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Frapper les livres: ce que les astronautes peuvent apprendre des sous-mariniers nucléaires

Un environnement aussi hostile que l’Antarctique, le continent glacial a encore une chose que la Lune et Mars n’ont pas, et c’est l’air. Lorsque nous allons dans l’espace, nous devons apporter de l’air, ou le faire autrement – non seulement pour respirer mais aussi pour mettre sous pression les combinaisons spatiales. C’est le défi supplémentaire de vivre hors de la Terre.

Pourtant, il y a un endroit sur Terre qui est exactement comme l’espace lointain. Il s’agit d’un environnement surnaturel d’obscurité complète, de basses températures, de pression environnementale anormale, sans apport naturel d’oxygène respirable, de quartiers exigus et d’isolement effrayant, avec une capacité limitée à contacter tout autre être humain – un endroit où vous et vos coéquipiers devez générer votre propre électricité pour alimenter vos lumières et machines; produire de l’air à respirer et de l’eau à boire; et pour maintenir l’intégrité de votre approvisionnement alimentaire. L’environnement auquel je fais référence est au plus profond des océans de la Terre, sur un sous-marin nucléaire.

La vie sur un sous-marin nucléaire est l’exemple le plus proche de ce que serait la vie sur une lune, une autre planète ou un voyage dans l’espace. Les occupants d’un sous-marin nucléaire sont dans une lutte perpétuelle de vie et de mort avec l’environnement hostile qui les entoure. Pas d’hyperbole ici. C’est une existence déchirante et éprouvante. Un certain nombre d’incidents – incendie, perte de pression, fuite d’un navire, fuite de gaz – pourraient entraîner la mort de tout l’équipage. Une calamité à un mile sous la mer est aussi dangereuse qu’une calamité à des millions de miles dans l’espace lointain.

Les implantations spatiales n’étaient sûrement pas dans l’esprit des concepteurs des premiers sous-marins nucléaires, mais ces vaisseaux contiennent toute la technologie nécessaire pour vivre dans l’espace. Grâce à leur utilisation, nous avons appris à vivre dans un environnement complètement artificiel et autonome. En effet, ces sous-marins sont parmi les chefs-d’œuvre d’ingénierie les plus sophistiqués jamais construits. À leur cœur se trouve un moteur nucléaire compact capable d’alimenter la locomotion du sous-marin et de tous ses sous-systèmes pendant vingt-cinq ans sans faire le plein. Le premier sous-marin nucléaire, l’USS Nautilus, baptisé en 1954, pouvait parcourir 100 000 kilomètres avec quatre kilogrammes de combustible nucléaire. C’est deux fois et demi autour de la Terre. L’USS Pennsylvania, l’un des plus grands sous-marins nucléaires en service, peut accélérer son châssis en acier de 17 000 tonnes à plus de 45 kilomètres par heure et alimenter la myriade de machines et d’équipements sur ce navire de 170 mètres pendant des années avec juste un morceau d’uranium le taille d’un poing. Les déploiements typiques durent trois mois, souvent entièrement sous l’eau. Le navire n’a besoin de refaire surface que pour réapprovisionner la nourriture et permettre à l’équipage de voir leurs familles.

La NASA envisage une conception de sous-marin nucléaire pour explorer les océans recouverts de glace sur la lune Europa de Jupiter et les lacs d’hydrocarbures sur la lune Titan de Saturne, des missions qui sont loin de se réaliser. Et la seule efficacité énergétique offerte par la fission nucléaire incite les agences spatiales à envisager des moyens de propulser de manière similaire des bases sur la Lune et sur Mars à moindre coût et de manière fiable. La récolte d’énergie solaire fiable et abondante sur Mars poussiéreux reste discutable, comme nous le verrons au chapitre 6. Et au-delà de Mars, l’utilisation de l’énergie solaire d’un soleil éloigné devient largement impraticable, laissant la fission nucléaire comme source probable de combustible (sauf si un moteur de fusion nucléaire est développé).

Cependant, la plus grande leçon à tirer d’un sous-marin nucléaire n’est pas la source d’énergie mais plutôt ce que l’on fait de cette énergie: créer une «terre» artificielle autonome dans un environnement peu propice à la vie humaine. La première exigence sous l’eau ou dans l’espace est de générer de l’oxygène. Chaque membre de l’équipage sous-marin de 150 personnes a besoin d’au moins 550 litres d’oxygène par jour. Sans générateur d’oxygène, le sous-marin manquerait d’oxygène en sept jours. Une source peut-être surprenante de ce précieux oxygène sur un sous-marin nucléaire est l’eau de l’océan qui l’entoure. Chaque molécule d’eau, H2O, contient deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène. Grâce au processus d’électrolyse, une machine fait passer un courant électrique à travers l’eau de mer distillée pour créer de l’oxygène gazeux, O2, et rejette l’hydrogène dans l’océan. Le processus peut imiter ce qui doit être fait sur la Lune et ailleurs avec l’extraction de l’oxygène des dépôts de glace d’eau.

