QQuand un faisceau de lumière mesure les rayons du Soleil depuis l’ISS | Un article Pop’Sciences

Thomas Pesquet s’envolera bientôt depuis Cap Canaveral à destination de la Station spatiale internationale. Dans le cadre de la mission Alpha et pour son deuxième séjour en orbite, le spationaute français, testera l’utilisation de LUMINA, un dosimètre à fibre optique mis au point dans les laboratoires de l’Université de Saint-Étienne. Si le dispositif tient ses promesses, notamment en termes de sensibilité de mesure, LUMINA pourrait devenir un outil indispensable à la protection des astronautes vis-à-vis des radiations solaires lorsqu’ils sont en mission dans l’espace.

Un article rédigé par Caroline Depecker, journaliste scientifique

pour Pop’Sciences – 14 avril 2021

Sauf report de dernière minute, le compte à rebours sera lancé le 22 avril. A 6h11 heure de Floride, soit 12h11 en France métropolitaine, l’astronaute de l’Agence spatiale européenne Thomas Pesquet décollera de Cap Canaveral vers la station spatiale internationale (ISS). Il sera accueilli à bord de la capsule Crew Dragon de la firme SpaceX. Après la mission Proxima de 2016-17, ce sera la seconde occasion pour le plus médiatique des spationautes français d’expérimenter les effets de l’impesanteur à quelques 400 km d’altitude. Dans le cadre de cette nouvelle mission, nommée Alpha, sur la centaine d’expériences auxquelles Thomas Pesquet contribuera pendant son séjour de six mois, l’une d’entre elles utilise le tout nouveau dosimètre à fibre optique développé par les chercheurs de l’Université Jean Monnet (UJM) de Saint-Étienne. Ce dispositif est testé dans le cadre de l’expérience LUMINA.

Mission Alpha / © ESA (en anglais)

Protéger les astronautes en route vers Mars des radiations solaires

Pour les agences spatiales, la mesure des radiations, émises principalement par le Soleil, est un réel sujet de préoccupation.
Au sein de l’ISS, son niveau est presque comparable à celui que l’on reçoit lors d’un vol Paris-New-York. « Là-haut, le blindage de la station et la présence des ceintures de Van Allen (une portion de la magnétosphère terrestre) protège les astronautes de niveaux radiatifs trop élevés », explique Rémi Canton, chef de projet de la mission Alpha et responsable du Centre d’aide au développement des activités en micropesanteur et des opérations spatiales (Cadmos), une structure qui dépend du Centre national d’études spatiales (Cnes) de Toulouse. Mais, plus on s’éloigne de l’ISS et de la Terre, et dans le cadre des missions habitées à destination de la Lune ou de Mars, l’affaire est tout autre. « La quantité totale de radiations absorbée par un astronaute est le facteur principal limitant sa carrière. Après un certain temps passé dans l’espace, la dose ionisante maximale tolérable est atteinte, c’est le moment de la retraite. Dans le cas d’un voyage vers Mars, les calculs montrent que celle-ci serait déjà en grande partie atteinte une fois arrivé sur la planète rouge ! », complète l’ingénieur du Cnes. La mise au point de systèmes de protection renforcée (blindages entre autres), mais aussi d’outils capables de mesurer finement les niveaux d’exposition aux radiations et de s’activer en cas d’alerte est donc cruciale pour la santé des spationautes qui pourraient être envoyés en mission spatiale dans le futur.

Station spatiale internationale / © Pixabay

C’est là qu’intervient LUMINA. « Il s’agit pour nous de valider dans l’espace ce dosimètre capable d’atteindre robustesse inédite à l’environnement. Un outil qui constitue une véritable technologie de rupture », précise Florence Clément, responsable de l’expérience LUMINA au Cadmos.

Détecter les rayonnements en temps réel

Le dosimètre à fibre optique de LUMINA est le fruit d’une collaboration entre le laboratoire Hubert Curien de l’UJM, la société française de hautes technologies iXBlue, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern) et le Cnes.

