L'eau
L’eau est certainement l'un des besoins les plus élémentaires pour la survie de toutes les espèces, et ce, depuis toujours. Dans le cadre de notre problématique sur les conditions de vie, l'eau est donc un facteur à étudier. Que ce soit dans Seul Sur Mars ou dans Mars La Rouge, que nous avons étudiés en parallèle, différentes techniques sont évoquées pour couvrir ces besoins en eau sur la planète rouge.
I/Les RéSeRVES D'eAU
« Pourquoi envoyer de grosses quantités d'eau dans l'espace ? Le minimum vital suffira »
Seul sur Mars, chapitre 2, Sol 16, page 27
En effet, lors d'un voyage dans l'espace, trouver de l'eau n'est normalement pas un problème puisque la quantité nécessaire à la survie des passagers est emportée. Bien sûr, si la mission est trop longue, il est impossible de stocker énormément d'eau dans un vaisseau qui doit être le plus léger possible ; le poids a toujours été l’ennemi des voyages spatiaux. Des systèmes de recyclage ont donc été créés pour limiter la masse d'eau à emporter mais aussi pour optimiser au mieux son utilisation sur place. Dans Seul Sur Mars, c'est aussi le cas puisque Mark Watney explique que son Habitat est équipé du meilleur recycleur d'eau existant. Donc, en principe, l'eau n'est pas censée être une problématique à prendre en compte sauf en cas de panne du système de recyclage. De plus, le système MELiSSA permettrait à un équipage entier d'avoir une certaine quantité d'eau, illimitée puisque sans cesse renouvelée et recyclée.
Le système de contrôle et de recyclage de l’environnement (ECLSS) de la Station Spatiale Internationale (ISS) contenant le sous-système de recyclage de l’eau (WRS)
II/Créer de l'eau
Dans Seul sur Mars, Mark Watney se retrouve seul dans une station pouvant accueillir six personnes. Chacun des membres de l'équipage est parti avec cinquante litres d'eau et un système de recyclage permet d'avoir des ressources en principe illimitées. Si l'on prend en compte tout cela, Mark Watney ne devrait pas avoir à se soucier d'un éventuel manque d'eau... Cependant, une autre problématique lui est imposée : la nourriture — dont nous parlerons dans la partie suivante. En effet, pour tenir plusieurs années seul, les provisions ne lui suffiront pas, c'est pour cela qu'en tant que botaniste il décide de créer une plantation de pommes de terre de 126 mètres carrés. Cette plantation est bien sûr compliquée à envisager à cause du sol martien, mais aussi parce qu’il faut absolument pouvoir irriguer la totalité de cette surface, qui est conséquente. N'ayant pas les ressources en eau nécessaires, Mark élabore un plan pour synthétiser de l'eau.
A) ce que dit la fiction
2 H2 + O2
2 H2O
Voici la réaction permettant d'obtenir de l'eau. Nous constatons donc que pour obtenir 2 moles d'eau, 2 moles de dihydrogène ainsi qu'une mole de dioxygène sont pré-requises. Mark élabore deux plans pour récupérer ces deux ressources, il les explique dans son journal.
Le dioxygène :
Pour l'obtenir, il compte se servir d'un outil qu'il a à disposition : son oxygénateur. Celui-ci permet en effet de transformer le CO2 (dioxyde de carbone) en O2 (dioxygène). Il lui faudrait alors une grande source de dioxyde de carbone à convertir en dioxygène via l'oxygénateur. En principe, trouver du CO2 n'est pas un problème, puisqu'il compose 95 % de l'atmosphère martienne. Cependant, l'atmosphère martienne est cent fois moins dense que celle de la terre, il est donc compliqué de la collecter, puisque l'Habitat avec le Sas est fait pour empêcher les fuites. Mark cherche donc une idée pour récupérer l'air martien avec le VAM (Véhicule d’Ascension Martienne), dont une partie est restée sur Mars, comme il nous l’explique page 40 dans son journal de bord du sol 30 : « Mes coéquipiers sont repartis avec le VAM il y a plusieurs semaines, mais la moitié inférieure de l’engin est restée au sol ». Or, le VAM a pour particularité de « produi[re] son carburant à partir de l'atmosphère martienne » ; il est donc capable de la stocker dans un réservoir à haute pression. Une fois le CO2 stocké, il le transfère dans l’Habitat et en extraire de l’O2 grâce à l’oxygénateur.
