Séquence pédagogique Les matériaux de l’espace

L’ensemble des questions concerne à la fois les sciences de la vie et de la Terre et la physique-chimie, dans le cadre des thèmes de convergence que sont l’énergie, l’environnement et le développement durable.

Des « Arrêts sur notion » abordent plus particulièrement un point, en le rattachant aux programmes des sciences de la vie et de la Terre ou de la physique-chimie, avec souvent une approche expérimentale.

Les panneaux sola i res

■ Arrivée de l’Automated Transfer Vehicule (ATV) vers la Station spatiale internationale (ISS)

© Esa/Ducros David, 2005

■ Déploiement des panneaux solaires du satellite Corot

© Cnes/Delmas Serge, 2006

Panneaux solaires

Question 1 : Quels sont les principaux dispositifs nécessaires au fonctionnement de la Station spatiale internationale (ISS), visibles sur cette photo ?

Réponse 1 : Cette photo montre que l’ISS est constituée de nombreux panneaux solaires orientés vers le Soleil.

Question 2 : Quel est le rôle de ces dispositifs ?

Réponse 2 : Ces panneaux permettent le fonctionnement de l’ensemble des appareils électriques de la station.

niveau

5e

Question 3 : Construisez une phrase permettant d’expliquer la base du fonctionnement de ces éléments, en utilisant les termes suivants : énergie solaire, énergie électrique, conversion.

Réponse 3 : Les panneaux solaires réalisent la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique utilisable par les différents appareils de l’ISS. Les panneaux solaires jouent donc le rôle de générateurs électriques.

Question 4 : Quel est l’intérêt d’utiliser l’énergie solaire ?

Réponse 4 : L’énergie solaire est une énergie renouvelable, ne nécessitant pas d’être transportée depuis la Terre jusqu’à la station, contrairement à des générateurs de type batterie. De ce fait, cette énergie est inépuisable pour la vie à bord de la station.

Question 5 : Quel peut être l’intérêt environnemental de développer l’utilisation de l’énergie solaire sur Terre ?

Réponse 5 : Alors que le développement des technologies conduit à une consommation d’énergie croissante dans le monde, la démarche citoyenne nous invite à réfléchir sur le choix et l’utilisation des énergies sur Terre.

Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, l’utilisation de l’énergie solaire est une alternative à la consommation d’énergies non renouvelables et polluantes.

L’énergie solaire sera-t-elle la solution énergétique de demain ? À vous d’y réfléchir.

■ Arrêt sur notion : Utilisation d’une photopile

Dans les programmes Notion

« Les circuits électriques en courant continu » et spécifiquement la partie « Qu’est-ce qu’un circuit électrique ? »

Transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique

Expérience et observation (a) : Branchez en série une photopile (qui représente un panneau solaire), un interrupteur et un petit moteur. Fermez l’interrupteur et notez vos observations.

Réponse (a) : Lorsqu’on ferme l’interrupteur, le moteur se met à tourner (si ce n’est pas le cas, choisir un système qui permet une rotation du moteur avec, si besoin, une lampe en plus de l’éclairage ambiant).

Physique-chimie

niveau

6e

Expérience et question (b) : Comment peut-on arrêter la rotation du moteur sans toucher au circuit électrique ?

Réponse (b) : Il suffit évidemment de disposer un cache au-dessus de la photopile pour empêcher la lumière d’arriver. Il n’y a plus d’énergie lumineuse à convertir donc plus d’énergie électrique pour alimenter le moteur.

Question (c) : Pourquoi appelle-t-on un panneau solaire une photopile ? Comment peut-on représenter sur un schéma électrique un tel élément ?

Réponse (c) : Un panneau solaire joue le même rôle qu’une pile : c’est un générateur. Seulement, pour jouer pleinement son rôle, ce type d’élément électrique doit recevoir de la lumière – d’où le préfixe « photo ». On pourra donc représenter une photopile par le symbole électrique habituellement donné aux générateurs : G

■ Arrêt sur notion : Les végétaux chlorophylliens et l’énergie solaire

Dans les programmes Notion

« Origine de la matière des êtres vivants ». Les végétaux chlorophylliens n’ont besoin pour se nourrir que de matière minérale, à condition de recevoir de la lumière.

Expérience : Une plante est cultivée dans différents milieux et son développement est observé.

Résultats et conditions de l’expérience

Conditions Eau + sels minéraux + CO2 de l’air + lumière

Eau + sels minéraux + CO2 de l’air

Résultats Plante verte qui grandit. Plante jaune qui fane.

Question : Que montre cette expérience ?

Réponse : • Observation : La comparaison des deux expériences montre que la plante ne se développe normalement qu’en présence de lumière. • Interprétation : La plante a besoin de lumière pour se développer. Les végétaux utilisent donc l’énergie lumineuse.

