Dioxyde de carbone et missions spatiales
Module MOXIE (Wikimedia Commons)
Module MOXIE (Wikimedia Commons)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Découvre comment on contrôle les niveaux de dioxyde de carbone dans les vaisseaux spatiaux tels que la SSI.
Le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz important sur la Terre. Les plantes en ont besoin pour survivre. Elles combinent le dioxyde de carbone et l’eau pour former de l’oxygène et du glucose. Nous appelons ce processus la photosynthèse. Les plantes et les animaux utilisent ce glucose comme source d’énergie. Lorsqu’ils libèrent l’énergie stockée dans le glucose, de l’eau et du dioxyde de carbone sont rejetés dans l’environnement.
Dans les environnements intérieurs, la principale source de dioxyde de carbone est l’être humain. Plus il y a de monde dans une pièce, plus la quantité de CO2 sera élevée. Il en est de même pour un vaisseau spatial. Dans des environnements fermés comme des pièces ou des vaisseaux spatiaux, les niveaux de dioxyde de carbone peuvent s’accumuler. Lorsque ceux-ci deviennent trop élevés, cela affecte notre santé physique et mentale. C’est particulièrement vrai pour les astronautes.
Le savais-tu?
Les niveaux de CO2 à bord de la Station spatiale internationale (SSI) sont beaucoup plus élevés qu’ils ne le sont sur Terre. Ces niveaux se situent entre 3000 et 6500 ppm. Sur Terre, la concentration à l’extérieur est comprise entre 300 et 500 ppm.
Contrairement à ce qui se passe sur Terre, les astronautes ne peuvent pas ouvrir une porte ou une fenêtre pour respirer un peu d’air frais! Voyons comment les niveaux de CO2 sont maintenus dans une plage saine.
Comment le niveau de dioxyde de carbone est-il contrôlé dans un vaisseau spatial?
Les vaisseaux spatiaux effectuant des missions courtes éliminent le CO2 au moyen de cartouches contenant de l’hydroxyde de lithium (LiOH) en poudre. Tout d’abord, l’air contenant du CO2 passe à travers la cartouche. Dans celle-ci, il se combine avec l’hydroxyde de lithium pour former du carbonate de lithium (Li2CO3) et de l’eau (H2O). L’équation chimique équilibrée est :
CO2(g) + 2LiOH(s) -> Li2CO3(s) + 3 H2O(l)
Les abréviations (g), (s) et (l) sont utilisées pour indiquer l’état de chaque composé chimique : (g) signifie gazeux, (s) signifie solide et (l) signifie liquide.
Il s’agit d’une réaction à sens unique, ce qui signifie qu’une fois que l’hydroxyde de lithium a réagi avec du dioxyde de carbone, il ne peut pas être réutilisé. Quand l’hydroxyde de lithium est épuisé, la cartouche doit être remplacée. Ce moyen se révèle incommode pour les missions spatiales de longue durée.
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Une photographie en couleur montre une personne flottant derrière deux cylindres dans la SSI.
Les mains de l’astronaute sont placées de chaque côté devant lui. Les cylindres flottent entre les deux. Un cylindre est fait d’un matériau doré pâle et brillant, et comporte une poignée à l’extrémité. L’autre est en plastique translucide. Le cylindre doré est partiellement inséré dans celui qui est transparent. Des sacs Ziploc et des documents papier flottent à proximité. À l’arrière-plan, le mur est recouvert de boîtiers rectangulaires blancs. Des structures blanc doux, qui semblent faites de tissu rembourré, flottent au-dessus de la tête de l’astronaute.
Comment le dioxyde de carbone est-il contrôlé dans la Station spatiale internationale?
À ce jour, c’est à bord de la SSI que les gens ont passé le plus de temps dans l’espace. C’est pourquoi la SSI utilise des méthodes plus durables pour contrôler le CO2. Le système principal est situé dans le laboratoire américain Destiny. On l’appelle communément système d’élimination du dioxyde de carbone. Ce système fait partie du système de conditionnement d’air et de survie (connu sous son sigle anglais ECLSS). Voyons comment il fonctionne.
