par association Planète Mars

Principes généraux des systèmes de support de vie

1. Introduction

Les systèmes de support de vie comprennent l’ensemble des systèmes permettant de maintenir les paramètres de vie, que ce soit dans un scaphandre, à l’intérieur du module habité spatial, ou dans une base extraterrestre. En Anglais, on parle de LSS (Life Support System) ou ECLSS (Environment Control and Life Support Systems) ou encore ALSS (Advanced Life Support Systems) lorsque des systèmes sophistiqués sont exploités pour recycler certains éléments essentiels comme l’eau.
Le choix des technologies dépend notamment de la durée de la mission, du nombre d'astronautes et des contraintes de masse, de volume et d'énergie. Différentes solutions peuvent être envisagées, depuis le simple stockage des consommables jusqu'à leur recyclage presque complet. Idéalement, pour une mission spatiale de courte durée, ce sont les options qui minimisent la masse totale à emporter qui sont préférées, alors que pour l'établissement de bases permanentes, c'est l'autonomie totale qui est recherchée, avec un recyclage complet des ressources fondamentales comme l'air, l'eau et la nourriture, ce qui conduit à des solutions très différentes.
On classe généralement les systèmes de support de vie en deux catégories : les technologies physico-chimiques, fondées sur des procédés artificiels, et les technologies biologiques, qui exploitent des processus naturels. Ces différentes approches, qui peuvent être combinées, sont détaillées dans plusieurs rubriques. L'image ci-dessous est la couverture d'un rapport de la NASA.

2. Les 7 fonctions principales

Selon les sources, les principales fonctions assurées par le système de support de vie diffèrent un peu. Voir les références 1, 2 et 3. La production de nourriture, typiquement, n'est pas toujours considérée comme fonction du support de vie, ce besoin n'étant pas indispensable sur le court terme et non pris en compte dans les combinsaisons spatiales. Nous proposons malgré tout de l'intégrer dans les fonctions principales.

7 fonctions fondamentales caractérisent les systèmes de support de vie :
1. Stockage et fourniture des gaz respiratoires et de pressurisation.
2. Contrôle de la température et de l'humidité.
3. Contrôle du dioxyde de carbone.
4. Purification de l'air.
5. Gestion de l'eau.
6. Gestion des déchets.
7. Gestion de la nourriture

D'autres fonctions sont parfois associées au support de vie, comme la protection contre les radiations, l'élimination de la poussière provenant de la surface planétaire, le contrôle et l'extinction des incendies, l'éventuel système de simulation de la pesanteur et la gestion complète de l'écosystème lorsqu'il est composé de nombreuses plantes et animaux. Nota bene : les technologies associées à chaque fonctin sont discutées dans des chapitres séparés, suivez les liens.

3. Besoins métaboliques du corps humain

Le dimensionnement d'un système de support de vie nécessite de connaître les flux de matière entrants et sortants du corps humain. Les principales entrées sont l'oxygène, l'eau et la nourriture. Les sorties comprennent le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau produite par la respiration et la transpiration, l'urine et les matières fécales.

Les valeurs moyennes suivantes, exprimées par personne et par jour, donnent des ordres de grandeur pour un adulte. Elles sont issues des données de référence utilisées par la NASA pour le dimensionnement des systèmes de support de vie (référence 4).

Concernant la nourriture et l'eau, il est difficile d'établir les besoins de manière précise, car la part des aliments à réhydrater dépend des aliments choisis et de leur mode de conservation. Rien que pour l'eau, en prenant comme base 3,3 litres par jour et par astronaute, pour une mission d'une durée de 1000 jours avec 5 astronautes, cela représente plus de 16 tonnes à emporter, ce qui est colossal. Pour cette raison, l'eau doit absolument être recyclée et un chapitre du wiki est dédié à la gestion de l'eau. De plus, il faut tenir compte des besoins pour l'hygiène (mains, dents, corps) et d'autres usages (nettoyage du matériel par exemple), qui ne sont pas mentionnés ici mais qui sont malgré tout indispensables.

4. Variabilité humaine

Les besoins physiologiques présentent une variabilité importante, aussi bien entre individus que pour un même individu au cours de la journée. Pour dimensionner un système de support de vie, il faut notamment prendre en compte la morphologie des astronautes, leur activité physique, leur alimentation et les conditions thermiques. Ces facteurs n'affectent pas de la même manière la consommation d'oxygène, les besoins en eau et la production de déchets [4].

Variabilité morphologique. La morphologie des astronautes influence directement leurs besoins métaboliques. La NASA considère des masses corporelles allant de 54 kg pour une femme du 5e percentile à 99 kg pour un homme du 95e percentile, avec une valeur de référence de 82 kg. Les besoins énergétiques dépendent également du sexe, de l'âge, de la taille et de la composition corporelle, notamment de la masse musculaire. Les simulations réalisées par la NASA montrent que, pour une journée type comprenant sommeil, activités courantes et exercice physique, la consommation quotidienne d'oxygène peut varier de 0,62 à 1,13 kg et la production de CO2 de 0,79 à 1,43 kg. Les rejets de vapeur d'eau peuvent varier de 1,41 à 3,29 kg par jour. Ces écarts sont significatifs pour le dimensionnement d'un système de support de vie, en particulier pour les équipements de régénération de l'oxygène, d'élimination du CO2 et de récupération de l'eau. Ces résultats ne représentent toutefois pas une distribution statistique mesurée sur une population d'astronautes.

