Que devient votre corps dans l’espace sans combinaison ?

Vous exploseriez vraiment ?

Dans les films, un sas s’ouvre et la personne restée dehors gonfle, gèle d’un bloc ou éclate en quelques secondes. Les relevés racontent une histoire plus discrète. En 1965, un sujet d’essai se trouvait dans une chambre à vide du Manned Spacecraft Center de la NASA, à Houston, lorsque sa combinaison s’est mise à fuir. Il est resté conscient pendant environ 14 secondes, et son dernier souvenir était celui de l’eau sur sa langue qui commençait à bouillir. La chambre a été remise sous pression et il s’est rétabli.

Cette exposition suit les 120 premières secondes d’une exposition au vide de ce genre, seconde après seconde, sur un schéma du corps. La figure n’a pas de visage et sa peau est transparente, pour que vous puissiez observer les parties qui comptent : les poumons, les voies respiratoires, la langue, le cerveau, le cœur, les vaisseaux, l’intestin et la couche de tissu sous la peau. Le curseur d’altitude vous permet d’essayer les mêmes deux minutes à des altitudes plus basses, de la cabine d’un avion de ligne au sommet de l’Everest, puis jusqu’à la limite d’Armstrong, où l’eau du corps se met à bouillir.

Cette exposition explique la physique et la physiologie en termes généraux, à partir de rapports de la NASA, de l’US Air Force et de la FAA. Elle ne constitue pas un avis médical, et rien ici ne permet de savoir à quoi une personne donnée survivrait.

Les deux minutes, dans l’ordre

La scène commence avec une personne qui respire de l’air ordinaire au niveau de la mer, à 101,325 kPa et avec 21 % d’oxygène, ce que maintient la Station spatiale internationale. Puis la pression extérieure chute presque aussitôt jusqu’à la valeur correspondant à l’altitude choisie. Dans un vide quasi complet, voici à peu près ce que décrivent les rapports :

1. De 0 à 1 s : l’air des poumons s’échappe par les voies respiratoires ouvertes. Si la respiration est retenue, les poumons sont étirés à la place.
2. De 1 à 5 s : la salive, les larmes et l’eau de surface se mettent à bouillir. La peau de la bouche et du nez commence à se refroidir.
3. Environ 9 à 11 s : la conscience utile prend fin, car le sang qui parvient au cerveau a cédé son oxygène aux poumons vides.
4. De 5 à 45 s : de la vapeur d’eau se forme dans le tissu sous la peau et dans les veines. Le corps et les membres gonflent, peut-être jusqu’à doubler de volume.
5. En 60 s environ : la pression veineuse monte jusqu’à rejoindre la pression artérielle et le sang cesse de circuler. Le cœur ralentit fortement.
6. Environ 90 s : la limite que la NASA retient pour la planification. Les animaux ramenés sous pression avant ce délai se rétablissaient en général.

La frise chronologique sous le modèle marque ces événements pour l’altitude que vous choisissez, avec un repère toutes les 15 s. Au niveau de la mer, elle n’affiche rien du tout, et à l’altitude de croisière d’un avion de ligne, elle n’indique que le manque d’oxygène qui s’installe.

Expirez, ne retenez pas votre souffle

La chose la plus dangereuse qu’une personne pourrait faire pendant cette première seconde serait d’inspirer profondément et de retenir son souffle. L’air piégé dans des poumons pleins garde sa pression alors que la pression extérieure tombe presque à zéro. La paroi pulmonaire est mince et ne peut supporter seule qu’une faible différence de pression.

Le recueil de la NASA sur les réactions humaines à l’environnement aérospatial (Roth, 1968) fixe la limite à environ 80 mmHg de part et d’autre de la paroi du poumon, soit 10,7 kPa. Au-delà, dans les expériences comme dans les accidents humains, le tissu pulmonaire se déchire.