Tout d’abord, le système souffle de l’air à travers de minuscules trous dans des zéolites . Les zéolites sont des cristaux de dioxyde de silicium (SiO2) et de dioxyde d’aluminium (Al2O3). L’eau et le CO2 sont coincés dans les trous, mais tout le reste passe à travers. L’eau est récupérée pour le recyclage, et le CO2 est capté et éliminé de la SSI.
L’avantage de ce système est que les zéolites peuvent être réutilisées. L’inconvénient est que l’oxygène est également éliminé lorsque le CO2 est évacué de la station. L’oxygène est une ressource importante sur la station.
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Une photographie en couleur montre différentes formes de cristaux se développant dans la roche.
La partie supérieure est un amas plat de cristaux granuleux rosés. Au-dessous et à gauche, deux amas de cristaux fins, droits, densément regroupés en forme de bâtonnets rayonnent vers le bas. Sur la droite se trouvent des cristaux brillants, translucides en forme de bloc beige. À la base des cristaux, une roche gris foncé est incrustée de taches de beige, de rose et de gris.
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Une photo en couleur montre deux astronautes flottant à proximité d’un grand objet noir recouvert de tubes et de câbles.
Les deux ont un pied accroché sous des barres métalliques sur le plancher. Leurs vêtements flottent sur leur corps. L’un a les deux mains placées à l’extrémité de l’objet. L’autre le regarde faire en tenant une tablette. Les murs et les planchers environnants sont couverts de panneaux blancs. Des équipements électroniques sont installés sur les panneaux muraux. Deux ordinateurs portables noirs sont attachés dans le haut des murs sur les bords de l’image. Une porte ronde de couleur blanche sur le mur du fond comporte un petit hublot près du dessus.
Pour aider à résoudre ce problème, les scientifiques de l’Agence spatiale européenne ont développé le système en boucle fermée avancé. Il élimine le CO2 de l’air à l’aide d’une amine. Une amine est une molécule comportant un atome d’azote relié à un atome de carbone. L’amine peut réagir chimiquement avec le CO2 et l’éliminer de l’air. De la vapeur est utilisée pour éliminer le CO2 de l’amine.
Le CO2 est ensuite transformé en méthane (CH4) et en eau par une réaction chimique appelée réaction de Sabatier. Cela permet de réutiliser l’eau encore et encore. Les scientifiques espèrent que la technologie utilisée dans le système en boucle fermée avancé aidera les humains à voyager de plus en plus loin de la Terre dans le futur.
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Une photographie en couleur montre l’astronaute Anne McClain en train d’installer l’épurateur thermique d’amine dans la SSI.
Anne flotte au centre d’une longue pièce en forme de tunnel. Le mur à côté d’elle est couvert de nombreuses boucles de câbles et de tuyaux. Elle a une main sur un panneau carré argenté en bas à gauche. Son autre main tient une barre bleu vif sur le sol en dessous. Elle sourit devant la caméra avec une tablette sur les genoux.
Le savais-tu?
Les scientifiques tentent de déterminer si les zéolites et les amines peuvent être utilisées pour réduire les niveaux de CO2 sur Terre (en anglais uniquement).
La circulation de l’air est un autre élément important du contrôle du CO2 dans la SSI. L’air ne circule pas en microgravité comme sur Terre. Cela signifie que des poches de CO2 peuvent s’accumuler à certains endroits, ce qui peut être dangereux pour les astronautes. Par exemple, si une bulle de CO2 se forme autour de la tête d’un ou d’une astronaute pendant son sommeil, il se peut qu’il ou elle ne reçoive pas assez d’oxygène. Cela pourrait conduire à l’inconscience, voire à la mort.
