La traversée de l`Océan Arctique en ballon, par Jean

La traversée de l’Océan Arctique en ballon, par Jean-Louis Etienne
Un exemple d’utilisation des gaz
L’activité proposée ci-après se situe dans le contexte du programme de Physique-Chimie 2010 de la
classe de Seconde.
Objectifs :
- conforter les notions de quantité de matière, de densité, de masse volumique
- décrire la transformation chimique d’un système ; notion de réaction chimique.
Démarche :
L’activité présentée ici comprend un document de deux pages (cf. pages 3 et 4), destiné aux élèves
et comportant un questionnaire. Le travail proposé peut s’appuyer sur une consultation préalable du
site de la mission Generali Arctic Observer. Il peut également être prolongé par des bilans quantitatifs
plus approfondis des transformations chimiques mises en œuvre ici.
Quelques informations pratiques :
Le ballon Generali Arctic Observer :
Le fonctionnement d’une « rozière » (du nom de son inventeur, Pilâtre de Rozier) repose sur le
principe suivant : Cet aérostat comprend une enveloppe gonflée à l’hélium que l’on peut dilater à
l’aide d’un cône d’air chaud, obtenu par la mise en œuvre d’un brûleur. La rozière présente l’avantage
d’être très économe en énergie, comparativement à un ballon à air chaud classique puisqu’il suffit de
maintenir une dilatation optimale de la poche d’hélium au cours du vol.
Pour en savoir plus, se reporter à l’activité pédagogique intitulée « Aérostats et poussée
d’Archimède, à l’adresse suivante :
http://www.jeanlouisetienne.com/generali_arctic_observer/activites.cfm?rubrique=lycee
L’obtention d’air chaud :
Pour la mission Generali Arctic Observer, l’air chaud a été obtenu par combustion d’un mélange de
gaz : propane + éthane, pour des raisons liées aux basses températures susceptibles d’être observées au
cours du vol, en altitude. Le propane se liquéfie à -42°C et des températures de cet ordre n’étaient pas
à exclure à haute altitude, en atmosphère arctique au mois d’Avril. Roland Wicki, spécialiste des gaz,
a proposé un mélange propane – éthane (avec environ 9 % d’éthane), qui permettait d’abaisser
sensiblement la température de liquéfaction (*).
Le mélange des gaz a été réalisé sur place, au Spitzberg, avant le départ, à partir des bouteilles de
propane liquide (sous pression) et d’éthane liquide (sous pression).
Chaque bouteille de propane était arrimée à un peson, puis il était procédé à l’élimination par
combustion d’une certaine quantité de propane. L’éthane liquide était ensuite transvasé dans les
bouteilles ainsi allégées jusqu’à obtention du mélange souhaité, le suivi de l’opération s’effectuant par
pesée. Voir photos, page 2 ainsi que la vidéo sur le site jeanlouisetienne.fr, à l’adresse suivante :
http://www.jeanlouisetienne.com/generali_arctic_observer/video.cfm?id=25
.
(*) extrait d’un courrier de Roland Wicki à ce propos :
« La première fois qu’il m’a été demandé de réaliser un mélange Propane/Ethane, c’était en octobre
98 pour le Breitling Orbiter 3. Cameron Balloon avait déterminé le mélange à 15% (masse) d’éthane
dans le propane… le but évident était d’abaisser le point d’ébullition du mélange pour garantir une
pression constante dans les bouteilles même à 10000 m d’altitude (-50°C)… ».
Septième Continent ; 30 avril 2010
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Bouteille de propane liquide. 12 bouteilles de ce
type étaient réparties sur les 6 faces de la nacelle.
(photo Septième Continent, Jean Cassanet)
Acheminement des bouteilles de propane vers le
site de départ.
(photo Septième Continent, Jean Cassanet)
Pesée d’une bouteille de propane ;
de gauche à droite, Pierrick Duvoisin,
Jean-Louis Etienne, Roland Wicki.
(photo Septième Continent, Francis Latreille).
Combustion de propane avant mélange.
