Élimination du gaz carbonique

1.    Introduction

Nous abordons ici la problématique d’élimination du gaz carbonique (CO₂) qui est émis par les astronautes lors de la respiration. Elle est illustrée ci-dessous par l’image devenue célèbre de la cartouche d’hydroxyde de lithium qu’il a fallu remplacer et attacher lors de la mission Apollo 13.

Dans la partie 2, les principes de la respiration sont rappelés et la quantité de CO₂ émise par jour par chaque astronaute est calculée.

Avant d’éliminer le CO₂, il faut savoir combien il y en a et à quel point c’est un problème pour la santé. La partie 3 est donc dédiée à la présentation du danger de l’excès de CO₂ dans l’air et à son contrôle à l’aide de capteurs. 

Il existe 4 grandes méthodes pour éliminer le surplus de CO₂.

•      L’utilisation de cartouches d’hydroxyde de lithium est décrite dans la partie 4.

•      L’utilisation de tamis moléculaires est expliquée dans la partie 5.

•      La mise en œuvre de la réaction de Sabatier est présentée dans la partie 6.

•      L’utilisation des plantes vertes, dans le cadre d’un système de support de vie biologique, est traitée à part, voir la section correspondante du Wiki mission martiennes habitées.

Remarque : Il existe d’autres méthodes (réaction de Bosch par exemple), non présentée ici.

2.    CO₂ produit par respiration

Le CO₂ provient essentiellement de l’oxydation du glucose par toutes les cellules du corps humain. Réaction chimique simplifiée de la respiration :

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie

Calculons la quantité approximative de CO₂ produite par personne adulte :

• Consommation d’oxygène moyenne journalière : 0,84 kg O₂/jour
• Chaque mole de O₂ consommée produit environ 1 mole de CO₂
• Masse molaire CO₂ = 44 g/mol, alors que Masse molaire O2 = 32 g/mol
• CO₂ produit = 0,84/32×44 ≈ 1,16 kg/jour

Remarques :

–      Consommation O₂ si activité sportive : 1,1 kg O₂/jour

–      5^ème percentile femme (activité nominale) : ≈ 0,52 kg O₂/jour.

–      95^ème percentile homme (activité nominale) : ≈ 1,11 kg O₂/jour

–      A masse égale, consommation O₂ hommes > consommation O₂ femmes (masse maigre)

Bilan : de 1 à 1,2 kg de CO₂/jour par adulte au repos. Pour un astronaute actif, la production de CO₂ peut grimper jusqu’à 1,5 kg/jour, voire plus si l’activité sportive est longue et intense (marathon par exemple).

3.    Contrôle du CO₂

3.1   Danger du CO₂

Même si le CO₂ est souvent décrié comme gaz à effet de serre, il y en a moins de 1% dans l’air extérieur, de l’ordre de 0,042%, soit 442 parties par million (ppm). Si une salle est mal ventilée, le taux peut atteindre 0,2% ou 2000 ppm, et c’est le début de l’inconfort. Le danger critique est à 4%. L’inconfort et le danger sont définis dans le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1 : Dangerosité du CO₂

Seuil	Valeur typique	Effets / rôle
Pré-alerte / surveillance	2000–2500 ppm	Concentration qui déclenche l’attention du contrôle sol et du système de ventilation. Inconfort léger possible (maux de tête, concentration).
Limite courte durée (24 h)	5000 ppm	Concentration maximale tolérée pour 24 h selon NASA. Symptômes possibles : maux de tête,  fatigue, somnolence.
Limite longue durée (mission)	2500–3000 ppm	Concentration recommandée pour le confort et la santé sur plusieurs jours ou semaines.
Limite critique /  danger immédiat	> 40 000 ppm	Hypoxie et intoxication sévère ; situation d’urgence absolue.

3.2   Détection du CO2

Sur l’ISS, les capteurs de CO₂ sont principalement des capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR = Non Dispersive InfraRed). Voir figure 1.

Figure 1 : Principe de fonctionnement du capteur de CO₂ NDIR. Une petite lampe infrarouge émet un faisceau lumineux. Le CO₂ absorbe la lumière à une longueur d’onde spécifique (~4,26 μm), ce qui n’est pas le cas des autres composants de l’air. Un détecteur mesure l’intensité de la lumière après passage par un filtre optique qui ne laisse passer que certaines longueurs d’onde.

