La Station spatiale internationale (ISS)-un satellite artificiel habitable en orbite autour de la Terre à une altitude d'environ 400 kilomètres-s'appuie sur un système d'oxygène sophistiqué en boucle fermée-pour alimenter son équipage de 7 astronautes (capacité maximale) pendant des mois. Contrairement à la Terre, où l’oxygène est abondant dans l’atmosphère, l’espace est un vide sans source naturelle d’oxygène. Cela signifie que l'ISS doit produire, stocker, distribuer et recycler l'oxygène entièrement à bord-, tout en gérant également les gaz résiduaires comme le dioxyde de carbone (CO₂). La conception du système donne la priorité à la fiabilité (pour éviter les pannes potentiellement mortelles), à l'efficacité (pour minimiser les missions de réapprovisionnement) et à l'adaptabilité (pour gérer les changements de taille d'équipage et les dysfonctionnements de l'équipement). Vous trouverez ci-dessous une description complète du système d'oxygène de l'ISS, y compris ses composants principaux, ses principes de fonctionnement, ses défis et ses protocoles de sauvegarde.
1. Maintenir une atmosphère habitable
Avant d'entrer dans les détails techniques, il est essentiel de comprendre l'objectif principal du système d'oxygène de l'ISS : maintenir une atmosphère qui imite le plus fidèlement possible celle de la Terre. Pour la survie humaine, l’ISS a besoin de :
Concentration d'oxygène: 21% (le même que l'atmosphère terrestre), ce qui est le niveau optimal pour respirer et éviter l'hypoxie (faible oxygène) ou la toxicité de l'oxygène (forte oxygène).
Pression: 101,3 kilopascals (kPa) ou 1 atmosphère (atm)-équivalent à la pression au niveau de la mer-sur Terre. Cela évite les accidents de décompression (un risque lorsque la pression chute trop bas) et permet aux astronautes de respirer normalement sans équipement spécialisé (sauf lors des sorties dans l'espace).
Lavage des gaz: Élimination des gaz résiduaires comme le CO₂ (produits par la respiration) et des traces de contaminants (par exemple, les composés organiques volatils provenant des équipements ou des aliments).
Pour y parvenir, le système d'oxygène de l'ISS fonctionne comme unboucle semi-fermée-il produit du nouvel oxygène, recycle l'oxygène des flux de déchets, stocke l'excès d'oxygène en cas d'urgence et le distribue uniformément dans les modules de la station.
2. Le système de génération d'oxygène (OGS)
La principale source d'oxygène de l'ISS est leSystème de génération d'oxygène (OGS), une configuration modulaire développée par la NASA et la société russe Roscosmos (avec la contribution de l'Agence spatiale européenne, ESA, et de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale, JAXA). L'OGS utiliseélectrolyse-le même processus chimique utilisé dans certains-générateurs d'oxygène basés sur Terre-pour diviser l'eau (H₂O) en oxygène (O₂) et hydrogène (H₂). Voici une description détaillée de ses composants et de son fonctionnement :
2.1 Composantes de l'OGS
L'OGS se compose de trois sous-systèmes clés, chacun doté d'un matériel spécialisé :
Assemblage de traitement de l'eau (WPA): Avant l'électrolyse, l'eau doit être purifiée pour éliminer les contaminants (ex. : sels, matières organiques) qui pourraient endommager les électrodes de l'OGS. Le WPA collecte l’eau de trois sources :
Eau recyclée: Condensats de l'air de la station (vapeur d'eau provenant de la respiration et de la transpiration), des eaux usées traitées (ex. : éviers, douches) et des urines (traitées par l'Assemblée de Traitement des Urines, UPA).
Réapprovisionnement en eau: Eau livrée via des vaisseaux spatiaux cargo (par exemple, le Dragon de SpaceX, le Cygnus de Northrop Grumman) comme solution de secours en cas de panne des systèmes de recyclage.
