Chaleur et missions spatiales
Caloduc dans un ordinateur portable (Kristoferb, CC-BY-SA Wikimedia Commons)
Caloduc dans un ordinateur portable (Kristoferb, CC-BY-SA Wikimedia Commons)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Découvre comment on contrôle la chaleur dans les vaisseaux spatiaux tels que la SSI et Orion.
La chaleur est un élément indispensable à la vie sur Terre. Les plantes et les animaux en ont besoin pour leur croissance et leur reproduction. Sur Terre, le Soleil est la principale source de chaleur. Il existe d'autres sources de chaleur telles que le noyau terrestre et les réactions chimiques.
Le Soleil est également une importante source de chaleur dans notre système solaire. Les engins spatiaux ont donc besoin de maîtriser cette chaleur lors de leurs voyages dans l'espace.
Quelles sont les sources de chaleur dans un vaisseau spatial?
Un vaisseau spatial en orbite autour de la Terre absorbe, réfléchit, génère et émet de la chaleur. Autrement dit, il :
- génère de la chaleur à partir des pièces mécaniques et des personnes qui s'y trouvent;
- absorbe la chaleur du soleil;
- absorbe le rayonnement infrarouge de la Terre;
- absorbe la chaleur réfléchie par la surface de la Terre (albédo); et,
- émet de la chaleur dans l'espace.
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Voici une illustration en couleur d'un vaisseau spatial en orbite autour de la Terre.
Le vaisseau spatial est au centre de l'image. Il se compose d'un corps cylindrique orange auquel sont attachés deux objets cylindriques blancs plus courts. Sous le vaisseau spatial, se trouve la Terre représentée en bleu et vert. Autour de la Terre, une zone bleu pâle représente l'atmosphère terrestre. Le vaisseau spatial se trouve à la limite entre l'atmosphère et l'espace. L'espace quant à lui est représenté par une zone bleu foncé en l'arrière-plan. La sphère orange et jaune dans le coin supérieur gauche représente le Soleil.
Quatre flèches orange indiquent les sources de chaleur, en pointant toutes vers le vaisseau spatial. Deux d'entre elles vont de la Terre au vaisseau spatial. La première est intitulée « Chaleur du rayonnement infrarouge provenant de la Terre » et la deuxième « Chaleur réfléchie par la Terre ». La troisième flèche orange va du Soleil au vaisseau spatial. Elle est intitulée « Chaleur provenant du Soleil ». Et la quatrième flèche orange va de l'espace au vaisseau spatial. Cette flèche est intitulée « Chaleur générée par le vaisseau spatial ». La dernière flèche est de couleur rouge. Elle va de l'engin spatial à l'espace et est intitulée « Chaleur rayonnée par l'engin spatial ».
Par exemple, la Station spatiale internationale (SSI) est un vaisseau spatial qui orbite autour de la Terre, à la limite de l'espace. Contrairement à la Terre, la SSI n'est pas assez protégée par l'atmosphère terrestre. D'ailleurs, la face de la SSI orientée vers le soleil peut atteindre jusqu'à 121 °C. Et celle opposée au soleil peut descendre jusqu'à -157 °C. Cela représente une différence de près de 300 °C! Les humains ne peuvent pas survivre dans des températures aussi élevées ou aussi basses. Pour pallier ce problème, les ingénieurs et ingénieures ont dû trouver un moyen de gérer la température à l'intérieur de la SSI.
Comment contrôle-t-on la chaleur à l'intérieur des vaisseaux spatiaux?
Les engins spatiaux sont équipés de différents types de systèmes de contrôle de la température. Certains systèmes sont passifs. Cela signifie qu'ils n'ont pas besoin d'énergie pour contrôler la température. Et d'autres sont actifs. Cela signifie qu'ils ont besoin d'énergie pour contrôler la température.
Dans la SSI, le sous-système de contrôle de la température et de l'humidité (CTH) est responsable de la température de l'air et de l'évacuation de la chaleur. Le CTH fait partie du système de conditionnement d'air et de survie (ECLS).
Le système de contrôle thermique passif est un élément important du CTH. Sa fonction principale est l'isolation. L'isolation permet d'empêcher la chaleur d'entrer et de sortir de la SSI. La majeure partie de la SSI est recouverte d'un isolant appelé Isolation multicouche (MLI). Le MLI est composé de couches de Mylar® et de Kapton. Le MLI protège les astronautes des températures extrêmes et des rayonnements cosmiques.
Le savais-tu?
