Énoncé
Le 23 avril 2021 le spationaute français Thomas Pesquet a décollé pour sa deuxième mission à bord de l’ISS, la station spatiale internationale.
Lors de cette mission, nommée mission Alpha, il était chargé de mener de nombreuses expériences.
Toute expérience qui s’envole pour l’ISS est empaquetée à l’aide de mousses protectrices. Les expériences Renewable Foam et Edible Foam proposent l’utilisation expérimentale de matériaux de protection réutilisables, biodégradables ou comestibles, pour remplacer les traditionnelles mousses pétrosourcées(1) inutiles une fois à bord de la station.
Lors de cette mission, nommée mission Alpha, il était chargé de mener de nombreuses expériences.
Toute expérience qui s’envole pour l’ISS est empaquetée à l’aide de mousses protectrices. Les expériences Renewable Foam et Edible Foam proposent l’utilisation expérimentale de matériaux de protection réutilisables, biodégradables ou comestibles, pour remplacer les traditionnelles mousses pétrosourcées(1) inutiles une fois à bord de la station.
Question 1
1.
Citer deux avantages des matériaux innovants présentés.
Le recyclage de l’eau dans l’ISS
À bord de l’ISS, un système récupère les eaux usées (transpiration, respiration et urines des astronautes) et les purifie. Une partie de l’eau purifiée est électrolysée : le passage d’un courant électrique dans l’eau aboutit à la formation de dihydrogène gazeux et de dioxygène gazeux. Le dioxygène est alors injecté dans la station pour en renouveler l’air.
Pour répondre à cette question, il suffit de trouver les informations dans le texte introductif du sujet. Il y est dit, dans le dernier paragraphe, que les matériaux de protection sont « réutilisables, biodégradables ou comestibles » et qu’ils remplacent les habituelles « mousses pétrosourcées ».
Question 2
2.
a.
Indiquer, en donnant un argument, si le dioxygène est un atome ou une molécule.
Par abus de langage, on parle souvent d’oxygène pour le gaz qui compose l’air que l’on respire. En réalité, il s’agit d’un gaz composé de molécules d’O2.
b. L’équation de la réaction chimique qui modélise l’électrolyse de l’eau est 2 H2O → 2 H2 + O2. Choisir parmi les propositions ci-dessous celle qui est correcte. Justifier ce choix.
P1 : 2 kg d’eau forment 2 kg de dihydrogène et 1 kg de dioxygène.
P2 : 2 kg d’eau forment 0,22 kg de dihydrogène et 1,78 kg de dioxygène.
P3 : 2 kg de dihydrogène et 1 kg de dioxygène forment 2 kg d’eau.
P1 : 2 kg d’eau forment 2 kg de dihydrogène et 1 kg de dioxygène.
P2 : 2 kg d’eau forment 0,22 kg de dihydrogène et 1,78 kg de dioxygène.
P3 : 2 kg de dihydrogène et 1 kg de dioxygène forment 2 kg d’eau.
Les matériaux dans l’ISS
L’aluminium est un matériau utilisé dans la fabrication des parois des différents modules de l’ISS du fait de ses propriétés intéressantes, comme par exemple sa masse volumique.
Masse volumique de différents matériaux :
Pour vérifier la valeur de la masse volumique de l’aluminium, on réalise l’expérience schématisée ci-dessous en utilisant un cylindre d’aluminium.
Masse volumique de différents matériaux :
| Matériau | Acier | Aluminium | Titane |
| Masse volumique (en g/mL) | 7,9 | 2,7 | 4,5 |
Pour vérifier la valeur de la masse volumique de l’aluminium, on réalise l’expérience schématisée ci-dessous en utilisant un cylindre d’aluminium.
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Question 3
3.
a. Classer dans l’ordre les cinq étapes de la démarche expérimentale à suivre pour vérifier la valeur de la masse volumique du cylindre d’aluminium.
A. Plonger délicatement le cylindre d’aluminium dans les 50 mL d’eau contenus dans l’éprouvette graduée.
B. Mesurer la masse m du cylindre d’aluminium à l’aide d’une balance.
C. Mesurer le volume V2 de l’ensemble cylindre et eau.
D. Calculer le volume du solide en soustrayant V1 à V2.
E. Remplir l’éprouvette graduée avec un volume d’eau V1 = 50 mL.
A. Plonger délicatement le cylindre d’aluminium dans les 50 mL d’eau contenus dans l’éprouvette graduée.
B. Mesurer la masse m du cylindre d’aluminium à l’aide d’une balance.
C. Mesurer le volume V2 de l’ensemble cylindre et eau.
D. Calculer le volume du solide en soustrayant V1 à V2.
E. Remplir l’éprouvette graduée avec un volume d’eau V1 = 50 mL.
b.
