Contexte

Les astronautes qui partiront en mission de longue durée devront disposer d’aliments nutritifs. Cependant, ils auront également besoin de ce qui suit :

  1. Une atmosphère respirable, autrement dit d’une quantité suffisante d’oxygène sous une forme qui ne présente aucun danger (diluée avec de l’azote), d’un taux d’humidité confortable et d’air qui ne contient pas de gaz dangereux.
  2. Une source adéquate et fiable d’eau.
  3. Une méthode de chauffage.
  4. Un environnement qui protège contre les rayons cosmiques et la lumière ultraviolette.

Astronauts in a simulated experimental greenhouse on Mars

Figure 1 : Astronautes dans une serre expérimentale simulée à la surface de Mars (porte du sas enlevée).

Pour que ces conditions soient respectées, les explorateurs spatiaux du futur devront vivre dans des habitats spécialement conçus pour assurer un milieu de vie confortable. Bon nombre de ces éléments essentiels à leur confort, dont l’air et l’eau, sont relativement rares dès que l’on quitte la Terre et devront faire partie de l’ensemble des éléments qu’ils emporteront au cours de ce long voyage. Emporter des réserves – des vivres, de l’eau et de l’air – coûte très cher. À la Station spatiale internationale, ces réserves sont réapprovisionnées fréquemment par des navettes américaines ainsi que par des vaisseaux de ravitaillement Progress de la Russie. L’eau destinée à la consommation humaine est recyclée, mais il faudra de l’eau pour cultiver des aliments au cours de voyages à long terme.

La présente activité est ambitieuse. Il est suggéré de l’utiliser comme une démonstration par l’enseignant avec la participation d’un élève pour consigner les observations.

Au cours de cette activité, nous allons examiner l’approvisionnement en air dans le cadre d’un voyage spatial de longue durée ou sur la surface de Mars en construisant des habitats martiens simples. Un habitat sera équipé d’un système de recyclage complet de l’air et l’autre n’aura aucune capacité de recirculation d’air.

On met l’accent sur le recyclage d’air respirable.

Une fois enfermés dans leur vaisseau spatial, les astronautes seront largement tributaires du recyclage de leur air et de leur eau s’ils veulent conserver leurs ressources. Dans un milieu étanche, les mammifères consomment de l’oxygène et produisent du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est toxique, même à des concentrations relativement faibles. L’excédent de dioxyde de carbone dans l’air doit être éliminé et l’oxygène consommé, remplacé.

Pour réduire les niveaux de dioxyde de carbone, nous allons utiliser du charbon activé. Le charbon activé élimine le dioxyde de carbone selon un processus appelé adsorption. Il est à noter que le processus d’adsorption n’est pas le même que celui de l’absorption.

L’adsorption est le processus par lequel les molécules et les atomes se lient à la surface d’un matériau (comme le charbon activé). Il s’agit généralement de liaisons assez faibles, et l’adsorption est un processus facilement réversible.

L’absorption est le processus par lequel les atomes et les molécules s’incorporent à une substance et qui peut entraîner la formation d’une solution. L’absorption n’est pas un processus facilement réversible.

Dans le cadre de la présente activité, nous allons utiliser du charbon de bois qui agira à titre de milieu adsorbant pour éliminer l’excédent de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau dans l’habitat.

Un gramme de charbon activé a une surface comprise entre 500 et 1000 mètres carrés.

Un petit pot contenant 250 grammes de charbon de bois ordinaire pour barbecue représente une surface adsorbante extrêmement grande : au moins 125 000 mètres carrés (12,5 hectares!). Pouvez-vous imaginer que le petit habitat simulé que vous avez construit pour cette activité a une surface équivalente à celle d’une exploitation maraîchère rurale? Bien sûr, vous ne pouvez planter des cultures sur cette surface, mais celle-ci peut adsorber une énorme quantité de dioxyde de carbone.

Dans l’habitat, nous allons utiliser des plantes vertes pour produire de l’oxygène et réduire encore plus les concentrations de dioxyde de carbone dans l’air.