La recherche spatiale

SCK•CEN
La recherche spatiale
Rédaction
SCK•CEN, Centre d’Etude de l’Energie Nucléaire
Avec la contribution de collaborateurs de la
Radiobiologie
Microbiologie
Communication
Traduction
Image devant:
Simulation d’une mission spatiale. (source: ESA)
SCK•CEN
La recherche spatiale
SCK•CEN
La recherche spatiale
Introduction
7
1.A quel type de rayonnement ionisant sommes- nous exposés?
8
2.Un voyage dans l’espace est- il bon pour la santé?
10
3.Bactéries dans l’espace: amies ou ennemies?
14
4. Qu’allons-nous manger, boire et respirer durant ces longues missions spatiales?
16
5.Le réacteur BR1 et le rayonnement cosmique
20
6. Les astronautes sont indispensables à la recherche spatiale
21
SCK•CEN - La recherche spatiale
5
Introduction
De tout temps, l’homme a été fasciné par l’espace
cosmique. Grâce aux observations et aux missions
spatiales, notre connaissance des conditions
extrêmes en dehors de l’atmosphère n’a cessé
de croître. Ces données nous ont apporté
une meilleure vision de certains phénomènes
comme une intensité accrue du rayonnement
cosmique et l’apesanteur. Tous deux peuvent être
préjudiciables pour la santé des astronautes et
leur environnement.
Le Centre d’Etude de l’Energie Nucléaire,
SCK•CEN, joue un rôle important dans
la recherche spatiale sur le plan de
la dosimétrie du rayonnement, de la
biologie humaine et de la microbiologie.
Station Spatiale Internationale ISS, International
Space Station. (source: ESA)
SCK•CEN - La recherche spatiale
7
1
A quel type de rayonnement ionisant
sommes-nous exposés?
La radioactivité est un phénomène naturel.
Les noyaux radioactifs surgissent dans la
nature car une série d’isotopes instables se
sont formés lors de l’apparition de la terre
(un processus datant de milliards d’années).
Certains radio-isotopes ont une durée de vie
très courte et ont déjà disparus. D’autres
ont une durée de vie beaucoup plus longue
et certains sont encore présents sur terre et
aussi dans notre corps.
Outre le rayonnement des radio-isotopes naturels,
il existe aussi des rayonnements cosmiques
en provenance du soleil essentiellement. Le
rayonnement cosmique est constitué de 90 pour
cent de protons et de 9 pour cent de particules
alpha. Dans une capsule spatiale, la dose de
rayonnement est environ 100 fois plus élevée que
sur terre. Cela est du au fait que dans l’espace il
n’y a pas de champ magnétique, ni d’atmosphère
pour nous protéger.
Le SCK•CEN utilise diverses sources radioactives
pour calibrer des dosimètres.
8
SCK•CEN - La recherche spatiale
Comment mesure-t-on le rayonnement?
Comme les sens de l’homme ne peuvent pas
apercevoir les rayonnements ionisants, des
dosimètres ont été développés à cet effet. Le
SCK•CEN a plus de 25 ans d’expérience en
dosimétrie. Nous effectuons aujourd’hui des
mesures et des recherches dans divers domaines
comme les secteurs industriels et médicaux ainsi
que dans la dosimétrie spatiale.
Quel est le niveau de la dose de rayonnement
dans un vaisseau spatial?
Le SCK•CEN envoie régulièrement des dosimètres
vers la Station Spatiale Internationale ISS qui
tourne autour de la terre à une altitude d’environ
400 km. Ils y séjournent quelques jours, quelques
mois, voire jusqu’à plus d’un an dans l’ISS ou
sont fixés sur sa paroi extérieure. Ils sont ensuite
analysés dès leur retour sur terre. Les études
s’effectuent en collaboration avec d’autres
laboratoires internationaux. La nouveauté réside
dans le fait que l’on peut mesurer le champ de
rayonnement en dehors d’un vaisseau spatial. De
nouvelles techniques et divers détecteurs sont
testés pour améliorer la mesure du rayonnement
cosmique.