Eau de pile à combustible: Un sous-produit des anciennes piles à combustible de la station (utilisées pour produire de l'électricité avant l'installation de panneaux solaires). Même si les piles à combustible ne constituent plus une source d’énergie primaire, leur eau résiduelle est toujours utilisée si elle est disponible.
Module d'électrolyse (EM): Cœur de l'OGS, l'EM contient deuxCellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC)-appareils avancés qui utilisent des températures élevées (600 à 800 degrés) pour diviser l'eau en oxygène et en hydrogène. Contrairement aux systèmes d'électrolyse traditionnels (qui utilisent des électrolytes liquides), les SOEC utilisent un électrolyte céramique solide plus efficace, plus compact et plus durable dans l'espace. Voici comment fonctionne le processus :
L'eau purifiée est introduite dans les SOEC sous forme de vapeur (vaporisée pour augmenter l'efficacité).
Un courant électrique (provenant des panneaux solaires de l'ISS) est appliqué aux électrodes (anode et cathode) des SOEC.
À l'anode, la vapeur réagit avec l'électrolyte céramique pour produire de l'oxygène gazeux (O₂), des électrons et des ions hydrogène (H⁺).
Les électrons circulent à travers un circuit externe (générant une petite quantité d’électricité supplémentaire), tandis que les ions hydrogène se déplacent à travers l’électrolyte jusqu’à la cathode.
À la cathode, les ions hydrogène se combinent avec les électrons pour former de l’hydrogène gazeux (H₂).
Sous-système de traitement de l'oxygène (OHS): Après production, l’oxygène de l’EM est traité et distribué :
Refroidissement: L'oxygène gazeux chaud (provenant des SOEC) est refroidi à température ambiante à l'aide d'échangeurs de chaleur (connectés au système de contrôle thermique de l'ISS).
Séchage : Toute vapeur d'eau restante est éliminée à l'aide de tamis moléculaires (similaires à ceux des concentrateurs d'oxygène terrestres-) pour éviter la condensation dans les canalisations de la station.
Distribution: L'oxygène sec et pur (pureté de 99,999 %) est envoyé dans l'atmosphère de l'ISS via un réseau de vannes et de tuyaux, se mélangeant à l'air existant pour maintenir la concentration de 21 %.
Ventilation de l'hydrogène: Le sous-produit de l'hydrogène n'est pas utilisé par l'ISS (puisque la station fonctionne à l'énergie solaire, et non à l'hydrogène) et est évacué dans l'espace. Il s’agit d’une différence essentielle par rapport aux premières stations spatiales comme Mir, qui utilisaient de l’hydrogène pour produire de l’électricité.
2.2 Efficacité et capacité de l'OGS
L'OGS est conçu pour répondre à la demande quotidienne en oxygène de l'ISS, qui est d'environ 0,84 kilogramme (kg) par astronaute (équivalent à environ 588 litres d'oxygène gazeux à 1 atm). Pour un équipage de 7 personnes, cela représente environ 5,88 kg d’oxygène par jour. Les principaux indicateurs de performance de l'OGS comprennent :
Taux de production: Chaque SOEC peut produire environ 0,5 kg d'oxygène par jour, donc les deux SOEC génèrent ensemble environ 1 kg par jour. Cependant, le système fonctionne en mode échelonné (un SOEC actif, un en veille) pour réduire l'usure, ce qui entraîne une production nette d'environ 0,5 kg par jour. Cela signifie que l'OGS ne peut pas à lui seul répondre à la demande de l'ensemble de l'équipage-d'où la nécessité de sources d'oxygène supplémentaires (voir section 3).
Efficacité énergétique: Les SOEC sont très efficaces, convertissant environ 80 % de l'énergie électrique en oxygène (contre environ 60 % pour les systèmes d'électrolyse traditionnels). Ceci est essentiel car les panneaux solaires de l'ISS ont une capacité limitée (~ 120 kilowatts, kW, de puissance pour tous les systèmes).