Sciences de la vie

et de la Terre

Dans les programmes Notion

niveau

5e

« Respiration et occupation des milieux de vie ».

À la lumière, les végétaux chlorophylliens contribuent à oxygéner le milieu.

Expérience (a) : Un dispositif ExAO consistant à mesurer en permanence la concentration en O2 et en CO2 dans une suspension d’euglène (algue unicellulaire) en faisant varier les conditions d’éclairement, donne le graphe suivant.

Question (a) : Que montre l’expérience (a) ?

Réponse (a) : À l’obscurité, la concentration en CO2 dans le bioréacteur augmente et la concentration en O2 diminue, donc les euglènes rejettent du CO2 et absorbent de l’O2 à l’obscurité : elles respirent.

La concentration en CO2 diminue et la concentration en O2 augmente dans le bioréacteur lorsque les euglènes sont éclairées donc les euglènes consomment du CO2 et rejettent du O2 en présence de lumière : elles réalisent la photosynthèse. Les euglènes utilisent l’énergie lumineuse pour absorber le CO2 et rejettent du O2.

Suivi des concentrations en CO2 et O2 dans une suspension d’euglènes en fonction des conditions d’éclairement

O2

CO2

Obscurité Lumière Obscurité

Pour aller plus loin

Problème : À quoi cette lumière sert-elle ? Expérience (b) : Des euglènes sont placées dans différents milieux. Après 24 heures, ces algues chlorophylliennes sont prélevées de leur milieu et un test à l’eau iodée est réalisé sur ces cellules.

L’eau iodée est un colorant jaune orangé qui devient bleu noir en présence d’amidon.

L’amidon est une molécule organique. Les molécules organiques sont des molécules synthétisées par les êtres vivants. Certains êtres vivants ont besoin de prélever dans leur milieu de la matière organique d’autres êtres vivants pour subsister. Ce n’est pas le cas des végétaux chlorophylliens et pourtant ils en sont également constitués.

Résultats et conditions de l’expérience

Conditions Lumière + CO2 Obscurité + CO2 Lumière sans CO2

Résultats du test à l’eau iodée Positif Négatif Négatif

État des euglènes si elles restent dans ces conditions

Elles vivent Elles meurent Elles meurent

Question (b) : Quelle information complémentaire l’expérience (b) proposée apporte-t-elle ?

Réponse (b) :

• Observation : De l’amidon est mis en évidence dans les euglènes uniquement en présence de lumière et de CO2.

• Interprétation : Les euglènes fabriquent l’amidon, matière organique dont elles ont besoin pour se développer, en présence de lumière et si elles disposent de CO2 à absorber, mais ne sont pas capables d’en fabriquer sans lumière.

• Conclusion : Les végétaux chlorophylliens tels que les euglènes utilisent l’énergie lumineuse et le CO2 pour fabriquer de la matière organique.

Dans les programmes Notion

niveau

4e

« De l’air qui nous entoure à la molécule » et spécifiquement la partie « Les atomes pour comprendre la transformation chimique ».

L’équation chimique.

Question : Nous vous proposons les éléments de l’équation bilan chimique de la photosynthèse, à vous de l’équilibrer.

Énergie lumineuse CO2 + H2O C6H12O6 + O2

Énergie lumineuse Réponse : 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

Physique-chimie et

Sciences de la vie

et de la Terre

Les objets dans l ’espace

■ Le véhicule de transfert automatique (ATV) sous la coiffe d’Ariane 5

© Esa/Ducros David, 2005

Question 6 : La photo présente la fusée Ariane 5 qui expulse sa coiffe pour libérer l’ATV. Que deviennent ces éléments expulsés ?

Réponse 6 : Ces éléments ne restent pas dans l’espace, mais retombent sur Terre.

Question 7 : Pourquoi ces débris ne risquent-ils pas de nous tomber sur la tête ?

Physique-chimie

niveau

3e

Réponse 7 : Ces débris seront désintégrés en pénétrant dans l’atmosphère terrestre.

Question 8 : L’ATV et l’ISS à laquelle il s’arrime ont une durée de vie limitée. Que deviendront-ils une fois inutilisables ?

Réponse 8 : À la différence de la coiffe expulsée, les satellites, l’ATV ou l’ISS ne retombent pas sur Terre et resteront placés en orbite autour de celle-ci sans être détruits.

Question 9 : Quelles sont les conséquences de la présence de ces objets autour de notre planète ?

Réponse 9 : Ces objets devenus inutilisables polluent l’espace en encombrant la banlieue terrestre. De ce fait, ils peuvent également entrer en collision avec des appareils récents en fonctionnement, donc être à l’origine de dégâts matériels.

Question 10 : Proposez des idées pour remédier à ce problème de déchets spatiaux en vous inspirant de démarches citoyennes qui existent à votre échelle.

