisant intervenir de manière plus importante l'abdomen.

Décollage de la navette spatiale Columbia en 1981.

3 - Les radiations.

 

Les radiations regroupent l'ensemble des rayonnements, c'est à dire des flux d'énergie, qui traversent l'espace ou la matière sous forme d'ondes ou de particules. Sur Terre, ces rayonnements ne menacent pas la santé de l'Homme. En effet, l'atmosphère nous protège de la plupart de ces rayons en les stoppant. Cependant, lorsque les astronautes quitteront la Terre pour rejoindre l'exoplanète Gliese 581d, les rayonnements deviendront dangereux et problématiques pour eux puisque l'atmosphère ne les protègera plus. Le rayonnement solaire constitue l’un des principaux risques pour la santé durant un vol spatial.

 

Effectivement, ce rayonnement émet suffisamment d'énergie pour modifier ou briser les molécules d'ADN. Les cellules peuvent donc être endommagées ou tuées. Ceci peut entrainer de graves problèmes de santé à long terme (inflammations, mutations, cancers, diminution de la durée de la vie, cataracte) ; or le voyage vers Gliese 581d est long. Afin de protéger l'équipage contre une partie de ces doses de radiations excessives, il faudra alors équiper le vaisseau de blindage. Mais le blindage représentera un supplément important en poids et sera donc très coûteux. Il aura intérêt à être à la fois efficace et léger.

 

Pour la suite de la discussion, nous exprimerons les doses de radiation en utilisant le REM, une unité couramment utilisée aux Etats-Unis. En Europe, nous utilisons plutôt le Sievert, 1 Sievert étant égal à 100 rems.

 

Dans la navette spatiale, l'équipage est soumis à un rayonnement de 30 millirems en moyenne par jour (l'équivalent de deux radiographies de la poitrine par jour). Par comparaison, une personne vivant dans une région au niveau de la mer reçoit seulement 100 à 150 millirems par an (soit 1% du rayonnement en orbite). La dose approche les 200 à 300 millirems pour une personne vivant en altitude, dans une région montagneuse par exemple. Le rayonnement que l'on reçoit de manière naturelle sur Terre provient de la radioactivité des roches et des particules secondaires issues de l'interaction du rayonnement cosmique avec la matière. Notez ici que ce rayonnement naturel joue un rôle bénéfique en stimulant les mécanismes de réparation dont le corps dispose pour lutter contre les effets destructeurs des radiations.

 

A partir de quelle dose les effets néfastes commencent-ils à apparaître ?

Une personne soumise à 75 rems ne présente pas de troubles de santé. Entre 75 et 200 rems, certaines personnes commenceront à présenter des symptômes (vomissements, perte d'appétit, fatigue), alors que d'autres continueront à bien se porter (il existe effectivement une large plage de tolérance entre les individus). Si la dose dépasse les 300 rems, plus aucune personne n'échappe aux symptômes. La mortalité apparaît également à ce niveau. 50 % des personnes meurent à 450 rems, 80 % à 600 rems. Une dose de 1000 rems est toujours létale (= qui entraîne la mort). Ces effets sont ceux que l'on peut observer lorsqu'un individu est exposé brièvement à une forte dose de radiations. A part les cas extrêmes, il est possible de récupérer après quelques semaines ou quelques mois, le temps pour les systèmes de réparation d'intervenir. Mais il faut prendre en compte un autre risque : celui de développer dans les années qui suivent un cancer. Les particules énergétiques peuvent effectivement toucher l'ADN et réveiller un oncogène, qui conduira à un cancer. Pour une dose de 100 rems, on estime en général que le risque de développer un cancer fatal dans les 30 ans est de 1,8 %.

 

 

Les organes les plus sensibles aux radiations sont le système lymphatique, les gonades et la moelle osseuse, suivi des poumons, de la peau, des yeux, des reins et du foie. Le système nerveux central, les os et les muscles sont peu sensibles. Le risque de développer un cancer est un peu plus grand pour les femmes, à cause du cancer du sein.

