Analyse approfondie de Luca Longo
Éliminez le dioxyde de carbone de l'air: non seulement pour arrêter le changement climatique, mais pour ramener votre peau à la maison. C'est le problème qui tourmente les concepteurs de vaisseaux spatiaux depuis le début de l'ère spatiale.
Les constructeurs de fusées habités ont compris très tôt qu'il ne suffisait pas de fournir aux cosmonautes et aux astronautes un flux constant d'oxygène; à l'intérieur de l'engin spatial, il était également nécessaire d'éliminer le dioxyde de carbone produit par l'équipage. C'était l'un des nombreux problèmes auxquels les concepteurs étaient confrontés pour la première fois. En fait, même dans les sous-marins de l'époque, les deux problèmes étaient simplement résolus en hissant des tubes – des tubas – au-dessus de la surface de la mer pour pomper de l'air frais et expulser l'air vicié: une solution certainement inutilisable dans l'espace.
L'oxygène représente environ 21% en volume de l'air que nous respirons, mais l'organisme humain peut bien survivre même avec des concentrations allant jusqu'à 15-17%. En dessous de ce seuil, la confusion commence à se produire et la capacité à faire des efforts physiques diminue.
Au lieu de cela, le dioxyde de carbone ne représente que 0,04% (400 parties par million) des gaz présents dans l'atmosphère. Mais si nous ne remarquons pas si la concentration en oxygène baisse même de quelques points de pourcentage, dès que le CO2 présent dans l'air que nous inhalons augmente légèrement, notre corps réagit immédiatement en augmentant la fréquence de la respiration. Certaines personnes commencent à ressentir les premiers symptômes (irritabilité et confusion) autour de 0,5% en volume, tandis que toutes ressentent un fort étourdissement lorsque la concentration de CO2 dans l'air monte à 1%.
Pour cette raison, en plus de disposer de bouteilles d'oxygène pour remplacer celle consommée par les astronautes, toutes les navettes spatiales sont équipées de systèmes de captage et d'élimination du dioxyde de carbone: des épurateurs. Chacun de ceux-ci doit pouvoir éliminer le CO2 émis par chaque membre de l'équipage de l'atmosphère de la navette: environ un kilogramme chacun toutes les 24 heures.
Pendant les programmes Mercury, Gemini, Apollo et Shuttle, la NASA a utilisé des épurateurs chimiques. L'air de la cabine était pompé dans des paniers poreux remplis d'hydroxyde de lithium cristallin (LiOH). Le CO2 a réagi en formant du carbonate de lithium et de l'eau et l'air purifié a été enrichi en oxygène prélevé dans des bouteilles sous pression et réintroduit dans la cabine. Le problème était que ces filtres devaient être remplacés périodiquement lorsque l'hydroxyde de lithium s'était complètement converti en carbonate.
Le système n'était pas très pratique et a créé des problèmes lors de la mission Apollo 13, lorsque les astronautes (réfugiés dans le module d'atterrissage en raison de la défaillance de la capsule principale causée par l'explosion des piles à combustible dans le module de service) ont dû s'adapter les conteneurs carrés développés par North American Aviation pour le module de commande aux boîtiers ronds fabriqués par Grumman pour le module lunaire.
Les Soviétiques ont réalisé tous leurs primates spatiaux grâce à un système différent de celui-ci. Déjà dans le Spoutnik 2 de Laika et le Vostok 1 de Gagarine, l'oxygène n'était pas stocké sous forme de gaz sous pression mais à l'état solide sous forme de superoxyde de potassium (KO2). L'air vicié, pauvre en oxygène et contenant du dioxyde de carbone et de l'humidité émanant de l'équipage, a été envoyé dans le conteneur de KO2 provoquant une réaction exothermique qui a capturé l'eau libérant de l'oxygène et de l'hydroxyde de potassium (KOH). L'oxygène a remplacé celui respiré par les cosmonautes tandis que le KOH réagissait avec le CO2 pour former du carbonate de potassium. De cette manière, le dioxyde de carbone et l'eau produits par la respiration ont été éliminés, les instruments ont été maintenus au chaud et l'oxygène nécessaire a été régénéré. L'électricité était nécessaire uniquement pour la pompe, il y avait très peu de pièces mobiles qui pouvaient se briser et il n'y avait pas de gaz sous pression.
