Scaphandres martiens

1. Introduction

Il existe déjà une page wikipédia sur les scaphandres ou combinaisons spatiales. Nous allons nous intéresser ici à leurs fonctions et leurs usages, avec un focus particulier sur le contexte d'une surface planétaire et notamment celle de Mars. D'ores et déjà, on peut remarquer que les scaphandres utilisés pour les missions Apollo étaient lourds (100 kg). Sur Mars, il faudra qu'ils soient plus légers, car la pesanteur y est trois fois plus forte et il faudra également qu'ils soient plus ergonomiques et plus robustes à l'usage.

2. Eléments de la combinaison spatiale

Pratiquement toutes les combinaisons spatiales comportent les mêmes éléments. Nous proposons donc de prendre un exemple et de le détailler. Historiquement, l'entreprise américaine ILCDover a conçu les combinaisons spatiales des astronautes américains à bord de la navette spatiale. Ces combinaisons sont spécialement connues pour résister à des différences extrêmes de température (-180 C,+277 C), à la pression du vide et à des microimpacts météoritiques. Elles sont composées de plusieurs éléments adaptables en fonction de chaque individu.

Un costume (LCVG), qui assure le confort intérieur. Nous y reviendrons.
Un premier casque souple interne, avec microphone et écouteurs, est utilisé pour les communications (Communications Carrier Assembly=CCA sur le schéma ci-dessus).
Un deuxième casque intermédiaire, complètement transparent (Helmet), est pourvu d'un dispositif de respiration et de ventilation.
Un troisième casque rigide assure l'étanchéité et la séparation avec le milieu extérieur.
Un élément central, qui entoure le torse.
Deux éléments relativement flexibles pour passer les bras, ainsi que deux gants placés au bout.
Une sorte de pantalon pour les jambes, totalement hermétique, avec des chaussures au bout.
Il existe également une poche nourricière équipée d'une paille, positionnée dans le casque proche de la bouche (IDB sur le schéma). L'astronaute peut y placer le liquide de son choix.
L'air et l'énergie sont stockés à part, dans un système placé au dos de la combinaison (PLSS=Portable Life Support System), non présenté sur le schéma.

Une fois assemblée et pressurisée, la combinaison devient extrêmement rigide. Les mouvements sont assurés grâce à des jointures spéciales au niveau de chaque articulation. Une fonction importante du scaphandre est le maintien d'une température de confort à l'intérieur. Or, le corps humain produit de la chaleur en permanence et les nombreuses couches textiles assurent une isolation quasi parfaite, ce qui implique qu'il y fait rapidement trop chaud. Pour refroidir le corps, on fait circuler de l'eau tiède dans des petits tubes incorporés au vêtement intérieur, appelé pour cette raison vêtement de refroidissement et de ventilation (Liquid Cooling and Ventilation Garment=LCVG sur les schémas ci-dessus et ci-dessous). De plus, pour que la peau puisse respirer correctement, notamment au niveau des extrêmités des membres, on y fait également circuler de l'air. Ces fonctions sont essentielles car les combinaisons peuvent être utilisées jusqu'à 8 heures d'affilées, ce qui explique la présence du liquide nourricier attaché au casque avec un velcro. D'autre part, un slip spécial, très absorbant, permet d'uriner et même de déféquer en préservant un minimum d'hygiène. A noter que c'est ensuite la société Hamilton Standards qui concevait les dispositifs de vie (PLSS) et intégrait toutes les parties.

