Purification de l’air

Nota Bene : le gaz carbonique, la vapeur d'eau et le contrôle de l'oxygène ne sont pas traités dans cette partie.

1. Particules présentes dans l'air

Taille et persistance

Plus la particule est petite, plus elle reste longtemps en suspension. Les particules <5 µm (PM5=Particule de Matière de taille inférieure à 5 µm) restent pratiquement tout le temps en suspension en microgravité. Les particules >10–20 µm tendent à être entraînées par les flux d’air mais peuvent se déposer sur les surfaces.

Origine humaine

L’équipage est la principale source de particules : peau, cheveux, vêtements, respiration. Même sans poussière externe, les particules organiques (COV) sont omniprésentes. Exemple ci-dessous : Image au microscope d'un cheveu (en haut) et d'une fibre de laine (en bas). Copyright : Creative Commons. © CSIRO, CC BY 3.0

Profondeur de pénétration dans les poumons

• PM10 : peut rester dans le nez et les voies respiratoires supérieures.
• PM5 : atteint bronches et alvéoles, donc plus dangereuse pour la santé respiratoire.
• PM2,5 : très fine, peut passer dans le sang via les poumons.

Quelques ordres de grandeur pour les particules les plus petites du monde vivant :

• diamètre d'une bactérie : entre 0,3 et 0,5 µm (sauf exception)
• diamètre d'une molécule de CO2 : 0,00023 µm                 
• diamètre d'une protéine aérienne : 0,002–0,03 µm           
• taille d'un virus : 0,02–0,3 µm                                             

• taille d'un virus : 0,02–0,3 µm                                             

2. COV – Composés Organiques Volatils

Définition :
Les COV sont des composés chimiques contenant du carbone, capables de s’évaporer facilement à température ambiante (pression de vapeur significative), ce qui les rend volatils dans l’air.

Caractéristiques des COV

• Liquides ou solides à température ambiante, mais libèrent des molécules dans l’air.
• Généralement inodores ou faiblement odorants, certains très irritants.
• Ils incluent un très large ensemble de molécules : solvants, hydrocarbures, alcools, aldéhydes, cétones, esters, etc.
• TVOC – Total Volatile Organic Compounds : concentration totale de tous les composés organiques volatils (COV) présents dans l’air, exprimée généralement en µg/m³ ou mg/m³.

Air intérieur typique d'un habitat terrestre :

Les COV sont notamment émis par les peintures, solvants, meubles, plastiques et produits ménagers. Observations typiques :

• Air intérieur résidentiel : 0,2–2 mg/m³ (200–2000 µg/m³)
• Bureau / école : 0,3–1,5 mg/m³
• Formaldéhyde : 10–50 µg/m³
• Toluène : 20–200 µg/m³
• Acétone : 50–200 µg/m³

Ces valeurs varient fortement selon la ventilation et les matériaux. L'image ci-dessous a été générée par l'IA.

Exemples de COV dans un habitat spatial :

Risques pour l'équipage :

• Irritation des yeux, du nez et de la gorge.
• Effets respiratoires ou neurologiques à long terme.
• Certains COV sont cancérogènes ou toxiques (ex. formaldéhyde, benzène).

Dans un habitat spatial :

• Atmosphère fermée, microgravité → accumulation plus facile, ventilation limitée.
• TVOC sur l’ISS : ~ 0,3–1 mg/m³ (300–1000 µg/m³), dont :
  • Formaldéhyde (CH₂O) : 10–100 µg/m³
  • Toluène (C₇H₈) : 20–100 µg/m³

  • Acétone (C₃H₆O) : 50–150 µg/m³

3. Autres contaminants

Les contaminants suivants sont surveillés en priorité :

• CO (monoxyde de carbone) → Le plus critique et le plus surveillé

Sources possibles : surchauffe électrique, moteurs, incendie incomplet, équipements défaillants.

Il est très dangereux à faible concentration : le CO se lie à l’hémoglobine dans les globules rouges. Il se fixe 200 à 250 fois plus fortement que l’oxygène (O₂). Le résultat est la formation de carboxyhémoglobine (HbCO) → le sang ne peut plus transporter l’oxygène efficacement.

Des capteurs permanents sont obligatoires dans tous les habitats spatiaux. Plusieurs technologies de capteurs existent, mais une seule est réellement adaptée à un habitat spatial habité : le capteur électrochimique.

Principe de fonctionnement : le CO est oxydé sur une électrode en platine (ou alliage de platine et de palladium), très sélective à cette molécule.

CO+H₂​O→CO₂​+2H⁺+2e−

La réaction génère un courant proportionnel à la concentration. Le capteur est précis et répond rapidement même à faible concentration. De plus, il n'est pas sensible à l'humidité et au taux d'oxygène. Il est utilisé dans les habitats spatiaux, les sous-marins, les mines et près des fourneaux (combustion incomplète).