Le système fonctionnait bien et avec des dimensions et un poids si petits que le premier Vostok 1 aurait permis à Gagarine de respirer normalement pendant 12 jours, le temps nécessaire à une rentrée balistique dans l'atmosphère au cas où les fusées pour l'abandon d'orbite ne le feraient pas. allumer.
Le département OKB-124 – qui avait conçu cet épurateur multifonction en collaboration avec les techniciens de la marine soviétique – l'a ensuite appliqué aux Voskhods, aux Soyuzs et aussi aux sous-marins, qui grâce à cette invention et le moteur nucléaire pouvaient ainsi rester immergés pendant mois.
Le problème de la construction d'épurateurs efficaces est réapparu lorsque les premières stations spatiales permanentes ont été lancées. Il n'est pas possible d'imaginer d'équiper chacun avec un lot de paniers «jetables» contenant du KO2 ou du LiOH. Pour cette raison, les épurateurs chimiques utilisés dans les nacelles pour développer des systèmes d'adsorption ont été abandonnés.
Ceux-ci ont à l'intérieur un solide poreux très similaire au dioxyde de carbone. De l'air vicié y est pompé et du dioxyde de carbone y adhère. Lorsque ce scotch moléculaire est saturé de CO2, il suffit de fermer les vannes reliant la cabine, de les ouvrir vers l'extérieur pour faire sortir le CO2 et de se disperser dans le vide spatial. Le matériau est maintenant prêt pour un nouveau cycle d'adsorption. Le même système est utilisé pour extraire l'eau émise par la respiration de l'équipage.
D'abord sur Skylab – la station spatiale développée par les États-Unis – puis dans la section américaine de la Station spatiale internationale (ISS), des épurateurs à base de dioxyde de silicium et de cristaux d'aluminium appelés zéolithes ont été installés. Ce sont des tamis moléculaires avec des trous de dimensions précises réalisés sur mesure pour avoir le maximum d'affinité possible pour des molécules d'une certaine taille. En particulier, les Américains utilisent la zéolite 13x (parfaite pour absorber l'eau) en combinaison avec la zéolite 5A (optimisée pour absorber le dioxyde de carbone).
Deux de ces systèmes – appelés Carbon Dioxide Removal Assembly (Cdra) – sont présents à la fois dans le Node 3 et dans le laboratoire Tranquility de la section américaine. Chaque paire d'épurateurs fonctionne en tandem: tandis que l'un des deux adsorbe H2O et CO2 de l'intérieur de la station, l'autre est exposé au vide externe et se débarrasse de ce qu'il absorbait lors du cycle précédent. Le système est assez complexe et – s'il est utilisé en continu – nécessite un entretien périodique car les zéolithes, sous forme de billes, ont tendance à être emportées par les lits d'adsorption et à endommager les turbines. De plus, la poussière de zéolite a tendance à s'accumuler dans les conduits et à provoquer des courts-circuits.
Le système CDRA est ainsi capable de maintenir un équipage de 4 personnes plus quelques cobayes de laboratoire avec une respiration globale de 1,25 être humain.
Les Russes ont adopté un système différent – appelé Vozdukh et installé dans le module de service du segment orbital russe – qui adsorbe H2O et CO2 grâce aux propriétés de base de trois lits d'amine différents. La technologie – plus simple et sans pièces mobiles à l'exception des vannes – dérive de l'expérience des Soviétiques sur les six stations spatiales Salyut puis sur le MIR. La dernière version, installée à bord de l'ISS, est capable de soutenir indéfiniment un équipage de 6 personnes en retirant 3000 litres de dioxyde de carbone par jour.
