Comment l'astronaute respire-t-il dans l'espace ? Question cruciale, la solution adoptée est finalement relativement simple. On utilise le même principe que pour la plongée sous-marine ou chez les pompiers, si ce n'est qu'au lieu de respirer de l'air, l'astronaute emporte une réserve d'oxygène pur.

La combinaison spatiale étant pressurisée à basse pression (voir plus bas), les astronautes ne peuvent pas respirer de l'air (21% d'oxygène et 78% d'azote plus des traces de gaz rares). L'oxygène serait trop raréfié, équivalent à la pression partielle d'oxygène présent vers 8000 m d'altitude.

Ainsi que nous l'avons expliqué, respirer si peu d'oxygène est dangereux et peut provoquer des maux de tête, une hypoxie voire même un coma à très faible pression. Les astronautes respirent donc de l'oxygène pur qui leur est fournit soit par le PLSS soit à travers le cordon ombilical qui les relie au système de survie de la cabine.

Etant donné qu'en temps normal les astronautes respirent de l'air, leur organisme contient de l'azote dissout. Or à basse pression, ce gaz peut provoquer des embolies. Aussi, avant toute sortie dans l'espace les astronautes sont obligés de se ventiler (ce n'est pas une hyperventilation) en respirant de l'oxygène pur durant 15 minutes pour éliminer toute trace d'azote.

Ce n'est qu'à l'intérieur des modules d'habitation de la navette et de la station spatiale ISS que les astronautes retrouvent des conditions de vie normale, mise à part l'apesanteur, et respirent de l'air ordinaire recyclé.

L'oxygène circule dans la combinaison en circuit fermé grâce à un ventilateur. Lorsque la réserve d'oxygène de la première bouteille est épuisée, le système bascule automatiquement sur la deuxième.

L’oxygène circule dans plusieurs conduits avant d'être insufflé à l’arrière du casque pour éviter la formation éventuelle de buée sur la visière (bien qu'elle contienne des résistances). L'oxygène est ensuite entraîné au-dessus de la tête de l'astronaute pour redescendre devant lui légèrement réchauffé.

En même temps le courant d'air entraîne le gaz carbonique et l’humidité créés par la respiration de l’astronaute vers le bas de sa combinaison, capturant au passage la chaleur, l’humidité de la transpiration du corps ainsi que toute trace de contaminant. Il est impératif d'évacuer le gaz carbonique car à trop forte concentration ce gaz devient mortel. Ces gaz sont aspirés par un tube souple fixé sur le sous-vêtement qui contient également les systèmes de refroidissement et de ventilation à circulation liquide (LCVG, voir plus bas).

Les gaz viciés sont aspirés à l'intérieur du PLSS et acheminés vers une unité d'épuration. Elle se compose de cartouches de filtration remplies d'hydroxide de lithium qui capture le gaz carbonique, la vapeur d'eau et les contaminants, complété par un échangeur de chaleur ainsi qu'un appareil de sublimation pour éliminer l’humidité ambiante.

L’échangeur de chaleur à pour but d'aspirer l’air chaud extrait de la combinaison et le remplacer par de l’air plus frais qui est réinjecté dans la combinaison. En complément, l'humidité est transformée en glace dans un appareil de sublimation puis convertie en vapeur d’eau et évacuée dans l’espace. La chaleur  latente libérée au cours du changement d'état de l'eau rend celle très froide au sortir de l’appareil de sublimation. Cette eau froide est mélangée avec l’eau tiède qui n’est pas encore passée par l’appareil de sublimation puis retourne circuler à travers les tubes du LCVG.

Le restant d'air vicié est aspiré par la cartouche d'hydroxide de lithium qui va capturer le gaz carbonique, l'air restant étant renvoyé éventuellement réoxygéné par la réserve du PLSS, dans le circuit d'alimentation en oxygène.

Si le ventilateur s'arrête, la réserve secondaire d’oxygène s’activera automatiquement et la circulation d'air passera en circuit ouvert : l'astronaute recevra toujours de l’oxygène du PLSS mais l'air vicié sera évacué dans l'espace sans être traité par l'unité d’épuration. Sa réserve d'air va donc diminuer beaucoup plus rapidement qu'en temps normal. Dans tous les cas, c'est une situation d'urgence qui impose un retour immédiat au vaisseau spatial.

Régulation de la température

Dans le vide, face au Soleil, nous avons vu que les objets atteignent facilement une température de 120°C en quelques minutes. Exposé au Soleil, l'astronaute ne déroge pas à cette règle. Mais qu'est-ce que cela représente concrètement ?

Le meilleur exemple est de vous imaginer dans une voiture sans air conditionné et toutes fenêtres fermées exposée en plein Soleil d'été... Si la voiture est blanche ou gris métallisée, la température intérieure montera de 10°C par minute pour se stabiliser aux alentours de 50°C ! Si la voiture est noire elle peut atteindre 80°C ! Bien que cette chaleur soit sèche, si vous restez quelques minutes dans ces conditions, vous allez commencer à suer à grosses gouttes pour maintenir votre température interne. Les personnes les plus sensibles peuvent ainsi mourir déshydratées. En revanche, si vous pouvez rafraîchir votre corps ne fut-ce qu'en réalisant un courant d'air ou en l'humidifiant régulièrement, vous pouvez résister à cette chaleur. La situation sera cependant plus difficile à supporter s'il s'agit d'une chaleur humide, très épuisante pour l'organisme. Ce sont des situations extrêmes auxquelles l'homme s'adapte très difficillement et en perdant énormément d'énergie pour maintenir sa température corporelle.