Son principe ? Sous l’effet des radiations, des défauts apparaissent naturellement dans une fibre optique et affaiblissent sa capacité à propager la lumière : celle-ci s’opacifie progressivement. Lorsqu’on injecte un signal lumineux à l’entrée, la puissance détectée à sa sortie diminue au fur et à mesure de cette opacification. « Cette propriété, qui est plutôt un inconvénient des fibres, nous l’avons détournée utilement comme moyen de mesure, explique Sylvain Girard, chercheur en physique au sein du laboratoire Hubert Curien et responsable scientifique universitaire du projet LUMINA. On est capable en effet de corréler directement la perte de puissance lumineuse observée avec la dose de radiations que la fibre a reçue. Et en jouant sur la composition des matériaux, on arrive à ajuster la sensibilité de détection de la fibre à des niveaux de radiations extrêmement bas ».

Les partenaires de l’expérience LUMINA (de gauche à droite: Sylvain Girard, Nicolas Balcon (Cnes), Pierrick Cheiney (iXblue), Florence Clément (Cnes) / © Cnes – DE PRADA Thierry, 2021

Écusson de l’expérience LUMINA embarquée à bord de l’ISS lors de la mission Alpha. / © CNES/GRARD Emmanuel, 2021

Les doses de rayonnements auxquelles sont soumis les spationautes sont suivies depuis le début de l’occupation permanente de l’ISS, en 2000. Cette mesure est, en général, réalisée par des dosimètres dits « passifs » : ces derniers comptent le nombre de particules ionisantes rencontrées pendant tout le temps de la mission et restituent cette information à postériori, une fois sur Terre. La dose journalière absorbée par le spationaute est ainsi une valeur moyennée. A la différence, LUMINA associée à ses cartes électroniques, constitue un capteur actif qui enregistre chaque seconde la quantité de radiations impactant la station par unité de temps. Ses données sont récupérables à tout moment par Thomas Pesquet ou l’un de ses collègues : pour cela il suffit de se connecter par Bluetooth au dosimètre à l’aide d’une tablette.

Les autres avantages de LUMINA

Ils sont nombreux…
– Son faible encombrement. Avec ses deux bobines de fibres, longues de plusieurs kilomètres et fonctionnant respectivement dans le visible et l’infrarouge, le volume du dispositif de mesure avoisine celui d’un parallélépipède de 27 x 27 x 10 cm.
Il pourrait être facilement réduit pour équiper un satellite ou devenir un système portatif. Ce qui n’est pas le cas de la plupart des systèmes actifs de détection de particules actuels, certains atteignant la taille d’une petite armoire.
– Le verre, matériau principal de la fibre, la préserve des perturbations électromagnétiques.
– La mesure des radiations incidentes se fait indépendamment du flux de particules.
– Le dosimètre répond de la même façon sur une large plage de températures compatible avec celle des missions spatiales (entre -80°C et +120°C).
– Enfin, l’utilisation de la fibre optique permet mesurer la dose déposée par tous types de particules : protons, rayons gamma ou X ou neutrons.

Les expériences de la mission Alpha, embarquée à bord de l’ ISS / © Cnes – GRARD Emmanuel, 2021

« Toutes ces propriétés, couplées à la très grande sensibilité de LUMINA, nous permettent d’imaginer l’utiliser comme système autonome de prévention en cas de tempête solaire, envisage Sylvain Girard. Quelques heures avant l’arrivée d’un tsunami, l’observation de la montée des eaux sert d’alerte aux populations pour se mettre à l’abri. C’est un peu la même idée poursuivie ici : la détection d’une toute petite élévation du niveau des radiations, prémices d’une irruption solaire, serait le signal pour le spationaute d’aller se protéger. Un exemple d’utilisation qu’on imagine parmi d’autres possibles ».

L’utilisation de la fibre optique est onéreuse face aux dosimètres disponibles sur le marché, et dont le coût avoisine les quelques dizaines d’euros. Récente, la technologie doit encore faire ses preuves, mais, dans certains secteurs privilégiés, l’intérêt est d’ores et déjà présent. « Nous avons une dizaine de projets en cours de développement sur le sujet, précise le chercheur de l’UJM. Dans le domaine du spatial, du nucléaire civil ou bien de la médecine. Il s’agit d’une petite révolution en marche ! »

Le planning de travail prévu sur 1 à 5 ans 

Comme la majorité des expériences, LUMINA ne partira pas en même temps que Thomas Pesquet, le dosimètre devrait s’envoler en août depuis Wallops Island, en Virginie (USA), pour rejoindre l’ISS. Ce délai laissera le temps à l’équipe de recherche française de finir les derniers réglages de calibration de l’appareil, à l’aide d’une version jumelle du modèle embarqué dans la station.

