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Juil 31 2015

Démystificateur: Considérer Newton avec légèreté est d’une grande gravité !

L'astronaute Gerald Carr "portant" son coéquipier William Pogue lors de la mission Skylab 4 en 1974. (Crédit: NASA)

L’astronaute Gerald Carr « portant » son coéquipier William Pogue lors de la mission Skylab 4 en 1974.
(Crédit: NASA)

Mes lecteurs connaissent tous cette citation de Bernard Baruch que j’ai repris dans mon roman:

« Des millions de gens ont vu tomber une pomme, Newton est le seul qui se soit demandé pourquoi. »

Oui pourquoi ? Pourquoi est-ce que cette pomme tombe sur le sol lorsque l’on est sur Terre, mais danse avec grâce dans les airs autour des astronautes de l’ISS ?

A cause de la gravité certes, mais qu’est-ce que la gravité ? Et pourquoi semble-t-elle exister sur la plupart des vaisseaux spatiaux de Science-Fiction loin de notre planète, et pas sur notre station spatiale pourtant si proche ?

Si vous êtes un habitué de mon blog, vous savez déjà tout sur la gravité. Sinon, je vous conseille de lire mon article traitant des trous noirs. Vous pourrez lire, dans la première partie, un paragraphe traitant de l’espace-temps où j’y décris la gravité. Si vous êtes d’humeur flemmarde, je peux tenter de résumer ici les choses de façon simple.

La gravité est une déformation du tissu de l’espace-temps à proximité d’un objet massif qui se traduit (dans notre monde tridimensionnel) comme une « force d’attraction ». Autrement dit, pour générer de la gravité il faut de la masse, beaucoup de masse !

Les faits

Comme à l’accoutumée, je vais vous présenter divers exemples d’œuvres de science-fiction ou cet aspect est présent de façon explicite ou non.

Extrait de Prometheus de Ridley Scott.

Extrait de Prometheus de Ridley Scott.

Surtout au cinéma, où l’équipage gambade joyeusement dans un vaisseau, souvent à plusieurs niveaux, et qui n’est pas en rotation. Autrement dit… Comment peuvent-ils bien générer une force de gravité ?

Les candidats sont nombreux, le Faucon Millénium dans Star Wars, le Prometheus dans le film du même nom, l’Event Horizon, les vaisseaux de la série des Aliens, etc…

Dans tous ces films, les personnages restent bien ancrés au sol quelle que soit l’accélération appliquée au vaisseau, et plus encore, il arrive même que des accidents où des chutes dans le vaisseau coutent la vie à un personnage.

Pourquoi ce choix me direz-vous ? Tout simplement pour des raisons de coût de production. Il est en effet moins couteux de montrer un équipage les pieds bien au sol, plutôt qu’en apesanteur où les effets spéciaux seraient indispensables.

Extrait du film Avatar de James Cameron.

Extrait du film Avatar de James Cameron.

D’autres en revanche, montrent un aspect plus réaliste où les personnages sont en apesanteur. Mais si ceci est envisageable pour des voyages de courte durée, il ne saurait en être de même pour des voyageurs interplanétaires ou même interstellaires où les voyages pourraient durer très longtemps. Les effets de la gravité zéro sur l’organisme étant trop important pour leur permettre de fouler le sol d’une planète immédiatement après leur mise en orbite.

Démystifions !

Les conditions du voyage interplanétaire

Astronaute "poussant de la fonte" sur l'ISS. (Crédits: NASA / Gizmodo)

Astronaute « poussant de la fonte » sur l’ISS.
(Crédits: NASA / Gizmodo)

Aujourd’hui, un grand nombre d’études et d’expériences financées par les agences spatiales du monde entier tendent toutes à dire qu’il serait trop contraignant d’envoyer des gens vers une autre planète en les maintenant en gravité zéro durant la totalité du voyage.

Les conséquences sur l’organisme des astronautes seraient bien trop lourdes et demanderaient une longue préparation physique en orbite avant d’envoyer ces derniers sur le sol de la planète qui était visée sans aucune assistance au sol. Surtout si la gravité de cette dernière est supérieure à la gravité terrestre (1g soit environ 9.81 N/kg).

Même sur l’ISS, pour des séjours de quelques mois, les astronautes doivent se soumettre à une batterie d’exercices physiques afin d’éviter des problèmes physiologiques lors de leur retour sur Terre.

Ces effets peuvent se manifester de diverses manières. Tout d’abord les os se fragilisent et perdent une grande partie de leur calcium car ils ne sont plus sollicités par le poids de la personne. Ensuite les muscles auront tendance à s’atrophier du fait du manque d’effort et de la baisse de l’oxygénation du sang. D’autres perturbations moins manifestes peuvent également survenir, notamment au niveau de la circulation sanguine.

