par association Planète Mars

Composition de l'air

1. Introduction

La composition de l'air dans les capsules et les stations spatiales a toujours été une question difficile. Par exemple, pour les stations Mir et ISS, le choix était de copier l'atmosphère terrestre, soit environ 80% d'azote et 20% d'oxygène à une pression de 1 bar. Pour la station Skylab, c'était 74% d'oxygène et 26% d'azote à une pression de 350 millibars. Enfin, pour le module de commande des missions Apollo, c'était de l'oxygène pur à 5 psi (344 millibars), comme dans les scaphandres. Quelle est donc la meilleure solution en fonction de l'usage, en orbite ou sur une surface planétaire ?

2. Incroyable manque de maturité

Forts de plusieurs décennies à exploiter des stations orbitales telles que Salyout, Skylab, Mir, ou l'ISS et à aller sur la Lune, on pourrait croire que ce domaine est mature et qu'on sait ce que seront les choix des missions lunaires ou martiennes, mais ce n'est pas le cas. Lors de la conférence IAC (International Astronautical Congress) de 2024, la question suivante a été posée à un responsable du programme Artemis du retour vers la Lune (traduite de l'Anglais) :

Cette réponse illustre la complexité et l'indécision des experts sur ce sujet. De façon surprenante, les stations orbitales ont été exploitées pour de nombreuses expériences scientifiques, mais pas pour tester différentes options pour la composition de l'air, qui est pourtant une problématique fondamentale. En ce qui concerne l'ISS, la raison invoquée est que les systèmes de contrôle ont été paramétrés pour une atmosphère spécifique et il y aurait donc un risque à tester autre chose. La composition de l'air et la pression ont donc été choisies identiques à celles de l'atmosphère terrestre et ces valeurs n'ont jamais changé. Pour les missions lunaires ou martiennes, c'est un choix possible, bien entendu, mais il a plusieurs inconvénients majeurs :

En conséquence, le choix atmosphérique de l'ISS n'est probablement pas celui qui sera retenu pour les missions lunaires ou martiennes habitées.

3. Principes généraux

Les humains ont besoin d'oxygène pour vivre. L'oxygène doit arriver aux poumons, traverser les alvéoles pulmonaires et diffuser dans les capillaires avant d'être transmis à tous les organes du corps grâce à la circulation sanguine. La pression partielle d'oxygène ne doit pas être trop faible, sinon l'oxygène ne peut pas traverser efficacement les alvéoles pulmonaires, avec des conséquences potentiellement néfastes pour la santé. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 1 bar (elle fluctue un peu en fonction des conditions météorologiques). Le taux d'oxygène dans l'air étant de 21%, la pression partielle d'oxygène est de l'ordre de 210 millibars. En haute montagne, la pression est plus faible. Au-dessus de 3000 mètres, où la pression est inférieure à 700 millibars, il existe des effets nocifs de l'oxygène sur le long terme, ce n'est donc pas conseillé. Sous 3000 mètres, le corps peut s'adapter à ces faibles pressions, mais le système cardiovasculaire a plus de difficultés à capter l'oxygène, ce qui a un impact sur la performance de certaines activités et la fatigue. Il est souhaitable que la pression partielle d'oxygène permette un confort similaire à celui ressenti au niveau de la mer. Lorsque l'air pénètre dans les poumons, il se mélange à l'air résiduel riche en vapeur d'eau avant d'atteindre les alvéoles (Richalet 2020). La pression inspirée en oxygène est donc donnée par la formule suivante :

Au niveau de la mer, la pression partielle d'oxygène qui arrive aux alvéoles est de 197 millibars. L'azote est présent dans l'air, mais il n'est pas consommé. Théoriquement, on pourrait donc envisager une atmosphère constituée uniquement d'oxygène. La formule ci-dessus peut être exploitée pour déterminer la pression d'oxygène nécessaire pour atteindre le même confort respiratoire. On montre ainsi qu'il faut une pression d'oxygène extérieure de 260 millibars. Une remarque cependant, l'utilisation de l'oxygène pur a peut-être des effets non désirables sur d'autres paramètres physiologiques. Nous y reviendrons. Enfin, on peut noter que l'oxygène ne doit pas non plus être en excès. Il existe en effet de nombreux effets toxiques de l'oxygène, bien connus dans le domaine de la plongée, qui se manifestent à partir de 0,6 bar de pression partielle d'oxygène. L'effet Lorrain Smith se traduit notamment par une irritation des poumons liée à la capacité oxydante de l’oxygène, qui entraine par la suite une toux, une sensation de brûlure et des difficultés à respirer.