Que représentent 10,7 kPa ? C’est à peu près la baisse de pression atmosphérique entre le niveau de la mer et 928 m. Les plongeurs apprennent la même règle pour la même raison : ne jamais retenir son souffle en remontant. Activez Retenir son souffle dans les commandes et les poumons de la scène se tendent et clignotent en rouge, tandis que l’affichage indique la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur des poumons. Dans le vide, elle dépasse 100 kPa, soit dix fois le seuil de déchirure.

Les voies respiratoires étant ouvertes, l’air s’en va tout simplement. La scène montre une bouffée d’air sortant de la bouche et du nez pendant la première seconde, et les poumons qui rétrécissent un peu. Cette perte d’air est en soi sans danger ; les ennuis qui suivent tiennent à l’oxygène, et non à un éclatement des poumons.

La même loi, la loi de Boyle, explique ce qui arrive à toutes les autres poches de gaz du corps. À température constante, le produit du volume d’un gaz par sa pression reste constant ; si rien ne le retenait, le volume d’un gaz initialement au niveau de la mer serait donc multiplié par 3,2 sur l’Everest et par 16 à la limite d’Armstrong. L’oreille moyenne, les sinus et l’intestin contiennent tous un peu de gaz. La plus grande partie trouve une issue ou est retenue par les tissus environnants, ce qui peut faire mal mais ne décide pas de la survie.

Pourquoi la salive bout, mais pas le sang

L’eau bout lorsque sa pression de vapeur, c’est-à-dire la poussée des molécules qui s’échappent du liquide, égale la pression qui s’exerce sur elle. Au niveau de la mer, cela se produit à 100 °C. Si l’on abaisse la pression, l’eau bout à une température plus basse, ce qui explique que les pâtes mettent plus de temps à cuire en montagne.

À 6,3 kPa (47 mmHg), l’eau bout à 37 °C, la température du corps. Cette pression s’appelle la limite d’Armstrong. Dans l’atmosphère standard, on l’atteint à environ 19 km, soit 63 000 ft. Au-dessus de cette altitude, l’eau présente à la surface du corps bout sans qu’on lui apporte la moindre chaleur. C’est ce que le sujet de 1965 a senti sur sa langue.

Le sang des artères est un cas différent. Il n’est pas ouvert sur l’extérieur : le cœur le pousse à une pression bien supérieure à celle de l’air extérieur, et les parois des vaisseaux ainsi que les tissus qui les entourent maintiennent cette pression. Le sang artériel ne bout donc pas tout de suite. Ce qui se passe à la place est plus lent et se produit aux endroits où la pression est la plus basse : dans le tissu sous la peau et dans les grosses veines près du cœur.

Calculer soi-même le point d’ébullition

La scène calcule le point d’ébullition avec l’équation d’Antoine, un ajustement sur des pressions de vapeur mesurées :

log10(P / bar) = A − B / (T + C)

Ici, T est la température en kelvins, et A, B et C sont des constantes de l’eau tirées du NIST Chemistry WebBook. Le modèle utilise quatre des jeux de données du NIST pour l’eau, entre 255,9 et 373 K. Pour la température du corps, T = 310,15 K et le jeu valable de 304 à 333 K donne A = 5,20389, B = 1733,926 et C = −39,485 :

log10(P) = 5,20389 − 1733,926 / (310,15 − 39,485) = 5,20389 − 6,40616 = −1,20227

On obtient donc P = 0,0628 bar = 6,28 kPa, la limite d’Armstrong. Pour trouver le point d’ébullition à une pression donnée, on retourne la même équation : T = B / (A − log10 P) − C.

La pression à chaque altitude vient de l’Atmosphère standard des États-Unis de 1976, qui décrit l’air comme une succession de couches dotées d’un profil de température fixé. Jusqu’à 11 km, la température baisse de 6,5 K par kilomètre ; de 11 à 20 km, elle reste à −56,5 °C. En combinant les deux, on obtient les points d’ébullition qu’affiche l’indicateur :

En dessous de 0,61 kPa, le point triple de l’eau, l’eau liquide ne peut exister à aucune température. Elle bout et gèle en même temps, et l’affichage le signale. Le petit graphique de l’affichage trace toute la courbe sur une échelle logarithmique, avec la ligne de la température du corps et un point orange pour la pression que vous avez choisie.