Dès l’activation de LUMINA, il est prévu de récolter les données du dosimètre et de les transmettre pour analyse sur Terre de façon hebdomadaire tout d’abord, puis mensuellement, une fois la bonne tenue du détecteur confirmée. Leur exploitation fera l’objet d’un travail de recherche doctoral spécifique avec à la clé, une réponse essentielle : la sensibilité de mesure est-elle bien au rendez-vous pour détecter des niveaux de radiations extrêmement faibles, soit aux alentours de 200 µGy (microGray) ?

Les expériences de la mission Alpha, embarquées à bord de l’ISS / ©Cnes – GRARD Emmanuel, 2021

Idéalement, le Cadmos souhaiterait que cette expérience fonctionne pendant cinq ans. Dans un premier temps, le dosimètre sera seulement utilisé à l’intérieur du complexe spatial. Dans un second temps, il pourrait être adapté pour fonctionner à l’extérieur de l’ISS de manière à comparer les mesures prises dans ces deux environnements différents.

La science à bord de l’ISS

Le vol Crew Dragon-2 s’inscrit dans le cadre de la rotation des équipages de la Station spatiale Internationale. Les quatre astronautes qui s’envoleront à son bord, iront compléter l’équipage de trois personnes déjà en orbite : la station aura atteint alors sa capacité d’accueil maximale. Le but principal de ces expéditions : la science.

Qu’y étudie-t-on ? Rémi Canton : « Il y a deux volets importants dans l’utilisation de l’ISS : l’un est de préparer les futures missions de longue, voire très longue durée. L’autre concerne le travail de recherche fondamentale dans un environnement où règne en permanence la micropesanteur ». Dans le laboratoire spatial, et nulle part ailleurs, il est possible d’observer sur le long terme des phénomènes en physique, sciences de la matière ou de la vie quasi « libérés » du champ de pesanteur terrestre et non plus « écrasés » par lui.
Au-delà des expériences menées en biologie et en médecine pour comprendre les effets des vols spatiaux sur le corps humain, l’ensemble des domaines abordés est vaste : astronomie, mécanique des fluides, sciences des matériaux, mécanique quantique, exobiologie, neurosciences… « Nous n’avons aucun problème à nous renouveler, souligne le scientifique du Cnes. Nous croulons sous les demandes d’expérimentation de protocoles scientifiques. On va dans l’espace malgré l’espace…

Malgré les contraintes scientifiques, logistiques et matérielles importantes pour tout le monde, mais cela vaut le coup ! L’intérêt de la station comme laboratoire de recherche est indéniable. » Pour la mission Alpha, le nombre d’expériences fournies par le Cadmos sera d’une douzaine.

PPour aller plus loin

• LUMINA à bord de l’ISS, Espace de médiation scientifique de l’Université Jean Monnet Saint-Étienne, 12-01-2021
• Ces universités qui embarquent sur la Station spatiale internationale, Conférence des présidents d’universités – L’instant recherche n°19, 12-04-21
• Mission Alpha : décollage de Thomas Pesquet en direct, Planétarium de Vaulx-en-Velin, 22-23 avril 2021 – à suivre en ligne
• Comment se préparer face aux conséquences de la prochaine puissante tempête solaire ?, notre-planete.info, 11-07-2020
• Mission Alpha : quelles seront les expériences étonnantes de Thomas Pesquet à bord de l’ISS ?, Futura Sciences, 22-02-2021
• Exploration spatiale : 50 ans après, pourquoi l’homme veut-il retourner sur la Lune ?, Sud-Ouest Eco, Sciences et technologies, entretien avec Francis Rocard, astrophysicien responsable des programmes d’exploration du système solaire, 20-07-2019