Pour résumer, l’apesanteur nous rend faible ! Si faible que l’on pourrait se casser un membre à la moindre petite chute, et qu’on aurait bien du mal à soutenir le poids de notre scaphandre d’exploration planétaire une fois sur le sol.

Pas de problème, il faut créer une gravité artificielle

Comme je vous l’ai expliqué plus haut dans cette chronique, pour obtenir de la gravité il faut de la masse. Or, dans le domaine du voyage spatial, une masse importante est justement quelque chose que l’on essaye d’éviter ! Pourquoi ? Parce-que la quantité d’énergie nécessaire à la propulsion d’un engin spatial est directement proportionnelle à la masse du vaisseau. Plus le vaisseau sera lourd, plus il demandera d’énergie et plus il coutera cher à faire avancer.

Mais, en fin de compte, ce n’est pas nécessairement de gravité dont nous avons besoin mais d’une force qui nous tire vers le bas. Quelle qu’en soit sa nature. Or il y a un grand nombre de façons de créer artificiellement une telle force, et nous allons en voir quelques unes ici.

L’accélération

Accélération de la Tesla P85d.

Accélération de la Tesla P85d.

La gravité terrestre correspond à une accélération d’1g. Autrement dit, il serait simple de simuler cette accélération par la modification de la vitesse du vaisseau. Si le vaisseau accélère, ses occupants vont être soumis à une force les poussant vers l’arrière, de la même façon que lorsque vous êtes dans une voiture puissante et que le conducteur appuie sur le champignon. L’accélération du véhicule va venir vous plaquer contre le siège, à ce moment là vous subissez une accélération qui va se mesurer en g.

Concrètement, pour se faire une idée, une accélération de 2g multiplie votre poids (qui est une force, contrairement à la masse) par 2. Par abus de langage le poids est souvent décrit en kg alors qu’en réalité il s’agit de la masse qui est décrite avec cette unité. Un poids s’exprime en Newton car c’est une force au sens mécanique du terme.

En mécanique, une force est un vecteur et se décrit par 4 propriétés:

  1. Sa direction : C’est à dire son orientation
  2. Son sens : De quel point vers quel point la force s’exerce (ex: du haut vers le bas)
  3. Sa norme : Son intensité exprimée en Newton
  4. Son origine : Le point d’origine du vecteur

 

Dans le cas de la gravité on peut schématiser le vecteur force de la manière suivante.

Représentation de la force d'attraction terrestre.

Représentation de la force d’attraction terrestre.

Les pilotes d’avions de chasse peuvent encaisser des accélérations de l’ordre de 8g, à ce moment là un homme d’une masse de 70kg ressentirait une « masse apparente » d’une demi-tonne ! Mais ce n’est pas sa masse qui a changé (il est toujours constitué du même nombre d’atomes) mais son poids, c’est à dire la force appliquée à son corps par le changement de direction ou l’accélération de son avion.

Il suffirait donc de concevoir le vaisseau de manière à ce que le plancher soit l’arrière du vaisseau et, lorsqu’on allumerait les moteurs, ses occupants se retrouveraient plaqués au sol.

C’est une idée oui, mais impossible à appliquer à l’heure actuelle. Accélérer c’est une chose, mais accélérer constamment pendant une très longue période demanderait un moteur à très forte impulsion spécifique. Les coûts en carburant permettant d’obtenir ce résultat seraient bien trop élevés avec les moteurs que nous utilisons aujourd’hui.

La force centrifuge

Expérience du seau d'eau.

Expérience du seau d’eau.

Cette force bien connue est sans doute la plus simple à utiliser dans cette circonstance. Nous avons vu que générer une accélération linéaire était un problème sur le long terme car il fallait pour cela propulser la totalité de la masse du vaisseau. Dans le cas de la force centrifuge il suffit de mettre une partie du vaisseau (circulaire) en rotation pour générer une force perpendiculaire à la tangente de ce cercle. Deux forces vont alors être créées, la force centrifuge qui vas vers l’extérieur du cercle et la force centripète qui va vers son centre.

Vous avez déjà dû expérimenter cette force à maintes reprises, lorsque vous étiez enfants avec l’expérience du seau d’eau par exemple, qui consiste à faire tourner un seau rempli d’eau au dessus de sa tête. L’eau ne s’écoule pas car elle est plaquée au fond du seau par la force centrifuge. Mais quelques gouttelettes vont s’en échapper et, à cause de la force centripète, vont forcément venir vous toucher car la direction de cette force mène droit à votre centre de gravité.