• Ammoniac (NH₃)

Il est typiquement utilisé comme fluide caloporteur (ex. ISS). Il peut aussi provenir du traitement des urines. Il est toxique, mais son odeur est facilement détectable et le risque est bien identifié, surtout en cas de fuite technique.

• Hydrogène (H₂)

Il est typiquement produit lors de l'électrolyse de l’eau pour la production d’oxygène. Il est normalement évacué ou recombiné. Le risque principal est son inflammabilité, pas sa toxicité.

• H₂S (sulfure d’hydrogène)

Le H₂S (sulfure d’hydrogène) est un gaz très toxique, même à faibles concentrations, et il agit principalement sur le système nerveux central et la respiration. Cette molécule est liée à la décomposition organique anaérobie, ce qui est peu probable, car les déchets sont généralement traités ou isolés.

4. Filtre simple : treillis / tamis métallique

Un système de ventilation aspire l'air en continu et le fait passer par un tamis métallique dont les trous font moins de 0,5 millimètre. Caractéristiques :

• Maillage métallique rigide (acier inox / aluminium)
• Ouverture typique : ~100 à 500 µm
• Fonctions :
  • arrêter fibres, cheveux, miettes, débris

  • protéger les ventilateurs et échangeurs

• Nettoyable (aspiration, brossage, lavage)
• Très faible perte de charge

Ce type de filtre est utilisé par les Russes dans l'ISS. Il est complété par un aspirateur manuel, typiquement composé d'un tissu dense, qui capte les particules de taille jusqu'à 1 à 5 µm. Les Russes utilisent également des adhésifs (jetables) proches des systèmes de ventilation et autres appareils. La poussière et les particules se collent dessus et quand ils sont saturés, ils sont jetés.

5. HEPA (High Efficiency Particulate Air)

Filtre HEPA (High Efficiency Particulate Air) : il retient ≥99,97 % des particules >0,3 µm. Il fonctionne par 4 mécanismes combinés :

1. Interception

   • La particule suit le flux d’air
   • Elle touche une fibre et reste collée

2. Impact inertiel

   • Particules lourdes (>1 µm)
   • Trop d’inertie pour suivre le flux → collision avec la fibre

3. Diffusion (mouvement brownien)

   • Très petites particules (<0,3 µm)
   • Mouvement aléatoire → collision avec les fibres

4. Attraction électrostatique (secondaire)

   • Charges résiduelles sur fibres ou particules

Dans l’ISS, les filtres HEPA sont constitués d’un matelas de fibres de verre très fines (diamètre 0,5–2 µm, longueur de plusieurs centimètres) enchevêtrées de manière aléatoire, capables de capturer presque toutes les particules solides et biologiques en suspension dans l’air, tout en laissant passer les gaz et molécules individuelles telles que CO₂, NH₃ ou COV. Il y a 21 filtres HEPA distribués dans différents modules de l’ISS, notamment dans le segment américain (US Lab, Node 1/2/3, airlock…). Les filtres HEPA sont intégrés aux systèmes de ventilation. Les particules s'agglutinent progressivement sur les fibres, qui finissent par saturer et laisser passer moins d'air. L'augmentation de la puissance des ventilateurs permet de prolonger l'usage, jusqu'à saturation complète. A cause de la saturation, ils nécessitent un nettoyage / remplacement périodique. Il existe aussi sous la forme d'un aspirateur.

Particules capturées

• Poussières (PM10, PM5, PM2,5)
• Fibres textiles
• Peau morte (squames)
• Spores fongiques
• Bactéries (≈0,5–5 µm)
• Aérosols liquides
• Particules métalliques ou plastiques

Particules non filtrées

• Gaz (CO₂, CO, NH₃)
• COV (formaldéhyde, toluène, etc.)
• Vapeur d’eau (en tant que gaz)

Risques :

• Accumulation de biofilms si humidité mal contrôlée
• Source secondaire de contamination si mal entretenu

Performances normalisées, norme classique (HEPA “vrai”) : efficacité ≥ 99,97 % pour les particules de 0,3 µm. Ce n'est donc pas du 100% sûr, mais presque !

• diamètre d'une bactérie : entre 0,3 et 0,5 µm (sauf exception) => ne passe pas
• diamètre d'une molécule de CO2 : 0,00023 µm                  => passe
• diamètre d'une protéine aérienne : 0,002–0,03 µm            => passe
• taille d'un virus : 0,02–0,3 µm                                              => passe

6. Charbon actif et oxydation catalytique

Le charbon actif est une forme de carbone poreux avec une surface interne énorme (500–1500 m²/g) qui permet de piéger les molécules. Elles se collent aux parois internes des pores grâce aux forces de Van der Waals. Le charbon actif adsorbe :

• COV (ex. acétone, formaldéhyde)
• Odeurs, gaz inorganiques à faible concentration (NH₃, traces de H₂S)

Exemple typique de filtre de charbon actif pour un module de 50-75 m³ :

En pratique, on en a 3 pour un même module : 1 en service, 1 en réserve pour remplacement instantané en cas de besoin, et 1 en stockage pour redondance.

