Des Conditions de Vie Terrestres

Pour pouvoir vivre tranquillement dans l’habitat, il faut que celui-ci recrée des conditions de vie terrestre.

On en a choisi deux d’indispensables : l’atmosphère et la gravité.

L’atmosphère terrestre n’est qu’une enveloppe gazeuse recouvrant la Terre. L’atmosphère est composée de 78% de diazote, de 21% de dioxygène, de 0,93% d’argon et de 0,04% de dioxyde de carbone. Il y a aussi d’autres gaz, mais leur pourcentage est négligeable par rapport au reste.

L’atmosphère nous protège des radiations solaires et tempère notre planète. L’atmosphère nous permet aussi de respirer, aspect fondamental de notre vie. Au niveau de la mer, elle à une pression de 101 325 Pascals.

Dans l'habitat il faudrait avoir aussi une pression autour de 101 325 Pascals, comme sur la Terre, pour éviter de problèmes majeurs.

L'atmosphère de notre habitat serait composée de dioxygène et de dioxyde de carbone.

On va voir comment on produit le dioxygène dans l'ISS.

L'OGS

La station spatiale internationale a plusieurs équipements de soutien de vie mais un des plus importants est l’OGS, Oxygen Generation System. Ce système de production d’oxygène emploie 23 litres d’eau, produit environ 5kg d’O2 (pour 4 personnes), et utilise 698 amps ampères par jour. Actuellement, l’ISS utilise le système russe Elektron qui emploie le principe de l'électrolyse, comme l’OGS. Ce système consiste en diviser l'eau en ses deux constituants, l'oxygène et l'hydrogène. L'oxygène est alors libéré dans l'atmosphère de la Station et l'hydrogène est rejetée dans le Réacteur Sabatier, un autre instrument de la station qui combine du H2 avec du CO2 pour créer de l’eau et du méthane. L’eau produite revient dans le générateur d’oxygène et le méthane est rejeté dans l’espace. Cependant l’Elektron, produit des quantités d’oxygène bien plus inférieures à celles du modèle américain, et c’est pour cette raison qu’il sera remplacé.

Cet équipement utilise un procédé électrolytique appelé électrolyse, pour générer du dioxygène et ainsi permettre aux astronautes de respirer. Lorsqu’on lance l’électrolyse, une réaction chimique se produit dans les cellules électrolytiques: à l’intérieur, au niveau de la cathode on observe une production d’ions hydroxyde et dans l’anode une production d’ions oxonium. Nous observons des réactions ayant lieu aux électrodes :

A l'anode (lieu de l'oxydation) : 2 H2O (l) ——> O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-

A la cathode (lieu de la réduction) : 2 H2O(l) + 2 e-——> H2(g) + 2OH-(aq)

L'équation bilan de l'électrolyse de l'eau est donc :

2 H2O (l) ——> O2(g) + 2 H 2(g)

Les plantes sont utilisées dans l’espace pour des raisons de recherches et de soutien de vie, elles ont plusieurs applications comme le renouvellement de l’air dans une station et peuvent jouer un rôle psychologique positif pour les voyageurs. Ces végétaux sont cultivés dans un jardin spatial spécifique dans lequel il s’exerce un champ de microgravité, et dans lesquels ont les éclaire avec des lumières rouges et bleues, car ce sont les couleurs que les plantes utilisent le plus pour la photosynthèse.

L'electrolyse

Plantes cultivées dans l'espace

La photosynthèse est la synthèse de matière organique (contenant du carbone), notamment des sucres, à partir de l'eau (H20) puisée dans le sol par les racines et du dioxyde de carbone (CO2) capté dans l'air par les feuilles. Cette réaction produit de l'oxygène (O2), rejetée dans l'atmosphère. Ce processus se réalise grâce a la lumière (photons) capté par les plantes, du contraire s’il n’y a pas de lumière, la photosynthèse ne se produit pas.