Le vent solaire transporte des particules
énergétiques. Ils sont captés par le champ
magnétique de la terre et sont détenus dans les
ceintures de Van Allen (les boucles vertes sur
la figure). (source: www.astronomygcse.co.uk)
Une boîte contenant des dosimètres du SCK•CEN a été
fixée à l’extérieur du laboratoire européen COLUMBUS
dans l’ISS. (source: ESA)
Les doses de rayonnement ionisant dans l’ISS
varient en fonction de la trajectoire du vaisseau
autour de la terre. A hauteur de l’équateur, la dose
est faible. Près des pôles, elle est plus élevée. Un
autre effet provient des ceintures de Van Allen. Ce
sont deux zones toroïdales de la magnétosphère
terrestre qui contiennent une grande densité de
particules énergétiques provenant du vent solaire.
Près des pôles, les lignes du champ magnétique
plongent vers la surface terrestre, tout comme les
particules des ceintures de Van Allen. La collision
de ces particules de haute énergie avec les atomes
d’oxygène et d’azote dans l’atmosphère génère les
spectaculaires aurores boréales et australes. L’ISS
traverse trois fois par jour les ceintures de Van
Allen. La dose d’irradiation peut alors augmenter
d’un facteur 100. La dose dans une capsule
spatiale étant déjà 100 fois supérieure à celle sur
terre. Cela signifie donc une augmentation d’un
facteur 10 000 par rapport à la dose sur terre
quand l’ISS traverse ces ceintures.
SCK•CEN - La recherche spatiale
9
2
Un voyage dans l’espace est-il bon pour la santé?
Les scientifiques savent qu’un séjour dans
l’espace a une incidence sur le corps humain.
Outre l’intensité accrue du rayonnement
et une réduction de la pesanteur, des
facteurs de stress comme la vie dans un
environnement confiné, la charge de travail,
le sommeil et un mode de vie perturbés,
peuvent générer des problèmes.
Analyse sanguine des astronautes
Un voyage spatial porte atteinte au système
immunitaire des astronautes. Le pourquoi et
quels sont les mécanismes qui y jouent un rôle,
nécessitent des recherches complémentaires.
En collaboration avec les agences spatiales
américaine, européenne et russe, le SCK•CEN
mesure par la voie sanguine, l’influence d’un long
séjour dans l’espace. C’est avec des techniques
biochimiques et moléculaires avancées qu’est
examiné un groupe d’astronautes ayant séjourné
six mois dans l’ISS. Des chercheurs déterminent
la concentration en hormones dans le sérum, les
modifications cellulaires dans les globules blancs
et examinent les dégâts causés dans l’ADN.
Chaque personne a une sensibilité au rayonnement
différente. La sensibilité des astronautes aux
rayonnements cosmiques présente de fortes
variations. Ceci peut être important lors de
longs voyages comme vers Mars, voyages au
cours desquels une longue exposition aux
rayonnements cosmiques est inévitable. Une
exposition chronique peut générer des effets sur
la santé (e.g. cataracte) et augmenter le risque de
cancer.
La détection de lésions ADN dans des cellules humaines après irradiation:
à gauche des cellules contrôles, à droite des cellules irradiées.
10
SCK•CEN - La recherche spatiale
Simulateur de la
surface de Mars
Module des utilitaires (EU-250)
gym, serre, stockage des
ressources, frigo, chambre
thermique, toilettes
Simulateur de l'atterrissage
du vaisseau martien (EU-50)
Module médical (EU-100)
compartiment habitable,
cuisine-salle à manger,
postes de travail avec du
matériel médical, toilettes
Module habitable (EU-150)
6 compartiments individuels,
salle commune, console
principale, cuisine, toilettes
Le complexe/bunker MARS 500. (source: ESA)
Conditions spatiales simulées sur terre
L’affaiblissement du système immunitaire observé
chez les astronautes est également étudié sur
terre dans des plate-formes analogues à celle
dans l’espace. On utilise pour cela, les études
d’alitement, le bunker MARS 500 et la station
Concordia au pôle Sud.
