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La survie dans l’espace : En route vers un système fermé

Système de conditionnement d’air et de survie de la NASA

Système de conditionnement d’air et de survie de la NASA (James E. Scarborough, Wikimedia Commons)

Système de conditionnement d’air et de survie de la NASA

Système de conditionnement d’air et de survie de la NASA (James E. Scarborough, Wikimedia Commons)

Lisibilité
7,2

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre comment les astronautes survivent dans la Station spatiale internationale.

La survie dans l’espace : vers la création d’un système fermé

Comme bien des organismes vivants, les êtres humains ont besoin d’air, d’eau et de nourriture pour survivre. Sur Terre, ces besoins sont comblés par différents morceaux des écosystèmes. Les plantes nettoient notre air en libérant de l’oxygène dans l’atmosphère et en absorbant le dioxyde de carbone (CO2). Notre eau potable provient des lacs, des rivières et des nappes d’eau souterraines. Le sol nourrit les plantes que l’on récolte comme nourriture.

Lorsqu’il est question de matière, la Terre est en somme un système fermé. Autrement dit, la matière ne circule pas de l’espace vers la Terre, et vice versa. Toute matière est recyclée au sein de notre écosystème mondial. Les quelques météorites et la poussière spatiale qui atteignent notre planète forment la seule exception à cette règle.

La Station spatiale internationale (SSI) gravite autour de la Terre à environ 400 kilomètres au-dessus de nos têtes. Les astronautes qui l’habitent ont aussi besoin d’air, d’eau et de nourriture, mais dans l’espace, aucun écosystème ne fournit ces éléments. Les astronautes se fient plutôt aux systèmes de survie de la SSI pour gérer leur air, leur eau et leurs déchets organiques. Comment font-ils pour la nourriture? Contrairement à ce que laisse croire la science-fiction, les aliments ne proviennent pas de la SSI. Ils sont tous acheminés à la station à partir de la Terre. Cela veut dire que la SSI est un système ouvert, car elle dépend de la Terre pour la survie complète de ses locataires.

Système de conditionnement d’air et de survie de la NASA

À bord de la SSI, le système de conditionnement d’air et de survie (connu sous son sigle anglais ECLSS) de la NASA s’affaire à garder les astronautes en vie. L’ECLSS est un réseau de machines interconnectées et interdépendantes, qui fournit de l’air respirable et de l’eau potable aux astronautes de la SSI. Des machines conçues par l’Agence spatiale fédérale russe (Roscosmos) contribuent également à la survie à bord de la station.

L’image ci-dessous présente un modèle fonctionnel de l’ECLSS, au centre de vol spatial Marshall des États-Unis. De gauche à droite, tu peux voir ses différents modules, dont une douche, un système de gestion des déchets, deux systèmes de récupération de l’eau ainsi qu’un système de production d’oxygène.

Working replica of the ECLSS at the Marshall Space Flight Centre
Modèle fonctionnel de l’ECLSS, au centre de vol spatial Marshall (source : NASA).
Image – Version texte

Cette photo démontre un modèle fonctionnel de l’ECLSS.
Ses cinq modules sur roues se tiennent côte à côte sur le plancher. Chaque module a à peu près la taille et la forme d’un réfrigérateur à deux portes. Le module à l’extrême gauche a un rideau. C’est la douche. Ensuite, il y a le système de gestion des déchets. Celui-ci est fermé à l’avant par un panneau. Les deux prochains modules sont des systèmes de récupération d’eau. Comme ils n’ont aucun panneau frontal, on peut voir les fils et les mécanismes qu’ils contiennent, soit un assortiment d’éléments métalliques de différentes formes et dimensions. À l’extrême droite, le dernier module est le système de production d’oxygène. Il ressemble plutôt aux modules de récupération d’eau.

L’air à bord de la SSI

Tout comme sur Terre, les personnes qui habitent sur la SSI inspirent de l’oxygène et expirent du dioxyde de carbone durant la respiration. Cependant, l’air respiré doit toujours contenir la bonne proportion de ces deux gaz.

L’élimination du CO2

Un taux de CO2 plus élevé que la normale peut affecter la santé physique et mentale des astronautes. Il faut des machines spéciales pour éliminer le CO2 excessif dans l'air. Les machines de l’ECLSS de la NASA et le système russe Vozdukh effectuent ce travail.