3. Les différentes couches de protection

Voici les différentes couches de protection de la combinaison de sortie des astronautes de la navette spatiale. Outre les multiples couches d'isolation et de protection, capables de résister à des microimpacts et des déchirures, on y perçoit les petits tubes intégrés dans le costume (LCVG) qui servent à refroidir le corps. Le PLSS assure la circulation et le refroidissement de l’eau :

Circuit fermé du LCVG : une pompe fait circuler l'eau dans les petits tubes du vêtement. Cette eau absorbe la chaleur corporelle, puis revient au PLSS.
Transfert thermique : dans le PLSS, un échangeur transfère la chaleur de l'eau du LCVG vers l'eau du circuit du sublimateur.
Circuit consommable : une partie de cette seconde eau gèle sur une surface poreuse exposée au vide, ce qui absorbe de l'énergie et refroidit l'eau restante. La glace se sublime ensuite en vapeur d'eau, qui est rejetée dans l'espace.

Ce circuit de refroidissement consomme donc de l'eau, de l'ordre de 0,3 litre par heure. Dans le cadre d'une mission planétaire, l'eau étant un élément fondamental à consommer avec parcimonie, il faut une autre solution. La NASA a proposé par exemple le SWME (Spacesuit Water Membrane Evaporator), qui est un évaporateur à membrane destiné à refroidir l'eau du circuit du vêtement LCVG, en remplacement du sublimateur classique. La membrane ne laisse pas passer l'eau, mais laisse passer la vapeur d'eau, et ce mécanisme absorve de l'énergie, donc refroidit l'eau du circuit. Pour Mars, d'autres méthodes seront probablement utilisées, afin de ne pas perdre une goutte, mais c'est une problématique ouverte, qui est également liée à la performance d'isolation du scaphandre. Il est en effet paradoxal de devoir lutter contre la chaleur dans un environnement réputé pour ses basses températures ...

4. Système de support de vie portable (PLSS)

Circuit d'alimentation en oxygène
L'air d'un scaphandre ne contient pas d'azote, il est presque exclusivement composé d'oxygène, ainsi que des gaz expirés par l'astronaute, soit un peu de gaz carbonique et de vapeur d'eau. Le circuit d'alimentation en oxygène fournit l'O₂ nécessaire à la respiration de l'astronaute et au maintien de la pression du scaphandre. Il comprend des réservoirs d'oxygène, des détendeurs, des vannes et des conduites qui acheminent le gaz vers le circuit de ventilation et le système de régulation de pression. Différentes valeurs de pression sont acceptables : la pression nominale du scaphandre EMU de la NASA est de 296 millibars. Pour les Russes, la pression nominale d'un scaphandre Orlan-MKS est de 400 millibars, donc un peu plus, ce qui réduit un peu le temps de préparation. Le scaphandre lunaire Apollo A7L fonctionnait lui à une pression nominale plus faible de 255 millibars, ce qui correspond au minimum d'une respiration sans effort.
Circuit de ventilation et de traitement de l'atmosphère
Ce circuit assure la circulation continue du gaz respiratoire dans le scaphandre. Un ventilateur fait circuler le gaz entre le casque, le volume pressurisé et le système de traitement du PLSS. Une cartouche de contrôle des contaminants élimine le dioxyde de carbone produit par la respiration ainsi que certains autres contaminants. Un séparateur retire l'eau liquide entraînée par le gaz. Le gaz traité est ensuite renvoyé vers l'astronaute. Actuellement, en 2026, les combinaisons utilisées sur l'ISS emploient principalement des cartouches METOX, à base d'oxyde d'argent, régénérables par chauffage. Les cartouches à hydroxyde de lithium (LiOH) restent également une option. Pour les futures combinaisons lunaires, la technologie envisagée est différente : le RCA (Rapid Cycle Amine) utilise deux lits d'absorption du CO₂ fonctionnant alternativement. Pendant que l'un absorbe le CO₂, l'autre est régénéré en exposant son contenu au vide spatial.
Circuit de refroidissement liquide
On l'a déjà expliqué, le circuit de refroidissement liquide est relié au Liquid Cooling and Ventilation Garment (LCVG), le vêtement interne parcouru par de petits tubes en contact avec le corps de l'astronaute. A noter que des capteurs permettent de surveiller la température et le débit. Il existe en général un autre circuit pour l'alimentation en eau du sublimateur, avec un échangeur thermique entre les 2.
Alimentation électrique
Le système électrique fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement du PLSS. Une batterie, par exemple lithium-ion, alimente notamment le ventilateur, la pompe de circulation, les capteurs et les équipements électroniques. Des câbles, des connecteurs et des circuits de commande distribuent l'énergie et permettent le fonctionnement coordonné des différents sous-systèmes. L'autonomie électrique doit être suffisante pour couvrir la durée prévue de la sortie extravéhiculaire et les marges de sécurité associées. La masse d'une batterie est d'environ 5kg.
Instrumentation et surveillance
L'instrumentation surveille les paramètres nécessaires au fonctionnement sûr du scaphandre. Des capteurs mesurent notamment les pressions, les températures et certains débits. La concentration en CO₂ est également surveillée afin de détecter une défaillance du système d'épuration. Une électronique de contrôle collecte ces informations, détecte les anomalies et déclenche les alertes prévues, sonores et lumineuses. L'astronaute peut ainsi identifier une situation anormale et appliquer les procédures appropriées.
Communications
Le système de communication permet à l'astronaute de rester en contact avec les autres membres de l'équipage et le centre de contrôle. Il comprend une radio, une antenne et une interface audio constituée notamment d'un microphone et d'écouteurs intégrés à l'équipement porté sur la tête. Il permet la transmission des communications vocales ainsi que, selon la configuration, de données relatives à l'état du scaphandre.
Structure et interfaces
La structure du PLSS supporte et protège les différents composants du système. Elle assure la fixation du sac à dos sur le scaphandre et intègre les interfaces nécessaires au raccordement des circuits fluidiques et électriques. Des éléments d'isolation thermique limitent les échanges de chaleur non souhaités avec l'environnement spatial. Des vannes permettent d'isoler certains circuits selon les besoins de fonctionnement ou les procédures de sécurité. L'ensemble doit résister aux contraintes mécaniques et thermiques rencontrées pendant une sortie extravéhiculaire.

