Des expériences sur la gravité pour préparer l'exploration humaine de Mars

Contexte

Les effets de la microgravité sur l'homme et sur l'animal sont bien connus. Ils ne permettent pas d'envisager des vols de longue durée sans contre-mesures, soit médicales, soit basées sur des exercices physiques, ou la combinaison des deux.

On ne connaît actuellement pas les effets engendrés par une exposition prolongée à la gravité martienne de 0,38g (1g = gravité terrestre). Les astronautes du programme Apollo ont certes été soumis à la gravité lunaire de 1/6g, mais seulement sur de courtes périodes. Pendant la mission la plus longue, Apollo 17, les astronautes ne sont restés que 75h sur la Lune pour une durée totale de mission de 12,6 jours. Il n'est donc pas possible de séparer les effets engendrés par la gravité lunaire de ceux engendrés par l'apesanteur.

L'exploration de Mars par l'homme imposera de longs séjours à la surface de la planète. Les effets de la gravité 0,38 doivent donc être connus et maîtrisés. Une gravité de 0,38g pourrait être biologiquement équivalente à la gravité terrestre. Elle pourrait aussi présenter des effets similaires à ceux de la microgravité. Des effets intermédiaires ou alors très différents sont également envisageables. La première hypothèse simplifie considérablement l'architecture d'une mission martienne et elle est considérée comme acquise dans le scénario "Mission de référence" de la NASA. Si la gravité martienne engendre des effets similaires à ceux de la microgravité, alors le l'exploration humaine de Mars sera beaucoup plus problématique. Seules des expériences sur l'Homme pourront définitivement répondre à la question. Des expériences animales pourront cependant déjà donner des éléments de réponse déterminants et sont plus faciles à réaliser.

Si la gravité 0,38 s'avère suffisante pour ne pas entraîner de perturbations physiologiques, alors il sera souhaitable de concevoir des vaisseaux créant par rotation une gravité artificielle de ce niveau. La vitesse et le rayon de rotation déterminent les forces de Coriolis, les gradients de gravité et les forces de couplage qui apparaissent dans un habitat en rotation.

Les expériences déjà menées sur Terre indiquent que l'Homme supporte une vitesse de rotation de trois tours par minute sans effets notables, et qu'il peut s'adapter jusqu'à six tours par minute. Il serait important de confirmer ces chiffres par des expériences dans l'espace pour s'affranchir de l'interaction avec la gravité terrestre qui pourrait fausser les résultats ci-dessus.

La vitesse de rotation détermine le rayon du bras de rotation pour atteindre 0,38g. Une vitesse de trois tours par minute nécessite un bras de 38 mètres alors qu'avec six tours par minutes un rayon de 9,4m suffit. Or le rayon de rotation détermine le gradient de gravité auquel les astronautes seront soumis. Les forces qui s'exercent sur un corps dans un vaisseau en rotation sont proportionnelles à la distance qui le sépare du centre de rotation. Si la distance est grande par rapport à la taille du corps, alors les forces s'exercent de manière uniforme. Si la distance est petite par rapport à la taille du corps, alors le bas du corps sera soumis à des forces plus intenses que le haut.

Les effets d'un champ gravitationnel de 0,38g, sur une personne qui est née et a grandi à 1g, sont peut-être fondamentalement différents sur une personne qui serait née et aurait grandi sous 0,38g. La réponse à cette question n'est pas essentielle pour le futur proche, mais elle aura un impact sur les possibilités de colonisation de Mars et pourrait donc influencer les objectifs d’investigation à court terme.

Des expériences ont montré que des animaux élevés en microgravité ne développaient pas la même puissance musculaire ni la même rigidité osseuse que ceux soumis à 1g. On ne sait pas si la croissance sous 0,38g altère le développement musculaire et osseux ou si elle a des effets sur le développement embryonnaire ou sur la croissance de l'organisme. On considère actuellement que les hommes qui seraient nés et auraient grandi sur Mars ne présenteraient pas de différence avec les hommes sur Terre. Il sera important de savoir si cette hypothèse est juste avant d'envisager une occupation permanente de la planète. En permettant d'étudier l'adaptation de l'Homme à la gravité martienne, l'expérimentation animale joue un rôle clé pour l'élaboration des programmes d'exploration spatiale du futur.

Les projections à long terme prévoient l'établissement sur Mars de serres et d'écosystèmes naturels. Les études actuelles supposent que la vie microbienne, les plantes et les animaux se comportent, vis-à-vis de la gravité, de la même façon que sur Terre. Ceci reste à démontrer expérimentalement. Le transport des fluides, la hauteur des plantes, la locomotion, la diffusion des gaz et des éléments nutritifs sont peut-être sujet à des variations en fonction de la gravité.