Calcul de concentration :

• I = intensité lumineuse mesurée (convertit la lumière IR en petite variation de température, puis en tension).
• I₀ = intensité de référence (sans CO₂)
• alpha = coefficient de calibration du système

Plus le CO₂est présent dans l’échantillon, plus l’absorption est élevée et plus l’intensité IR est faible au niveau du détecteur. Le capteur convertit ensuite l’intensité mesurée en ppm selon la formule.

Remarque : de nombreuses difficultés sont rencontrées lors de l’exploitation de ces capteurs. On observe en particulier a) une dérive de la valeur mesurée (vieillissement du capteur, contamination, effets thermiques) qui nécessite une recalibration périodique ou un changement de capteur, b) du bruit, c’est-à-dire des phénomènes physiques qui font fluctuer la mesure (électronique interne, turbulence de l’air, vibrations), c) un temps de réponse un peu long (un pic de CO₂ peut être manqué de plusieurs minutes). Pour des questions de sécurité, la redondance est obligatoire. Dans l’ISS, on dispose ainsi de 2 à 3 capteurs par module et il y a déclenchement automatique de la ventilation et d’une alarme si un seuil est atteint.

4.    Élimination avec hydroxyde de lithium (LiOH)

Le premier système d’élimination du CO₂ exploité dans le spatial habité est la cartouche à hydroxyde de lithium (LiOH). Utilisée dès le programme Mercury au début des années 1960, et aujourd’hui dans la capsule Dragon ou dans les scaphandres spatiaux, entre autres, cette cartouche absorbe chimiquement le dioxyde de carbone par une réaction irréversible, assurant ainsi l’épuration de l’air dans les capsules habitées [1].

Figure 2 : Système de filtrage du CO₂ à base de LiOH

Elle est devenue célèbre lors de la mission Apollo 13, à la suite du problème d’adaptation des cartouches de LiOH du module lunaire au système d’épuration du module de commande, dont le format était différent. L’équation chimique est la suivante :

 CO₂ + 2LiOH → Li₂CO₃ + H₂O

Les avantages de cette méthode sont sa simplicité, sa fiabilité et sa faible maintenance. Le besoin en énergie se limite à l’alimentation électrique du ventilateur. L’inconvénient majeur est que le filtre finit par saturer, ce qui implique un changement périodique de cartouche et finit par constituer une masse importante si la mission est de longue durée. Le besoin est de 22,2 kg par personne pour 10 kg de CO₂ à filtrer, ce qui correspond à un changement tous les 3 jours pour un équipage de 3 astronautes. De plus, l’oxygène n’étant pas récupéré (les atomes d’oxygène restent fixés à la molécule Li₂CO₃), il faut en produire pour la respiration des astronautes.

Remarque : Sur une surface planétaire (Mars), il est possibilité de traiter le Li₂CO₃ et de régénérer le filtre à base de LiOH selon le principe suivant :

1. Production de chaux vive (CaO) à l’aide de ressources locales (ISRU)

                   Deux voies crédibles sur Mars :

                   4a. Calcination de carbonates de calcium martiens (à trouver)

                          CaCO3 → CaO+CO2

                          Conditions : 900–1000 °C ; CO₂ rejeté dehors

                   4b. Extraction directe du Ca depuis le régolithe, anorthite (CaAl₂Si₂O₈) par exemple

                          Electrolyse de régolithe fondu, ou réduction carbothermique

• Production de chaux éteinte, Ca(OH)₂, à partir de la chaux vive :

                   CaO+H₂O → Ca(OH)₂

• Régénération du LiOH à partir du Li₂CO₃ avec de la chaux éteinte (caustification) :