4. Expérience des missions Apollo

Pour les missions Apollo, les choix de la composition de l'atmosphère et de la pression ont été difficiles. Grâce à l'expérience des programmes Mercury et Gemini, et des tests de 1 à 2 semaines sur les humains, l'atmosphère composée d'oxygène pur a été retenue. Mais au-delà de 15 jours, les doutes subsistaient. Une référence importante de la NASA va nous apporter un éclairage complémentaire (Michel et al, 1973) : des tests de validation de l'atmosphère ont été réalisés en chambre sous-pressurisée, d'une durée allant jusqu'à trente jours. Ces études ont montré que cette atmosphère était associée à de légers troubles tels que l'atélectasie auriculaire, l'irritation oculaire et la congestion nasale, mais en général de façon passagère et plutôt au début de l'expérience (Herlocher et al, 1964). Des examens médicaux associés aux vols spatiaux habités Gemini montraient des changements hématologiques. Une diminution constante de la masse des globules rouges a même été observée (Michel et al, 1973). Bien que les causes n'aient pas été complètement comprises, elles n’ont pas été considérées comme un obstacle à l’utilisation d’oxygène pur pour les missions Apollo en raison de leur durée limitée. Aujourd'hui, on sait que les séjours en microgravité ont un impact sur de nombreux paramètres physiologiques, ce qui relativise les effets de l'oxygène.
Il convient de rappeler que le 27 janvier 1967, un terrible accident a eu lieu lors de l'entrainement des 3 astronautes dans le module de commande. Celui-ci était pressurisé à 1 bar avec une atmosphère essentiellement constituée d'oxygène. Une étincelle a eu lieu et les astronautes sont morts brûlés vifs. L'analyse de l'accident a conclu qu'une telle atmosphère, sous une telle pression, était très inflammable et donc très dangereuse. Pour éviter que cela ne se reproduise, la NASA avait dans un premier temps décidé d'introduire un gaz neutre, comme l'azote. Mais après avoir étudié l'impact sur la masse et sur la complexité du contrôle de l'atmosphère, elle s'est ravisée. Au lancement, le module était pressurisé à 1 bar avec une composition atmosphérique comportant beaucoup d'azote, puis, arrivé en orbite, l'air était évacué et remplacé par de l'oxygène pur avec une pression totale de 340 millibars. A une telle pression, l'inflammabilité est bien moindre qu'à 1 bar. Le danger de l'incendie était donc faible, d'autant plus qu'un effort important avait été fait dans le choix des matériaux, en tenant compte du critère d'inflammabilité. Le choix de l'oxygène pur permettait d'une part de simplifier les mécanismes de contrôle et de ne pas perdre de temps pour revêtir un scaphandre et sortir en extérieur. On peut noter qu'une pression plus faible aurait pu être choisie, mais, par prudence, la NASA voulait plus de résilience sur le danger des fuites d'air. En cas de décompression, les astronautes avaient donc un peu de marge avant de se retrouver dans l'incapacité de respirer. De plus, un léger excès d'oxygène n'est pas nocif si l'exposition n'est que de quelques jours et améliore le confort respiratoire de l'astronaute, même dans les endroits les plus confinés du vaisseau, où la ventilation est moins efficace et le gaz carbonique et la vapeur d'eau s'accumulent un peu.

5. Quelles options ?

Pour les stations orbitales, un air semblable à celui de la Terre est une option intéressante parmi d'autres, mais pour l'exploration planétaire, elle est inadaptée. Concernant l'option oxygène pur, on retiendra que pour une durée de 2 semaines, c'est une option tout à fait acceptable. Pour une mission de longue durée, en revanche, une incertitude demeure sur les effets long terme. Une telle atmosphère a un pouvoir oxydant très important et les spécialistes redoutent que sur le long terme, des effets néfastes soient observés, éventuellement associés à d'autres organes du corps humain comme les yeux, ou les oreilles. Le graphe ci-dessous, extrait de l'étude NASA (NASA 1994), comporte une zone grisée dans laquelle nous avons ajouté un point d'interrogation. En effet, au jour d'aujourd'hui, on manque de données permettant de conclure sur l'acceptabilité long terme d'un air composé d'oxygène pur à une pression de l'ordre de 300 millibars, auquel on rajouterait 1 ou 2% d'humidité pour éviter un air trop sec. Par précaution, et pour éviter toute responsabilité en cas de découverte d'une nuisance sur le long terme, les spécialistes suggèrent d'ajouter un gaz neutre comme l'azote, mais il n'y a pour le moment aucune preuve d'existence de ces nuisances. De plus, d'autres paramètres sont à prendre en compte, comme le degré d'humidité et la ventilation, qui ont un impact physiologique non négligeable.

6. Conclusion

En conclusion, tant que des études complémentaires ne seront pas menées pour vérifier l'acceptabilité de l'option oxygène pur à pression réduite, on restera dans l'expectative. Le cas échéant, il faudrait ajouter un peu d'azote, ou un autre gaz neutre, mais le minimum à ajouter n'est pas déterminé non plus. La question reste ouverte et il est par conséquent urgent que les acteurs du spatial habité s'en saisissent pour préparer comme il se doit les voyages habités les plus lointains. Remarque : La "limite Armstrong" est souvent avancée comme limite physiologique liée à la pression. Elle correspond à l'altitude d'environ 19000 mètres, à laquelle la pression atmosphérique est si basse, de l'ordre de 62 millibars, que l’eau bout à la température du corps humain, ce qui implique une mort rapide. On en est ici très loin, puisque la pression suggérée comme minimum pour respirer sans effort est de 260 millibars.

Références