Le dihydrogène :
Pour obtenir du dihydrogène, la tâche demande un peu plus de travail à Mark. Il réfléchit alors à la question… Il a, dans un premier temps, envisagé de désosser les piles à hydrogène qui permettent de réchauffer l’Habitat. Mais il s’est rendu compte que celles-ci sont trop importantes et ne libéreraient même pas assez d’hydrogène : leur sacrifice n'est pas avantageux. Mark trouve finalement une bonne solution. Il nous explique que Martinez, son ancien coéquipier, avait géré l’atterrissage lors de leur arrivée sur Mars en VDM (Véhicule de Descente Martienne). Mais il se trouve qu’il avait effectué un atterrissage particulièrement réussi : « Il a […] explosé toutes les estimations en nous posant à neuf mètres de la cible. Martinez a tout déchiré », comme nous l’écrit Mark à la page 41. Grâce à cet atterrissage réussi, les réservoirs de carburant sont restés partiellement pleins, et contiennent encore « des centaines de litres d’hydrazine non utilisés ». Pour Mark, c’est une aubaine, car l’hydrazine, le carburant qui est utilisé par les fusées, est riche en dihydrogène et est décomposable. Le héros explique aux pages 41 et 42 que « chaque molécule d’hydrazine possède quatre atomes d’hydrogène » et que « chaque litre d’hydrazine contient donc suffisamment de dihydrogène pour produire deux litres d’eau ». D’après ses calculs, il reste 292 litres d’hydrazine dans le réservoir : c’est assez pour créer près de 600 litres d’eau.
L'assemblage :
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Il ne lui reste donc en théorie qu'à les rassembler. Pour cela, il prévoit de stocker le dioxygène obtenu à partir du dioxyde de carbone et le dihydrogène récupéré dans l'hydrazine. Il fera ensuite la combustion du dihydrogène et viendra faire se rencontrer les deux gaz petit à petit dans un conduit. C'est durant la rencontre des deux gaz que la réaction a lieu, accompagnée d’une détonation qui peut s'avérer dangereuse si elle n'est pas contrôlée parfaitement. Mark a conscience de ce danger ; il explique que dans l'espace, « s'il y a feu, tout le monde crève ». Mark prend d’ailleurs les choses avec dérision tout au long de l’œuvre. En effet, il explique que, lors de son opération, s'il « comme[t] la moindre erreur, il y aura bientôt un cratère à la place de l'Habitat. Le « cratère commémoratif de Mark Watney » ».
Dans le livre, l'opération fonctionne dans un premier temps bien puisque 70 litres d'eau sont produits en peu de temps. La seule contrainte est la production de dioxygène, qui est plus lente que celle de dihydrogène, ce qui l'oblige à stopper la réaction lorsque le réservoir de dioxygène est vide pour le laisser se remplir. Cependant, il finit par se rendre compte d'un problème : lors de la combustion de son dihydrogène, une partie passe à coté de la flamme et est libérée dans l'Habitat. L'air de son Habitat est donc chargé en dihydrogène, et ce composant est ultra-inflammable : « une toute petite étincelle [peut] foutre en l’air mon Habitat », comme il explique page 54. Mark est donc contraint de se réfugier dans le rover en dehors de l'Habitat pour trouver une solution à ce problème.