Cette force peut être utilisée mais on doit respecter certaines règles à cause d’une force supplémentaire et qui pourrait causer des problèmes aux astronautes, la force de Coriolis. Cette force, qui suit la tangente, va agir sur l’oreille interne et pourrait provoquer des malaises et des vertiges. Pour la minimiser il faut réduire la vitesse linéaire, et donc minimiser le nombre de tours par minutes de l’anneau.

Pour un confort correct, il faudrait que la rotation du système n’excède pas les 2 tours par minutes afin que la force de Coriolis ne soit pas assez importante pour incommoder l’équipage. Seulement, si l’on veut maintenir une accélération de 1g à bord, il faut compenser la baisse de la vitesse par une augmentation du rayon de l’anneau.

Station orbitale du film "2001 l'odyssée de l'espace" de Stanley Kubrick. Inspiré du roman d'Arthur C. Clarke

Station orbitale du film « 2001 l’odyssée de l’espace » de Kubrick
Inspiré du roman d’Arthur C. Clarke

Le calcul peut être effectué de façon simple en appliquant des formules de mécanique élémentaire et l’on peut déterminer que le rayon minimum d’une telle station (ou vaisseau) doit être de 224m pour respecter la vitesse de rotation maximum de 2tr/min. Ce qui fait un gros vaisseau…

{F}_{cen}= m \cdot \omega^2 \cdot R =\frac{m \cdot v^2}{R} \;

Où Fcen est la force centrifuge (en N), m est la masse de l’objet (en kg), ω est la vitesse de rotation (en rad/s), v est la vitesse linéaire (en m/s), et R est la distance du centre de l’anneau au centre de gravité de l’objet ou de la personne.

Cette limite de 2tr/min n’est pas infranchissable, il est possible de la dépasser mais il faudra alors compter sur la capacité d’adaptation de l’équipage. La limite de 7tr/min étant admise comme le seuil ou une adaptation du corps humain devient très improbable.

Le diamagnétisme

Vous avez deviné le principe, il s’agit de créer un champ magnétique suffisamment puissant pour vous coller au sol. « Mais nous ne sommes pas magnétiques ! » Me direz-vous et vous aurez tort !

Il n’est pas question de porter je ne sais quelle paire de bottes ou de chaussettes métalliques, je ne parle pas ici du ferromagnétisme que tout le monde connait avec un aimant et une pièce de métal, mais de diamagnétisme.

Photographie de l’expérience de lévitation diamagnétique d'Andre Geim sur une grenouille.

Photographie de l’expérience de lévitation diamagnétique d’Andre Geim sur une grenouille.

Cette propriété à la particularité de s’appliquer à la matière constituée d’atomes (matière atomique), et notamment à l’eau. Ce qui reviendrait à dire que le corps humain est un diamagnétique. Les forces qui entrent en jeu dans ce cas là sont faibles et très complexes. Si cela vous intéresse vous pouvez faire des recherches sur la quantification de Landau qui fait partie de la mécanique quantique. Pour résumer, un matériaux diamagnétique soumis à un champ magnétique génère une très faible force de répulsion.

Pour le moment nous sommes loin de maitriser suffisamment cette technologie pour en équiper nos vaisseaux spatiaux. Avec la technologie actuelle il faudrait des quantités énormes d’énergie et un appareillage extrêmement lourd. Néanmoins Andre Geim, un physicien russo-néerlandais, à réussi en 1997 à faire léviter une grenouille dans un champ magnétique énorme de 16 Teslas ! Mais pour accomplir cette facétie, ils ont dû utiliser un matériel de plusieurs tonnes. Pour vous faire une idée, les aimants du LHC (accélérateur de particules du CERN) produisent des inductions magnétique de l’ordre de 9 Teslas.

Conclusion

La gravité artificielle est un paramètre extrêmement important pour les voyages interplanétaires et il faudra, un jour ou l’autre, que l’on mette au point un système capable de la générer efficacement et avec le moins d’effets secondaires possibles. Si certaines de ces solutions sont encore hors de notre portée, d’autres seraient réalisable dès aujourd’hui.

Dans mon roman j’ai fait le choix de la force centrifuge, car elle était pour moi la plus crédible technologiquement mais je n’ai pas opté pour le système à 2tr/min qui aurait été trop difficile à fabriquer selon moi.

Pourquoi n’est-elle pas encore réalité ? A cause de la taille d’un vaisseau de ce type, un vaisseau de plus 400m d’envergure n’est pas facile à construire avec les contraintes budgétaires actuelles.

Sources

Liste des sources non liées dans le texte de mon article:

http://www.space-airbusds.com/fr/actualites/l-apesanteur-et-ses-effets-sur-l-organisme-humain.html

http://www.popularmechanics.com/space/rockets/a8965/why-dont-we-have-artificial-gravity-15425569/

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