L'écosystème des plantes

Pour voir si les plantes peuvent être utiles pour la vie à long terme dans l’espace, nous avons réalisé une expérience dans laquelle nous avons calculé combien d’oxygène peut produire un végétal chlorophyllien et combien de dioxyde de carbone il absorbe lorsqu’on le stimule avec une source lumineuse pendant 5 minutes.

La photosynthèse

Notre montage

Pour cela nous avons utilisé un agitateur magnétique et son aimant, des sondes à oxygène et à dioxyde de carbone, un végétal chlorophyllien, un système EXAO et une source lumineuse. Lors de l’expérience, nous avons commencé par découper le végétal en petits morceaux fins grâce à des ciseaux fins. Puis nous les avons déposés sur la balance pour mesurer leur poids. On a obtenu 3 grammes. Après nous avons connecté les sondes d’oxygène et de dioxyde de carbone avec l’ordinateur et nous avons ouvert le logiciel Latis Pro. Ensuite nous avons disposé les sondes dans le récipient contenant de l’eau, 3g du végétal chlorophyllien et l’aimant. On à mis en marche l’agitateur magnétique et commencé à mesurer les nivaux de O2 et de CO2 présents dans l’eau. Cinq minutes après, l’expérience était terminée.

Les résultats obtenus nous ont montré que 3g du végétal chlorophyllien produit environ 1,8mg/L d’oxygène dissous dans l’eau et absorbe 0,5mg/L ESTO ???d’oxygène.

Pour savoir combien d’oxygène respirable cette plante avait produit nous avons d'abord calculé sa masse en utilisant la quantité d’oxygène dissous dans l’eau et le volume du récipient:

(1,8x10^-3 g x 2,0x10^-2 L)/1 L = 3,6x10^-5 g.

Puis nous avons calculé la quantité de matière de l’oxygène, pour ainsi pouvoir calculer le volume:

n= m/MO2= 3,6x10^-5 g /32 g.mol-1= 1,1x10^-6 mol.

Finalement nous avons calculé le volume, sachant que nous étions dans des conditions standard de température et de pression:

Vm= V/n = Vm x n02= 24L/mol x 1,125 x10^-6 mol= 2,7 x10^-5 L.

Le végétal chlorophyllien a produit 2,7 x 10^-5L d’oxygène en 5 minutes.

Puis nous avons fait les mêmes calculs pour le CO2:

(O,5x10^-3 g x 2,0x10^-2 L)/1 L = 1x10^-5 g

En ayant la masse nous avons calculé la quantité de matière:

n= m/MO2= 1x10^-5g/12 g.mol-1= 9x10^-7 mol.

Enfin on a vu le volume du dioxyde de carbone restant:

Vm= V/n = Vm x nCO2= 24L/mol x 9x10^-7 mol= 2x10^-5 L.

Après avoir effectué ces calculs nous avons trouvé quelle quantité d’oxygène a produit un végétal chlorophyllien en 5 minutes. En sachant combien il a produit, on peut trouver la masse nécessaire du végétal pour répondre aux nécessités d’un homme adulte

Notre montage vu du haut

L'O2 augmente

Le CO2 diminue

Pour cela, il faut d’abord convertir la quantité d’oxygène produite en litres par minutes au lieu de litres par cinq minutes:

2,7x 10^-5L/5= 5,4x10^-6L/min.

Puis, sachant que l’oxygène consommé par un homme adulte au repos est de 0,015 L/min, nous pouvons faire le produit en croix:

3g ——> 5,4x10^-6 L/min.

x ——> 0,015 L/min.

x= (0,015 L/min x 3g) / 5,4 x10^-6 L/min

x= 8333 g = 8,3 kg.

Nous avons fait les calculs avec la quantité de dioxyde de carbone absorbé, mais c’étaient des quantités trop négligeables en comparaison avec ce que l’homme produit.

