Composition de l’air dans le module habité

1. Incroyable manque de maturité

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).

Lors de la conférence IAC (International Astronautical Congress) de 2024, la question suivante fut posée à un responsable du programme Artemis du retour vers la Lune (traduite de l'Anglais) : << Quelle sera la composition et la pression de l'air dans les vaisseaux et modules habités du programme Artemis ? >> Et la réponse fut : << Ce n'est pas encore décidé.>> Cette réponse illustre la complexité et l'indécision des experts sur ce sujet. Après tant d'années passées à faire des tests dans les stations orbitales tels que Salyout, Skylab, Mir, ou l'ISS, on ne sait pas quels sont les meilleurs choix de composition de l'atmosphère et de sa pression pour les missions de moyenne durée (la Lune), ou de longue durée (Mars). Aussi incroyable que cela paraisse, ces stations ont été exploitées pour de nombreuses expériences scientifiques, mais pas pour tester l'atmosphère, 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'atmosphère et la pression ont donc été choisies identiques à celles de l'atmosphère terrestre et ces valeurs n'ont jamais changé. Pour les missions martiennes, c'est un choix possible, bien entendu, mais il a trois inconvénients majeurs :

• Il implique une épaisseur importante des parois du vaisseau pour résister à la pression interne, ce qui représente une pénalité de masse non négligeable par rapport à d'autres options. Quand on sait que la masse totale de la charge utile est pratiquement le problème numéro un des missions martiennes habitées, ce n'est pas le choix qu'on a envie de faire s'il y a d'autres options.
• La pression en azote doit être maintenue. Or, il y a fréquemment des pertes d'air dans les modules habités, ne serait-ce que parce qu'il faut parfois ouvrir des sas, ce qui implique d'embarquer dans le vaisseau des réserves d'azote et d'avoir des systèmes de contrôle et de régulation liés à ce gaz. Cela augmente donc la complexité et la masse totale du vaisseau.
• S'il faut sortir en scaphandre, un tel choix nécessite une préparation et un conditionnement de l'ordre de deux heures, l'atmosphère de ces derniers étant classiquement de l'oxygène pur à 300 ou 400 millibars. Il faut en effet du temps pour l'adaptation physiologique de l'astronaute. Si les sorties sont rares, comme c'est le cas de l'ISS, c'est acceptable, mais cette contrainte est rédhibitoire si on veut explorer une surface planétaire de manière efficace.

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

2. 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 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 :

• P_b: pression externe mesurée au baromètre
• P_H2O : pression en vapeur d'eau dans les poumons, essentiellement d'origine physiologique, de l'ordre de 47 mm Hg, ou encore 63 millibars.
• F_iO2 : fraction d'oxygène dans l'atmosphère

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.

3. 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.

4. Quelle atmosphère pour les missions martiennes ?

On retiendra donc que pour une durée de 2 semaines, l'oxygène pur à pression réduite 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), montre les valeurs acceptables de pression totale et de pourcentage d'oxygène (la zone centrale). Sur la droite, on note une zone grisée dans laquelle nous avons ajouté un point d'interrogation.

En effet, on manque aujourd'hui de données permettant de conclure sur l'acceptabilité long terme d'une atmosphère 100% oxygène à une pression de l'ordre de 300 millibars. 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. 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, mais le minimum à ajouter n'est pas déterminé non plus. La question reste finalement ouverte et il est 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, 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

(Richalet 2020) J.P. Richalet, CrossTalk opposing view: Barometric pressure, independent of PO2 , is not the forgotten parameter in altitude physiology and mountain medicine, Journal of Physiology, vol. 598 (5), pp 897–899, 2020.

(Herlocher et al, 1964) J.E. Herlocher, D.G. Quigley, V.S. Behar, E.G. Shaw and B.E. Welch, "Physiologic Response to Increased Oxygen Partial Pressure I. Clinical Observations", Aerospace Medicine, vol. 35 (7), July 1964.

(Michel et al, 1973) E.L. Michel, J.M. Waligora, D.J. Horrigan, W.H. Shumate, Biomedical results of Apollo, Chapter 5: Environmental factors, Report N76 12673, Lyndon B. Johnson Space Center, 1973.

(NASA 1994) Marshall Space Flight Center, "Designing for Human Presence in Space: Environment Control and Life Support System", NASA RP-1324, Septembre 1994.

Article APM complémentaire

Habitat martien et scaphandres : quelles pressions ?, par Alain Souchier

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