Colonisation de l'espace - Définition
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Risques et contraintes sur la santé
La NASA a défini 45 risques - répartis en 16 disciplines - associés à la santé, la sécurité et les performances d'un équipage durant une mission spatiale et qui affecteraient donc aussi des colons dans l'espace ou sur une planète à faible gravité nécessitant un habitat. Les principaux risques répertoriés concernent :
- l'ostéoporose, incluant un risque accéléré de perte et de fracture osseuse, une réparation osseuse altérée, etc... ;
- les atteintes cardio-vasculaires, troubles du rythme cardiaque et diminution des fonctions cardio-vasculaires ;
- les risques immunologiques et infectieux, dysfonctionnement immunitaire ; allergies et auto-immunité ; modification des interactions entre les microbes et l'hôte ;
- les altérations des muscles squelettiques, réduction de la masse, de la force et de l'endurance musculaire ; susceptibilité accrue aux lésions musculaires ;
- les problèmes d'adaptation sensorielle et motrice, diminution des capacités pour la réalisation de tâches opérationnelles durant le vol, l'entrée, l'atterrissage et réadaptation ; cinétose ;
- les problèmes d'ordre nutritionnel, nutrition inadaptée... ;
- les problèmes comportementaux et liés au facteur humain, mauvaise adaptation psychologique ; problèmes neuro-comportementaux ; inadéquation entre les capacités cognitives de l'équipage et les tâches demandées ; manque de sommeil et désorganisation des rythmes circadiens ;
- problèmes liés aux rayonnements spatiaux, carcinogénèse ; risques sur le système nerveux central ; risques tissulaires chroniques et dégénératifs... ;
- et les risques environnementaux, contamination de l'air et de l'eau ; maintien d'une atmosphère acceptable, d'une eau potable, d'un équilibre thermique dans les parties habitables et gestion des déchets.
Vie en faible gravité
Les effets néfastes pour un organisme humain vivant en impesanteur sur une longue période de temps ont été mis en évidence grâce aux séjours de longue durée dans les stations orbitales Saliout, Mir et ISS de cosmonautes comme Valeri Polyakov (14 mois d'affilée à bord de Mir et 678 jours cumulés dans l'espace), Sergei Avdeyev (748 jours) ou Sergueï Krikaliov (803 jours).
Si le mal de l'espace provoque à court terme des effets comme une désorientation ou des troubles digestifs bénins, l'adaptation humaine à l'espace et à l'absence de gravité lors de séjours prolongés pose davantage de problèmes. On constate notamment une perte de la masse musculaire, l'apparition d'ostéoporose et une baisse de l'efficacité du système immunitaire.
En situation de microgravité ou d'impesanteur, le système musculo-squelettique n'est plus soumis aux contraintes que lui impose la gravité sur Terre, entrainant son altération progressive. Après un vol spatial, des modifications sont constatées dans la balance calcique qui devient négative suite à une réduction de l'absorption intestinale du calcium et une augmentation de l'excrétion digestive et urinaire. Les effets sur la densité minérale osseuse sont très variables mais l'ostéoporose est plus importante sur les os de la partie inférieure du corps, celle habituellement en charge, le bassin, les vertèbres lombaires et les cols fémoraux. L'exercice physique seul ne semble pas suffisant pour maintenir constante la masse osseuse et des moyens pharmacologiques sont en cours d'évaluation.
De même, les muscles squelettiques, moins sollicités, sont également altérés avec l'apparition d'une atrophie musculaire, d'un déclin en force maximale et en puissance, entraînant une diminution des capacités fonctionnelles et une augmentation de la fatigabilité des muscles des membres. Afin de limiter l'atteinte musculaire, il semblerait que la méthode la plus efficace soit des exercices physiques à haute intensité en résistance, réalisés sur de courtes durées mais de façon répétée dans la journée.
La solution idéale pour les colonies situées dans des habitats spatiaux est l'établissement d'une gravité artificielle en utilisant la rotation ou l'accélération. L'effet physiologique est par contre inconnu pour des colons situés sur des mondes avec une gravité inférieure à celle de la Terre comme la Lune ou Mars et le problème ne peut être résolu aussi facilement que pour une installation située dans l'espace. Les moyens pour éviter tout problème de santé seraient un entrainement intensif ou l'utilisation de centrifugeuses. Une évolution physiologique d'astronautes soumis à l'impesanteur au très long terme, voire toute leur vie depuis leur naissance ou sur plusieurs générations, pourrait être, selon l'ESA, une atrophie des jambes qui auraient perdu leur motilité, mais des bras qui garderaient une musculature comparable à celle d'un humain toujours soumis à l'attraction terrestre. Les biologistes et neurophysiologistes de l'ESA ont souligné que la survie au long terme en impesanteur était moins un problème qu'un retour sur Terre après un séjour de très longue durée.