Il existe généralement des éléments d'interface, par exemple un écran de visualisation placé sur le torse de sorte que l'astronaute puisse le voir en avançant la tête (Display and Control Module des scaphandres de la NASA), des boutons, des connecteurs, etc.

5. Combinaisons du futur

Une future combinaison spatiale martienne devrait être plus légère, plus souple et mieux adaptée à la marche que les combinaisons actuellement utilisées sur l’ISS, qui sont principalement conçues pour travailler en apesanteur. Sa masse pourrait être de l’ordre de 80 à 110 kg, avec une autonomie d’environ 8 heures et une pression interne voisine de 30 à 40 kPa. Elle disposerait probablement d’une batterie lithium-ion, d’un système régénérable d’élimination du CO₂ et d’un dispositif de refroidissement adapté à la faible pression atmosphérique martienne, qui complique l’utilisation des sublimateurs classiques. Elle devrait également offrir une meilleure mobilité des jambes et des articulations, une protection renforcée contre la poussière abrasive et des solutions limitant l’introduction de cette poussière dans l’habitat, éventuellement grâce à un système d'accès dorsal de type suitport. Enfin, contrairement aux combinaisons de l’ISS, elle devrait supporter un grand nombre de sorties répétées, avec une maintenance réduite et une fiabilité élevée pendant toute la durée du séjour martien. Exemples de combinaisons du futur :