Le système global de l'ISS est tellement redondant: Vozdukh représente le système principal, tandis que Cdra intervient lorsque Vozdukh est en maintenance. Si tous les systèmes tombaient en panne en même temps, sur le Soyouz, toujours connecté à l'ISS, il existe des laveurs chimiques de l'ancien type, mais toujours capables de supporter un équipage de trois personnes pendant 15 jours chacun. Après l'expérience d'Apollo 13, pour ne rien laisser au hasard, sur les navettes qui ont atteint l'ISS jusqu'en 2011, des adaptateurs étaient également disponibles capables de connecter et de faire fonctionner les autolaveuses américaines avec des paniers russes.
Un autre pas de géant auquel les explorateurs du cosmos devront faire face sera de créer des stations spatiales ou des colonies permanentes – à commencer par la Lune et Mars – dans lesquelles les systèmes de purification devront maintenir indéfiniment un habitat habitable.
Sur la Lune, dépourvue d'atmosphère, il serait possible d'utiliser les épurateurs à deux temps développés sur l'ISS, mais sur Mars le problème est compliqué car l'atmosphère martienne est presque entièrement constituée de CO2, un lit d'adsorbant exposé au L'atmosphère martienne ne se rétablirait pas mais – au contraire – elle serait complètement empoisonnée par la surpression de dioxyde de carbone.
Pour cette raison, à bord du rover Perseverance – lancé le 30 juillet 2020 et qui devrait arriver sur la planète rouge le 18 février 2021 avec la mission MARS 2020 – le MIT et le Niels Bohr Institute ont installé l'expérience d'utilisation des ressources in situ Mars Oxygen. (MOXIE). Cette installation expérimentale devrait démontrer la possibilité de convertir – grâce à l'énergie fournie par le rover – le CO2 atmosphérique martien en monoxyde de carbone et en oxygène avec un électrolyseur à semi-conducteurs similaire à ceux qui transforment l'eau en hydrogène et en oxygène. De cette manière – toujours avec une source d'énergie disponible – il serait possible d'obtenir de l'oxygène directement à la surface de Mars au lieu de le transporter dans des cylindres.
Un processus qui a déjà été testé sur l'ISS est le processus Sabatier. Celui-ci transforme l'humidité dégagée par l'équipage en hydrogène et oxygène grâce à un électrolyseur. Ensuite, l'oxygène peut être respiré par l'équipage ou devenir comburant dans les systèmes de propulsion. L'hydrogène, en revanche, est combiné au dioxyde de carbone produit par l'équipage pour obtenir du méthane et de l'eau avec un procédé catalytique à base de nickel (un catalyseur à zéro km: il est suffisamment présent dans les roches martiennes). Le méthane peut ensuite être mélangé avec de l'oxygène dans le système de propulsion. La stoechiométrie nous dit que même un petit pourcentage d'oxygène supplémentaire reste utilisable pour la subsistance de l'équipage.
Toutes ces technologies peuvent fonctionner pendant les phases de construction de la colonie, mais lorsque la colonie est opérationnelle et que les colons doivent apprendre à se débrouiller indéfiniment sans approvisionnement de la Terre, la meilleure technologie de régénération de l'air sera probablement les systèmes biologiques. Cette dernière – une fois mise en route – aura l'avantage de ne pas nécessiter de maintenance profonde grâce à la capacité de multiplication et d'auto-réparation des mêmes organismes biologiques. Nous en reparlerons bientôt.
Déjà aujourd'hui, nous pouvons rêver à des colonies spatiales équipées d'immenses serres pleines d'herbes, d'arbres ou d'algues, construites non seulement sur des planètes et des satellites mais aussi à bord de gigantesques vaisseaux spatiaux destinés à «l'exploration de nouveaux mondes, à la recherche d'autres formes de vie et de civilisation, pour arriver là où aucun homme n'est allé auparavant. "
Article publié sur eni.com
Cet article est une traduction automatique de la langue italienne d’un article publié sur le magazine Début Magazine à l’URL https://www.startmag.it/energia/come-eliminare-anidride-carbonica-nelle-navi-spaziali/ le Sat, 30 Jan 2021 06:39:19 +0000.