Rayonnements spatiaux
Un des risques naturels les plus dangereux pour les astronautes est l'exposition aux rayonnements spatiaux, qui représente l'un des obstacles majeurs à l'exploration humaine du système solaire. Ce rayonnement provient essentiellement des particules émises par le rayonnement solaire, des rayons cosmiques et de la ceinture de Van Allen entourant la Terre. L'effet négatif des radiations sur la santé des astronautes sera d'autant plus important que les vols spatiaux de longue durée s'éloigneront de l'orbite basse terrestre offrant une certaine protection.
Les particules émises par ces rayonnements envoient une énergie suffisante pour modifier les molécules d'ADN, pouvant provoquer différents dégâts en fonction de l'intensité et de la durée de l'exposition. À faible dose, il n'y a pas de danger, les cellules mortes étant remplacées naturellement par de nouvelles cellules. Par contre, lors d'une exposition particulièrement longue ou intense, les capacités de réparation de l'ADN sont dépassées et les cellules seront endommagées ou tuées, entraînant des problèmes de santé à court ou long terme.
L'exposition aux rayonnements spatiaux dépend de facteurs tels que l'altitude, le degré de protection de l'astronaute, la durée de sa mission, la durée et l'intensité de l'exposition et le type de rayonnements. La vulnérabilité d'un individu aux rayonnements dépend de sa sensibilité aux radiations, de son âge, de son sexe et de son état de santé général ; d'autres variables, comme l'impesanteur ou la température corporelle, peuvent également intervenir.
Certaines affections aigües comme des modifications sanguines ou des troubles digestifs (diarrhées, nausées, vomissements) peuvent être bénignes et guérir spontanément. D'autres peuvent être beaucoup plus sévères et entrainer la mort. L'exposition aux rayonnements ne provoque habituellement pas d'effets aigus, sauf en cas d'exposition à d'importantes éruptions solaires produisant des niveaux de radiation très importants et pouvant être mortels. Le principal problème est l'exposition chronique aux rayonnements spatiaux entrainant des effets à long terme comme des cataractes, une stérilité, des cancers, voire un vieillissement prématuré. Un effet noté, mais non encore étudié scientifiquement, est que 80 % des enfants d'astronautes, toute nationalité confondue, sont des filles. Cet effet avait déjà été observé chez les pilotes de chasse et cela serait lié aux radiations ou aux micro-ondes. Les enfants des astronautes n'ont en revanche eu aucun problème de santé sérieux.
L'établissement de normes concernant les doses limites de radiation auxquelles peuvent être exposés les astronautes est le sujet d'étude du comité international traitant des questions médicales concernant les astronautes de la Station spatiale internationale, constitué du Groupe multilatéral des activités médicales et de son groupe de travail sur les rayonnements. Les normes sont établies en suivant les recommandations établies par l'International Commission on Radiological Protection et le National Council on Radiation Protection and Measurements. Si un astronaute dépasse la dose limite établie pour la durée de sa carrière, il est interdit de vols spatiaux. Les limites d'exposition aux rayonnements pour des intervalles de trente jours et d'un an sont destinées à éviter les effets aigus alors que les limites établies pour une carrière entière sont destinées à protéger contre les effets à long terme.
Les agences spatiales doivent étudier les risques encourus et développer des technologies de protection adéquates.
Les installations devront être entourées de boucliers pour absorber les radiations. Cela peut être fait sur la Lune, Mars ou les astéroïdes en utilisant le régolite local ou en construisant des installations souterraines. Le blindage des vaisseaux interplanétaires et des stations orbitales posera plus de problèmes car il représente un supplément de poids important et donc de coût, et devra être à la fois efficace et léger. Si un blindage de quelques centimètres d'épaisseur peut limiter l'exposition aux particules issues des éruptions solaires, il faudrait des boucliers épais de plusieurs mètres pour arrêter les rayons cosmiques beaucoup plus énergétiques, solution qui semble irréaliste actuellement. Des concepts plus exotiques existent, tel celui consistant à créer une sorte de magnétosphère miniature capable de protéger les astronautes des rayonnements.