En France et en Allemagne, on étudie à l’aide des
études d’alitement, une série de modifications
importantes qui surviennent pendant les missions
spatiales en raison de l’apesanteur. Le SCK•CEN
y contribue également. Pendant ces tests qui
peuvent durer jusqu’a 60 jours, les sujets sont
étendus sur un lit où leur tête est inclinée à raison
de 6° vers le bas par rapport à leurs pieds. Cette
position induit un lent dépérissement des muscles,
de l’ossature et une accumulation du liquide
lymphatique dans le haut du corps analogue
à ce qui se passe dans l’espace. Ces études
permettent également de développer et de tester
des méthodes afin de prévenir ou de remédier aux
effets de l’apesanteur sur le corps. Ainsi, les sujets
sont soumis à des exercices corporels spécifiques,
des thérapies ou médications particulières ainsi
qu’une alimentation appropriée.
Pour simuler une mission vers Mars, dans le
cadre du projet russo-européen MARS 500, des
volontaires sont isolés pendant 520 jours dans un
complexe/bunker à Moscou. Les conséquences
psychologiques et physiologiques d’une isolation
de longue durée sont examinées auprès de six
personnes et ce, avant, durant et après leur séjour
dans le bunker.
Dans la station du pôle Sud Concordia, les
personnes vivent pendant une longue période
isolées du monde extérieur. La station se situe
à une altitude élevée où la concentration en
oxygène est moindre (12 à 13 % au lieu de 20 %
au niveau de la mer). C’est ce que l’on appelle
l’hypoxie. A haute altitude, il y a aussi moins de
protection contre les rayonnements cosmiques en
raison du faible champ magnétique terrestre. Ces
circonstances se reproduisent aussi dans la station
spatiale ISS (isolation de longue durée, hypoxie
et rayonnement plus élevé) et peuvent conduire
à une nouvelle vision du système immunitaire
des astronautes. Le SCK•CEN se concentre sur le
niveau des hormones dans le sang des personnes
testées. Ces analyses reflètent ainsi l’état de santé
et de stress d’une personne.
SCK•CEN - La recherche spatiale
11
Cellules humaines de l’épiderme et
des vaisseaux sanguins dans l’espace
La peau est le plus grand organe de notre corps. Sa
couche protectrice est très sensible aux facteurs
environnementaux nuisibles. La détérioration de
la peau est un des symptômes les plus rapportés
chez les astronautes. Pour comprendre l’influence
des conditions spatiales sur la peau, le SCK•CEN
collabore à des expériences avec des cellules
de peau humaine. Nous recherchons les effets
biologiques cellulaires et moléculaires induits
par les rayonnements cosmiques et l’apesanteur.
Pour ces expériences, une capsule spatiale non
habité contenant des modules de cellules de peau
a navigué pendant 12 jours en orbite basse autour
de la terre.
Outre les cellules épidermiques, les cellules qui
forment les parois de vaisseaux sanguins sont
également sensibles aux conditions spatiales. Ces
cellules s’endommagent plus vite dans l’espace; ce
qui augmente le risque de saignement. Le SCK•CEN
prend part à des expériences avec des cellules
humaines dans l’ISS afin d’étudier en profondeur
les effets biologiques de l’apesanteur.
La capsule spatiale contenant des expériences est préparée en vue du lancement. (source ESA)
12
SCK•CEN - La recherche spatiale
1-2 h
24 h
60 h
3
j
d
4j
5j
d
d
Embryon de souris à divers stades de développement:
à partir de 2 heures après la fécondation jusqu’à 5 jours.
Le SCK•CEN simule également des conditions
spatiales dans ses laboratoires, au moyen de
différents appareils. Pour reproduire l’apesanteur,
les cellules humaines sont mises en culture dans un
appareil tournant dans trois dimensions de manière
aléatoire et plaçant les cellules dans une situation
de chute permanente. A titre de comparaison, des
cellules humaines sont cultivées dans une gravité
normale afin d’examiner les différences quant à leur
croissance, morphologie et composition génétique.
Incidence sur la fertilité et le développement
du fœtus
Les femmes astronautes peuvent-elles devenir
enceintes dans l’espace et l’embryon peut-il
se développer normalement? Pour répondre
à cette question, l’ESA a constitué une équipe
qui se penche sur la biologie du développement
de vertébrés en milieu spatial. 33 laboratoires
européens sont ici concernés. Chacun dans son
domaine, effectue des recherches en physiologie,
biologie moléculaire, biochimie, comportement
etc… à différents stades du développement de
l’embryon.