Environ dix secondes d’oxygène

Normalement, vos poumons ajoutent de l’oxygène au sang. Dans le vide, ils font l’inverse. Comme les poumons ne contiennent plus d’oxygène, l’oxygène quitte le sang lorsqu’il les traverse ; le sang qui atteint le cerveau quelques secondes plus tard en transporte donc encore moins qu’à son départ du corps. Le cerveau ne stocke que quelques secondes d’oxygène.

Le Bioastronautics Data Book de la NASA (1973) prévoit qu’un certain degré de conscience dure de 9 à 11 secondes, et indique qu’une personne soumise brutalement au vide n’aurait probablement pas plus de 5 à 10 secondes pour tenter de se secourir elle-même. Des chiens décomprimés à moins de 2 mmHg se sont effondrés au bout de 9 à 10 secondes. Les 14 secondes du sujet de 1965 sont compatibles avec ces valeurs, car sa combinaison n’a probablement jamais atteint un vide poussé.

À plus basse altitude, on dispose de plus de temps, et la FAA le publie sous le nom de « temps de conscience utile ». C’est le temps dont dispose un pilote pour agir de façon raisonnable, et non le temps qui le sépare de la perte de connaissance :

Le modèle utilise la colonne de la décompression rapide, puisque la scène commence par une chute brutale, et la valeur de 9 à 11 s pour un vide quasi complet à partir de la limite d’Armstrong. Entre deux lignes, il trace une courbe lisse. La bande orange de la frise chronologique correspond à cet intervalle, et la ligne Éveillé devient rouge lorsque la bande commence.

Un gonflement, pas un éclatement

Sous la limite d’Armstrong, l’eau des tissus du corps commence à se transformer en vapeur, un phénomène appelé ébullisme. Il débute là où la pression qui s’y oppose est la plus faible : dans le tissu lâche sous la peau et dans le sang des grosses veines. Le Bioastronautics Data Book décrit un gonflement marqué du corps, peut-être jusqu’à deux fois son volume normal, à moins qu’une combinaison pressurisée ne le contienne.

Le corps n’éclate pas. La peau est résistante et élastique, et la vapeur reste dessous. Dans les expériences sur les chiens, le gonflement a nettement diminué dès que la pression est repassée au-dessus d’environ 50 mmHg. Le recueil indique aussi qu’un vêtement élastique serré et bien ajusté empêchait totalement l’ébullisme à des pressions aussi basses que 15 mmHg. Même un vêtement ajusté ordinaire résisterait un peu.

Sur la scène, la peau se déplace vers l’extérieur le long de sa surface, surtout aux bras, aux jambes, aux mains et aux pieds, et la couche de tissu en dessous bouge moins ; l’écart entre les deux représente le gonflement. Activez Ouvrir la peau pour voir cet écart, et Bulles de gaz pour afficher la vapeur sous forme de petites sphères. Les mains forment une partie distincte à cause d’un cas réel. En 1960, Joe Kittinger s’est élevé jusqu’à 102 800 ft dans la nacelle ouverte d’un ballon. Le gant pressurisé de sa main droite a cédé pendant la montée, et la main a gonflé, fait mal et est devenue inutilisable. Il a tout de même effectué son saut, et une fois redescendu à une altitude plus basse, sa main est redevenue normale.

Quand la circulation s’arrête

La vapeur qui se forme dans les grosses veines est ce qui rend mortelle une exposition plus longue. Le recueil de Roth décrit des bulles qui se forment à l’endroit où les grandes veines entrent dans le cœur et se propagent en sens inverse dans les veines, un « bouchon de vapeur vasculaire » qui empêche le sang de revenir au cœur. Le cœur n’a plus rien à pomper.