La génération d’oxygène, bien sûr, n’est que la première partie. Nous respirons de l’oxygène mais expirons du dioxyde de carbone, du CO2. Les sous-marins doivent éliminer le CO2 de l’air avant qu’il n’atteigne des niveaux toxiques. Sans plantes pour absorber naturellement le CO2, une machine «frotte» le CO2 de l’air en faisant passer le gaz à travers une solution aqueuse de monoéthanolamine, un composé chimique organique de formule HOCH2CH2NH2. (Un côté: ne pas s’enliser dans la chimie, mais suivez ce N dans la formule, qui représente l’azote. L’US Navy dit que l’air sur un sous-marin nucléaire est plus propre que l’air que vous respirez sur terre, mais ce n’est que la moitié de la histoire. Oui, l’oxygène est plutôt pur. Mais tout sous-marin chevronné vous dira la puanteur des amines de type ammoniac imprègne le navire. C’est à quoi l’azote se transforme dans la réaction de lavage.) Nous expirons également la vapeur d’eau, qui doit être enlevé dans ce système fermé avec des déshumidificateurs. Les machines expirent aussi. Les poêles génèrent de petites quantités de monoxyde de carbone, CO, qui est toxique même en très petites quantités. Les batteries émettent de l’hydrogène gazeux. Ces deux gaz doivent être filtrés, collectés et brûlés.

Pendant des années, la NASA a modelé ses modules de recyclage de l’air sur des conceptions de la marine américaine, mais elle a depuis fait évoluer la technologie à un point tel que la marine est maintenant venue à la NASA pour aider à améliorer la qualité de l’air sous-marin, essentiellement par l’expérimentation d’une variété de différents types de actions de nettoyage. Les plantes aident; la végétation absorbe le CO2 et produit de l’O2. Mais vous auriez besoin de centaines de plantes par personne dans un système fermé pour reproduire ce cycle naturel sur un sous-marin ou dans un habitat spatial. L’électrolyse de l’eau est plus fiable et nécessite moins d’énergie, étant donné que vous auriez besoin d’alimenter les lumières pour faire pousser les aliments à l’intérieur. Les plantes, au mieux, complètent l’échange d’air mécanique en réduisant les odeurs et en ajoutant un peu d’oxygène.

L’eau potable des sous-marins provient également de l’eau de mer, grâce au processus de dessalement énergivore. De l’énergie est également nécessaire pour maintenir une pression atmosphérique constante de 1 atmosphère pendant que le sous-marin plonge du niveau de la surface jusqu’à sa profondeur de croisière d’un demi-mile de profondeur. Cette régulation de la pression est un peu à l’opposé de ce qui est nécessaire sur les avions et de ce qui serait nécessaire dans l’espace, où les corps célestes contiennent peu ou pas de pression. Le poids total de l’atmosphère terrestre exerce une pression sur nos corps au niveau de la mer avec une force d’environ 15 livres par pouce carré (psi). Nous appelons ce montant, assez commodément, 1 atmosphère de pression. Au sommet du mont Everest, la pression atmosphérique n’est que d’environ 5 psi, ou un tiers d’une atmosphère, car il y a moins d’air au-dessus de vous.

Sur Mars, la pression atmosphérique est d’environ 0,09 psi car il n’y a pratiquement pas d’atmosphère; sur la Lune, la pression atmosphérique est essentiellement nulle. Mais une fois sous l’eau, vous avez de l’air et de l’eau qui pèsent sur vous. La pression augmente d’environ 1 atmosphère tous les dix mètres de profondeur d’eau. Ainsi, à un demi-mille ou 800 mètres de profondeur, la pression peut atteindre 80 atmosphères. En dehors des limites sûres du sous-marin, vous seriez écrasé instantanément. Les sous-marins maintiennent une pression constante via un système à double coque comprenant une coque extérieure étanche et une coque intérieure sous pression en acier résistant ou en titane. Un système de ballast avancé retenant différentes quantités d’air ou d’eau stabilise la compression de la coque.

Aussi sophistiqués que soient les sous-marins nucléaires, ce sont des bêtes dangereuses. Le danger se cache non seulement à l’extérieur dans les profondeurs froides et sombres de l’océan, mais aussi à l’intérieur. La plupart des sous-marins nucléaires, après tout, sont des machines de guerre armées jusqu’aux dents. Les incendies peuvent facilement déclencher des explosions qui peuvent faire exploser le navire. Telle était la tragédie pour un sous-marin russe appelé Koursk le 12 août 2000, quand une série d’explosions d’ogives déclenchées par une fuite de peroxyde d’hydrogène et un incendie au kérosène subséquent ont déchiré le navire. La plupart des 118 membres d’équipage ont été tués dans les explosions initiales, mais vingt-trois membres ont apparemment survécu pendant de nombreuses heures à l’extrémité du sous-marin jusqu’à ce qu’une explosion de plus consume tout l’oxygène restant et suffoque.

