Apesanteur : pourquoi les stations spatiales tombent sans s’écraser

La gravitation est également présente en orbite

À l’altitude habituelle d’une station spatiale en orbite terrestre basse, la pesanteur représente encore une grande partie de celle que nous connaissons à la surface de la Terre. Si les personnes y flottent, ce n’est donc pas parce que l’attraction terrestre a disparu. Le facteur décisif est l’absence de force de soutien permanente. Au sol, le support empêche notre chute libre et exerce une poussée contre nos pieds. C’est cette force de réaction que nous percevons comme notre poids. Dans une station spatiale, en revanche, l’équipage, les parois et les objets non fixés tombent ensemble. Il n’y a donc pas de plancher qui doive soutenir les personnes en permanence. Leur masse reste inchangée : même lorsqu’il flotte, un appareil massif ne peut pas être accéléré ou freiné aussi facilement qu’on le souhaite. L’apesanteur ne signifie donc pas une absence de masse ; elle décrit avant tout une situation mécanique particulière dans le référentiel du laboratoire en chute libre.

Être en orbite, c’est tomber sans cesse à côté de la Terre

Si l’on lâchait un objet sans vitesse latérale, il tomberait vers la Terre. Si on lui donne une vitesse horizontale suffisante, sa trajectoire de chute s’incurve de telle sorte que la surface terrestre se dérobe, en quelque sorte, sous lui. Il se trouve alors sur une orbite. La gravitation fournit en permanence l’accélération qui modifie la direction de son mouvement. Un satellite n’a donc pas besoin, en principe, de faire fonctionner continuellement un moteur pour rester en orbite. Sur les orbites basses, toutefois, l’atmosphère résiduelle ténue le freine, ce qui peut rendre nécessaires des rehaussements occasionnels de l’orbite. L’apesanteur n’est pas non plus parfaite : la traînée atmosphérique, les vibrations, les mouvements de rotation et les petites variations du champ de pesanteur produisent des accélérations résiduelles. Pour les expériences scientifiques, on emploie donc souvent le terme plus précis de microgravité. Cette expression décrit mieux les conditions réelles que l’idée d’un espace absolument dépourvu de forces.

Ce que révèle la recherche sans l’appui du sol

Il est également possible de créer des conditions d’apesanteur pendant une durée limitée. Les tours de chute exploitent quelques secondes de chute libre, les vols paraboliques certaines portions de leur trajectoire et les fusées-sondes plusieurs minutes de leur vol balistique. Le programme MAPHEUS du DLR utilise de telles fusées, notamment pour des expériences en science des matériaux. Sans les effets habituels de la poussée d’Archimède et de la sédimentation, les scientifiques peuvent par exemple étudier la manière dont des constituants se mélangent ou dont des matériaux se solidifient. Cela ne signifie pas que toutes les influences perturbatrices disparaissent. Les températures, les forces électromagnétiques et la tension superficielle continuent d’agir et peuvent même se manifester davantage. C’est précisément pour cette raison qu’il est important d’effectuer des mesures comparatives avec des expériences au sol. L’intérêt est de réduire de manière ciblée une influence dominante pour mieux discerner d’autres processus. Le vol spatial devient ici une méthode de laboratoire, et non un simple moyen de transport vers un lieu inhabituel, très au-dessus de la Terre.

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