Objectifs scientifiques

Basées sur les discussions ci-dessus, des recherches sur la gravité martienne devront répondre aux questions suivantes :

1. Jusqu'à quel degré une gravité de 0,38g peut-elle réduire les effets de l'apesanteur : atrophie musculaire, redistribution des fluides, modification du système immunitaire, mal de l'espace, etc. ?
2. Quelles sont les limites biomédicales et comportementales liées au gradient gravitationnel et à la vitesse de rotation (forces de Coriolis) d'un vaisseau conçu pour générer une gravité artificielle comme contre-mesure aux effets de l'apesanteur ?
3. Quels sont les effets à long terme de la gravité martienne sur l'organisme de l'Homme ?
4. La vie microbienne, les plantes et les animaux d'un écosystème peuvent-ils fonctionner normalement à 0,38g ?

Ces quatre grandes et difficiles questions ne trouveront peut-être de réponses définitives que bien après le débarquement de l'Homme sur Mars. Des éléments de réponse déterminants peuvent néanmoins se dessiner à travers des expériences à court terme menées en orbite basse terrestre. Ces réponses préliminaires pourront donner de précieuses indications pour l'organisation du voyage vers Mars en améliorant les conditions physiques et la sécurité des astronautes.

Deux types de missions sont possibles : des missions indépendantes ou une centrifuge à bord de la station spatiale internationale (ISS).

Présentation de la mission Translife

Etant donné que les recherches sur la gravité martienne ne sont au programme d'aucune agence spatiale, la Mars Society a décidé le lancer le projet Translife.

Translife permettra de placer un groupe de souris dans un vaisseau en rotation pour créer une gravité artificielle de 0,38g pendant 50 jours en orbite terrestre. Les souris pourront se reproduire et élever leurs petits en gravité martienne. La capsule sera ensuite récupérée afin d'étudier les souris et leur progéniture.

Afin de garder la taille du vaisseau petite et compatible avec une mission à bas coût, la vitesse de rotation devra être élevée. Les études préliminaires tablent sur un diamètre de 1 mètre, ce qui aboutit à une vitesse de rotation d'environ 25tr/mn. Cette vitesse élevée a soulevé quelques inquiétudes quant aux forces de Coriolis que les souris subiront. Ne seront-elles pas excessives au point de désorienter les souris et rendre les résultats des expériences non significatifs ?

Afin de lever le doute une expérience préliminaire a débuté le 30 août 2001. Une cage à souris a été installée au bord d'une table tournant à 25tr/mn. Ce système crée ainsi une accélération de 0,38g vers l'extérieur de la table. Cette accélération se combine avec celle de la gravité terrestre (1g vers le bas) et soumet les souris à une charge gravitationnelle de 1,07g. Bien que cette gravité simulée soit très différente de 0,38g, les forces de Coriolis sont les mêmes que dans le vaisseau spatial en orbite.

L'expérience est menée 24h sur 24 et 7 jours sur 7. Le comportement des souris paraît tout à fait normal.

Objectifs de la mission Translife

La question qui pourrait être traitée en priorité, étant donné la contrainte sur la taille, concerne l'éventuelle réduction des effets médicaux de la microgravité lorsqu'un organisme est exposé à 0,38g. Pour étudier cette question il faudrait exposer des animaux adultes à un champ uniforme de 0,38g et contrôler régulièrement leur état de santé. Les animaux seront de préférence des mammifères sur lesquels on possède déjà de nombreuses données d'étude concernant leur comportement en gravité 0. Leur taille devra se rapprocher le plus possible de la taille maximum admissible dans le vaisseau. Si des contraintes nécessitent de recourir à des animaux plus petits qui ne sont pas des mammifères, les résultats seront quand même significatifs. Pour cette expérience il n'est pas nécessaire de recourir à des sujets en âge de reproduction, mais il est primordial de mener l'expérience sur une durée dont on sait qu'elle entraîne les effets physiologiques de l'apesanteur.

La deuxième priorité est de répondre à la question des effets de la gravité 0,38g sur le cycle complet de la reproduction (conception, développement embryonnaire, croissance puis nouvelle reproduction). Cette fois la population d'animaux devra être en âge de reproduction. Il serait essentiel d'observer les performances des parents, de la première puis de la deuxième génération dans l'exécution d'exercices conçus pour tester le développement musculaire et osseux. Il serait également souhaitable de ramener les sujets sur Terre pour effectuer des tests complémentaires en laboratoire.

Un objectif mineur de la mission Translife, et qui ne sera pas abordé sur la première mission, est de déterminer l'effet de la gravité 0,38 sur la vie microbienne et sur les plantes. Cela nécessiterait le maintien et le suivi du fonctionnement d'un écosystème microbien et végétal sur une assez longue période.

La question fondamentale des effets induits par la rotation du vaisseau ne pourra probablement pas être étudiée dans le cadre de la mission Translife car la taille des animaux est un facteur important dans ce cas. Une souris supporte sans problèmes des vitesses de rotation de 25 tours/minutes et est donc beaucoup moins sensible à ce facteur que l'Homme. Cette différence peut s'expliquer par la petite taille et le mode de locomotion très différent de celui de l'Homme.

Traitement des animaux.

Toutes les missions de la Mars Society qui comporteront des expériences animales suivront les règles suivantes :

1/ L’expérimentation animale ne sera utilisée que pour des recherche ayant pour objectif la santé et la sécurité des futurs astronautes et colons.