Variabilité liée à l'activité physique. La consommation d'oxygène et la production de CO2 augmentent fortement pendant l'exercice. Les valeurs de référence de la NASA sont de 0,72 kg d'oxygène et 0,91 kg de CO2 par jour sans exercice, contre respectivement 0,82 kg et 1,04 kg avec exercice. Cela représente une augmentation d'environ 14 % de la consommation quotidienne d'oxygène. Cependant, les variations instantanées sont beaucoup plus importantes : pour un exercice à 75 % de la consommation maximale d'oxygène (VO2max), la NASA retient un débit de consommation d'oxygène de 3,94 g/min, contre 0,568 g/min pour une activité nominale peu intense, soit un facteur proche de 7. Les équipements de régulation atmosphérique doivent donc pouvoir absorber des pointes de production de CO2 bien supérieures aux moyennes quotidiennes.

Variabilité liée à l'alimentation. Les besoins énergétiques dépendent de l'activité et de la morphologie. Une valeur de référence de 12,59 MJ/jour, soit environ 3 010 kcal/jour, figure dans les données NASA [1]. La composition des repas intervient également dans les échanges gazeux. Le quotient respiratoire, défini comme le rapport entre le volume de CO2 produit et le volume d'O2 consommé, varie selon la proportion de glucides, lipides et protéines métabolisés. Il est proche de 0,7 pour l'oxydation des lipides et de 1 pour celle des glucides. La NASA utilise notamment une valeur conventionnelle de 0,92 pour certains bilans métaboliques [4]. Ainsi, à consommation d'oxygène identique, la production de CO2 peut varier selon l'alimentation.

Variabilité des besoins en eau. Les besoins hydriques dépendent de la morphologie, de l'activité, de la température, de l'humidité et de l'alimentation. Une étude publiée dans Science en 2022, portant sur 5 604 individus de 26 pays, a mis en évidence l'influence significative de ces différents facteurs sur le renouvellement quotidien de l'eau corporelle. Les pertes par transpiration sont particulièrement variables et augmentent lors des exercices physiques ou lorsque l'évacuation de chaleur devient difficile. Dans le cas des sorties extravéhiculaires, la NASA recommande de prévoir au minimum 240 mL d'eau potable par heure, avec des réserves adaptées aux situations d'urgence.

Variabilité des rejets. Les quantités d'urine et de matières fécales présentent également des fluctuations importantes. Le volume urinaire dépend notamment de la quantité d'eau absorbée, des pertes par transpiration, de l'alimentation et de la régulation rénale. La NASA retient une production moyenne de matières sèches urinaires d'environ 61 g par personne et par jour, avec une plage de 50 à 75 g. Pour les matières fécales, la quantité d'eau rejetée présente une variabilité particulièrement importante, avec une moyenne de 101 g/jour et une plage rapportée de 53 à 265 g/jour [1]. Ces écarts influencent le dimensionnement des systèmes de collecte, de stockage et de recyclage des déchets.

Conséquences pour le dimensionnement. Il convient de distinguer les besoins moyens, les variations journalières et les pointes instantanées. Les consommations moyennes servent à estimer les réserves nécessaires pour la durée de la mission, tandis que les valeurs maximales prévisibles déterminent les capacités des équipements, notamment pour l'élimination du CO2, l'approvisionnement en oxygène et la régulation thermique. Les systèmes de traitement des eaux usées doivent également pouvoir supporter des variations de débit et de composition. Enfin, les besoins de plusieurs astronautes ne varient pas nécessairement de manière indépendante : des activités physiques simultanées peuvent, par exemple, entraîner des pointes de consommation et de rejet pour l'ensemble de l'équipage.

5. Conclusion

L'écosystème terrestre, qui subvient aux besoins de milliards d'humains, est un exemple parfait de ECLSS, avec un maintien naturel de la composition de l'air, un cycle de l'eau, et un renouvellement durable des cultures et des élevages. En s'en inspirant, on peut concevoir des petits écosystèmes fonctionnels, mais leur fragilité est plus importante. Tout l'enjeu est alors de choisir les bonnes options pour maximiser leur robustesse et leur durabilité. Ces problématiques sont à rapprocher de celles du développement durable dans les régions où l'eau est un élément rare et la production agricole limitée ou difficile. Les solutions préconisées pour les habitats spatiaux ou les bases permanentes pourraient également présenter un intérêt dans certaines régions de la Terre. On parle alors d'usage dual des technologies.
Remarques : on trouve également un système de support de vie dans un véhicule martien pressurisé, ou éventuellement seulement certaines fonctions si le véhicule n’est pas pressurisé. Par exemple, il est possible d’embarquer une réserve d’oxygène et d’en fournir à la demande à un astronaute en scaphandre au moyen d'une interface de connexion.

Références :