Nutrition
Afin d'assurer une alimentation adaptée aux futurs colons, indispensable pour des missions spatiales de longue durée, les spécialistes doivent d'abord étudier les modifications environnementales consécutives aux vols spatiaux et déterminer les besoins spécifiques influencés par les nombreuses modifications physiologiques constatées lors des séjours dans l'espace. Il est maintenant évident que le statut nutritionnel est altéré durant et après des vols spatiaux de longue durée. Chez la plupart des astronautes, on constate des apports énergétiques particulièrement bas, associés à des apports insuffisants en vitamines et en minéraux. On constate également une baisse de l'hémoglobine, du VGM et des globules rouges qui pourrait être due à un trouble du métabolisme du fer lié à la microgravité. Des suppléments nutritifs peuvent être utilisés pour limiter ces effets, mais des recherches sont encore nécessaires. L'apport en macronutriments peut être assuré de façon satisfaisante à bord des vaisseaux, mais un apport adéquat en micronutriments reste un problème à résoudre. Le problème sera aggravé dans les colonies spatiales les plus éloignées de la Terre et une indépendance alimentaire capable de couvrir tous les besoins nutritionnels de ses habitants sera certainement une question de survie en cas de problème d'importation. Comme les effets au long terme de gravités faibles comme celle de la Lune ou de Mars sont inconnus, les besoins nutritionnels exacts d'humains sur ces mondes sont également théoriques et on ne peut extrapoler qu'à partir des expériences conduites en orbite terrestre.
Psychologie
La vie dans une colonie supposera un stress et une adaptation psychologique face à de nouvelles conditions de vie. La NASA pense que la sécurité de l'équipage et le bon déroulement d'une mission de longue durée pourraient être gravement menacés en cas de défaillance psychologique humaine telle que des erreurs dans la réalisation des tâches importantes, des problèmes de communication et de dynamique de groupe au sein de l'équipage, un stress psychologique critique consécutif à un séjour en milieu confiné ou à des troubles du sommeil chroniques. Les cas d'équipages ayant eu des problèmes à coopérer et à travailler ensemble ou avec les contrôleurs au sol sont nombreux, que ce soit dans les programmes spatiaux américains ou russes. Des problèmes relationnels et de mauvaise communication ont déjà entrainé des situations potentiellement dangereuses, comme ces membres d'équipages refusant de se parler ou de communiquer avec le sol lors de la réalisation d'opérations critiques.
Les facteurs de risque sont une mauvaise adaptation psychologique, des problèmes de sommeil et de rythme circadien, des problèmes de l'interface humain/système, des affections neuropsychiatriques comme un syndrome anxio-dépressif.
Cette défaillance des performances humaines peut être due à une mauvaise adaptation psychologique vis-à-vis du stress inhérent à un vol spatial. Les causes de ce stress sont les risques potentiels liés à la mission et la vie en milieu confiné et isolé. Ce stress peut être accru par la monotonie et l'ennui, notamment au niveau alimentaire, par les problèmes d'autonomie et de dépendance aux autres, par la promiscuité, par la séparation avec la famille et les amis, par la durée du vol, par des incompatibilités et des tensions interpersonnelles, par des défaillances mécaniques du vaisseau, par une mauvaise communication, par des troubles du sommeil ou un isolement social.
Le dérèglement des cycles circadiens, une dégradation aiguë et chronique de la qualité et de la quantité de sommeil sont un risque bien connu des vols spatiaux entraînant fatigue, baisse des performances et augmentation du stress. Toutes les études du sommeil dans l'espace ont montré que la durée moyenne de sommeil est abaissée à 6 heures par jour, voire moins lors de la réalisation d'interventions importantes ou en cas d'urgence. La qualité du sommeil des astronautes dans l'espace est également altérée. Les médications les plus fréquemment administrées sont des hypnotiques. Ces problèmes peuvent diminuer sévèrement les performances cognitives de l'équipage, posant des risques pour sa sécurité et le succès de la mission.
Les solutions à envisager pour limiter ce risque sont la mise en place de critères de sélection rigoureux de l'équipage avant une mission. Une fois en vol, une surveillance discrète des niveaux de stress, des stratégies d'ajustement et d'adaptation, de la performance et du sommeil avec un protocole précis pour le diagnostic et le traitement des maladies psychologiques et comportementales pouvant survenir, est indispensable pour assurer un sommeil de qualité, mettre en place une répartition et un planning précis des charges de travail.