 Li₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2 LiOH + CaCO₃

5.    Élimination avec tamis moléculaire

5.1    Zéolithe

Principe : Le CO₂ est éliminé par adsorption physique grâce à un tamis moléculaire [2]. Une zéolithe synthétique est un matériau microporeux fabriqué en laboratoire, qui possède une structure cristalline très régulière avec des cavités (cages) et canaux de taille nanométrique. Ces cages peuvent piéger sélectivement certaines molécules, comme le CO₂, l’ammoniac ou l’eau. Par exemple, la zéolithe 13X est un réseau de silice (SiO₂) et d’alumine (Al₂O₃) formant des cages et canaux. La formule théorique répétitive approximative comporte de l’ordre de 1000 atomes : Na₈₆(AlO2)₈₆(SiO2)₁₀₆, xH2O. La forme géométrique comporte 106 tétraèdres SiO₄ et 86 tétraèdres AlO₄. Chaque tétraèdre est formé de la manière suivante : à un sommet se trouve un atome d’oxygène, au centre un atome de silicium ou aluminium. Les tétraèdres s’assemblent pour former des supercages sphériques (~13 Å de diamètre) et des tunnels hexagonaux (~7 Å de diamètre) qui relient les supercages. Ce réseau répété donne une structure cubique pour cette cellule unitaire. Chaque supercage et tunnel contient des cations Na⁺ et des molécules d’eau, qui déterminent les sites actifs pour le CO₂. La connectivité continue permet aux molécules de circuler à travers toute la cellule.

Pour une plus grande efficacité, notamment pour éviter l’encrassement, il est préférable de combiner le tamis moléculaire à base de zéolithe avec des systèmes de purification de l’air placés en amont, comme cela est illustré figure 3.

Figure 3 : Combinaison avec les systèmes de purification de l’air.

Les étapes combinées sont typiquement les suivantes :

• Préfiltration : avant d’atteindre la colonne de zéolithe, il faut éliminer les poussières et les particules / micro-organismes / grosses molécules, par exemple à l’aide de filtres mécaniques (type HEPA ou filtres à particules). Objectif : éviter que la zéolithe ne s’encrasse ou que les pores soient bouchés.
• Les molécules de CO₂ passent dans les « tunnels » et sont piégées dans les « supercages » par :

– Interaction électrostatique : le CO₂ ayant un moment dipolaire (atomes d’oxygène légèrement négatifs), il est attiré par les cations (Na⁺, Ca²⁺) dans les cages.

– Effet de confinement : les cages ont une taille comparable à celle des molécules de CO₂, les molécules s’intègrent dans les cages comme dans un moule.

– Forces de Van der Waals : les parois polaires du réseau attirent le CO₂ par forces dispersives.

• L’adsorption est physique et réversible, donc le matériau peut être régénéré en chauffant ou en abaissant la pression.

5.2   Régénération

La régénération se fait avant saturation complète du sorbant, pour maintenir l’efficacité (illustration figure 4). Sur la plupart des systèmes, il existe une capacité définie : par exemple, une cartouche de sorbant solide peut adsorber X kg de CO₂ avant d’atteindre 90–95 % de saturation. Pour supprimer définitivement le CO2, il existe plusieurs options. Il suffit de les placer dans un réservoir, puis de chauffer à 100-200°C, ou et de réduire fortement la pression de l’air, on observe un dégagement du CO₂. On peut ensuite le libérer dans l’espace par une ouverture dédiée. Il est également possible de le compresser et de le stocker en vue d’une exploitation ultérieure (exemple : réaction de Sabatier).

Figure 4 : Sorbants solides régénérables.

L’élimination du CO₂ avec des zéolithes a plusieurs avantages :

• Régénération → pas de déchets chimiques et masse indépendante de la durée de la mission.
• Sélection → capte le CO₂ sans trop retenir l’O₂.
• Stabilité → résiste aux cycles de chauffage/refroidissement.

6.    Utilisation d’amines solides

6.1   Principes

Les “amines solides” sont des matériaux poreux avec des groupes amines (-NH₂) capables de capturer le CO₂ de façon réversible [3]. L’air cabine passe à travers un lit de sorbant, les molécules de CO₂ entrent en contact avec les groupes amines et le CO₂ est fixé chimiquement sur le matériau, selon l’équation ci-dessous :

                CO_2​ + 2 R NH₂ ​⇌ R NHCOO⁻ + R NH3^+​

R représente un groupe organique générique.

6.2   Régénération

          Les sites amines se remplissent progressivement et la capacité de capture du CO₂ se réduit progressivement. Lorsqu’on approche la saturation, il est impératif de régénérer. Le processus s’appelle désorption : on inverse la réaction en changeant les conditions, soit par chauffage, soit par baisse de pression (vide de l’espace par exemple), ou les deux à la fois. Les liaisons chimiques faibles comme celles associées au groupe COO sont cassées et le CO₂ est relâché, ou récupéré sous forme concentrée.