Le Bioastronautics Data Book donne le déroulement : la fréquence cardiaque peut d’abord augmenter puis chute rapidement, la pression artérielle baisse en 30 à 60 secondes, et la pression veineuse rejoint ou dépasse la pression artérielle en une minute environ. Ensuite, il n’y a pratiquement plus de circulation efficace. Chez des chiens maintenus pendant 90 secondes à 2 mmHg, la fréquence cardiaque était tombée à 10 battements par minute, contre 159 normalement.

Le modèle fait monter la fréquence cardiaque pendant les 5 premières secondes puis la fait baisser, et il fait décroître la circulation entre 5 et 60 s. Ces courbes sont des lignes lisses passant par les durées rapportées, et non des mesures sur une personne.

Combien de temps pourrait-on survivre ?

Personne n’a testé volontairement un être humain ; les chiffres proviennent donc d’animaux et d’accidents. En 1964, 126 chiens de l’École de médecine aérospatiale de l’USAF ont été décomprimés à moins de 2 mmHg pendant 5 à 180 secondes. Tous les chiens exposés moins de 120 secondes ont survécu après avoir été ramenés sous pression, malgré des signes de lésions pulmonaires. Les expositions de 120 à 180 secondes ont tué entre 15 % environ et plus de 80 % des animaux. Des chimpanzés, testés pour la NASA en 1965, ont été maintenus sous 2 mmHg pendant 5 à 150 secondes ; tous avaient repris la tâche à laquelle ils avaient été entraînés en moins de quatre heures, et les tests n’ont décelé aucune lésion cérébrale.

À partir de ces études, le Bioastronautics Data Book de la NASA conclut qu’une recompression en 60 à 90 secondes pourrait permettre la survie, et peut-être un rétablissement assez rapide, sans aucune garantie : certains animaux sont morts en quelques secondes et quelques-uns ont gardé des séquelles durables. Le recueil de Roth conseille de retenir une durée maximale de survie de 90 secondes pour planifier les procédures d’urgence. La ligne Si la pression revient maintenant de la scène suit ces intervalles. Elle rend compte de ce qui a été observé chez les animaux, et non d’une prévision pour une personne.

Le seul cas réel de vide complet pendant toute la durée est Soyouz 11. En juin 1971, une soupape d’égalisation de pression a été ouverte par une secousse lors de la séparation du module de descente, à grande hauteur au-dessus de l’atmosphère. L’air de la cabine s’est échappé en moins d’une minute. Les trois cosmonautes, qui ne portaient pas de combinaison pressurisée, ont perdu connaissance et sont morts en moins de deux minutes. La capsule a atterri automatiquement et l’équipe de récupération les a trouvés sur leurs sièges.

Le corps ne refroidit pas instantanément dans l’espace

Un vide ne contient pas d’air ; rien ne peut donc emporter la chaleur par conduction ou par convection. La seule voie de sortie est le rayonnement, la lueur infrarouge que chaque objet chaud émet. Avec une température de peau de 33 °C, une émissivité de 0,97 et environ 1,5 m² de peau exposés à l’espace libre, la loi de Stefan-Boltzmann donne :

P = 0,97 × 5,67 × 10⁻⁸ × 1,5 × 306,15⁴ ≈ 725 W

Un corps de 70 kg emmagasine environ 243 kJ par degré. À 725 W, la température centrale baisse d’environ 0,36 °C en deux minutes. Il faudrait plus de cinq minutes pour perdre 1 degré de cette façon. Rester deux minutes dans l’ombre, dans l’espace, ne fait geler personne.

Les parties qui se refroidissent réellement sont la bouche et le nez. L’eau continue de s’évaporer des voies respiratoires, et l’évaporation emporte de la chaleur. Le Bioastronautics Data Book indique que cela refroidit la bouche et le nez jusqu’à près de la congélation, tandis que le reste du corps se refroidit beaucoup plus lentement. La ligne Bouche et nez montre cette baisse.

