La station spatiale du chef-d'œuvre de Stanley Kubrick «2001, l'odyssée de l'espace» est faite en anneau. En tournant sur elle-même, comprend-on dans le film, elle crée un succédané de gravité. Pourquoi n'a-t-on pas fait pareil avec la Station spatiale internationale?

La gravité artificielle n'est pas pour demain

SCIENCE AU QUOTIDIEN / «Mon petit-fils de 12 ans me demande pourquoi la Station spatiale internationale (SSI) n’est pas construite en rond et ne tourne pas sur elle-même pour générer un peu de gravité, comme on le voit dans les films de science-fiction? Et je dois dire que je me pose moi aussi la même question…» demande Pierre Gagné, de Gatineau.

Pour utiliser les termes exacts, on ne peut pas «générer» de gravité autrement qu’avec une énorme masse comme celle d’une planète. Ce dont parle M. Gagné, c’est plutôt de ce que les physiciens appellent force centrifuge, soit cette force qui fait que tout objet en rotation tend à s’éloigner du centre. On peut facilement se figurer de quoi il s’agit en songeant à ce qui se passe quand on prend un tournant en auto : on sent très bien qu’une force déporte tout ce qui est dans la voiture vers l’extérieur de la courbe. On peut aussi s’imaginer un seau rempli d’eau que l’on ferait tourner à bout de bras autour de soi. Si la vitesse de rotation est assez grande, le seau sera incliné à l’horizontale mais l’eau ne s’écoulera nulle part : la force centrifuge la maintiendra fermement au fond du seau.

C’est cette force qui, dans les films de science-fiction, crée un succédané de gravité dans les stations spatiales. En construisant une station en forme d’anneau et en la faisant tourner sur elle-même, cela peut donner l’impression aux occupants qu’ils sont «attirés» par la paroi externe de la station, comme nous sommes attirés par le sol terrestre.

Maintenant, si le principe est simple et facile à représenter dans un film, c’est une tout autre paire de manche que de le mettre en pratique dans la «vraie vie», principalement pour des questions de taille.

La partie habitable de la SSI est une sorte de cylindre droit d’une cinquantaine de mètres de long. Si on l’avait assemblé cette partie en anneau afin de le faire tourner, nous aurions eu une station de 50 mètres de circonférence et de 8 mètres de rayon, à peu près. La question aurait alors été : à quelle vitesse doit-on faire tourner un anneau de cette dimension pour que la force centrifuge soit égale à la gravité terrestre, où tout corps accélère vers le sol à 9,8 mètres par seconde carrée (donc pour chaque seconde de chute libre, la vitesse augmente de 9,8 m/s)?

Ceux qui en ont envie peuvent prendre connaissance du calcul (tout simple) dans l’encadré ci-contre. Ceux qui n’ont «pas la tête à ça» en ce moment n’ont qu’à savoir ceci : à 8 mètres du centre, la vitesse doit être de 8,9 m/s, ce qui signifie que notre hypothétique SSI ronde devrait faire une dizaine de tours sur elle-même par minute pour imiter la gravité terrestre.

C’est-là un rythme intenable pour des astronautes. Imaginez un peu la nausée qu’ils finiraient par avoir en regardant par la fenêtre la Terre qui ferait 10 tours à la minute! Et même dans une station sans fenêtre, ce ne serait pas beaucoup mieux. En effet, la force centrifuge varie selon la vitesse de rotation et le rayon, ce qui implique que le haut du corps (plus proche du centre de rotation que le bas) ne subirait pas la même accélération que le bas du corps, indiquait il y a quelques années le professeur d’astrophysique de l’université South Wales John Wales, dans un article de Popular Mechanics. Comme la taille normale d’un humain (autour de 1,60 à 1,80 m) représente une part significative du rayon de notre station imaginaire (8 m), les astronautes en sentiraient certainement les effets.

La seule manière d’éviter ce problème serait de construire une station beaucoup plus grosse : sa circonférence serait alors plus grande, si bien qu’elle n’aurait pas besoin de faire 10 tours par minute pour créer une force centrifuge acceptable. Ainsi, si l’on voulait que notre station circulaire ne doive faire qu’un seul tour par minute pour générer une force centrifuge de 9,8 m/s2, elle devrait avoir un rayon de… 895 mètres! D’un bout à l’autre, la structure mesurerait presque 2 km et un astronaute qui ferait son jogging dedans devrait courir plus de 5,5 km dans un sens pour en faire le tour!

Alors je vous laisse imaginer ce qu’il en coûterait d’assembler un pareil monstre dans l’espace…

Sources :

  • Ryan Anderson et al., «Can artificial gravity be created in space?», Ask an Astronomer, 2015, goo.gl/sCq1cF
  • Rachel Feltman, «Why Don’t We Have Artificial Gravity?», Popular Mechanics, 2013, goo.gl/oHroXg

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À QUELLE VITESSE TOURNER?

Si l’on imagine une station spatiale construite en anneau, qui aurait 50 mètres de circonférence et 8 mètres de rayon, à quelle rythme devrait-elle tourner pour que sa force centrifuge soit égale à la gravité terrestre?

La force centrifuge F qui s’applique sur un objet pris dans une rotation est égale à sa masse m multipliée par sa vitesse de rotation v au carré, divisé par son rayon r :

F = mv2/r

La vitesse est donc égale à :

v = √(Fr/m)

Imaginons que la masse soit de 1 kg pour simplifier les choses. On connaît le rayon : 8 m. Et la gravité terrestre? On la mesure en newton (N), une unité qui correspond à la force nécessaire pour faire accélérer une masse de 1 kg par 1 m/s. L’accélération gravitationnelle sur Terre est de 9,8 m/s2, donc la force exercée sur 1 kg est de 9,8 N. Ce qui nous donne :

v = √(9,8 N x 8 m/1 kg)

v = √(78,4 m2/s2)

v = 8,9 m/s

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