Mini-leçon – École spatiale ONF : le parcours de Hadfield

Mini-leçon – École spatiale ONF : le parcours de Hadfield

Thèmes abordés : Science et technologie, Terre et espace, univers matériel, carrière scientifique, compétences et stratégies d’exploration et d’expérimentation

Âges : de 12 à 16 ans

Mots-clés/sujets : Phénomènes astronomiques ; système solaire ; système Terre-Lune ; gravitation universelle ; transformation de l’énergie ; astronautique ; exploration spatiale ; situation de la Terre dans l’univers ; histoire, techniques et instruments de la science et de la technologie ; techniques d’utilisation d’échelles ; démarche de modélisation

Question directrice : L’exploration spatiale en vaut-elle la chandelle ? Il est tentant et pertinent de garder un esprit critique au sujet de l’investissement humain et financier que représente une telle aventure. Mais il faut aussi en mesurer les bénéfices : la collaboration entre les nations, les avancées scientifiques, ainsi que les rêves et l’inspiration qu’elle nourrit à l’échelle plus personnelle. Beaucoup croient que ce désir d’explorer est dans notre ADN. Et vous, qu’en pensez-vous ?

Synopsis pédagogique : Chris Hadfield est possiblement l’astronaute le plus connu sur la planète. Vous avez peut-être vu son tour de chant dans la Station spatiale internationale (SSI), ou son visage paré de sa moustache emblématique a peut-être marqué votre esprit. Le récit qu’il fait de sa vie, dans cette série de vidéos, reflète parfaitement ce qui a fait de lui une personnalité si appréciée et l’image même de l’astronaute : la passion, la détermination, l’esprit analytique, la rigueur, la capacité d’émerveillement et la maîtrise du récit.

Ce regard qu’il porte sur sa vie nous offre aussi un portrait privilégié de ce qu’est véritablement l’exploration spatiale lorsqu’elle est vécue de l’intérieur. Cette perspective est essentielle pour bien comprendre le rôle que nous pouvons jouer à l’avenir si nous souhaitons continuer de nous lancer vers les étoiles.

Activité 1 : Schématisation graphique par une ligne du temps

École spatiale ONF : le parcours de Hadfield – Chapitre 8 – Les alliés, Rohan Fernando, offert par l'Office national du film du Canada

L’histoire de l’exploration spatiale est ponctuée de réussites et d’échecs, de la guerre froide à la collaboration internationale actuelle. Dans son enfance et sa carrière, Chris Hadfield a lui-même été témoin de plusieurs événements importants.

Afin de mieux comprendre le contexte dans lequel s’inscrit l’exploration spatiale actuelle, il faut regarder ce qui l’a précédée et ce vers quoi elle tend.

Créez une ligne du temps pour représenter graphiquement les événements importants de l’exploration spatiale. Voici quelques éléments qui peuvent y figurer, mais n’hésitez pas à en trouver d’autres.

Premier vol d’avion par les frères Wright
Lancement de la première fusée par Robert H. Goddard
Lancement du premier missile V2 à atteindre l’espace
Premier satellite artificiel à orbiter autour de la Terre
Première mission à toucher la Lune
Premier humain dans l’espace

À compter de la présence humaine dans l’espace, vous pouvez vous concentrer sur l’histoire des missions habitées.

Déclinez votre représentation pour mettre en évidence (avec différentes couleurs, par exemple) les différentes nations (États-Unis, URSS, Canada, Chine, etc.) et les projets de collaboration.
Incluez le début des programmes spatiaux (Vostok, Soyuz, Apollo, la navette spatiale, Shenzhou, etc.).
Représentez la durée de vie des stations spatiales (Salyut, Skylab, Mir, SSI, etc.).

Vous pouvez même projeter la ligne du temps dans le futur ! Allez jusqu’en 2050 ; recherchez quels sont les objectifs des différentes nations et compagnies privées qui se lancent dans l’aérospatiale.

Rétroaction

Et vous, où vous situez-vous sur cette ligne du temps ? Marquez votre naissance, celle de vos parents et de vos grands-parents. Ont-ils été témoins d’événements majeurs, comme le premier pas sur la Lune ou le désastre de la navette Columbia ? Posez-leur la question et voyez l’effet que ça a pu avoir sur eux.

