En apesanteur ou microgravité, certains « éléments » se comportent bien différemment que sur Terre. Il est ainsi toujours drôle d'observer les astronautes de la Station spatiale internationale (ISS) jouer avec des « boules » d'eau avant de les gober. Cette réaction s'explique par la tension de surface de l'eau, qui devient la force dominante en absence de gravité. Cette force tend à minimiser la surface du liquide et adopte la forme qui demande le moins d'énergie, c'est-à-dire une sphère !

De son côté, le feu aussi réagit d'une façon différente. Mais c'est pour le coup beaucoup moins drôle pour l'équipage.

Flamme en apesanteur : un comportement fascinant

Sur Terre, lorsqu'on allume une flamme, celle-ci s'étire vers le haut en prenant la forme d'une goutte, pour une raison simple : l'air chauffé par la réaction de combustion est moins dense que l'air ambiant et monte sous l'effet de la poussée d’Archimède. En même temps, l'air frais chargé d'oxygène est aspiré à la base de la flamme.

Or, en apesanteur, il n'y a pas de poussée d'Archimède ni d'effet de convection, deux principes qui sont liés à la présence de la gravité. L'air chauffé ne monte donc pas et la flamme prend, comme l'eau, une forme de sphère.

Le principe à l'œuvre ici est la diffusion : les gaz chauds s'éloignent dans toutes les directions et l'air frais arrive par toutes les directions. La combustion devient ainsi plus lente, plus froide et se fait de façon symétrique autour de la source de combustible.

Ce comportement étonnant et fascinant ne doit cependant pas masquer le risque que représente la présence d'une flamme en apesanteur. Car comment éteindre ou étouffer une boule de feu se déplaçant en fonction des mouvements d'air ?

Un risque qui doit être pris très au sérieux

Le problème est d'autant plus crucial que la Nasa a récemment recommandé d'augmenter le taux d'oxygène dans la station et les vaisseaux spatiaux, le faisant passer de 21 % (comme sur la Terre) à 35 %. Une mesure qui répond à un objectif simple : réduire les coûts des missions.

Pour les humains, le paramètre important est en effet non pas la quantité d'oxygène présent dans l'air, mais la pression partielle d'oxygène. Sur Terre, nous respirons de l'air comportant 21 % d'oxygène à une pression de 1 atmosphère. Mais dans l'espace, il existe une plus grande marge de manœuvre : en augmentant la proportion d'oxygène, il est en effet possible de réduire la pression totale. Or, une pression moindre signifie moins de contraintes mécaniques sur la coque, qui peut donc être allégée. Et un vaisseau plus léger signifie moins de carburants et donc un coût réduit au lancement.

Or, on le sait, plus l'air est riche en oxygène, plus le risque d'un départ de feu est grand. Les astronautes de la mission Apollo 1, en 1967, en auront fait les frais. Lors d'un exercice avant le départ, un simple court-circuit a suffi à enflammer brusquement l'air de la cabine, qui était alors composé à 100 % d'oxygène. Les trois astronautes de la mission, Gus Grissom, Ed White et Roger Chaffee, n'en sont malheureusement pas sortis vivants.

Firespace : un programme pour étudier le feu dans l’espace et les solutions pour l’éteindre

Le risque d'incendie est donc un souci majeur de la Nasa, d'autant plus dans la perspective de missions longues et loin de la Terre. Des chercheurs tentent ainsi de trouver des moyens pour stopper rapidement un départ de feu en apesanteur, mais le comportement d'une flamme dans ce contexte spatial est si différent de celui que nous connaissons qu'il n'est pas évident de trouver des solutions.

Pour étudier la question, le projet Firespace, mené par Sorbonne Université, vient de voir le jour. Il devrait déboucher sur le lancement d'une petite fusée dans les quatre prochaines années qui permettra de réaliser des tests pendant six minutes sous microgravité.