The new and improved CO2 scrubber to be launched to the ISS in 2021
La nouvelle version améliorée de l’absorbeur-neutralisateur de CO2, qui sera acheminé à la SSI en 2021 (Source : image du domaine public de la NASA).
Image – Version texte

Voici la photo d’une employée de la NASA près d’un modèle de démonstration en vol d’un nouvel absorbeur-neutralisateur de CO2. Le cadre en métal de l’appareil semble mesurer 1 mètre sur 2 mètres sur 2 mètres. Il contient de nombreuses composantes reliées par des fils et des tubes. L’employée semble inspecter l’un de ces tubes.

 

L’élimination du dioxyde de carbone de l’atmosphère est appelée capture de carbone ou épuration du carbone. Le CO2 excédentaire est éliminé par des machines appelées absorbeurs-neutralisateurs. Ces machines ont des filtres, un peu comme ceux qu’on trouve dans un aquarium. Ces filtres contiennent un composé appelé Zéolite, qui se lie facilement au CO2 et l'élimine de l'oxygène.

Le savais-tu?

La capture de CO2 par zéolites est aussi La mousse de zéolite promet d'être utilisée dans de meilleurs filtres de capture du carbone étudiée sur Terre. Les chercheurs espèrent ainsi pouvoir réduire le taux de CO2 dans l’atmosphère terrestre.

Auparavant, les résidus de dioxyde de carbone accumulés dans les absorbeurs-neutralisateurs étaient envoyés, ou évacués, dans l’espace. Cette pratique n’existe plus depuis 2012, avec l’intégration du système de réduction du dioxyde de carbone, aussi appelé système Sabatier, à l’ECLSS. Ce système se sert des résidus de dioxyde de carbone et d’hydrogène pour fabriquer de l’eau. Le méthane est un autre produit de la réaction de Sabatier, il est évacué dans l’espace parce qu’il nuit à la respiration.

L’ajout d’oxygène

Les systèmes russe et américain de conditionnement de l’air comportent tous deux des machines fabriquant de l’oxygène. Pour ce faire, elles décomposent l’eau liquide en hydrogène et en oxygène gazeux, un procédé appelé électrolyse de l’eau, grâce à l’électricité produite par les panneaux solaires de la SSI. Par contre, ce système n’est pas assez efficace pour fournir de l’oxygène à tout un équipage. Jusqu'à ce qu'ils inventent une machine capable de fournir suffisamment d'oxygène, des réservoirs d'oxygène seront transportés de la terre vers le SSI à l'aide de véhicules de réapprovisionnement. La station est aussi approvisionnée en bougies d’urgence spéciales qui libèrent de l’oxygène quand ils sont brûlés.

Tu te demandes peut-être pourquoi le SSI n’utilise pas de plantes pour produire l’oxygène nécessaire aux astronautes. C’est parce qu’il manque d’espace physique dans la SSI et que la méthode par électrolyse est plus efficace. Cependant, des chercheurs espèrent améliorer l’efficacité de cette méthode, car la Terre ne pourra pas envoyer d’oxygène sur Mars. La culture des plantes peut aussi engendrer le meilleur des sous-produits : de la nourriture!

US astronaut Astronaut Serena Auñón-Chancellor harvests kale and lettuce from the Veggie plant growth system
L’astronaute américaine Serena Auñón-Chancellor récolte des feuilles de choux frisés et de laitue du système de culture de plante Veggie (Source : ESA/Alexander Gerst, par l’entremise de la NASA).
Image – Version texte

Photo en couleur d’une astronaute qui coupe un bout de plante à bord de la SSI. Elle retire minutieusement une feuille d’une toute petite plante poussant dans un système de culture de plantes spéciale, nommé Veggie. Les plantes ont été récoltées pour un repas spécial de l’Action de grâce.

D’autres préoccupations quant à la qualité de l’air

La qualité de l’air n’est pas seulement liée à l’oxygène et au CO2. En effet, l’air contient beaucoup d’autres gaz. Par exemple, différents équipements peuvent libérer des petites quantités infimes de gaz. Ces gaz, qui n’ont souvent pas de couleur ni d’odeur, sont tout de même toxiques et doivent être éliminés. Des microorganismes peuvent aussi grandir et se développer lorsque l’humidité est élevée. Les systèmes de conditionnement de l’air contrôlent également l’humidité et filtrent les microorganismes qui pourraient se multiplier et causer des maladies.