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Dans le film, pour des raisons cinématographiques et de façon à rendre la scène plus spectaculaire, le problème évoqué dans le livre est remplacé par une grosse explosion qui se produit lorsque Mark ouvre les vannes et fait se rencontrer les gaz pour la première fois. Watney est légèrement blessé, mais rien de grave. Il retente quelques jours plus tard et finit par réussir à produire de l'eau sur Mars. L'extrait suivant est issu du film Seul sur Mars et correspond au passage que nous étudions :
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Dans le début de cet extrait, on peut voir une alternance de plans où le héros prévoit ce qu'il va faire et des plans où il réalise l'expérience. Cela permet au spectateur de comprendre ce que fait le personnage et dans quel but. On peut également remarquer que le crucifix est mis en valeur dans ce passage : c'est la seule chose qu'il puisse brûler, c'est le seul objet qui lui offre l'espoir d'obtenir de l'eau pour ses plantations et donc de survivre. On note que ce n'est pas un objet scientifique, mais un objet symbolique.
B) Explications scientifiques
Maintenant que nous avons analysé ce passage de l’œuvre, il nous reste à le traiter pour voir si oui ou non le passage est scientifiquement réaliste. Nous chercherons alors à savoir si, dans les même conditions que Mark, il serait envisageable de produire de l’eau.
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Pour commencer, on peut dire que ce passage du livre comme du film semble plutôt réaliste. En effet, Mark y est très précis dans ses explications, et sa façon de produire de l’eau semble plausible.
Nous avons décomposé chaque étape du protocole à notre échelle et les avons traitées expérimentalement pour voir si elles sont réalistes.
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L'hydrazine :
Décomposer de l’hydrazine pour obtenir du diazote et du dihydrogène grâce a un catalyseur est possible, voici quelques explications :
Ci-contre la structure tridimensionnelle d’une molécule d’hydrazine (N2H4), de nom scientifique diazane. Cet élément chimique a plusieurs utilisations et dans plusieurs domaines : il est utilisé soit comme agent moussant dans la production de polymères, soit dans différents secteurs, comme la chimie organique pour la synthèse de médicaments ou la chimie inorganique pour la production d'azoture de sodium, l'agent explosif de gonflage des « airbags » (coussins gonflables de sécurité). Il sert bien évidemment aussi de carburant de fusée, comme nous avons pu le voir.
Formule de Lewis et modélisation 3D de la molécule d'hydrazine
Le principe du catalyseur
Un catalyseur est une espèce chimique ayant pour principale capacité l’accélération d’une réaction chimique. Le catalyseur peut être de différentes natures : solide, liquide ou parfois même gazeuse. Il n’entre pas dans l’équation de la réaction mais agit comme agent externe, c’est pour cela que son état et sa quantité ne varie pas au cours de la réaction qu’il accélère.
L’hydrazine, en contact d’un catalyseur, réagit et se décompose spontanément et en quelques millisecondes seulement en N2 (diazote) et en H2 (dihydrogène).
Voici l’équation de cette réaction :
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N2H4
N2 + 2H2
Donc, lorsque Mark Watney dit qu’une molécule de dihydrogène offre 4 atomes d’hydrogène et deux de dihydrogène, il a alors raison. Dans la fiction, la façon dont il obtient du dihydrogène est réaliste.
Le dioxygène :
Utiliser un oxygénateur pour extraire le dioxygène présent dans les 95 % de dioxyde de carbone qui composent l’atmosphère martienne semble réaliste. En effet, cette tache est la fonction principale de cette machine.
Le principe de l'oxygénateur
Un oxygénateur est une machine capable d’extraire le dioxygène se trouvant dans l’air ambiant en l’aspirant à l’aide d’un moteur. Il peut ensuite réinjecter ce dioxygène dans un milieu différent. Ce genre de machine est par exemple utilisée dans les aquariums, pour recharger l’eau en oxygène.
Voici un exemple d’oxygénateur utilisé dans les aquariums, même si ceux utilisés par la NASA sont bien différents et plus performants.