En utilisant les mesures de l’expérience précédente, vérifier que la masse volumique ρ du cylindre est bien celle de l’aluminium. Détailler les calculs effectués.
Pour la rédaction, il suffisait de reprendre chacune des étapes de la démarche expérimentale de la question 3.a.
c. En comparant les données du tableau intitulé masse volumique de différents matériaux, expliquer le choix de l’aluminium pour la fabrication des parois des différents modules de l’ISS.
« 16 levers de Soleil »
Sur Terre, une personne immobile ne peut pas voir plus d’un seul lever de Soleil par jour (soit 24 heures). Lors de sa première mission à bord de l’ISS, la mission Proxima, Thomas Pesquet a participé à la réalisation d’un documentaire intitulé :
« 16 levers de Soleil ».
L’ISS parcourt environ 42 700 km pour effectuer le tour complet de la Terre à une vitesse dont la valeur est constante et égale à 28 000 km/h.
« 16 levers de Soleil »
Sur Terre, une personne immobile ne peut pas voir plus d’un seul lever de Soleil par jour (soit 24 heures). Lors de sa première mission à bord de l’ISS, la mission Proxima, Thomas Pesquet a participé à la réalisation d’un documentaire intitulé :
« 16 levers de Soleil ».
L’ISS parcourt environ 42 700 km pour effectuer le tour complet de la Terre à une vitesse dont la valeur est constante et égale à 28 000 km/h.
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Question 4
4.
a. Dans la liste ci-dessous, choisir deux adjectifs et rédiger une phrase pour caractériser le mouvement de l’ISS autour de la Terre. Justifier l’emploi de ces deux adjectifs.
Rectiligne - Circulaire - Accéléré - Uniforme - Ralenti.
Rectiligne - Circulaire - Accéléré - Uniforme - Ralenti.
b.
Expliquer, grâce à un raisonnement et des calculs, la signification du titre du documentaire avec Thomas Pesquet : « 16 levers de Soleil ». Détailler les calculs réalisés. Toute démarche, même partielle, sera prise en compte.
La difficulté de cette partie 4.b. était la confusion entre rotation (de la Terre sur elle-même) et révolution (de la Terre autour du Soleil) et surtout l’aspect abstrait du titre de l’ouvrage de Thomas Pesquet. Un spécialiste de l’astronomie comprend immédiatement qu’il s’agit de 16 levers de Soleil pendant une rotation complète de la Terre sur elle-même mais cela n’était pas stipulé explicitement.
Corrigé
1.
Les deux principaux avantages sont donc à choisir parmi quatre possibilités :
• l’aspect réutilisable qui apporte une deuxième utilité (la protection pendant le transport et l’utilité sur place) ;
• l’aspect biodégradable qui évite à ces matériaux d’être des détritus devant être jetés à la poubelle et donc ramenés sur Terre ;
• l’aspect comestible qui permet de nourrir les spationautes ou les cultures sur place ;
• le fait de ne pas être issus de la chimie du pétrole, ce qui évite une pollution de l’ISS voire de l’espace.
2.
a. Comme son nom l’indique, le dioxygène O2 est composé de deux atomes d’oxygène. Ce n’est donc pas un atome ! C’est une molécule.
b. 2 H2O → 2 H2 + O2
Cette équation modélise la réaction chimique de l’électrolyse de l’eau dans laquelle l’eau est le réactif, le dihydrogène et le dioxygène sont les produits, et dans laquelle la masse est conservée.
Ainsi la proposition P1 n’est pas valable, car la masse des produits est 3 kg alors que celle du réactif n’est que 2 kg. Il n’y a pas conservation de la masse. La proposition P1 est fausse.
La proposition P3 n’est pas correcte, car elle confond « produits » et « réactifs ».
La proposition P2 est donc la bonne réponse, car il y a bien conservation de la masse. La somme des masses des produits (0,22 kg + 1,78 kg = 2 kg) est bien égale à la masse du réactif (2 kg).
Cette équation modélise la réaction chimique de l’électrolyse de l’eau dans laquelle l’eau est le réactif, le dihydrogène et le dioxygène sont les produits, et dans laquelle la masse est conservée.
Ainsi la proposition P1 n’est pas valable, car la masse des produits est 3 kg alors que celle du réactif n’est que 2 kg. Il n’y a pas conservation de la masse. La proposition P1 est fausse.