Une bonne ventilation est un autre élément important des systèmes de conditionnement de l’air à bord de la SSI, puisque l’air circule différemment en état de microgravité. Par exemple, les astronautes doivent dormir avec un ventilateur près du visage pour éviter la formation de bulles de CO2 autour d’elles et d’eux. Ce serait comme avoir un sac de plastique sur la tête, qui est très dangereux!

Emplacement du ventilateur dans le secteur d’habitation de l’équipage de la SSI
Emplacement du ventilateur dans le secteur d’habitation de l’équipage de la SSI (Source : Aerospace Research Central).
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Shown is a colour photograph of an astronaut crew quarters module on the ISS.
The module looks a lot like the interior of a closet without any doors on it. The entire area is covered in white acoustic padding to dampen noise from the space station equipment. At the centre of the image is where the astronaut would sleep. This is labelled as the sleeping area. Above this is a white, rectangular unit that has a grill on the front. An arrow pointing to the grill identifies this as the fan intake. Just under the unit is a small open panel with knobs. An arrow pointing to this identifies it as the controls for the fan.

 

As-tu déjà eu l’impression qu’une pièce était « étouffante »? C’est sûrement parce qu’elle n’était pas bien aérée. La ventilation aide à préserver la fraîcheur de l’air. Sur Terre, l’air circule naturellement en raison de la convection. La convection, c’est quand l’air chaud se déplace vers le haut et l’air froid se déplace vers le bas à cause de la gravité. Sans gravité, l’air ne circulerait pas. Elle donnerait une impression de renfermé et de lourdeur.

L’eau à bord de la SSI

L’ECLSS peut recycler environ 90 % de l’eau utilisée par les astronautes. L’eau ainsi recyclée n’est pas potable immédiatement. Elle doit d’abord être purifiée. Le système de traitement de l’eau recueille l’eau tirée du système Sabatier. Il collectionne aussi l’eau utilisée pour le lavage, la vapeur d’eau produite par la transpiration et même l’urine. Le système de traitement de l’eau produit de l’eau pure pour boire, préparer les repas, se laver les mains et se laver. Une partie de cette eau est aussi acheminée vers le système de production d’oxygène.

Bottles containing urine, purified water, and other liquids as part of the steps of the ECLSS program
Bouteilles contenant de l’urine, de l’eau purifiée et d’autres liquides utilisés dans le processus du programme de l’ECLSS (source : image du domaine public de la NASA).
Image – Version texte

Photo en couleur de bouteilles de liquides (teint caramel) et d’une main qui sort d’une manche blanche.
Il s’agit de quatre béchés de laboratoire gradués en verre fermés d’un bouchon. Chacun contient un liquide jaune pâle. La main penche légèrement la bouteille de gauche sur sa gauche, comme si la personne examinait son contenu de plus près.

Le savais-tu?

On peut penser qu’il est plutôt dégoûtant de recycler de l’urine, mais l’eau produite par le système Sabatier est tout à fait pure. Sur Terre, même le meilleur système de filtration n’atteint pas les mêmes résultats!

Même avec le meilleur système de recyclage, les astronautes n’ont pas encore assez d’eau à leur disposition. La Terre doit en envoyer dans l’espace. Pour éviter cette situation dans l’avenir, la NASA tente d’améliorer l’ECLSS afin que les systèmes de traitement de l’air et de l’eau fonctionnent ensemble. Ils formeraient ainsi une boucle fermée. L’air et l’eau y seraient entièrement recyclés pour combler les besoins des astronautes.

Le savais-tu?

Le système russe de traitement de l’eau issue de la condensation récupère la vapeur d’eau contenue dans l’air à bord de la SSI, mais ne recycle pas l’urine comme l’ECLSS.

[Vidéo] Le recyclage de l'eau à bord de l'ISS (2013) par l'Agence spatiale canadienne.