Remarquer la bouteille d’éthane (rouge, tête en
bas), au second plan.
(photo Septième Continent, Francis Latreille).
Deux manifolds de ce type permettent de
distribuer le mélange gazeux en provenance des
12 bouteilles vers les brûleurs.
(photo Septième Continent, Jean Cassanet).
Les brûleurs vus depuis la nacelle. Remarquer la
came entraînée par un moteur électrique et
permettant la commande à distance de la vanne
d’un brûleur. Noter le givrage de l’autre brûleur.
(photo Jean Louis Etienne).
Septième Continent ; 30 avril 2010
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La traversée de l’Océan Arctique en ballon, par Jean-Louis Etienne
Un exemple d’utilisation des gaz
En avril 2010, le docteur Jean-Louis Etienne a réussi la première traversée de l’Océan Arctique en
solitaire et en ballon. Parti du Spitzberg, une île située au nord de la Norvège, il s’est d’abord laissé
entraîner par les vents vers le pôle Nord, puis après plus de 5 jours de vol à différentes altitudes pour
bénéficier de vents favorables, il a posé son ballon, Generali Arctic Observer, sur le sol de la Sibérie
orientale.
Au départ, le ballon survole les montagnes du
Spitzberg avant de se diriger vers le pôle Nord.
(photo : Septième Continent, Francis Latreille)
Jean-Louis Etienne perché sur sa nacelle, après
son atterrissage en Sibérie (Russie).
(photo : Septième Continent, Francis Latreille)
Cette aventure s’est déroulée à bord d’une
« rozière », un aérostat comportant :
- une partie supérieure gonflée avec environ
2000 m3 d’hélium, un gaz plus léger que l’air (*)
- une partie inférieure comportant de l’air qui peu
être chauffé par la combustion d’un mélange de
propane et d’éthane, ce mélange étant stocké à
l’état liquide dans 12 bouteilles réparties autour
de la nacelle.
(*) Dans les CNTP, l’hélium est un gaz incolore, inodore, ininflammable et chimiquement inerte. Sa
masse volumique est égale à 0,176 kg.m-3 et sa densité vaut 0,139 (le septième de l’air).
Pour en savoir plus sur cette expédition :
http://www.jeanlouisetienne.com/generali_arctic_observer/index.cfm
Septième Continent ; 30 avril 2010
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I Gonflage du ballon
I.1 - Une mole d’hélium à l’état gazeux occupe un volume molaire égal à 22,4 L à 0°C, sous pression
atmosphérique normale. Calculer (en mole) la quantité d’hélium nécessaire pour gonfler l’enveloppe
du ballon (On prendra V = 2000 m3)
I.2 - Sachant qu’une mole d’hélium a pour masse m = 4 g, en déduire la masse totale d’hélium M
nécessaire pour cette opération.
I.3 – Justifier la valeur de densité de l’hélium indiquée page précédente.
II Chauffage de l’air par combustion d’un mélange propane – éthane
Le tableau ci-dessous, aimablement communiqué par Pierrick Duvoisin, responsable du gonflage du
ballon et par Roland Wicki, responsable des mélanges de gaz, précise la logistique prévue pour
l’alimentation des brûleurs du ballon Generali Arctic Observer.
II.1 - Certaines valeurs du tableau sont volontairement occultées.
Retrouver ces valeurs pour la bouteille n° 6 : masse d’éthane, masse totale, pourcentage d’éthane (en
masse) ; vérifier ce dernier résultat avec le graphique situé sous le tableau.
II.2 - Ecrire l’équation de la réaction chimique correspondant à la combustion
du propane, de formule C3H8, avec le dioxygène, sachant que les produits
formés sont du dioxyde de carbone et de l’eau.
II.3 - Ecrire l’équation de la réaction chimique correspondant à la combustion
de l’éthane, de formule C2H6, avec le dioxygène, sachant que les produits
formés sont du dioxyde de carbone et de l’eau.
Ci-contre : essais de brûleur (photo : Septième Continent, Jean Cassanet).
Septième Continent ; 30 avril 2010
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