Finalement, nous avons pu observer qu’utiliser les plantes pour produire de l’oxygène dans une station spatiale est difficile, puisque pour chaque astronaute de la station nous aurions besoin d’amener 8,3 kg du végétal, ce qui n’est pas du tout viable.

Cependant, lorsque nous avons allumé l’agitateur magnétique, nous avons remarqué que l’aimant « sautillait », ceci peut fausser les mesures. De plus, des bouts de plante sont restés coincés sous la sonde, ce qui peut également fausser les mesures.Il faut aussi penser à que nos avons mesuré l’efficacité de la partie productive des plantes, en O2 produit par Kg, sans tenir compte des parties non productives de la plante, comme les racines, qui ont aussi un poids mais qui ne produisent pas de O2.

Photo de près pour aprécier le morceau de plante touchant la sonde

On voit que l'ectrolyse est plus éfficiente que les plantes. Mais, il nous faut une source de O2 qui ne consomme pas d'éléctricité. De plus, les plantes purifient l'air, en absorbant le CO2, c'est la photosynthèse. Le problème est que les plantes ne font pas la photosynthèse lorsqu'elles sont dans l'ombre où très loin du soleil.

Plus tard on comprendra l'intéret d'apporter des plantes pour completer l'ecosystème.

L'éléctrolyse est très intéréssante pour obtenir de l'Hydrogène, dont son utilité sera expliquée plus tard.

Pour vivre de façon indéfinie dans l'espace, il nous faudrait apporter des plantes, pour avoir une source de O2 constante, mais prévoir aussi une machine à éléctrolyse pour les moments où aucune source lumineuse éclaire les plantes.

Le corps humain a évolué sur la Terre depuis plus de 200 000 ans et dépend de sa gravité et de ses paramètres pour sa survie. Comme la Terre produit de sa masse une force gravitationnelle g de 9,8m/s^2 et l’Homme a évolué a la surface de cette planète subissant cette force, on réalise que le corps humain a besoin de subir la gravité terrestre pour bien fonctionner.

Comme expliqué avant, les astronautes, pendant leur voyage dans l'espace doivent faire attention a luer physiologie puisque leur corps ne s’adapte pas bien aux conditions de gravité zéro. De plus, cela leur occasionne beaucoup de souffrances lors de leurs premiers jours sur Terre après leur retour.

Quand les progrès techniques dans le domaine de l'exploration spatiale nous permétront d’aller plus loin, plus vite et plus longtemps , il faudrat àméliorer l’habitat des astronautes pour que les cosmonautes soient en bonnes conditions.En conséquence, il faudrat développer un moyen de transport qui soit capable de produire une gravtié artificielle égale à 9,8g.

La gravité artificielle est une simulation de la gravité dans l'espace ou en chute libre. Elle facilitera les voyages dans l'espace en évitant les problèmes liés à l'impesanteur.

Il existe plusieurs méthodes pour créer une gravité artificielle, plus ou moins difficiles à mettre en œuvre:

Accélération:

En accélérant continuellement selon une ligne droite, le vaisseau crée une force sur les objets internes, simulant une gravité dans le sens contraire à l'accélération.

Cette méthode nécessite un approvisionnement permanent en énergie, une délicate procédure de retournement du vaisseau sur lui-même à mi-chemin, suivi d’une décélération constante jusqu’à destination, et enfin l’impossibilité de modifier l’intensité de la gravité artificielle sans altérer le planning du voyage.

La Terre:

5,9736×10^24 Kg

Masse:

Une autre solution pour créer une gravité artificielle est d'installer un objet très dense dans le vaisseau spatial pour qu'il puisse créer son propre champ gravitationnel, et attirer les objets vers lui. Un gros astéroïde ne peut créer que des millièmes de g. De plus, la masse supplémentaire ajoutée au vaisseau spatial doit être déplacée avec lui, ce qui augmente la consommation énergétique lors des déplacements.

