Des aimants permanents pourraient protéger les astronautes des tempêtes solaires sans électricité ni cryogénie
Image à la une : Concept d’un vaisseau Orion avec un champ magnétique protecteur. Crédit : NASA
Le bouclier anti-radiation est le plus grand problème non résolu pour envoyer des humains sur Mars. Les options actuelles se divisent en deux camps, tous deux avec des inconvénients majeurs : le blindage passif (eau, polyéthylène, aluminium) nécessite des masses prohibitives que l’équation de la fusée pénalise, tandis que les aimants supraconducteurs actifs nécessitent un refroidissement cryogénique continu et une alimentation électrique constante, introduisant un risque de point de défaillance unique pour un système qui ne doit jamais tomber en panne lors d’une tempête solaire.
Une équipe de chercheurs italiens et allemands a publié une première évaluation d’une troisième voie : des réseaux d’aimants permanents en néodyme qui ne nécessitent ni électricité, ni refroidissement, et n’ont aucune pièce mobile. L’étude, publiée le 30 juin dans la revue Aerospace, démontre qu’un réseau d’un mètre carré de 1 482 aimants néodyme-fer-bore (NdFeB), chacun de 3 centimètres cubes et totalisant moins de 300 kilogrammes, peut dévier environ 20 % des protons incidents dans la gamme d’énergie de 0,1 à 10 MeV, la partie la plus dangereuse d’un événement de particules solaires.
« Un bouclier magnétique conçu pour protéger une sonde spatiale des radiations cosmiques par déviation magnétique utilisant des aimants permanents en néodyme », comme le décrivent l’auteur principal Valerio Parisi de l’Université Sapienza de Rome et ses collègues, agit comme un filtre passe-haut pour les particules chargées. Les protons de faible énergie, ceux qui délivrent la dose localisée la plus élevée aux tissus biologiques, sont déviés. Les particules de plus haute énergie, les rayons cosmiques galactiques dans la gamme du GeV, traversent largement sans être affectées.
Cette limitation rend le système inadapté comme bouclier principal contre les RCG, qui sont continus, omnidirectionnels et transportent des énergies qui nécessiteraient des champs irréalistement puissants pour être déviés. Mais pour les événements de particules solaires, qui sont directionnels, sporadiques et comportent un risque de maladie aiguë des radiations, un écran à aimants permanents offre une police d’assurance légère.
L’approche hybride
Les chercheurs positionnent explicitement le réseau d’aimants permanents comme un système supplémentaire dans une stratégie de mitigation des radiations à plusieurs couches. Le blindage passif gère le rayonnement de fond omnidirectionnel. Les aimants permanents gèrent les sursauts occasionnels de protons solaires à une fraction du coût massique du blindage passif équivalent. Les aimants supraconducteurs actifs, si et quand ils atteignent une maturité technologique suffisante, pourraient éventuellement offrir une protection à spectre complet.
Les économies de masse sont l’argument de vente. Un blindage passif équivalent pour le même niveau de protection contre les protons solaires nécessiterait probablement plusieurs tonnes métriques de polyéthylène ou d’eau, une pénalité de masse qui se propage à chaque étape de l’équation de la fusée. Un réseau d’aimants permanents de moins de 300 kilogrammes est peu coûteux à lancer et ne nécessite aucune charge opérationnelle.
« Même une certaine protection vaut mieux que rien du tout, et il pourrait très bien y avoir une place pour les aimants permanents dans un système hybride combinant les trois techniques de mitigation des radiations », notent les auteurs.
Limites à résoudre
L’étude est une première évaluation, et les auteurs sont francs quant à ses limites. Le prototype a testé un faisceau de protons collimaté dans une direction, imitant un événement de particules solaires mais pas l’environnement multidirectionnel à spectre mixte de l’espace lointain réel. Les rayons cosmiques galactiques, qui contribuent à la majorité du risque de cancer à long terme lors d’une mission martienne, ne sont pas traités par cette approche.
La question des radiations secondaires est également non résolue. Les protons qui frappent le matériau magnétique lui-même pourraient produire des neutrons secondaires et des rayons gamma, augmentant potentiellement la dose de radiation locale dans certains endroits à l’intérieur du vaisseau. Se protéger contre le bouclier, pour ainsi dire, pourrait réduire les économies de masse.
Et puis il y a la démagnétisation. Les aimants NdFeB exposés aux radiations spatiales se dégradent avec le temps. La recherche indique que certaines qualités perdent la moitié de leur force magnétique à environ 4 millions de rad d’exposition aux protons et sont complètement démagnétisées à environ 70 millions de rad. Les aimants samarium-cobalt (SmCo) offrent une résistance aux radiations deux à quarante fois meilleure, mais sont plus chers et produisent des champs légèrement plus faibles. L’équipe note que des chimies d’aimants alternatives devraient être évaluées dans des travaux ultérieurs.
La voie à suivre
Les prochaines étapes impliquent des simulations avancées de Monte Carlo dans des environnements de radiation multidirectionnels réalistes, représentant les spectres réels d’événements de particules solaires et les spectres de rayons cosmiques galactiques. Au-delà, l’équipe envisage des expériences de validation à l’échelle CubeSat qui pourraient tester le concept en orbite à un coût relativement faible.
L’article s’ajoute à un regain d’intérêt plus large pour le blindage magnétique des missions dans l’espace lointain. Le programme MAARSS (Magnet Architectures and Active Radiation Shielding Study) de la NASA étudie de grands concepts de bobines supraconductrices à une intensité de champ de 1 Tesla avec des bobines extensibles de 16 mètres de diamètre. Ces concepts visent une protection à spectre complet mais nécessitent un refroidissement cryogénique à environ 70 Kelvin et comportent le risque de point de défaillance unique qu’un réseau d’aimants permanents évite.
Pour qu’une solution à aimants permanents soit viable pour une mission martienne, la recherche doit passer de la modélisation analytique et des prototypes de laboratoire à la démonstration dans l’environnement de radiation pertinent. La proposition de l’équipe pour une mission CubeSat est la prochaine étape logique. Si cela fonctionne, les aimants permanents pourraient devenir une couche d’un système de défense hybride contre les radiations, silencieux, passif et toujours actif, ne demandant rien à l’équipage si ce n’est d’être présent lorsqu’une tempête solaire frappe.