Grandes boules de feu : comment les flammes se comportent dans l'espace

Étant donné qu'il s'agit de l'un des outils les plus anciens de l'humanité, vous pourriez supposer que nous savons tout ce qu'il y a à savoir sur le feu. Et bien sûr, nous en savons beaucoup : à mesure que l'air chaud près de la base d'une flamme monte, la gravité attire de l'air plus froid et plus dense pour le remplacer. C'est ce cycle d'air qui fournit de l'oxygène frais et donne aux flammes leur forme caractéristique de larme.

Mais dans un environnement de microgravité, comme celui que les astronautes vivent en orbite, tous les paris sont ouverts. Ici, l'air chaud se dilate toujours vers l'extérieur - mais il ne monte pas, car il n'y a pas de "montée". Au lieu de cela, les incendies dans l'espace ne sont alimentés que par les molécules d'oxygène aléatoires qui y tombent par hasard.

C'est un processus appelé diffusion moléculaire, et il produit des flammes sphériques qui sont différentes de leurs homologues terrestres à plus d'un titre. Non seulement ils brûlent beaucoup plus lentement et pendant de plus longues périodes, mais ils survivent également avec moins d'oxygène et arrivent à moins de 900 degrés Fahrenheit - une fraction de la chaleur dégagée par la plupart des flammes terrestres.

Et pourtant, il y a encore beaucoup de scientifiques qui ne comprennent pas comment le feu fonctionne en microgravité. Certains matériaux sont-ils plus inflammables que d'autres ? Quelle est la meilleure façon d'éteindre une flamme indésirable ?

Ces questions sont essentielles pour la sécurité des astronautes qui vivent et travaillent déjà dans la Station spatiale internationale (ISS) et ne feront que gagner en importance à mesure que les humains se préparent à des voyages spatiaux plus longs. Heureusement, les scientifiques de la NASA sont sur l'affaire.

Pour être clair, la menace n'est pas simplement hypothétique. En 1997, par exemple, un incendie s'est déclaré à bord de la station spatiale russe Mir ; il provenait d'un générateur d'oxygène, remplissant les modules de la station de fumée toxique et coupant l'accès à un véhicule d'évacuation pendant les quelques minutes qu'il a vécues.

L'une des raisons pour lesquelles le feu est si dangereux dans l'espace est son manque de prévisibilité. Contrairement au sol, où la gravité force les flammes vers le haut, les flammes dans un environnement de microgravité peuvent se propager dans n'importe quelle direction. Il en va de même pour la fumée, ce qui rend le placement de détecteurs de fumée dans une station spatiale (généralement au plafond dans la plupart des bâtiments) beaucoup plus difficile.

Bien que l'équipage de Mir ait rapidement éteint la flamme errante avec un extincteur, empêchant sa croissance, les extincteurs qui utilisent des gaz pour éteindre une flamme sont moins efficaces dans l'espace que sur Terre. D'une part, l'appareil peut littéralement attiser les flammes d'un feu en dirigeant l'air - et donc l'oxygène - vers celui-ci.

Au final, la flamme ne s'est éteinte que lorsque le générateur d'oxygène s'est vidé. Au cours des heures suivantes, les systèmes de survie de la station ont débarrassé l'atmosphère de Mir de toute fumée, et l'équipage a échappé à l'incident sans dommages importants ni à lui-même ni à la structure de la station.

OK, nous avons donc établi qu'il est clairement important de combler ces lacunes dans nos connaissances sur le comportement du feu. Maintenant, comment les scientifiques font-ils exactement cela ?

Eh bien, en 2008, la NASA a créé son Combustion Integrated Rack (CIR) et l'a envoyé à l'ISS. Utilisé pour jouer en toute sécurité avec des combustions contrôlées en microgravité, son matériel comprend une chambre de combustion de 26 gallons et cinq caméras différentes qui ont été utilisées à bon escient dans des milliers de tests au cours des 15 dernières années.

Bon nombre de ces tests faisaient partie de l'expérience d'extinction de la flamme, ou FLEX, qui a commencé environ un an plus tard. Comme son nom l'indique, il s'agissait d'éteindre les incendies dans l'espace et, en fin de compte, d'améliorer les systèmes d'extinction d'incendie des futurs engins spatiaux. Avec l'aide du CIR, les chercheurs à bord de l'ISS allumaient de minuscules gouttelettes d'heptane ou de méthanol et enregistraient les résultats.

Daniel Dietrich, un scientifique du Glenn Research Center de la NASA, a déclaré à l'administration que "l'une des plus grandes découvertes, non seulement dans le programme de microgravité, mais probablement au cours des 20 à 30 dernières années de recherche sur la combustion, a eu lieu lors des expériences FLEX sur la station spatiale".

La découverte en question ? Après que certains combustibles liquides se soient éteints dans l'espace, ils se rallument spontanément. Dans ces cas, la flamme suivante - appelée "flamme froide" - brûle à des températures plus basses et est invisible à l'œil nu.

Les scientifiques ne savent pas exactement pourquoi cela se produit, mais d'un point de vue pratique, nous pourrions hypothétiquement utiliser des combustions à basse température pour produire moins de polluants atmosphériques dans les moteurs diesel sur Terre. Nous sommes loin de cette réalité, bien que les recherches menées en juin 2021 aient fait un autre grand bond en reproduisant le phénomène en utilisant des carburants gazeux plutôt que liquides.

On peut dire que la meilleure partie de l'étude des flammes dans l'espace, cependant, est que l'absence de gravité… rend les choses plus simples, à bien des égards. Alors que la bougie sur votre table basse peut vaciller, par exemple, à la suite d'une instabilité due à la flottabilité, ce n'est pas le cas en microgravité.

Une autre série d'études de la NASA, l'Advanced Combustion via Microgravity Experiments (ACME), en a profité pour vraiment creuser ce qui fait une bonne flamme - une flamme efficace mais qui ne dégage pas une tonne de polluants comme la suie. À partir de 2017, l'ACME a examiné plus de 1 500 flammes dans le CIR, au cours de plus de quatre ans.

La prochaine étape des recherches de la NASA est SoFIE, ou Solid Fuel Ignition and Extinction. Cet ensemble d'expériences, lancé vers l'ISS en février 2022 et qui devrait se poursuivre jusqu'en 2025, aidera l'administration à choisir les meilleurs matériaux et conceptions ignifuges pour "les combinaisons spatiales, les cabines et les habitats".

Une multitude de matériaux sont en attente d'être testés, notamment du plexiglas et des tissus à base de coton. Par la suite, les résultats de SoFIE seront même appliqués à des modèles mathématiques qui prévoient comment ces mêmes matériaux pourraient brûler dans des conditions extérieures à la microgravité, notamment sur la Lune, Mars ou ailleurs dans notre système solaire.

Mais nous ne nous arrêtons pas là : les résultats pourraient se faire sentir tout le chemin du retour sur Terre, s'ils réorganisent potentiellement les matériaux anti-feu pour nos maisons, nos bureaux et nos avions. Vous pourriez dire que c'est la version de la NASA de combattre le feu par le feu.