Le SCK•CEN apporte sa contribution par son
expérience confirmée dans les domaines de
la radiobiologie, embryologie et biologie
moléculaire. Un bon modèle pour la recherche
en embryologie humaine est la souris. Elle est
fréquemment utilisée dans le cadre d’études
moléculaires, biochimiques et pathologiques.
Appareil du SCK•CEN à rotation tridimensionnelle
destinée à simuler l’apesanteur.
SCK•CEN - La recherche spatiale
13
3
Bactéries dans l’espace: amies ou ennemies?
Sur terre, les bactéries et autres microorganismes sont présents par millions sur
notre peau et dans notre tube digestif.
Nous en avons besoin, mais ils peuvent
aussi nous nuire. Il est important de
maintenir ce délicat équilibre lors de
vols spatiaux habités. Sous l’influence
de l’apesanteur et d’un rayonnement
cosmique intense, tant le système
immunitaire des voyageurs de l’espace
que les bactéries, se comportent
différemment que sur terre. Le SCK•CEN
étudie ce phénomène avec des partenaires
internationaux.
Quelles bactéries retrouve-t-on dans les
capsules spatiales?
Un des projets du SCK•CEN est de faire l’inventaire
de toutes les bactéries qui peuvent vivre et
survivre dans des capsules spatiales. A cet effet,
on utilise la Station Spatiale Internationale ISS.
Dans cet espace confiné où l’air est en circulation
forcée et où les astronautes vivent en groupe
de trois, voire plus, les bactéries s’amoncellent
rapidement. Pour contourner ce problème, les
organisations spatiales américaine, européenne
et russe stérilisent autant que possible le matériel
embarqué. Lors de vols habités, l’homme est la
source la plus importante de micro-organismes.
Ceux-ci peuvent constituer à terme un danger
pour la santé des astronautes et pour leur capsule
spatiale.
Nous sommes associés aux chercheurs russes
de l’IBMP (Institute for Biomedical Problems) à
Moscou pour recenser et observer les bactéries et
moisissures dans les capsules spatiales. On peut y
dénombrer au maximum 1000 bactéries par cm3
d’air.
Etude détaillée des bactéries dans les capsules spatiales.
14
SCK•CEN - La recherche spatiale
Les bactéries peuvent-elles être nuisibles
dans l’espace?
Pour déterminer si ces bactéries peuvent entraîner
des maladies, des microbiologistes identifient
et déterminent leur contenu génétique. Nous
examinons si elles contiennent des particules ADN
(élément génétique mobile) provenant d’autres
bactéries; ce qui, par exemple, leur donnerait
la capacité d’éroder les matériaux ou pourrait
les rendre plus résistantes aux antibiotiques ou
désinfectants. Ce phénomène est également
connu sur terre sous forme de bactérie des
hôpitaux, plus résistante aux divers antibiotiques
parce qu’elle recueille de nouvelles particules
ADN dans son chromosome.
Le SCK•CEN étudie aussi, en collaboration avec
les microbiologistes américains, l’eau potable et
l’eau de refroidissement de l’ISS afin d’identifier
et de déterminer les différents types de bactéries.
Il y existe des bactéries résistantes à l’argent.
Ceci n’a rien d’étonnant vu que l’eau dans l’ISS
est désinfectée avec des ions d’argent et non avec
du chlore. Il serait judicieux à l’avenir d’utiliser
d’autres désinfectants.
La station Concordia, située dans l’arrière-pays
de l’Antarctique et son équipe, sont impliqués
dans la recherche spatiale. (source: ESA)
Les échantillons provenant de l’espace sont
rares
Comme les échantillons provenant de l’espace
sont rares, la contamination microbienne est
caractérisée sur terre dans des espaces de travail
et de vie fermés. Dans la station Concordia
au pôle Sud, des personnes vivent isolées du
monde extérieur durant de longues périodes. Par
analyse microbiologique, on recense le nombre
de bactéries par m3 d’air et on vérifie dans quelle
mesure les différentes populations bactériennes
deviennent plus ou moins dominantes. Durant
l’isolement dans un environnement fermé
(analogue à un séjour dans l’ISS), on examine de
quelle manière les bactéries se propagent dans
l’air, sur des surfaces et d’une personne à l’autre.