Mammographie d'une personne atteinte du cancer du sein

  

4 - Les facteurs humains.

 

 

  • Pallier l'ennui

 

Le risque humain majeur lors de longs vols spatiaux est l’ennui. En effet, les spationautes sont soumis à un environnement sans changement, et peu à peu la monotonie risque de s’installer ce qui va une fois de plus nuire à la bonne entente entre membres de l’équipage. Mais cette monotonie a également des conséquences plus importantes. D’abord elle provoque des problèmes de mémoire et de concentration, ce qui peut influencer la réalisation des taches de la mission. Mais des études effectuées en milieux clos montrent qu’après 30 jours, on constate d’autres troubles sur l’individu. On note alors une baisse d’énergie notoire, une diminution des capacités intellectuelles, une baisse de productivité, une irritabilité importante, et des états pouvant aller de la simple fatigue à l’état dépressif. C’est pourquoi avant toute mission, l’équipage est sélectionné à la fois pour ses compétences physiques et intellectuelles, mais aussi pour ses compétences psychiques et sociales. De manière générale, pour éviter tout conflit, les différents membres de l’équipage établissent des affinités avant le vol.

 

  • Pallier la baisse d'énergie

 

Pour pallier la baisse d’énergie, les spationautes tentent d’effectuer de bonnes nuits de sommeil à heures fixes. Ils effectuent en moyenne des nuits de huit ou neuf heures. Le sommeil est une phase importante car il permet la récupération physique et le bon fonctionnement du cerveau humain.

 

  • Domestiquer son espace vital : vivre dans un espace particulièrement confiné

 

Dire que les astronautes sont à l’étroit dans leur navette spatiale est un doux euphémisme ! L’équipage dispose de quelques mètres carrés en superficie pour se mouvoir (en moyenne 9 à 12 m² pour 3 passagers ), de plus, le matériel scientifique y prend une place considérable, il ne faut pas donc pas être claustrophobe ni craindre la promiscuité . De nombreuses heures en espace réduit sont donc nécessaires pour s’habituer à cette nouvelle façon de vivre. Pour se familiariser avec leur espace, les astronautes s’immergent dans des simulateurs, copies conformes de leur futur lieu de vie. L’objectif est clair : le repérage. De nombreuses manœuvres sont à effectuer en vol et il ne vaut mieux pas être gêner à ce moment là.

 

 

 

 

Photographie d'un astronaute dans un espace confiné durant une mission spatiale.

  • Savoir parer au stress

 

Garder son self-control en toute circonstance ! Voilà le principe de tout astronaute qui se respecte. Chaque mission présente une forte part d’imprévus et il faut que l’équipage puisse y parer. Certains imprévus sont simulés pour observer le comportement des candidats. Ceci permet d’évaluer les capacités de chacun face aux situations imprévues. Certaines agences spatiales comme celle de Moscou ne lésinent pas sur les moyens et offrent un stage "commando" à leurs astronautes pour mettre leurs nerfs à rude épreuve.

 

5 - Eau, nourriture, et oxygène.

 

C'est peut être le plus gros problème. En effet, on ne voit pas nos astronautes partir pendant des mois et des mois sans pouvoir boire, manger ou respirer! Il est donc impératif de pouvoir trouver des solutions pour parer à ce problème, car sinon le voyage est tout bonnement impossible.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

Aujourd’hui encore, l’homme n’est pas capable de comprendre tous les effets produits par l’absence partielle de pesanteur, et des études sont régulièrement menées. Les risques sont nombreux, les individus voyageant dans l’espace doivent donc être correctement entraînés, mais ils doivent également posséder des qualités physiques et morales importantes. De plus, leurs besoins primaires doivent être pleinement respectés.

Exemple de nourriture que mange un astronaute.

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