7.    Réaction de Sabatier combinée à l’électrolyse de l’eau

7.1   Principe de base

Le réacteur de Sabatier est un dispositif chimique qui réalise la réaction de Sabatier, inventée par le chimiste Paul Sabatier [4] :

CO₂ + 4H₂   → CH₄ + 2H₂O

avec :

• CO₂ : dioxyde de carbone.
• H₂ : hydrogène (produit par électrolyse de l’eau ou autre source).
• CH₄ : méthane (gaz combustible, souvent stocké ou utilisé comme carburant).
• H₂O : eau (qui peut être récupérée et réutilisée).

C’est une réaction catalytique exothermique, ce qui signifie qu’elle libère de la chaleur.

7.2   Conditions de fonctionnement

La réaction étant réversible, il faut impérativement exploiter un catalyseur pour qu’elle se fasse en priorité dans le sens désiré. Le catalyseur est métallique, souvent nickel ou parfois ruthénium, fixé sur un support solide. Le catalyseur permet à la réaction de se produire à température modérée (~300–400 °C) au lieu de nécessiter des températures très élevées, et des pressions variables entre 1 et 10 bars. Le ratio H₂/CO₂ est idéalement 4:1 pour compléter la réaction.

Le taux de conversion dépend de la température, de la pression et du catalyseur. Même dans des conditions optimales, le CO₂ n’est jamais totalement transformé : on obtient typiquement 80 à 95 % de conversion par passage dans le réacteur.

7.3   Éléments principaux

Un réacteur de Sabatier (voir figure 5) se présente généralement sous la forme d’un cylindre métallique (acier inox ou alliage haute température) vertical. Il comporte :

• Une cuve ou corps du réacteur, qui contient le catalyseur solide (p. ex. billes ou granulés de nickel sur un support), construite pour résister à des températures de 300–400 °C et pressions de quelques bars.
• Des tubes d’entrée pour les gaz CO₂ et H₂, parfois avec des débitmètres et valves de contrôle.
• Des tubes de sortie pour CH₄ (gaz méthane) et pour pour H₂O, liquéfiée dans un condenseur.
• Un système de chauffage pour atteindre et maintenir la température de réaction.
• Des instruments de mesure, capteurs de pression, température et composition des gaz pour contrôler la réaction.

Figure 5 : Réacteur de Sabatier testé par la NASA (image NASA).

7.4   Avantages et inconvénients

L’avantage principal de la réaction de Sabatier est la récupération des atomes d’oxygène pour reconstituer des molécules d’eau, et la production de méthane, utilisable comme carburant. Un autre point positif est la masse relativement modeste d’un réacteur (6–8 kg/pers pour 100 jours).

L’inconvénient majeur est de nécessiter de l’hydrogène, obtenu généralement par électrolyse de l’eau, processus qui requiert énormément d’énergie.

Le réacteur est finalement un système complexe, dont le taux de conversion est sensible au contrôle de l’énergie et de la température.

8.    Applications

8.1   Systèmes de l’ISS

CDRA (Carbon Dioxide Removal Assembly) :

C’est un rack standard installé dans le module américain Destiny / Node 3. Son poids est de 90 kg et sa dimension est de 1,5m x 0,8m x 0,7m. Il comporte 2 lits de zéolithe en parallèle qui se présentent sous la forme de colonnes cylindriques avec une tuyauterie complexe et des vannes automatisées (voir figure 6). Le système est dimensionné pour éliminer 6 kg de CO₂ par jour en mode nominal (6 personnes), avec un débit d’air de 50 à 60 m³ par heure, acheminé par le système de ventilation. La régénération peut se faire en continu en alternant avec les deux colonnes.

Différentes zéolithes sont utilisées dans l’ISS. Le type 5A possède des pores d’environ 5 Å, sélective pour les molécules de CO₂. Le type 13X possède des pores d’environ 10 Å, plus polyvalentes pour divers gaz. Il adsorbe typiquement entre 0,1 et 0,25 kg de CO₂ par kg de zéolithe selon la pression, la température et la concentration de CO₂. Donc pour stocker temporairement 1 kg de CO₂ entre deux régénérations, il faut environ 4 à 10 kg de zéolithe.