La technique utilisée par Mark pour obtenir son dioxygène est donc tout aussi réaliste que celle utilisée pour récupérer du dihydrogène. De plus, les précisions du journal de bord qui expliquent sa démarche expérimentale sont tous vrais.
Après avoir récupéré ces 2 éléments, Mark les fusionne afin d’obtenir l’eau liquide dont il a besoin.
Tout d’abord, l’eau, comme nous le savons tous, a pour formule chimique H2O. Ci-contre la structure tridimensionnelle de la molécule d’eau :
Comme il est écrit dans l’oeuvre, elle est bien composée d’une molécule d'oxygène et de deux molécules d'hydrogène
Formule de Lewis et modélisation 3D de la molécule d'eau
La réaction utilisée pour former de l’eau est simple, la voici, nous l'avons déjà vue :
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Il suffit donc en principe de faire réagir ces deux gaz entre eux avec une combustion pour créer de l’eau. Cette réaction est très connue et semble possible à réaliser : c’est la synthèse de l’eau. En revanche, elle est dangereuse car très explosive.
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Nous avons donc à notre échelle réussi à effectuer cette réaction. Il était compliqué pour nous de récupérer le dihydrogène via de l'hydrazine, même si nous pouvions nous en procurer ; nous avons donc sauté cette étape et sommes passés directement sur la synthèse de l'eau.
2 H2 + O2
2 H2O
Notre expérience de synthèse de l'eau
Matériel utilisé :
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un électrolyseur (avec alimentation)
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solution de Na2SO4 de concentration 0,5 mol/L
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un tube en plastique
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​un entonnoir
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une boîte d'allumettes
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quelques bûchettes
Déroulé de l'expérience :
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Pour récupérer les deux gaz, nous avons utilisé un électrolyseur. L’électrolyse est une méthode permettant de réaliser des réactions chimiques en utilisant un courant électrique. Ce procédé est utilisé notamment pour la production de différents éléments tels que l'aluminium, le chlore ou bien sûr le dihydrogène et le dioxygène.
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Le principe est plutôt simple : on place dans le compartiment de l'électrolyseur de l'eau dans laquelle on dissout au préalable du sulfate de sodium pour la rendre plus conductrice. Lorsqu’on branche l'appareil, un courant circule entre les deux bornes électriques appelées « anode » et « cathode ». Ce courant électrique vient séparer les deux atomes présents dans les molécules de l'eau : le dihydrogène et le dioxygène. Ensuite, les gaz résultant de cette séparation de molécules se dirigent vers l'une des deux bornes en fonction de leur affinité électrique : les atomes de H2 vont vers la borne négative (cathode) et ceux de O2 vers la borne positive (anode). Une fois ces deux gaz séparés, il n'y a qu'à les récupérer dans deux tubes à essai. Lors du remplissage des tubes à essai, nous nous sommes rendus compte que le tube de dihydrogène se remplissait deux fois plus vite : cela est lié au fait que, dans la molécule d'eau, le rapport est d'un atome de dioxygène pour deux de dihydrogène.
Avant de nous lancer dans la fusion des deux gaz, nous avons effectué des tests d'identification pour chaque tube à essai :
Nous avons commencé avec le test pour le dioxygène :
Comme nous pouvons le constater sur cette vidéo, si nous brûlons un morceau de bûchette, l’éteignons et le plaçons immédiatement dans le tube censé contenir du dioxygène, la flamme se ravive durant un court instant. Donc nous pouvons conclure la présence de dioxygène dans le tube.
Voici maintenant le test pour le dihydrogène :
Nous avons cette fois-ci allumé une allumette et l'avons placée devant le tube censé contenir le dihydrogène : une légère détonation a eu lieu. Donc nous pouvons conclure la présence de dihydrogène dans le tube.
Après nous être assurés que nous avions les deux bons gaz, nous sommes passés à la réaction principale, celle de la synthèse de l'eau.