Les astronautes s’assurent toujours que des ventilateurs soufflent sur leur visage pendant leur sommeil. Il y a aussi des ventilateurs partout dans la SSI qui déplacent toujours l’air. Mais ceux-ci ne peuvent pas toujours empêcher la formation de poches de CO2.
Depuis 2016, certains astronautes à bord de la SSI portent de petits moniteurs de CO2 personnels. Ceux-ci ont des capteurs COZIR, tout comme ceux utilisés dans le projet Espace vivant. Les capteurs donnent aux astronautes et aux chercheurs et chercheuses sur Terre une meilleure idée de la quantité de CO2 à laquelle les astronautes sont exposés chaque jour.
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Une photographie en couleur montre une petite boîte noire comportant un autocollant qui se lit « Personal CO2 Monitor » (Moniteur personnel de CO2).
La boîte repose sur une table blanche lisse. Elle est rectangulaire avec des bords légèrement incurvés. Il y a un cercle gris enfoncé sur le dessus. Un cercle blanc à l’extrémité est imprimé avec les lettres « DEV ».
Et qu’en est-il des missions sur Mars?
Au moment de leur atterrissage sur Mars, les premiers astronautes disposeront déjà d’une technologie capable de convertir le dioxyde de carbone en carbone en oxygène. La NASA a testé un dispositif appelé MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment - Expérience d’utilisation in situ des ressources en oxygène de Mars) sur son astromobile Perseverance. L’appareil extrait le dioxyde de carbone de l’atmosphère terrestre et le scinde en atomes de carbone et d’oxygène. Depuis l’atterrissage de Perseverance sur Mars en 2021, MOXIE a généré un total de 122 grammes d’oxygène. Les astronautes pourraient utiliser l’oxygène pour respirer ainsi que comme comburant pour le vaisseau spatial .
Persévérance Rover : le robot qui crée de l’oxygène sur Mars (2023), par Avidyu (00 min 55 sec.)
Apprendre comment contrôler le dioxyde de carbone dans l’espace pourrait aider les scientifiques à le contrôler ici sur Terre!
L’information contenue dans ce document d’information fait partie du projet d’action Espace vivant.
En savoir plus
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Références
Airbus. (2018, March 19). Airbus delivers new life support system for the ISS.
Barrett, L. (2023, July 20). First Principles Modeling of the Thermal Amine Scrubber Flight Experiment’s Chemical Performance. NASA.
The European Space Agency. (n.d.) Advanced Closed Loop System Air Revitalization System.
The European Space Agency. (2019, December 10). New life support system cleans air during full-house Space Station.
Georgescu, M., Meslem, A., Nastase, I., Bode, F. (2021, July 15). Personalized ventilation solutions for reducing CO2 levels in the crew quarters of the International Space Station. Building and Environment.
Junaedi, C., Hawley, K., Walsh, D., Roychoudry, S., Abney, M., Perry, J. (2012). Compact and Lightweight Sabatier Reactor for Carbon Dioxide Reduction. NASA.
MasterClass. (2021, September 21.) What Is the Sabatier Reaction? Learn How Astronauts Create Water and Oxygen in Space.
NASA. (2023, November 13). Carbon Dioxide (CO2) OCHMO-TB-004 Rev C
NASA. (2020). Characterization of How CO2 Level May Impact Crew Performance Related to the HSIA Risk.
NASA. (2023, November 14). Environmental Control & Life Support System (ECLSS): Human-Centered Approach.
NASA. (n.d.). Liquid Sorbent Carbon Dioxide Removal System | T2 Portal.
NASA. (2023, September 6). NASA’s Oxygen-Generating Experiment MOXIE Completes Mars Mission.
NASA. (2020, April 22). Spacecraft Maximum Allowable Concentrations for Airborne Contaminants.
Wikipedia. (n.d.). ISS ECLSS.
Witt, J., Hovland, S., Laurini, D., Matthias, C., Boettcher, F., Bevilacqua, T., and Redondo, C. (2020). On-orbit Testing of the Advanced Closed Loop System ACLS. ttu-ir.tdl.org.