La lumière du Soleil change le bilan. À la distance de la Terre, le Soleil fournit 1361 W/m². Si un demi-mètre carré du corps lui fait face et absorbe 60 %, cela représente environ 408 W reçus, et la perte nette tombe à environ 316 W. Désactivez Lumière du Soleil pour voir la température centrale baisser un peu plus vite.

Ce que change une combinaison pressurisée

Une combinaison spatiale est surtout un ballon qui maintient une pression sur le corps. Elle n’a pas besoin de la pression du niveau de la mer : si le gaz est de l’oxygène pur, une pression totale bien plus basse suffit à fournir assez d’oxygène aux poumons. La NASA indique 25,8 kPa pour les combinaisons Apollo, 29,6 kPa (4,3 psi) pour la combinaison de la station et 39,2 kPa pour la combinaison russe Orlan, toutes avec 100 % d’oxygène. C’est largement au-dessus de la limite d’Armstrong, et aucune eau du corps ne bout donc. Fait intéressant, 4,3 psi correspond aussi à peu près à la pression de l’air à l’extérieur d’un avion à 30 000 ft.

Une pression de combinaison plus basse rend la combinaison plus facile à plier, surtout aux gants, mais elle pose un autre problème. Passer de l’air de la station à 101 kPa à une combinaison à 29,6 kPa permet à l’azote dissous dans le corps de former des bulles, la même maladie de décompression que celle des plongeurs. Les astronautes respirent donc d’abord de l’oxygène pur pour éliminer l’azote. Dans un protocole de la station, cela prend 2 heures et 20 minutes entre la première inspiration d’oxygène et la sortie dans l’espace.

Activez Combinaison pressurisée et toute la frise chronologique reste calme : pas de gonflement, pas d’ébullition, des poumons normaux et un apport d’oxygène normal.

Plus bas que l’espace

Il n’est pas nécessaire d’aller dans l’espace pour rencontrer certains de ces effets. Le curseur d’altitude et les pastilles au-dessus de la frise chronologique permettent d’essayer les mêmes deux minutes ailleurs.

• Cabine d’avion de ligne : la réglementation américaine exige qu’une cabine pressurisée reste, en vol normal, à une altitude-pression d’au plus 8000 ft. Cela représente environ 75 kPa, et rien ne se produit sur la frise chronologique.
• Everest : environ 31 kPa dans l’atmosphère standard. L’eau bout à environ 70 °C, rien ne bout dans le corps, et le temps de conscience utile se compte en nombreuses minutes ; la frise chronologique n’affiche donc rien en deux minutes. Les alpinistes souffrent tout de même du manque d’oxygène pendant des heures et des jours.
• Avion de ligne en croisière : à 35 000 ft, une perte soudaine de pression de la cabine laisse de 15 à 30 s de conscience utile. C’est pourquoi les masques à oxygène tombent. La réglementation américaine exige de l’oxygène pour l’équipage au-dessus de 12 500 ft pendant plus de 30 minutes, et pour chaque occupant au-dessus de 15 000 ft.
• Limite d’Armstrong : environ 19 km. Au-dessus, une combinaison pressurisée est nécessaire, même pour une exposition brève.

Le prix à payer lorsqu’on ignore tout cela apparaît clairement dans l’accident survenu en 1999 à un Learjet 35, immatriculé N47BA. Le contact radio a été perdu après que l’avion eut été autorisé à monter à 39 000 ft. Le NTSB a constaté que l’équipage avait été frappé d’incapacité après la perte de pression de la cabine et qu’il n’avait pas reçu d’oxygène d’appoint. L’appareil a continué de voler jusqu’à épuisement du carburant, puis s’est écrasé dans le Dakota du Sud.