Un système d'oxydation catalytique vient souvent en complément du charbon actif. Il consiste à faire passer l’air contaminé sur un catalyseur (souvent à base de platine, palladium ou oxydes métalliques). Sous l’effet du catalyseur, d’une température élevée (>200°C), et en présence d'oxygène, le composé organique réagit et se transforme en gaz carbonique et vapeur d'eau : Dans certains filtres combinés, le HEPA retient les particules et le charbon retient les gaz, en un seul passage d’air. Dans l'ISS, le système Trace Contaminant Control System (TCCS) comprend des filtres à charbon actif et une oxydation catalytique, ce qui permet une sécurité chimique, le confort (suppression des odeurs persistantes) et la simplicité: un seul module de filtration pour particules et gaz, réduction du volume et du poids.

7. Ventilation

Objectifs principaux de la ventilation :

Dans un module spatial, plusieurs mesures sont mises en place pour assurer la qualité et le confort de l’air. Tout d’abord, l’air est renouvelé et mélangé en permanence afin d’éviter la formation de poches de CO₂ ou d’humidité autour des astronautes. Ensuite, les particules et micro-organismes sont captés grâce aux filtres HEPA, garantissant un environnement propre et sûr. Le système contribue également à maintenir la température et l’humidité uniformes dans tout le module. Enfin, l’air conditionné est distribué depuis les échangeurs thermiques et les unités de contrôle environnemental, permettant une circulation homogène et un confort optimal pour l’équipage.

Systèmes principaux de l'ISS

a) CCAA – Common Cabin Air Assembly (segment US)

Le système de recirculation et de filtration de l’air dans les modules US a pour rôle principal de maintenir une atmosphère propre et confortable pour l’équipage.

Ses composants clés incluent les ventilateurs, le filtre HEPA et l’échangeur thermique. Les ventilateurs déplacent l’air à travers le filtre HEPA et les échangeurs thermiques, assurant ainsi une circulation efficace. Le filtre HEPA capture les poussières, squames, bactéries et virus, tandis que l’échangeur thermique permet de contrôler simultanément la température et l’humidité de l’air.

Le fonctionnement du système commence par l’aspiration de l’air vicié par les ventilateurs. Celui-ci passe ensuite à travers le filtre HEPA et, lorsque nécessaire, un filtre au charbon actif pour éliminer les composés organiques volatils (COV). L’air traverse ensuite l’échangeur thermique avant d’être redistribué dans le module via des conduits et diffuseurs. Chaque ventilateur déplace un débit indicatif d’environ 5 à 10 m³/min (soit 300 à 600 m³/h), ce qui permet à l’air de chaque module d’être recirculé plusieurs fois par heure. Grâce à cette répartition et au nombre de filtres disponibles, les filtres HEPA ne se saturent jamais rapidement, garantissant un environnement propre et sûr pour les astronautes.

b) IMV – Internal Module Ventilation

Le système a pour rôle d’assurer la circulation de l’air à l’intérieur d’un module spécifique. Sa particularité réside dans le fait qu’en microgravité, l’air ne “tombe” pas naturellement. Il est donc nécessaire de forcer le mélange à l’aide de ventilateurs afin d’éviter la formation de poches de CO₂ ou d’humidité autour des astronautes.

Remarques : Les ventilateurs font du bruit, ce qui peut être gênant. Pour limiter le bruit dans les modules spatiaux, plusieurs mesures sont mises en place. Les ventilateurs sont montés sur des supports antivibrations, assurant une isolation mécanique et réduisant les vibrations transmises à la structure. Les conduits sont optimisés afin de minimiser les turbulences et les tourbillons, ce qui contribue à un flux d’air plus silencieux. Une redondance des ventilateurs est également utilisée : plusieurs ventilateurs tournent à une vitesse plus faible plutôt qu’un seul à pleine puissance, réduisant ainsi le niveau sonore global. Enfin, la planification acoustique est appliquée : les équipements bruyants sont placés loin des zones de sommeil et de travail pour améliorer le confort des astronautes.

8. Pour une mission martienne habitée de 3 ans

Il faut prévoir un système de ventilation et des systèmes de suppression de toutes les particules, de la poussière aux molécules de COV. On peut se baser sur la masse du TCCS de l'ISS (volume du module de 100 m³, soit pour environ 3 personnes) et recalculer les consommables et les pièces de rechange :

Calcul de la masse des consommables avec le principe de double redondance :

Bilan, masse totale des systèmes pour la purification de l'air (hors système de traitement du CO2 et de la vapeur d'eau) : ~150 kg

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