Les agences spatiales ont appris de la mort et de la vie des sous-mariniers. L’enquête du gouvernement russe sur la catastrophe de Koursk, publiée quelques années plus tard dans le quotidien officiel du gouvernement russe, Rossiyskaya Gazeta, a révélé «un niveau choquant de négligence à tous les niveaux du commandement; de stupéfiantes violations de la discipline; et du matériel de mauvaise qualité, obsolète et mal entretenu. » Autrement dit, l’accident ne devait pas se produire. À cet égard, la NASA est militariste dans son approche de la sécurité au travail sur la Station spatiale internationale, nécessitant plus d’une heure par jour pour les contrôles de sécurité de routine. Peu de temps après l’incident de Kursk, en 2002, la NASA s’est officiellement associée à l’US Navy pour le NASA / Navy Benchmarking Exchange, qui comprenait des représentants supérieurs du Bureau de la sécurité et de l’assurance mission de la NASA et de la Division de la sécurité et de l’assurance de la qualité des sous-marins de la marine 07Q (SUBSAFE). Le groupe a identifié plusieurs opportunités pour la NASA de bénéficier des succès des sous-marins SUBSAFE. Si un accident mortel peut se produire sur Terre, sous la mer, il peut se produire dans l’espace.

Les conditions de vie des sous-marins présentent également un vif intérêt pour les agences spatiales, car la vie dans l’espace, au moins au début, sera également à l’étroit et isolée et donc une source potentielle de troubles psychologiques. Les sous-marins ont la complication supplémentaire du secret – un service silencieux, ils l’appellent. Les sous-marins nucléaires sont conçus pour être furtifs dans leur surveillance à travers le monde, de sorte que les membres d’équipage ne peuvent pas appeler à la maison ou avoir des conversations vidéo avec des êtres chers ou des écoliers curieux, comme c’est le cas pour les astronautes à bord de l’ISS. Entrez dans l’un de ces sous-marins le premier jour de votre mission et écoutez la trappe se rapprocher, et un sentiment regrettable et instantané de claustrophobie peut vous envahir. L’USS Pennsylvania est peut-être le plus grand sous-marin nucléaire, avec 170 mètres de long (environ deux terrains de football), mais il ne mesure que 13 mètres de large et 12 mètres de profondeur de quille. Il n’y a pas de fenêtres, juste la brume de lumières artificielles pour vous guider à travers le labyrinthe de passages étroits, une ligne apparemment infinie de gadgets métalliques, de tuyaux et de fils du sol au plafond – bruts, comme un projet de construction inachevé. Presque tout est gris, comme s’il s’agissait d’un exercice de dépression. Il y a aussi un bourdonnement constant d’un atelier d’usinage, et l’odeur de l’huile de lubrification et du diesel mélangée aux amines omniprésentes crée cette eau de sous-marin distinctive. Faible dégagement, moins de six pieds – il vaut mieux ne pas être trop grand. Même visages jour après jour. Les couchages sont des lits superposés de trois niveaux, neuf dans une pièce plus petite qu’une cellule de prison. Pas de soleil pour guider votre horloge interne; vous ne verrez probablement pas la lumière du jour pendant quatre-vingt-dix jours.

Comme en Antarctique, les repas renforcent le moral. Les sous-mariniers américains le décrivent de loin comme le meilleur aliment de la marine. Au-delà de cela, la belle monotonie hypnotique des routines et, peut-être, des souvenirs de Koursk sont ce qui fait avancer l’équipage: se rendre à la station, vérifier les machines, effectuer la maintenance, nettoyer, sauter à un exercice surprise, s’entraîner, faire de l’exercice, sauter à un autre exercice surprise , mangez, dormez et répétez. Les débutants travaillent sur les qualifications étendues requises pour devenir un spécialiste des sous-marins et «gagner leurs dauphins», une épingle de poitrine uniforme qui est un gros problème et, dans l’US Navy, l’une des trois principales épingles de guerre enrôlées. Un autre élément qui aide les sous-mariniers à rester sains d’esprit est leur profond sens du but qui vient avec la responsabilité impressionnante de contrôler une machine de guerre furtive capable de lancer une attaque nucléaire.

Les sous-mariniers se plaignent souvent de ne pas avoir de fenêtres. Ceux-ci seraient trop difficiles à installer pour résister à la haute pression et ne serviraient à rien, car il n’y a pas de lumière en dessous de 1 000 mètres d’océan. Mais leur complainte a été le principal facteur contribuant à placer des fenêtres sur l’ISS, un confort majeur pour les astronautes.

L’US Navy a étudié le bien-être psychologique de ses sous-mariniers et a découvert, sans surprise, que les conditions exiguës entraînent un mauvais sommeil, une irritabilité et une dépression. À l’inverse, créer l’illusion de plus d’espace avec des espaces récréatifs moins encombrés tels que les mess et les couchettes peut améliorer le bien-être. Heureusement pour les sous-mariniers, un déploiement dépasse rarement trois mois. Un voyage à l’étroit vers Mars devrait durer neuf mois, suivi de deux ans dans un habitat exigu, puis d’un voyage de retour de neuf mois à l’étroit. Comment va le petit équipage? Comme indiqué ci-dessous, la NASA s’est lancée dans un projet avec la marine américaine à la base sous-marine de Groton, Connecticut, pour le savoir.

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