Activité 2 : Mise à l’épreuve des conceptions spontanées, représentation à l’échelle

École spatiale ONF : le parcours de Hadfield – Chapitre 9 – Le marcheur de l'espace, Rohan Fernando, offert par l'Office national du film du Canada

Avant de regarder la vidéo, et sans effectuer de recherches préalables, faites l’exercice suivant :

Imprimez cette image ou recréez-la en dessinant sur une feuille.
Découpez, en suivant les pointillés, les images de la Terre, de la Lune et de la SSI.
Disposez-les selon l’idée que vous vous faites de l’ordre de ces éléments et de la distance, à l’échelle, qui les sépare dans l’espace.

Après avoir regardé la vidéo, avez-vous l’impression que votre représentation des distances liées à l’exploration spatiale et de la taille des astres était bonne ?

Lorsque des astronautes tels que Chris Hadfield rejoignent la Station spatiale internationale, demeurent-ils très près de la Terre ? Ou, au contraire, s’envolent-ils encore plus loin que la Lune ?

Pour le savoir, et apporter des correctifs à votre représentation, effectuez l’exercice suivant :

Recherchez la taille réelle de la Terre et de la Lune pour établir l’échelle des images imprimées.
Recherchez la distance réelle de la Lune et de la SSI par rapport à la Terre.
Calculez à quoi correspond cette distance à l’échelle des images imprimées et réorganisez les éléments en conséquence.

Comment cet exercice a-t-il modifié votre perception de la distance de la Lune et de la SSI par rapport à la Terre ?

Rétroaction

Si vous avez imprimé l’image sur une feuille au format lettre (8,5 po × 11 po), la distance entre la Terre et la Lune devrait être de deux mètres. Par exemple, si vous collez la Terre sur un mur ou une porte à la base du plancher, la Lune se situera en haut de la porte. La SSI se trouve mille fois plus près que la Lune. À cette échelle, ceci correspond à une distance de seulement deux millimètres de la surface de la Terre !

À son point le plus proche, la planète Mars se trouve à une distance de 60 millions de kilomètres de la Terre. Vous pouvez calculer ce que ça représente sur votre modèle. Mars serait un cercle deux fois plus petit que la Terre, ou deux fois plus gros que la Lune, situé 150 fois plus loin que cette dernière.

Dans le cadre d’une mission vers Mars, il sera plus important que jamais de bien préparer les astronautes aux dangers potentiels. Avec une durée de voyage de six mois au minimum, aucune mission de sauvetage ne pourra les aider.

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Chris Hadfield a cette faculté de cerner les apprentissages réalisés dans le cadre de son métier d’astronaute afin de les communiquer et de permettre à tous d’en tirer profit ici même, les deux pieds sur Terre.

Avez-vous déjà vécu une situation similaire, où le réflexe naturel aurait été d’avoir une montée d’adrénaline et de céder à l’hyperactivité ou à la panique, mais où une anticipation du problème vous a permis d’y faire face plus efficacement ?

Activité 3 : Analyse d’une situation par l’utilisation des concepts, des lois et des théories de la science et de la technologie

École spatiale ONF : le parcours de Hadfield – Chapitre 12 – Le lancement, Rohan Fernando, offert par l'Office national du film du Canada

Contrairement à la croyance populaire, l’attraction gravitationnelle terrestre n’est pas inexistante pour les astronautes en orbite : à l’altitude de la SSI, soit 400 km, elle vaut environ 90 % de sa valeur au sol. Si les astronautes se sentent flotter, c’est qu’ils sont en apesanteur : ils ne peuvent pas ressentir les effets de l’accélération gravitationnelle, même si elle est bien présente et qu’elle affecte leurs mouvements.

Sans l’attraction gravitationnelle terrestre, la SSI, qui voyage à 28 000 km/h vers l’est, dériverait au loin dans l’espace. En contrepartie, sans vitesse, la SSI et les astronautes s’écraseraient au sol sous l’effet de la gravité. Le mouvement orbital de la station et de ses occupants résulte de l’équilibre précis entre ces deux valeurs.