Scaphandre à entrée dorsale La NASA a développé un concept de scaphandre à entrée dorsale (rear-entry suit), notamment avec le Z-1, présenté en 2012, puis le Z-2, dévoilé en 2014 (référence 6). Ces prototypes étaient destinés à explorer de nouvelles solutions pour les sorties extravéhiculaires. Ce scaphandre possède une seule ouverture placée dans le dos (le PLSS pivote pour laisser la place) et il faut se plier pour y rentrer. En équipant le véhicule pressurisé d'une interface adaptée ("suitport"), le scaphandre peut être placé en extérieur, tout en ayant la partie dorsale collée au véhicule, permettant ainsi à l'astronaute d'y entrer par cette ouverture. Il suffit alors de refermer une trappe étanche pour que l'astronaute se retrouve dans son scaphandre avant de se désolidariser du véhicule. De manière symétrique, il peut revenir dans le véhicule par cette interface. L'avantage majeur de cette solution est d'éviter de faire rentrer de la poussière, potentiellement invasive et corrosive. Cependant, elle comporte également plusieurs inconvénients, dont la masse, l'encombrement, l'adaptation morphologique, et la complexité mécanique. Source de l'image : NASA, 2006, via Wikimedia Commons.
BioSuit — MIT
Le principe est de remplacer la pressurisation de tout le volume intérieur du scaphandre par une contre-pression mécanique : un vêtement très ajusté exerce directement sur la peau la pression nécessaire à la protection physiologique de l'astronaute. Un casque pressurisé reste nécessaire pour la tête et la respiration. L'objectif est de réduire fortement la masse et l'encombrement tout en améliorant la mobilité des bras et des jambes. Voir référence 1 et 2.
SmartSuit — Texas A&M
Ce concept hybride conserve une pressurisation gazeuse, mais lui associe des éléments de robotique souple et une enveloppe extérieure intelligente. Cette dernière doit protéger l'astronaute, détecter certains dommages et éventuellement contribuer à la contre-pression mécanique. Voir références 3 et 4.

6. Conclusion

En conclusion, la conception d'un scaphandre dépend de l'usage qu'on veut en avoir, et le résultat peut être très différent selon qu'on veuille qu'il soit adapté à une station orbitale, la Lune, ou Mars. Dans le premier cas, la masse importe peu, alors que dans les cas planétaire, on exige une ergonomie plus importante, moins de consommables et une robustesse à l'usage. Les 7 fonctions principales du système de support de vie portable sont malgré tout génériques. La différence la plus importante est potentiellement celle du vêtement qui sert d'isolation et d'étanchéité, qui, dans le cas de Mars, pourrait être souple et léger, avec une isolation thermique moins performante. Voir la référence 5 pour des compléments techniques et des informations sur les procédures de sortie en scaphandre.

Références

1. Bethke, K., Carr, C. E., Pitts, B. M., & Newman, D. J. (2004). “Bio-Suit Development: Viable Options for Mechanical Counter Pressure.” SAE Technical Paper 2004-01-2294. https://doi.org/10.4271/2004-01-2294
2. Judnick, D. C., Newman, D. J., & Hoffman, J. A. (2007). “Modeling and Testing of a Mechanical Counterpressure Bio-Suit System.” SAE Technical Paper 2007-01-3172. https://doi.org/10.4271/2007-01-3172
3. Holschuh, B. T. (2014). Mechanical Counter-Pressure Space Suit Design Using Active Materials. Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology. https://dspace.mit.edu/entities/publication/0aeef2f1-a053-432f-8522-684f454d511a
4. Kluis, L., & Diaz-Artiles, A. (2021). “Revisiting decompression sickness risk and mobility in the context of the SmartSuit, a hybrid planetary spacesuit.” npj Microgravity, 7, 46. https://doi.org/10.1038/s41526-021-00175-3
5. Moore, S., & Marmolejo, J. (2014). Extravehicular Activity (EVA) Hardware & Operations Overview. NASA Johnson Space Center, 1 July 2014. NASA Technical Reports Server, Document ID 20140009556.
6. Boyle, R. M., et al. (2012). Suitport Feasibility – Human Pressurized Space Suit Donning Tests with the Marman Clamp and Pneumatic Flipper Suitport Concepts. International Conference on Environmental Systems, NASA NTRS 20120018014