2/ L’expérimentation animale ne sera employée que si d’autres méthodes d’expérimentation ne permettent pas de répondre aux questions étudiées.

3/ Le traitement des animaux suivra les recommandations du " Guide pour le bien-être et l’utilisation d’animaux de laboratoire ". Un protocole d’expérimentation sera écrit et envoyé au comité institutionnel chargé de vérifier la conformité au guide. Les recommandations et les améliorations conseillées par le comité seront implémentées dans les expériences.

4/ Tous les aspects des missions de la Mars Society (plans, traitement des animaux, résultats de recherche) seront disponibles pour le public, la presse et la communauté scientifique.

Bibliographie.

Performances humaines durant deux semaines dans une cabine tournant à 3 tours par minute.
Guedry, FR, RS Kennedy, CS Harris, and A Graybiel, Human performance during two weeks in a room rotating at three rpm. Aerospace Med. 33, 1071-1082, 1964.

Symptomologie durant une exposition prolongée à un environnement tournant à une vitesse constante de 1 tour par minute
Kennedy, RS, and A Graybiel, Symptomotology during prolonged exsposure in a constantly rotating environment at a velocity rotating at a velocity of one revolution per minute. Aerospace Med. 33, 816-815, 1964.

Adaptation progressive aux accélérations de Coriolis associées à une augmentation par paliers de 1tr/mn d’une cabine en rotation.
Reason, JT, and A Graybiel, Progressive adaptation to Coriolis accelerations associated with 1 rpm increments in the velocity of the slow rotation room. Aerospace Med. 41, 73-79, 1970.

Modèles de simulation de l’apesanteur dans le programme de développement des mammifères.
Serova LV, Simulation models of weightlessness in mammalian's developmental program. J. Gravit. Physiol. 5, 127-128, 1998.

Un aperçu général sur la gravité artificielle.
Stone, RQW, Jr., An overview of artificial gravity. In A Graybiel (ed.) Fifth symposium on the role of the vestibular organs in space exploration. SP-314, 23-33. Washington DC, NASA, 1970.

La gravité artificielle.
Young, LR, Artificial gravity, in Enclopedia of Space Science and Technology, in press, 2002.

Annexe 1 : Résumé des vols "Cosmos" Russie/États-Unis dédiés à l'étude de la micro-gravité et de la gravité artificielle.

Données collectées par Tamarack R. Czarnik

Cosmos 782 (1975, 20 jours)
Une centrifuge tournait à 52tr/mn pour créer une gravité de 1g à sa périphérie. Des embryons de poisson, des mouches et des cellules de carotte y étaient déposés. Vingt-cinq rats étaient également à bord mais à l'extérieur de la centrifuge.

Cosmos 936 (1977, 19 jours)
Dix rats étaient soumis à la centrifuge alors que 20 autres étaient soumis à l'apesanteur.

Cosmos 1129 (1979, 19 jours)
Étude du développement embryonnaire sur 70 œufs de caille fécondés. Étude de l'accouplement en apesanteur sur 7 rats.

Cosmos 1514 (1983, 5 jours)
Deux singes et 10 rats fécondés étaient à bord

Cosmos 1667 (1985, 7 jours)
Répétition améliorée du vol précédent

Cosmos 1887 (1987, 13 jours)
Répétition améliorée du vol précédent

Cosmos 2044 (1989, 14 jours)
Répétition améliorée du vol précédent

Cosmos 2229 (1992, 12 jours)
Deux singes étaient à bord. Nombreuses données transmises par télémétrie

Résultats :

Les données sur les rats (non attachés) ont toujours été recueillies avant et après le vol (pas pendant). Des données sur les singes ont pu être acquises pendant le vol car ces derniers étaient attachés dans des chaises. Ces données étaient en général collectées à l'atterrissage de la capsule et non transmises par télémesures. Les effets de la microgravité n'ont pas été constatés sur les spécimens soumis à la gravité artificielle. L'accouplement d'animaux en apesanteur s'est révélé difficile et les données sur les effets de la microgravité sur le développement embryonnaire ne permettent pour le moment pas de conclure.

Annexe 2: Participants à l'élaboration de ce document

Responsable : Chris McKay, cmckay@mail.arc.nasa.gov

Lorraine Bell, lmb3000@speakeasy.net
Robert Zubrin, zubrin@aol.com
Dava Newman, dnewman@mit.edu
Jeffrey Jones, jeffrey.a.jones1@jsc.nasa.gov
Larry Lemke, LLemke@mail.arc.nasa.gov
Tamarack R. Czarnik, tamczarnik@hotmail.com
Jane Poynter, jpoynter@paragonsdc.com
Grant Anderson, GAnderson@ParagonSDC.com
Penny Boston pboston@complex.org
Philip Scarpa, Philip.Scarpa-1@ksc.nasa.gov
Emily Holton, eholton@mail.arc.nasa.gov
Nancy Daunton, ndaunton@mail.arc.nasa.gov
Larry Young, lry@mit.edu