Le MylarMD et le Kapton sont également utilisés dans les couvertures thermiques sur Terre.
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Cette photo en couleur montre deux personnes travaillant sur un grand objet enveloppé d'un matériau doré brillant.
Les deux personnes portent des combinaisons blanches, des filets à cheveux et des gants. L'une d'entre elles passe ses deux mains sous un cylindre qui dépasse de l'objet. L'autre lui tend une paire de ciseaux. L'ensemble de la structure sur laquelle ces personnes travaillent est recouvert d'une fine matière dorée brillante qui ressemble à du papier d'aluminium.
Les ingénieurs et ingénieures ont également mis au point des peintures, des revêtements et des rubans spéciaux pour l'extérieur de la SSI. Ils permettent de réfléchir l'énergie du soleil et de la Terre et d'évacuer la chaleur excédentaire dans l'espace.
Les astronautes et les appareils électroniques génèrent de la chaleur. Une partie de cette chaleur doit être évacuée à l'extérieur de la station afin de maintenir une température confortable à l'intérieur. D'où le rôle des caloducs.
Les caloducs sont des tuyaux scellés qui contiennent un liquide, un peu comme une pompe à chaleur. Les caloducs de la SSI contiennent de l'ammoniac, qui se transforme en vapeur à -33,34 ℃. Voyons comment cela fonctionne.
- Une extrémité du tuyau se trouve à l'intérieur de la station. Lorsqu'elle se réchauffe, l'ammoniac contenu dans la cavité de vapeur passe de l'état liquide à l'état gazeux.
- Le gaz se déplace le long de la cavité jusqu'à l'extrémité extérieure.
- Là, il se condense à nouveau en liquide, libérant sa chaleur dans l'espace.
- Le liquide passe à travers la cavité dans une mèche qui s'enroule autour de la cavité. Le liquide se déplace le long de la mèche vers l'extrémité intérieure puis le cycle recommence.
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L'illustration en couleur montre les pièces à l'intérieur d'un long tuyau scellé. L'extrémité gauche du tuyau est intitulée « Intérieur », tandis que l'extrémité droite est intitulée « Extérieur ». Une ligne blanche ondulée indique qu'il y a plus d'espace entre les deux. Sous le tuyau, une échelle va du rouge à gauche, intitulée « Haute température », au bleu à droite, intitulée « Basse température ». À l'intérieur du tuyau, une cavité plus petite est entourée d'un matériau bleu pâle, parsemé de gris. Elle est intitulée « cavité de vapeur ». La zone bleue qui l'entoure est appelée « mèche ». La couche extérieure grise du tuyau est appelée « enveloppe ». La cavité intérieure est rose à l'intérieur de l'extrémité chaude, et grise à l'extrémité droite, plus froide. Des flèches noires pointent de l'extrémité chaude de la mèche vers la cavité intérieure. Elles sont étiquetées « 1 ». D'autres flèches noires partent de l'extrémité chaude de la cavité vers l'extrémité froide. Celles-ci sont étiquetées « 2 ». À l'extrémité froide, des flèches noires partent de la cavité vers la mèche. Elles sont étiquetées « 3 ». Des flèches étiquetées « 4 » partent de l'extrémité froide de la mèche vers l'extrémité chaude.
Le savais-tu?
La plupart des ordinateurs portables contiennent des caloducs. Ils se trouvent entre le processeur et le ventilateur.
Parfois, les méthodes passives ne suffisent pas. Les ingénieurs et ingénieures utilisent alors des systèmes actifs. Dans la SSI, il s'agit du système de contrôle thermique actif. Il comprend trois sous-systèmes :
- Un sous-système de collecte de la chaleur;
- Un sous-système de transport de la chaleur;
- Un sous-système de rejet de la chaleur.
Dans le système de contrôle thermique actif, la chaleur est transférée à l'eau qui est pompée dans des boucles scellées à l'intérieur de la SSI. L'eau transporte la chaleur vers un autre ensemble de boucles étanches. Ces boucles sont remplies d'ammoniac. Comme les caloducs, elles transportent la chaleur vers des radiateurs. Les radiateurs font partie du sous-système de rejet de la chaleur. Les radiateurs transfèrent la chaleur dans l'espace. Les radiateurs sont les deux ensembles de panneaux de couleur claire situés à l'extérieur de la SSI, près des modules de l'équipage.
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Voici une photographie en couleurs des structures à l'extérieur de la SSI, avec des flèches pointant vers deux grands panneaux gris près du centre.