SCK•CEN - La recherche spatiale
15
4
Qu’allons-nous manger, boire et respirer durant ces
longues missions spatiales?
Un astronaute utilise chaque jour près
d’1 kg de nourriture, 1 kg d’oxygène et 3 kg
d’eau potable ainsi que 15 kg d’eau pour
son hygiène. Les déchets qu’il produit
contiennent aussi principalement de l’eau.
Pour les vols de longue durée, comme
pour Mars, le voyage et le séjour combinés
pourraient durer 2,5 à 3 ans. Dans ce cas,
il est impossible d’emporter suffisamment
d’eau et de nourriture, voire de stocker tous
les déchets. Pour ces raisons, le SCK•CEN
travaille, en association avec l’Agence
Spatiale Européenne, l’ESA et d’autres
partenaires, à des solutions biologiques
permettant de recycler l’eau et de produire
de l’oxygène et des aliments.
Un système de recyclage biologique
des déchets
Il y a environ 20 ans, l’ESA a démarré la
construction d’un système de haute technologie
pour le recyclage biologique des déchets dans
l’espace. Ce projet a reçu le nom de MELiSSA
(Micro-Ecological Life Support System Alternative).
Après de nombreuses années de recherche, une
première installation pilote du système MELiSSA
a été construite à Barcelone (Espagne). Elle est
soumise à des tests précis qui permettront de
poursuivre son développement.
Lac africain: un écosystème de recyclage naturel comme modèle pour MELiSSA. (source: ESA)
16
SCK•CEN - La recherche spatiale
Partie non-comestible
des plantes supérieures
Déchets
Eau
Compartiment I
Equipage
Bactéries thermophiles
anaérobies
CO2
O2
Nourriture
CO2
Compartiment IV
IV b
Compartiment
des plantes
supérieures
Minéraux
IV a
Urine
Bactéries
photoautotrophes
Arthrospira sp.
NO3-
O2
Le Cycle
de MELiSSA
Minéraux
NH4+
Compartiment II
Compartiment III
Bactéries nitrifiantes
Nitrosomonas/Nitrobacter
Acides gras volatils
Bactéries
photohétérotrophes
Rhodospirillum rubrum
NH4+
Minéraux
La boucle MELiSSA. (source: ESA)
MELiSSA est une boucle de réacteurs biologiques
couplés entre eux (4 compartiments), pour
convertir les déchets (eaux usées, dioxyde de
carbone et matières organiques) en eau potable,
nourriture et oxygène. Diverses bactéries brisent
les molécules organiques en dioxide de carbone,
ammonium, nitrates et autres minéraux qui, à
leur tour, constituent des matières nutritives
pour les plantes et les cyanobactéries. Ces deux
groupes peuvent, par photosynthèse, produire
de l’oxygène et représentent aussi une source
alimentaire. La cyanobactérie Arthrospira sp. par
exemple est un complément alimentaire à haute
valeur nutritive contenant beaucoup de vitamines
et de minéraux.
La cyanobactérie Arthrospira sp. verte, destinée
à la consommation, est cultivée et examinée
en détail. En raison de sa structure en forme de
spirale, elle est aussi appelée spiruline.
SCK•CEN - La recherche spatiale
17
La bactérie pourpre Rhodospirillum rubrum de MELiSSA peut, sans oxygène et
en utilisant de l’énergie lumineuse, décomposer des matériaux organiques.
Dans le cadre du projet MELiSSA, le
SCK•CEN étudie en détail chaque bactérie
de chaque compartiment. Nous vérifions
de cette manière si elles peuvent encore
remplir efficacement leur fonction
de décomposition dans l’espace où
elles sont exposées à un rayonnement
cosmique intense ainsi qu’à l’apesanteur.
Pour réaliser cette étude, nous cultivons
les bactéries dans diverses conditions et
analysons dans le détail leur structure
cellulaire ainsi que leur contenu (ADN,
ARN et protéines).
18
SCK•CEN - La recherche spatiale
Les bactéries recyclant les déchets
dans l’espace
Utiliser les bactéries comme fertilisant dans
l’espace?