Réponse 10 : • Récupération, tri puis recyclage de ces matériaux non biodégradables. • Construction de matériaux spatiaux biodégradables.

Cette solution serait la plus réaliste économiquement et matériellement.

■ Arrêt sur notion : La chute des corps sur Terre

Dans les programmes Notion

« Mouvement et forces » et spécifiquement les parties « Comment peut-on décrire le mouvement d’un objet ? »

Chute d’un objet sur Terre, représentation des forces appliquées par des vecteurs.

Question (a) : On s’intéressera à un seul morceau de la coiffe d’Ariane 5 et on supposera pour simplifier que l’atmosphère de la Terre ne perturbe pas son mouvement.

À quelle force le morceau de la coiffe est-il soumis lors de sa chute ? Représentez cette force de manière adéquate.

Physique-chimie

niveau

4e

rF

dont le point d’application est le centre de gravité de l’objet. Ce vecteur est dirigé vers le centre de la Terre.

Question (b) : À quel savant doit-on la théorie au sujet de cette force ?

Réponse (b) : C’est au savant anglais Isaac Newton (1642-1727) que l’on doit la théorie de la gravitation universelle qui émet l’hypothèse que tous les corps sont attirés par la Terre.

■ Arrêt sur notion : Les frottements de l’air dans l’atmosphère

Dans les programmes Notion

Réponse (a) : L’objet n’est soumis qu’à la force d’attraction que la Terre exerce sur lui.

rFOn représente cette force par un vecteur

« De l’air qui nous entoure à la molécule » et spécifiquement les parties « Composition de l’air » et « Une description moléculaire pour comprendre ».

Description moléculaire de l’air pour comprendre les frottements de l’air.

Question (a) : Pourquoi dit-on que les débris qui pénètrent dans l’atmosphère une fois éjectés sont « consumés » ou « brûlés » ?

Réponse (a) : C’est la rencontre à très grande vitesse avec l’air de l’atmosphère qui échauffe les matériaux constituant la coiffe puis les consument complètement. On dit que l’air exerce des forces de frottements sur l’objet.

Question (b) : Proposez une expérience simple qui permette de se rendre compte que des frottements (pas nécessairement de l’air) provoquent une élévation de la température.

Expérience et réponse (b) : Les conséquences des frottements se visualisent facilement lorsqu’on met en contact à grande vitesse deux objets solides : par exemple, une paume de main qui passe très rapidement sur le dessus d’un jean…

Question (c) : Les frottements sont donc responsables de l’échauffement du matériau. Mais qu’est-ce qui frotte exactement le matériau ?

Physique-chimie

niveau

3e

Réponse (c) : C’est bien l’air qui frotte le matériau ! Au niveau microscopique, le matériau s’échauffe au contact rapide avec les molécules d’air (comme la main s’échauffe au contact rapide avec le jean). Plus précisément, ce sont des milliards de milliards de molécules de diazote (78 %) et de molécules de dioxygène (21 %) qui frottent le matériau constituant la coiffe en train de retomber sur Terre.

■ Arrêt sur notion : Mouvements de l’ATV autour de la Terre

Dans les programmes Notion

« Mouvement et forces » et spécifiquement la partie « Comment peut-on décrire le mouvement d’un objet ? ».

Mouvements orbitaux des satellites autour de la Terre.

Question (a) : Décrivez précisément le mouvement de la station spatiale internationale, ISS, autour de la Terre.

Réponse (a) : En simplifiant, on peut dire qu’il s’agit d’un mouvement circulaire uniforme, c’est-à-dire que la trajectoire de l’ISS est un cercle centré sur la Terre et que la station spatiale garde toujours la même vitesse sur son orbite par rapport à la Terre.

Question (b) : Montrez que les deux indications données dans le Portfolio au sujet de la vitesse de l’ISS ne sont pas contradictoires : « elle tourne autour de la Terre à une vitesse de 28 000 km/h » et « la station tourne autour de la Terre à une vitesse d’environ 8 km/s ».

Réponse (b) : 28 000 km/h est bien équivalent à 28 000/3 600 = 7,777 km/s soit environ 8 km/s (puisqu’il y a 3 600 secondes dans une heure).

Question (c) : Déterminez la période* de rotation notée T de l’ISS autour de la Terre à partir de la vitesse v de 28 000 km/h et de l’altitude h de 400 km. Données : rayon de la Terre : RT = 6 400 km.

*durée minimale au bout de laquelle un objet retrouve une position identique.

Réponse (c) : v = d/T où d est la distance parcourue pendant la rotation.

d = 2πR puisqu’il s’agit de la circonférence de l’orbite circulaire de l’ISS. Attention le rayon de l’orbite vaut R = R + h = 6 800 km donc d = 2π.6 800 = 42 725 km. La période vaut T = d/v = 42 725/28 000 ≈ 1,52 h soit 1 h 30 environ.