L’analyse du transfert d’énergie offre une autre façon de voir cet équilibre. Tentez de décrire ce transfert ayant lieu entre l’allumage des moteurs et le moment où les astronautes se trouvent en orbite.

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[En extra pour le deuxième cycle du secondaire, à vos risques et périls !]

Vous pouvez faire référence à la loi de conservation de l’énergie, l’énergie potentielle (E_potentielle = mgh), l’énergie cinétique (E_cinétique = ½ mv²) et l’énergie chimique.

Rétroaction

Une analyse plus détaillée de ces formes d’énergie devrait aussi vous permettre de comprendre pourquoi Chris Hadfield insiste sur l’importance de la perte de poids de la fusée pour gagner de la vitesse au décollage.

Si toute l’énergie des moteurs (qui est de l’énergie chimique) était transférée en gain d’altitude, donc en énergie potentielle, nous aurions la situation suivante :

E_moteur -> E_potentielle

Et la hauteur atteinte par la fusée serait :

Cette équation nous montre que si l’énergie des moteurs est divisée par une masse plus petite à soulever, le gain de hauteur sera plus grand.

Et si toute l’énergie des moteurs était plutôt transférée en gain de vitesse, donc en énergie cinétique, nous aurions la situation suivante :

E_moteur -> E_cinétique

Et la vitesse atteinte par la fusée serait :

Cette équation nous montre aussi que si l’énergie des moteurs est divisée par une masse plus petite à mouvoir, le gain de vitesse sera plus grand.

Donc, pour l’énergie tant potentielle que cinétique, diminuer la masse aide à aller plus haut et plus vite.

La masse est un facteur si important dans l’exploration spatiale qu’on calcule généralement le coût d’un lancement par sa masse. Entre 1970 et 2000, le coût moyen pour envoyer un kilogramme dans l’espace était de 25 000 $. C’est même un argument en défaveur de l’exploration spatiale par des humains : puisque les robots n’ont pas besoin de nourriture et d’eau, ils voyagent beaucoup plus léger que les humains et coûtent donc moins cher !

C’est aussi une raison pragmatique qui explique que les agences spatiales voient d’un œil favorable une place accrue pour les femmes astronautes : leur masse est généralement moindre que celle des hommes et elles ont besoin de moins de vivres.

Activité 4 : Construction d’opinion

École spatiale ONF : le parcours de Hadfield – Chapitre 16 – Le conteur, Rohan Fernando, offert par l'Office national du film du Canada

En écoutant ce témoignage profondément humain de Chris Hadfield sur son héritage professionnel et le rôle qu’il peut encore jouer, et en regardant les autres capsules vidéo de cette série, pensez-vous qu’il est important que l’exploration spatiale ne soit pas seulement faite par des sondes robotisées, mais aussi par des humains ?

Écrivez un court texte exposant votre opinion sur le sujet.

Rétroaction

« Il faut littéralement se pincer et se poser la question en silence : sais-tu où tu te trouves en ce point précis du temps et de l’espace, de la réalité et de l’existence, alors que tu peux regarder par la fenêtre et voir l’étoile la plus magnifique des cieux ? La plus magnifique, parce que c’est celle que nous comprenons et que nous connaissons, c’est chez nous, ce sont les gens, la famille, l’amour, la vie — et de surcroît, elle est magnifique. On voit d’un pôle à l’autre, par-delà les océans et les continents. On la voit tourner sans qu’aucun fil la retienne et elle se déplace dans une obscurité qui dépasse presque l’entendement (traduction libre). »

— Eugene Cernan, mission Apollo 17

Cette image de la Terre prise par la mission Apollo 17 est une des photos les plus répandues dans le monde. On associe souvent sa publication à l’émergence du mouvement environnemental planétaire, puisque pour la première fois, nous voyions notre planète dans son entièreté, sans frontières, mais limitée.

Plusieurs astronautes ont d’ailleurs révélé avoir connu un changement cognitif, avoir pris conscience de la fragilité de la Terre en la voyant comme une petite oasis vulnérable. Leur témoignage de vive voix, à l’image de celui de Chris Hadfield, nous touche peut-être plus que les transmissions d’une sonde.