Fiabilité: L'OGS a une durée de vie nominale de 15 ans (prolongée par rapport aux 10 ans d'origine) et comprend des composants redondants (par exemple, des SOEC de secours, des vannes) pour éviter les pannes. Depuis son installation en 2008 (dans le cadre du module Node 3 de l'ISS, Tranquility), l'OGS n'a rencontré que des problèmes mineurs (par exemple, des filtres à eau bouchés) qui ont été résolus via un dépannage à distance.
3. Systèmes de sauvegarde et supplémentaires
Bien que l'OGS soit la principale source d'oxygène, l'ISS s'appuie sur trois systèmes secondaires pour assurer un approvisionnement continu-critique en cas de dysfonctionnement de l'OGS ou pendant les pics de demande (par exemple, lorsque la taille de l'équipage augmente temporairement).
3.1 Réservoirs d'oxygène sous pression (segment russe)
Le segment russe (RS) de l'ISS-qui comprend des modules tels que Zvezda (module de service) et Nauka (module de laboratoire polyvalent)-utiliseréservoirs d'oxygène sous pressioncomme sauvegarde. Ces réservoirs sont :
Conception: Réservoirs cylindriques en alliage de titane (pour résister aux hautes pressions et aux rayonnements spatiaux) d'une capacité de ~40 litres chacun. Ils stockent l'oxygène sous forme de gaz à haute-pression (3 000 psi ou 20,7 MPa)-du même type que celui utilisé dans les bouteilles de plongée terrestres-mais modifié pour l'espace.
Fournir: Les chars sont livrés à l'ISS via un vaisseau spatial cargo russe (par exemple Progress) et attachés aux ports externes de la RS. Chaque mission Progress transporte 2 à 3 réservoirs, fournissant environ 100 à 150 kg d'oxygène par mission (assez pour subvenir aux besoins d'un équipage de 7 personnes pendant environ 20 à 25 jours).
Déploiement: Lorsque l'OGS tombe en panne, le système de survie du RS ouvre les vannes pour libérer l'oxygène des réservoirs dans l'atmosphère de la station. Les réservoirs sont également utilisés lors des sorties dans l'espace (EVA, Extravehicular Activity) pour alimenter en oxygène les combinaisons spatiales des astronautes.
3.2 Bougies à oxygène (générateurs chimiques d'oxygène)
Pour les situations d'urgence (par exemple, une panne majeure de l'OGS combinée à un retard dans le réapprovisionnement du fret), l'ISS utilisebougies à oxygène-générateurs compacts à base de produits chimiques-qui produisent de l'oxygène via une réaction thermique. Ces bougies sont :
Composition: Chaque bougie est un bloc solide de chlorate de sodium (NaClO₃) mélangé à un catalyseur (par exemple de la poudre de fer) et un combustible (par exemple de l'aluminium). Lorsqu'il est enflammé, le chlorate de sodium se décompose à haute température (500 à 600 degrés) pour produire de l'oxygène gazeux et du chlorure de sodium (sel de table).
Capacité: Une seule bougie (pesant ~1 kg) produit ~60 litres d'oxygène (assez pour un astronaute pendant ~10 heures). L'ISS transporte environ 100 bougies, stockées dans des conteneurs ignifuges dans chaque module (par exemple Zarya, Unity) pour un accès facile.
Sécurité : Les bougies à oxygène sont conçues pour être sûres dans l'espace-elles ne produisent pas de flammes nues (seulement de la chaleur) et le sous-produit du chlorure de sodium n'est pas-toxique (il est collecté dans un filtre puis éliminé lors des missions cargo). Cependant, ils ne sont utilisés qu’en dernier recours en raison de leur capacité limitée et de la nécessité d’une activation manuelle.