Pour créer une gravité similaire à celle de la Terre, il nous faudrait une masse similaire à celle de la Terre. Ceci serait nécessiterait une énorme quantité de matériau, de main d'oeuvre, de temps et d’argent. De plus, le déplacements consomeraient trop d’energie.

Rotation:

Le vaisseau peut tourner sur lui-même pour créer une force centrifuge. Il suffit de faire tourner un habitacle cylindrique à une vitesse précise pour utiliser la force centriopète pour donne l’illusion de la prèsence d’une force gravitationnelle.

Tout objet à l'intérieur du vaisseau est attiré vers la surface du vaisseau, vers l’extérieur, mais bloqué par le mur extérieur du vaisseau. Ce mur serait donc le sol et tout objet à l’intérieur serait attiré vers ce sol , créant donc une gravité artificielle.a rotation du vaisseau sur lui-même.

Une fois la rotation lancée, celle-ci ne nécessite pas ou que très peu une alimentation en énergie, et peut être facilement modifiée sans altérer le planning du voyage.

Actuellement,il y a un problème de taille. Selon John Page, spécialiste en conception aérospatiale à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (Australie), l’ampleur d’un tel engin poserait quelques problèmes.

<<Plus le vaisseau spatial est petit, plus vite il doit tourner. Si vous devez générer de la gravité, il faut que ce soit fait avec un très grand vaisseau qui tourne très lentement. Plus grand est le disque, plus lentement vous avez à le faire pivoter. De plus, cela sera désorientant si votre navire dispose de quelques fenêtres.>>

Ce sont les forces de Coriolis produites par la rotation peuvent donner le vertige, des nausées, ou désorienter. Un taux de rotation plus faible réduirait les forces de Coriolis, et donc ses effets. Un taux de 2 tours par minute permet d'éviter les problèmes liés aux forces de Coriolis. Un taux de 7 tours par minute est trop élevé.

Pour construire une colonie spatiale, on a déjà vu que l'habitat doit être de grande taille.Cependant, la gravité par rotation à d'autres limites. Comme par exemple:

-Gradients de gravité : la gravité créée varie en fonction de la distance au centre de rotation. Si la vitesse de rotation est élevée, la tête et les pieds ne ressentent pas la même gravité. Cela difficulte la coordination.

-Controle de rotation : La gravité du vaisseau dépend directement de la vitesse de rotation, il faut donc un système de propulsion pour accélérer ou ralentir la vitesse de rotation. De plus, si certaines parties du vaisseau ne tournent pas, le frottement et le moment diminuent la vitesse de rotation. Il faut donc des moteurs ou des volants d'inertie pour compenser les pertes en accélérant ou freiner certaines parties du vaisseau.

Schémas de la force Centrifuge

Gâce au document PDF du collège de Maisonneuve, on peut trouver la relation entre la gravité, le rayon et la période.

"Station Centrifuge Gravity Simulation 196x NASA color 3min"

Éxpérience sur la gravité artificielle où un ingénieur de la NASA se promène en apesanteur simulée autour d'une maquette à l'échelle 1 de 7,3 m de diamètre de la station spatiale en 1964.Space

Afin de générer une gravité artificielle, on se demande quelle est la meilleure des solutions.

Une gravité par masse serait irréalisable car elle nécessite une quantité démesurée de ressources.

L’accélération constante du vaisseau pendant son trajet consommerait aussi beaucoup de ressources, et même si réalisable, cette méthode est tropdangereuse et difficile à gérer dès le moindre incident. De plus, cette méthode ne peut pas être utilisée pour une station spatiale orbitant un corps.

La rotation du vaisseau sur lui-même demeure un peu chère à se mettre enplace, mais elle peut être utilisée pour n'importe quel véhicule spatial,consomme peu de ressources pour sa manutention, donne une gravité constante etne suppose aucune difficulté majeure pour manœuvrer.

On choisi alors la méthode consistant à faire tourner le vaisseau sur lui même.

Une Station Spatiale Toroïdale,

tournant sur elle même pour génèrer une gravité artificielle