Pour l’étude des effets spatiaux, le SCK•CEN a
envoyé pour une durée de 10 jours, à la Station
Spatiale Internationale (ISS), des petits colis
contenant des bactéries. Les astronautes ont
photographié les bactéries évoluant dans une
boîte transparente étanche. Dès leur retour sur
terre, elles ont été examinées minutieusement par
des microbiologistes du SCK•CEN. Autre nouveau
défi durant le vol spatial: tester la croissance et la
production d’oxygène de spiruline dans un petit
réacteur biologique.
Le sol de la lune ou de mars est stérile et donc
impropre à l’agriculture. Dans ce contexte, l’ESA
a rassemblé une équipe de géologues et de
biologistes afin d’étudier comment les bactéries
et d’autres micro-organismes pourraient être
utilisés pour amender de tels sols. Pour ce faire, les
experts regardent comment les micro-organismes
peuvent libérer des minéraux du sols, produire
des substances organiques ou encore retenir les
substances toxiques.
Nous simulons aussi les conditions spatiales
dans nos laboratoires. Pour étudier les effets des
rayonnements cosmiques, nous exposons les
bactéries à diverses sources de rayonnement. En
outre, les bactéries sont cultivées sous rotation
solide continue pour simuler les effets de
l’apesanteur.
La contribution du SCK•CEN se situe au niveau
de son expertise dans le domaine de la biologie
moléculaire, de l’activité bactérienne dans les
sols pollués ou environnements à rayonnement
élevé, ainsi que de l’interaction des bactéries avec
les roches volcaniques, l’argile et les substances
toxiques (comme les métaux).
La bactérie MELiSSA R. rubrum a bien poussé sur
un milieu de culture pendant son vol dans l’ISS.
SCK•CEN - La recherche spatiale
19
5
Le réacteur BR1 et le rayonnement cosmique
Pour étudier et simuler l’incidence du rayonnement
cosmique sur les matériaux et instruments, le
SCK•CEN utilise le réacteur BR1. Dans celui-ci et à
la demande d’entreprises spécialisées, on irradie
au moyen de neutrons rapides des composants
électroniques conçus pour l’astronautique.
L’objectif est de déterminer dans quelle mesure
ces composants sont dégradés dans l’espace par
des particules hautement énergétiques.
Le réacteur BR1 à la Centre d’Etude de l’Energie Nucléaire à Mol.
20
SCK•CEN - La recherche spatiale
6
Les astronautes sont indispensables
à la recherche spatiale
Le SCK•CEN remercie l’astronaute belge
Frank De Winne pour sa contribution
active à la recherche spatiale du SCK•CEN
et pour le soin apporté à son expérience
dans l’espace. Le SCK•CEN exprime
également sa gratitude à Belspo et à l’ESA
pour leur soutien.
L’astronaute belge Frank De Winne. (source: ESA)
SCK•CEN - La recherche spatiale
21
SCK•CEN – Centre d’Etude de l’Energie Nucléaire
Le SCK•CEN est une fondation d’utilité publique ayant un statut de droit privé,
sous la tutelle du ministre fédéral belge en charge de l’Energie.
L’industrie spatiale flamande, VRI
Le SCK•CEN est membre du VRI (Vlaamse Ruimtevaartindustrie), l’industrie spatiale flamande. Le VRI regroupe des
entreprises, centres de recherche et établissements d’enseignement qui sont actifs dans le secteur spatial. Cette
association a pour but de faire connaître aux professionnels et au grand public, ce secteur de haute technologie.
Siège d’exploitation
SCK•CEN, Boeretang 200, BE-2400 MOL
Siège social
SCK•CEN, Avenue Herrmann-Debroux 40, BE-1160 BRUXELLES
Editeur responsable
Eric van Walle
Directeur général
Copyright © 2012 – SCK•CEN
Cet ouvrage est protégé par la loi sur les droits d’auteur (2012).
Il ne peut être photocopié ou diffusé, en tout ou en partie,
sans l’autorisation écrite préalable du SCK•CEN.
Contact
SCK•CEN
Boeretang 200
BE-2400 MOL
[email protected]
www.sckcen.be
La marque de la gestion forestière responsable.
L’environnement nous tient à cœur.