3.3 Support de vie régénératif : recyclage de l'oxygène du CO₂
L'ISSSystème de contrôle environnemental et de survie (ECLSS)comprend un composant régénérateur qui recycle l'oxygène du CO₂-, réduisant ainsi le besoin de nouvelle production d'oxygène. Cela se fait via leEnsemble d'élimination du dioxyde de carbone (CDRA)(segment américain) et leSystème Vozdukh(Segment russe) :
CDRA (secteur américain) : utilise un processus en deux -étapes appelédésorption d'eau d'amine solidepour éliminer le CO₂ et produire de l’oxygène :
Adsorption du CO₂: L'air de l'ISS est pompé à travers un lit d'amine solide (un composé chimique qui se lie au CO₂). L'amine piège le CO₂, tandis que l'air pur (sans CO₂) est renvoyé vers la station.
Désorption et production d'oxygène: Lorsque le lit d'amine est saturé, il est chauffé pour libérer le CO₂ piégé. Le CO₂ réagit ensuite avec l'hydrogène (issu du processus d'électrolyse de l'OGS) dans unRéacteur Sabatier(un autre composant ECLSS) pour produire de l'eau (H₂O) et du méthane (CH₄). L'eau est ensuite envoyée à l'OGS pour être divisée en oxygène et hydrogène, créant ainsi une boucle fermée.
Système Vozdukh (segment russe): Utilise un processus similaire mais avec un produit chimique différent (hydroxyde de lithium, LiOH) pour absorber le CO₂. Contrairement au CDRA, le système Vozdukh ne recycle pas le CO₂ en oxygène-au lieu de cela, le LiOH est jeté une fois saturé (il est remplacé via des missions cargo). Cependant, il est plus simple et plus fiable que le CDRA, ce qui en fait une sauvegarde précieuse.
Le système régénératif réduit la demande en oxygène de l'ISS d'environ 40 %-un gain d'efficacité critique qui minimise le besoin de missions de réapprovisionnement. Par exemple, sans recyclage, la station aurait besoin d’environ 9,8 kg d’oxygène par jour pour 7 astronautes ; avec le recyclage, cela tombe à ~5,88 kg.
4. Assurer la résilience face aux urgences
En plus des sources secondaires, l'ISS dispose de systèmes de stockage d'oxygène dédiés pour gérer les pics de demande et les urgences. Ces systèmes sont conçus pour stocker l'oxygène sous deux formes : gaz et liquide à haute pression.
4.1 Stockage de gaz à haute-pression (segment américain)
Le segment américainRéservoirs de gaz-haute pressionsont situés dans les modules Node 1 (Unity) et Node 3 (Tranquility). Ces réservoirs :
Conception: Réservoirs sphériques en Inconel (un alliage de nickel-chrome résistant à la corrosion et aux températures élevées) d'une capacité de ~150 litres chacun. Ils stockent l'oxygène à 6 000 psi (41,4 MPa)-deux fois la pression des réservoirs du segment russe-ce qui permet de stocker plus d'oxygène dans un espace plus petit.
Capacité: Chaque réservoir contient ~100 kg d'oxygène (assez pour 7 astronautes pendant ~17 jours). Le segment américain dispose de 4 réservoirs de ce type, fournissant une réserve totale d'environ 400 kg (assez pour environ 68 jours).
Cas d'utilisation: Ces réservoirs sont utilisés pour compléter l'OGS pendant les périodes de pointe (par exemple, lorsque deux astronautes sont en sortie dans l'espace, augmentant la consommation d'oxygène d'environ 50 %) et comme secours en cas de panne de l'OGS. Ils sont également utilisés pour repressuriser la station après une sortie dans l'espace (puisqu'un peu d'air est perdu lors de l'EVA).