Dans l'espace la montée en température est encore plus élevée et les effets d'autant plus conséquents. Nous verrons que la NASA a donc inventé des matières isolantes spéciales et des systèmes de refroidissement et de ventilation adaptés pour réguler la température interne de la combinaison afin de maintenir la température du corps de l'astronaute à température normale. Ici l'air conditionné n'est pas un luxe mais une question de survie !

Mais contrairement à la Terre où l'atmosphère joue le rôle de filtre protecteur contre les UV notamment et modère les extrêmes de température par l'inertie des molécules et le brassage de l'air provoqué par le vent, dans l'espace, à travers sa visière l'astronaute reçoit également énormément de rayonnements ultraviolet et infrarouge. Les randonneurs en montagne, les skieurs et les parachutistes effectuant des sauts stratosphériques connaissent bien ce phénomène que l'on subit à partir d'environ 3000m d'altitude.

Pour maintenir la température corporelle de l'astronaute en toute situation, la NASA a dû procéder par essais et erreurs durant plus de 10 ans jusqu'à trouver une combinaison et des techniques adaptées aux circonstances. Ainsi que nous l'avons expliqué, depuis les missions Apollo l'astronaute porte un sous-vêtement rafraîchissant sous sa combinaison, appelé le "Liquid Cooling and Ventilation Garment" ou LCVG depuis les programmes ISS et STS.

Ainsi qu'on peut le voir sur la photographie de F. Story Musgrave présenté à gauche, ce sous-vêtement qui va jusqu'aux chevilles est en contact avec la peau. Sa fonction principale est de réguler la température corporelle et d'éliminer l'excès d'humidité pour assurer le confort de l'astronaute. C'est un échangeur thermique.

Ce sous-vêtement est confectionné à partir d'un monopièce (une salopette) en Nylon dans lesquel sont entrelacées des fibres de Spandex qui est un polymère élastique connu sous le nom d'Elastane (Elasthanne) ou de Lycra, un textile très léger et très résistant avec lequel on fait des sous-vêtements. On installe sur ce tissu une série de tubes de refroidissement qui sont ensuite cousus ensemble avec la couche de Nylon. Une fermeture-éclair est cousue par devant pour pouvoir l'enfiler, ainsi que les connecteurs pour le système de survie. Le système de refroidissement fixé sur cette tenue est composé de 100 mètres de fins tubes en plastique entrelacés dans lesquels circule de l'eau froide. Généralement l'eau est maintenue entre 4.4 et 9.9°C. La température est contrôlée par une valve placée sur le module d'affichage et de commande que porte l'astronaute sur sa poitrine. Lorsqu'il est rempli d'eau le LCVG pèse 3.8 kg sur Terre.

Etant donné que l'astronaute se déplace avec la navette spatiale ou la station ISS pendant qu'il travaille dans l'espace, toutes les 90 minutes environ, il passe dans l'ombre de la Terre où la température chute rapidement à -100°C (elle pourrait descendre plus bas si l'astronaute restait en permanence dans l'ombre). Les extrémités de ses membres se refroidissant le plus rapidement, les nouveaux gants de la combinaison ISS EMU contiennent des résistances chauffantes permettant à l'astronaute de garder ses mains chaudes et une impression de confort durant ce passage critique qui dure environ 45 minutes.

Régulation de la pression

Sur Terre, chaque centimètre carré de notre corps subit une pression d'une atmosphère. C'est une force très importante qui agit dans les trois dimensions et qui représente 1 kg/cm². Répartis sur tout le corps, cela fait des centaines de kilos de pression qui nous maintiennent dans notre intégré. Merci l'atmosphère !

Ainsi que nous l'avons expliqué, si la combinaison pressurisée n'était pas maintenue dans un harnais structurel, en l'absence d'atmosphère elle gonflerait exagérément et l'astronaute ne pourrait plus accomplir un seul geste.

Longtemps la combinaison a été pressurisée à 0.76 atm ou 11.2 psi d'oxygène pure. Depuis les missions de la navette spatiale, afin que l'astronaute puisse travailler, se pencher, plier les bras et les genoux dans de bonnes conditions, la pression a été abaissée à 0.29 atm (296 mb) ou 4.3 psi et la combinaison adaptée. Mais ainsi que nous l'avons vu cette faible pression a des conséquence sur la pression des gaz et implique que le sas de sortie (airlock) de la navette ou de la station ISS soit également abaissé à cette pression au risque de provoquer des problèmes de décompression (embolies) comme peuvent parfois l'expérimenter des plongeurs amateurs inconscients de leurs actes.

Enfin, depuis les premières EVA, la combinaison pressurisée dispose également d'une purge à oxygène afin d'évacuer le surplus de gaz contenu dans la combinaison.

Vous trouverez sur le site de la NASA des informations complémentaires sur le PLSS utilisé par les équipages Apollo.

Prochain chapitre

Conception de la combinaison spatiale