Figure 6 : Maintenance du CDRA dans l’ISS

Vozdukh :

Installé dans le module russe Zvezda, ce système est plus compact que le CDRA américain. Le système comporte 3 lits d’amines solides :

• 1 lit en adsorption (capture CO₂)
• 1 lit en régénération (chauffage + vide)
• 1 lit en phase transitoire (préparation / équilibrage)

qui permettent un fonctionnement quasi continu. Son design est plus simple que CDRA, avec moins de vannes. Il est calibré pour traiter 3 à 4 kg de CO₂ par jour avec un débit d’air de 35 à 40 m³ par heure, acheminé par ventilation.

8.2   Mission de longue durée

Pour les missions de longue durée, la fiabilité est impérative et la redondance est nécessaire. Les adsorbants solides (zéolithes ou amines) sont les choix les plus sûrs. On peut prévoir plusieurs lits en parallèle, chacun régénérable, pour créer une redondance complète. Des amines solides, par exemple, sont utilisées dans le vaisseau spatial Orion, qui est conçu pour une mission d’une durée de trois semaines.

Les systèmes Électrolyse + Sabatier restent utiles pour la production d’oxygène et de carburant, mais ils ne sont pas la solution primaire pour la sécurité de l’habitat, car ce sont des systèmes complexes, donc plus difficile à contrôler et à maintenir, et une panne peut être critique.

Enfin, pour parer à toute éventualité, il est recommandé de prendre des cartouches de LiOH en système de secours, pour 30 jours par exemple, le temps de procéder à une réparation du système principal s’il venait à subir une panne majeure.

9.    Conclusion

Pour l’élimination du CO₂, le système le plus simple est la cartouche d’hydroxyde de lithium, qui convient parfaitement pour les missions de courte durée, comme Apollo ou en sortie extravéhiculaire, intégrée dans le système de support de vie du scaphandre. Pour les missions plus longues, il est préférable d’exploiter des amines solides ou des tamis moléculaires constitués de zéolithes, qui sont régénérables et permettent donc de limiter la masse totale des systèmes embarqués.

Plusieurs autres méthodes n’ont pas été présentées ici. En particulier, l’élimination du CO₂ peut être faire à l’aide absorbants liquides, comme les solutions alcalines fortes telles que NaOH (hydroxyde de sodium ou soude), KOH (hydroxyde de potassium ou potasse), LiOH (hydroxyde de lithium) ou les solutions d’amines telle que la MEA (monoéthanolamine). Ces méthodes ont un intérêt en milieu industriel, mais la plupart de ces produits chimiques sont dangereux et doivent être manipulés avec précaution, ce qui constitue un inconvénient majeur pour un usage dans le domaine spatial. Une autre méthode, la conversion du CO₂ par plasma, utilise des électrons énergétiques présents dans un plasma pour dissocier les molécules de dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et en oxygène, sans avoir à chauffer l’ensemble du gaz à des températures élevées.

Encore au stade d’études, les metal–organic frameworks (MOF) constituent une classe de matériaux poreux cristallins générant des réseaux tridimensionnels. Leur intérêt pour la capture du CO₂ repose sur la possibilité de concevoir finement la taille des pores et la chimie de surface, afin de favoriser une adsorption sélective du CO₂. Bien que prometteurs pour les systèmes de support-vie avancés et les architectures de type exploration planétaire, les MOF restent encore à un niveau de maturité technologique inférieur aux solutions actuellement opérationnelles, notamment en raison de questions de stabilité à long terme et de sensibilité à l’humidité.

Références

[1] NASA OCHMO Technical Brief OCHMO-TB-004 — Carbon Dioxide (CO₂) Removal, National Aeronautics and Space Administration (NASA), Office of the Chief Health and Medical Officer, 2022

[2] El Sherif, D. & Knox, J. (NASA / SAE), International Space Station Carbon Dioxide Removal Assembly Concepts and Advancements, SAE Technical Paper 2005-01-2892 https://doi.org/10.4271/2005-01-2892

[3] Sweterlitsch, J. et al., Amine Swingbed Payload Technology Demonstration on the International Space Station, NASA Technical Reports Server (NTRS), 2014

[4] Abney, M. B. et al. (NASA Marshall Space Flight Center), “Carbon Dioxide Reduction Assembly (CDRA–Sabatier integration)”, NASA Technical Reports Server (NTRS), 2015. https://ntrs.nasa.gov/citations/20150016512