Cas à essayer

La liste sous la scène comporte 33 cas. Chaque fiche règle le modèle sur sa pression et sa durée lorsque vous appuyez sur Afficher sur le modèle, et les fiches qui comportent une durée en secondes ont une barre sur la même échelle de 0 à 150 s, ce qui permet de les comparer. Ils sont regroupés en cinq catégories :

• Accidents : l’essai en chambre de 1965, la main de Kittinger, Soyouz 11, le Learjet en 1999.
• Essais : les études sur les chiens et les chimpanzés, la limite pulmonaire de 80 mmHg, le vêtement élastique, la recompression en 90 s.
• Règles : les temps de conscience utile de la FAA, les règles sur l’oxygène et la cabine, les pressions des combinaisons et la préoxygénation.
• Altitudes : l’Everest, la limite d’Armstrong, les sauts record depuis un ballon, la surface de Mars et la lumière du Soleil non filtrée.
• Films : des scènes à peu près justes et des scènes qui ne le sont pas, chacune comparée aux relevés.

La surface de Mars offre une comparaison utile. Sa pression moyenne est de 6,36 mbar, soit 0,64 kPa, à peu près celle de l’air terrestre vers 35 km. Pour un corps non protégé, cela revient presque à un vide, ce qui explique qu’une combinaison pour Mars doive être une combinaison pressurisée complète.

Ce que le modèle laisse de côté

• La figure est un schéma, pas une personne. Sa forme est construite à partir de capsules lisses, et les organes sont de simples formes placées à peu près au bon endroit.
• Les artères sont dessinées en rouge virant au violet à mesure que l’oxygène diminue, et les veines sont toujours bleues. Le sang réel pauvre en oxygène est rouge sombre.
• Les courbes d’oxygène, de fréquence cardiaque, de circulation, de gonflement et de température de la bouche sont des lignes lisses passant par les durées rapportées. Elles sont étiquetées comme valeurs du modèle sur la scène.
• Le scénario suppose une chute brutale depuis la pression du niveau de la mer. Une fuite lente laisse plus de temps, et une personne qui respirait de l’oxygène pur auparavant disposerait de quelques secondes de plus, comme les chiens dont l’azote avait été éliminé.
• Les personnes diffèrent. La FAA note que les temps de conscience utile varient largement selon la taille des poumons, l’hémoglobine et la quantité d’oxygène que consomme le corps.
• Les altitudes sont des hauteurs géométriques dans l’atmosphère standard de 1976. La pression réelle en un lieu varie aussi avec la météo, la saison et la latitude.
• Les chiffres de chaleur n’utilisent que le rayonnement. L’évaporation depuis la peau et les voies respiratoires refroidirait la surface plus vite.

Un peu d’histoire

Les combinaisons pressurisées sont nées du vol à haute altitude, avant que les vols spatiaux n’en aient besoin. L’ascension de Joe Kittinger en ballon en 1960, jusqu’à 102 800 ft dans une nacelle ouverte, servait en partie à en tester une, et sa main non pressurisée est devenue l’exemple le plus connu de ce qui arrive sans elle.

Au début des années 1960, alors qu’on construisait des vaisseaux spatiaux et de grandes chambres à vide, le Manned Spacecraft Center de la NASA a financé des études sur des animaux pour savoir ce que provoquerait une défaillance de combinaison. Bancroft et Dunn ont décomprimé 126 chiens en 1963 et 1964 ; l’équipe de Koestler, à la base aérienne de Holloman, a testé des chimpanzés et publié ses résultats en novembre 1965. Les résultats ont été repris dans le Bioastronautics Data Book et dans le recueil de Roth, qui ont fixé les chiffres encore cités aujourd’hui : environ 10 secondes de conscience utile et environ 90 secondes pour planifier un sauvetage.

Depuis, les cas humains ont surtout été des accidents à l’issue heureuse, comme l’essai en chambre de 1965. Soyouz 11, en 1971, reste la seule fois où des personnes sont mortes dans l’espace même.