4.2 Stockage de l'oxygène liquide (LOX) (urgence uniquement)
En cas d'urgence à long-terme (par exemple, une panne OGS d'un mois-), l'ISS peut stockeroxygène liquide (LOX)-la même forme utilisée dans le carburant pour fusée. LOX est stocké dans :
Conception : Réservoirs à double-paroi avec une couche d'isolation sous vide pour maintenir le LOX à -183 degrés (son point d'ébullition à 1 ATM). Les réservoirs sont petits (~50 litres chacun) en raison de l'espace limité sur la station.
Capacité: Un réservoir LOX de 50 litres contient ~60 kg d'oxygène (puisque LOX a une densité de 1,141 kg/L), suffisamment pour 7 astronautes pendant ~10 jours. L'ISS dispose de 2 réservoirs de ce type, fournissant un total d'environ 120 kg (assez pour environ 20 jours).
Défis: Le stockage du LOX dans l'espace est difficile car la température de la station fluctue (de -120 degrés à l'ombre à 120 degrés au soleil), provoquant l'ébullition (vaporisation) d'une partie du LOX. Pour minimiser l'évaporation, les réservoirs sont équipés de réchauffeurs qui régulent la température et d'une soupape de surpression qui évacue l'excès de gaz (qui est ensuite capturé et utilisé dans l'atmosphère de la station).
5. Assurer un approvisionnement uniforme entre les modules
L'ISS est un réseau complexe de 16 modules (à partir de 2024), comprenant des quartiers d'habitation (par exemple, Crew Quarters), des laboratoires (par exemple, Columbus, Kibo) et des modules de services (par exemple, Zvezda, Nauka). Pour garantir que chaque module a une concentration constante d'oxygène de 21 %, la station utilise unsystème de distribution centraliséavec les composants suivants :
5.1 Ventilateurs de circulation d'air
Chaque module comprend 4 à 6ventilateurs de circulation d'airqui déplacent l’air à un débit d’environ 1 mètre cube par minute. Ces fans :
Évitez les poches d'air stagnantes (qui pourraient entraîner de faibles niveaux d'oxygène dans les coins du module).
Mélangez l’oxygène nouvellement produit avec l’air existant pour maintenir la concentration de 21 %.
Poussez l'air à travers les systèmes CDRA/Vozdukh pour éliminer le CO₂ et les contaminants.
Les ventilateurs sont essentiels car, en microgravité (apesanteur), l’air ne circule pas naturellement (comme c’est le cas sur Terre à cause de la convection). Sans ventilateurs, les astronautes pourraient souffrir d’hypoxie dans des zones éloignées de la source d’oxygène.
5.2 Vannes et tuyaux
Un réseau detuyaux en acier inoxydable(2 à 4 pouces de diamètre) relie l'OGS, les réservoirs de stockage et les modules. Chaque canalisation est équipée de :
Électrovannes: Vannes à commande électrique qui s'ouvrent et se ferment pour réguler le débit d'oxygène. Ces vannes sont redondantes (chaque tuyau possède deux vannes) pour éviter les fuites.
Capteurs de pression: Surveiller la pression dans les canalisations pour s'assurer qu'elle correspond à la pression atmosphérique de la station (101,3 kPa). Si la pression chute (par exemple en raison d'une fuite), les capteurs déclenchent une alarme et ferment les vannes concernées.
Filtres: Retirez la poussière et les débris de l'oxygène pour éviter d'endommager les ventilateurs et les systèmes de survie.
5.3 Module-Régulateurs spécifiques
Chaque module possède unrégulateur de pressionqui ajuste le débit d'oxygène dans le module en fonction de sa taille et de son occupation. Par exemple:
Les petits modules (par exemple, les quartiers de l'équipage, qui mesurent environ 10 mètres cubes) nécessitent un débit inférieur (~ 0,1 kg d'oxygène par jour) que les grands modules (par exemple, le laboratoire Columbus, qui mesure environ 75 mètres cubes, nécessitant environ 0,5 kg par jour).
Les régulateurs garantissent également que la pression du module reste à 101,3 kPa, même si d'autres modules sont repressurisés (par exemple, après une sortie dans l'espace).