La nourriture à bord de la SSI

Tout ce que les astronautes mangent est envoyé à partir de la Terre, ce qui fait de la SSI un système ouvert. Consultez notre article « Les aliments dans l’espace : l’alimentation des astronautes à bord de la SSI et au-delà » pour en savoir plus sur ce que les astronautes mangent à bord de la station.

Les déchets à bord de la SSI

Les emballages, les contenants, les sacs en plastique, les lingettes hygiéniques, les vêtements usagés et les matières fécales comptent parmi les déchets solides à bord de la SSI. Tous les déchets sont recueillis et entreposés, puis placés dans un vaisseau de ravitaillement vide après la livraison des produits. Lorsque le vaisseau rempli de déchets pénètre dans l’atmosphère terrestre, tout brûle – incluant le véhicule. À bord de la SSI, la gestion des déchets est un système ouvert, car tous les déchets sont renvoyés vers la Terre.

[Vidéo] Laboratoires, toilettes, chambres à coucher... visite guidée de l'ISS (2012) par Le Monde (5m 32s)

La NASA tente de réduire la quantité de déchets solides à bord de la SSI en utilisant moins d’emballages et en trouvant des façons de réutiliser les emballages dans l’espace. Par exemple, certains emballages pourraient être réutilisés tels quels ou fondus et transformés en tuiles pour la construction d’abris. Ce sera important pour les longues missions à venir, comme les expéditions sur Mars.

Un système de survie entièrement fermé? MELiSSA y travaille

L’Agence spatiale européenne coordonne un projet de recherche international appelé « micro système de soutien-vie écologique », ou MELiSSA (pour Micro-Ecological Life Support System Alternative). Son objectif est de créer un système de survie complètement fermé qui pourrait être utilisé lors des voyages dans l’espace. MELiSSA est un écosystème artificiel basé sur le modèle d’un écosystème aquatique. Pour grandir, les plantes et les algues placées dans le système pourraient se nourrir des nutriments extraits des déchets humains ainsi que de dioxyde de carbone et d’oxygène. Le système MELiSSA n’est pas tout à fait prêt pour la SSI, mais les résultats préliminaires sont prometteurs.

Vidéo ( en anglais) de Agence spatiale européenne

Le savais-tu?

Une équipe de chercheurs canadiens de l’Université de Guelph fait partie des partenaires internationaux du projet MELiSSA. Ces chercheurs possèdent un grand savoir-faire quant à la culture de plantes en milieu fermé.

Avec l’arrivée imminente des missions de longue durée, la notion des 3R (réduire, réutiliser, recycler) devient indispensable. Décidément, les écosystèmes fermés seront un élément crucial des longs voyages vers des destinations comme Mars.

En savoir plus

Le recyclage de l'eau à bord de l'ISS (2013) Agence spatiale canadien
Cette vidéo (1min 54s) présente Chris Hadfield qui explique comment l’ISS recycle l’eau.

L'hygiène personnelle dans l'espace (2019) Agence spatiale canadien
Cette page inclut de l’information sur les méthodes d'hygiène personnelle employées par les astronautes.

Chris Hadfield montre comment les astronautes se lavent les mains en apesanteur (2013) Agence spatiale canadien
Cette vidéo (1m 46s) présente Chris Hadfield qui montre comment les astronautes se lavent les mains dans l’espace.

Comment Thomas Pesquet essaie de faire pousser des plantes sur l'ISS (2021) Le Huffington Post
Cette vidéo (1min 35s) partage le jardin de Thomas Pesquet dans la station spatiale internationale avec les téléspectateurs.

Découvrez les toilettes ultra-perfectionnées... à 20 millions d'euros qui décollent pour la Station spatiale cette nuit (2020) Futura-sciences
Cet article qui comprend aussi une vidéo explique comment fonctionne la nouvelle toilette pour les astronautes sur l’ISS.

Références

Astrobiology Magazine (2015). An Ecosystem in a Box.

Broyan, J.L. (2010). International Space Station Crew Quarters Ventilation and Acoustic Design Implementation. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Retrieved from https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20100017014/downloads/20100017014.pdf

Carrasquillo, R. (2013) ISS Environmental Control and Life Support System (ECLSS) Future Development for Exploration2nd Annual ISS Research and Development Conference.

European Space Agency (n.d.). MELiSSA: Targets and Scientific Domains.

NASA (n.d.). Veggie. NASA Facts.

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