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Cette fois-ci, nous avions besoin de récupérer les gaz dans le même compartiment. En effet, même si le mélange des deux gaz devient plus explosif, c’est plus pratique et facile pour nous, car nous n’avons pas eu à rassembler les deux gaz. Nous avons donc recommencé l’électrolyse avec, à la place des tubes, un tube en plastique que nous avons rempli à l'aide d'un entonnoir.
Une fois les deux gaz récupérés, ils nous fallait les placer près d'une flamme, pour que la réaction se produise. Cette expérience a été jugée un peu dangereuse par monsieur Deparis : il s'est donc occupé de tenir le tube et l’allumette.
Le remplissage du tube :
La synthèse de l'eau :
Explosion et débris de l'allumette après réaction
Comme vous pouvez le voir, la réaction obtenue est assez intéressante et s'est bien déroulée comme prévu. Une quantité infime d'eau a été créée mais nous ne pouvons pas la voir car nous n'avons pas de dispositif pour la récupérer au moment de la détonation.
Dans le principe, cette méthode de la synthèse de l'eau est la même que celle utilisée par Mark dans Seul sur Mars : ce passage du film est donc bien réaliste. Mark, lui, a pu créer des centaines de litres d'eau car il dispose de quantités beaucoup plus importantes de gaz. En revanche, cela devient une opération également beaucoup plus risquée.
III/La glace
Pour cette troisième sous partie nous traiterons deux œuvres : Seul sur Mars, et Mars la Rouge.
Commençons par Seul sur Mars :
Dans le troisième chapitre du livre, Mark Watney est à la recherche d'une méthode pour obtenir l'eau nécessaire à l'irrigation de son plan de pommes de terre. Mark explique à la page 39 qu'« il n'y a pas beaucoup d'eau sur Mars ». Cependant, « il y a la glace des pôles », mais « c'est beaucoup trop loin ». Le héros nous explique donc qu'il y a de la glace et donc de l'eau sur cette planète mais que cette ressource est hors de sa portée.
Maintenant, utilisons Mars la Rouge :
L'extrait que nous traiterons se situe aux pages 171 et 172 du livre. A ce moment-là, les Hommes ont colonisé Mars depuis quelque temps déjà, cependant, ils manquent d'eau. Envisageant potentiellement la présence de glace sur Mars, une équipe décide de partir pour une expédition de 5000 km, pour vérifier la présence ou non de cette ressource vitale et nécessaire à leur installation. Notre extrait s'ouvre donc au moment où nos personnages découvrent la glace.
Comme nous le voyons dans l'extrait, les personnages sont ébahis devant leur trouvaille. Cela se voit notamment dans la phrase nominale : "Une colonne de glace !". Cette phrase transcrit, par le style indirect libre, la réaction des personnages lorsqu'ils découvrent ce qu'ils cherchaient. La modalité exclamative souligne leurs émotions : joie, soulagement, enthousiasme. L'auteur fait le choix de rapporter les paroles d'un seul personnage, Phyllis : "De l'eau ! De l'eau !", mais nous fait comprendre, par l'expression "dans le brouhaha et la confusion" que "tout le monde cri[e]". Tout cela met en évidence l'importance de leur découverte, importance qui est encore soulignée par la phrase mise en italiques : "De l'eau à la surface de Mars…" . Dans la suite du roman, ils parviennent à l'exploiter en la faisant fondre pour la ramener à un état liquide. Cependant, cela reste très compliqué à réaliser : il faut créer des canalisations jusqu'à l'endroit où ils sont installés. D’ailleurs, l'un des personnages du livre perd un doigt en voulant creuser la canalisation dans la roche.