Au centre de l'image, à l'horizontale, se trouve une longue structure argentée composée de différents cylindres reliés bout à bout. Une autre structure, plus courte que la première, traverse verticalement le centre de l'image. Quatre paires de grands panneaux solaires sont montées à chaque extrémité de la structure horizontale. De part et d'autre de la structure verticale, se trouvent deux panneaux gris un peu plus petits que les panneaux solaires. Ceux-ci sont constitués d'une grille de rectangles gris reliés entre eux. Ces deux structures sont étiquetées « Radiateurs du sous-système de rejet de chaleur », avec deux flèches blanches pointant vers le bas.
Un autre élément important du contrôle de la température est le déplacement de l'air autour de la SSI. Le contrôle de la température et de l'humidité veille à ce que les zones de l'équipage soient bien ventilées. Cela permet d'éviter d'avoir des zones froides dans la station. Les points froids peuvent entraîner de la condensation, de la corrosion, ou même la prolifération de champignons dans la SSI.
Qu'en est-il des missions au-delà de la Terre?
Le vaisseau spatial Orion transportera des humains sur la Lune dans le cadre des missions Artémis. Comme la SSI, il sera doté de systèmes actifs et passifs. Les systèmes passifs comprennent des chauffages et des couvertures thermiques à isolation multicouches (MLI - de l’anglais Multi-Layer Insulation). Les systèmes actifs comprennent un système de fluide qui fera circuler un liquide de refroidissement. Il sera équipé de plaques froides à proximité des composants électroniques, afin d'en évacuer la chaleur. Enfin, six radiateurs évacueront la chaleur de l'engin spatial.
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Cette illustration en couleur met en évidence les aspects importants du système de contrôle de la température du vaisseau spatial Orion.
Le logo de l'Agence spatiale européenne se trouve en haut à droite, en face du titre « Orion - Contrôle de la température ». Le texte ci-dessous se lit comme suit. « L'espace est un endroit hostile où les changements de température sont brutaux. Les radiateurs et les échangeurs de chaleur contrôlent la température du vaisseau spatial pour assurer le confort des astronautes et le fonctionnement optimal de ses équipements. »
En dessous se trouve un grand cylindre bleu sur fond noir. Il représente un segment spécifique de la capsule Orion. Il est marqué de fines lignes horizontales bleues ondulées et de lignes verticales noires plus épaisses, ondulées à l'intérieur et à l'extérieur. Le texte autour du cylindre est le suivant : « Six radiateurs à l'extérieur du module de service. Isolation : matelas isolants multicouches. Liquide de refroidissement : Hydrofluorocarbone. Le liquide de refroidissement est pompé, comme dans une voiture ».
Sous le cylindre, une ligne jaune en pointillés est reliée à un très petit cylindre gris entouré d'une enveloppe bleue et surmonté de points de couleur vive. Cette ligne indique l'emplacement de la partie bleue sur l'ensemble de la capsule. Une autre ligne en pointillé relie un vaisseau spatial cylindrique gris avec un sommet conique gris et de longs panneaux bleus partant du bas. Il s'agit d'une image globale de la capsule.
Les informations contenues dans cette fiche d'information font partie du projet Espace vivant.
En savoir plus
Les transferts de chaleur (2021)
Ce document d'information de Parlons sciences décrit les trois méthodes de transfert de la chaleur.
Chaleur : environnements intérieurs et extérieurs (2024)
Explore dans cette fiche d'information de Parlons sciences l'importance de la chaleur, ses sources et la façon dont les humains la contrôlent à l'intérieur.
Références
Boeing. (2021). Active Thermal Control System (ATCS) Overview. IDS Business Support, Communications and Community Affairs.
European Space Agency. (n.d.). Temperature Control.
European Space Agency. (2023, Feb. 3). How to fly Orion: Thermal
NASA. (2024). State-of-the-Art of Small Spacecraft Technology. Chapter 7. Thermal Controls.
Tara, R. (2023, Sept. 1). What Makes Heat Pipes So Cool? Space Station Experiments May Reveal the Secret. Engineering.com.
Gentry, G. J. & Cover, J. (2015). The National Aeronautics & Space Administration, Houston, Texas International Space Station (ISS) Environmental Control and Life Support (ECLS) System Overview of Events: 2010 - 2014. 45th International Conference on Environmental Systems, July 2015, Bellevue, Washington.
Van Wagenen, R. (2020, Jan. 13). The ISS Engineering Feat: Power and Cooling. ISS National Laboratory.
Wikipedia. (s. d.). Contrôle thermique des engins spatiaux.