La proposition P3 n’est pas correcte, car elle confond « produits » et « réactifs ».
La proposition P2 est donc la bonne réponse, car il y a bien conservation de la masse. La somme des masses des produits (0,22 kg + 1,78 kg = 2 kg) est bien égale à la masse du réactif (2 kg).
3.
a. Démarche expérimentale à suivre dans l’ordre :
B - Mesurer la masse m du cylindre d’aluminium à l’aide d’une balance.
E - Remplir l’éprouvette graduée avec un volume d’eau V1 = 50 mL.
A - Plonger délicatement le cylindre d’aluminium dans les 50 mL d’eau contenus dans l’éprouvette graduée.
C - Mesurer le volume V2 de l’ensemble (cylindre et eau).
D - Calculer le volume du solide en soustrayant V1 à V2.
B - Mesurer la masse m du cylindre d’aluminium à l’aide d’une balance.
E - Remplir l’éprouvette graduée avec un volume d’eau V1 = 50 mL.
A - Plonger délicatement le cylindre d’aluminium dans les 50 mL d’eau contenus dans l’éprouvette graduée.
C - Mesurer le volume V2 de l’ensemble (cylindre et eau).
D - Calculer le volume du solide en soustrayant V1 à V2.
b. B - La masse m du cylindre est m = 40,5 g.
E - Le volume d’eau initial est V1 = 50 mL.
A - On plonge le cylindre d’aluminium dans le volume V1 = 50 mL d’eau de l’éprouvette graduée. Le niveau monte, le volume devient V2.
C - On mesure V2 = 65 mL.
D - On calcule le volume du solide en soustrayant V1 à V2 : VS = V2 − V1 = 65 – 50 = 15 mL.
Reste à calculer la masse volumique du solide (aluminium) en utilisant la formule
.
On retrouve bien la masse volumique de l’aluminium donnée par le tableau.
E - Le volume d’eau initial est V1 = 50 mL.
A - On plonge le cylindre d’aluminium dans le volume V1 = 50 mL d’eau de l’éprouvette graduée. Le niveau monte, le volume devient V2.
C - On mesure V2 = 65 mL.
D - On calcule le volume du solide en soustrayant V1 à V2 : VS = V2 − V1 = 65 – 50 = 15 mL.
Reste à calculer la masse volumique du solide (aluminium) en utilisant la formule
.On retrouve bien la masse volumique de l’aluminium donnée par le tableau.
c. D’après le tableau, l’aluminium a une masse volumique (2,7 g/mL) plus faible que celle de l’acier (7,9 g/mL) ou du titane (4,5 g/mL). Le choix de l’aluminium permet de réduire la masse totale de la station, ce qui est essentiel pour le lancement spatial ; chaque kilogramme compte !
4.
a. Le mouvement de l’ISS est circulaire (il effectue une rotation autour de la Terre sur une orbite circulaire, d’après le schéma) et uniforme (sa vitesse est annoncée constante à 28 000 km/h).
b. La vitesse de l’ISS est v = 28 000 km/h.
La distance parcourue par l’ISS pour un tour complet est d = 42 700 km.
Comme
, alors 
.
L’ISS met donc 1,53 h pour faire un tour complet autour de la Terre. D’après le schéma, nous déduisons que lorsque l’ISS fait ce tour complet, l’équipage voit un lever de Soleil, car la Terre cache le Soleil.
Sur Terre, on voit un lever de Soleil toutes les 24h (durée d’une rotation de la Terre).
Pendant ces 24 heures, dans l’ISS, le nombre de levers de Soleil observés s’élève à environ 16, car
.
Cela explique le titre du livre de Thomas Pesquet qui voyait donc 16 levers de Soleil dans l’ISS pendant que, sur Terre, on n’en voyait qu’un seul.
La distance parcourue par l’ISS pour un tour complet est d = 42 700 km.
Comme
, alors .L’ISS met donc 1,53 h pour faire un tour complet autour de la Terre. D’après le schéma, nous déduisons que lorsque l’ISS fait ce tour complet, l’équipage voit un lever de Soleil, car la Terre cache le Soleil.
Sur Terre, on voit un lever de Soleil toutes les 24h (durée d’une rotation de la Terre).
Pendant ces 24 heures, dans l’ISS, le nombre de levers de Soleil observés s’élève à environ 16, car
.Cela explique le titre du livre de Thomas Pesquet qui voyait donc 16 levers de Soleil dans l’ISS pendant que, sur Terre, on n’en voyait qu’un seul.