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A) Ce que dit la fiction
B) Explications scientifiques
Il est vrai qu'il y a de la glace sur Mars. En effet, comme c'est écrit dans Mars la Rouge ou brièvement évoqué dans Seul sur Mars, des glaciers sont bel et bien présents sur la planète. Même s'il y en a moins que sur Terre, Mars reste une planète riche en eau. En revanche, sur Mars, la pression de l'atmosphère est très faible, comme nous l’avons vu précédemment. Cette pression ne permet pas de conserver l'eau à l'état liquide ; l’intégralité des ressources en eau de la planète Mars est à l'état solide. Voici quelques chiffres plus significatifs : pour avoir de l'eau liquide sur une planète, il faut une pression minimale de 6,1 millibars, sinon l’eau est gazeuse ou solide. Sur Mars, la pression est de 0,66 milllibars : c'est très loin d'être suffisant. D'ailleurs, avec une température moyenne de -65°C, il est logique que l'eau soit totalement gelée. Mais la situation n'a pas toujours été la même sur Mars, des études assez récentes nous prouvent qu'autrefois, la planète rouge possédait de grandes quantités d'eau liquide car pluie et neige tombaient et formaient lacs, rivières, et même potentiellement océans !
Cette image d’un méandre dans la « Scamander Vallis » a été prise par la sonde Mars Global Surveyor, projet d'observation de la NASA sur Mars, au début des années 2000. Elle prouve la présence d'eau liquide à un moment donné. C'est dans une période un peu plus proche de la nôtre que la glaciation s'est effectuée. Les lacs et rivières se sont alors changés en glaciers avec les changements climatiques.
Ce qui est évoqué dans Mars la Rouge correspond à la réalité ; il est possible de trouver de grandes étendues de glace sur Mars. Pourtant, on pense communément qu'il n'y a pas d'eau ailleurs que sur Terre. Mais il faut tout de même savoir que l'intégralité de la glace se situe aux pôles de la planète, et que pour l'exploiter il faut donc se trouver suffisamment proche de l'un d’entre eux. Nous pouvons deviner la présence de glace aux deux pôles sur l'image suivante :
En revanche, si l'on atteint la glace, il est très simple de la liquéfier. Mark Watney aurait pu par exemple utiliser le petit réacteur nucléaire qu’il a récupéré. En effet, grâce à ce générateur radioisotopique (RTG), qui produit de l’électricité à partir de la chaleur résultant de la désintégration radioactive du plutonium 238, il aurait pu faire fondre de la glace très rapidement ! Mais il est seul, et l'Habitat est assez loin des pôles de la planète. Il n'a également pas la possibilité de se déplacer sur de trop longues distances car ses rovers manqueraient d'énergie très rapidement. Dans le roman Mars la rouge, les personnages parviennent à atteindre la glace après un long voyage et à extraire la précieuse ressource, grâce à une « foreuse de tunnel robotisée », comme il est écrit à la page 175 du livre : « l’engin perç[e] la glace et ram[ène] des cylindres d’un mètre et demi de diamètre ». Ensuite, les blocs sont emportés pour la « distillerie », où la glace est « épurée de son contenu de poussière » avant d’être à nouveau réfrigirée pour être transportée à la base. La colonie est donc approvisionnée en eau « bien au-delà de ses besoins », comme l’écrit Robinson en insistant sur la quantité suffisante de l’élément grâce à l’expression « bien au-delà ».
Conclusion
Comme nous l’avons vu tout au long de cette partie sur l'eau, plusieurs techniques sont évoquées pour récupérer de l'eau sur Mars. Scientifiquement, les deux œuvres traitées utilisent des informations assez justes et montrent qu'il est finalement possible de couvrir ses besoins en eau, lors d'une longue mission sur Mars. Pour finir, la quantité limitée d'eau, emportée lors des missions spatiales, est suffisante, car le recycleur permet de pallier les besoins d'un équipage. En revanche, dans le cas d'une utilisation intensive de la ressource, comme pour les plantations de Watney, ou encore pour la « terraformation » de Mars dans le livre de Kim Stanley Robinson, il est possible de produire ou de récupérer de l'eau déjà sur place.