Centrale Physique et Chimie 2 PSI 2019

Thème de l'épreuve Seul sur Mars
Principaux outils utilisés thermodynamique, mécanique du point, mécanique des fluides, cristallographie, cinétique chimique, diffusion de particules
Mots clefs changement d'état, lois de Kepler, force de traînée, The Martian, Ridley Scott, Mark Watney, période synodique, Mars, bactéries, E. coli, Michaelis, enzymes

Corrigé

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 Centrale Physique et Chimie 2 PSI 2019 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Raphaël Galicher (enseignant-chercheur à l'université) et Alexandre Herault (professeur en CPGE) ; il a été relu par Robin Guichardaz (professeur agrégé) et Stéphane Ravier (professeur en CPGE). Le sujet étudie le réalisme de certaines scènes du film de science-fiction The Martian (Seul sur Mars) de Ridley Scott avec Matt Damon, sorti en 2015. · La première partie, la plus courte, s'appuie sur un extrait d'un article publié dans le journal du CNRS. Il est question de déterminer quelques caractéristiques de la trajectoire de Mars autour du Soleil. · Voulant s'assurer du réalisme, ou non, de la scène de tempête sur Mars pendant laquelle le véhicule d'exploration est renversé, la deuxième partie commence par une étude rapide de l'atmosphère martienne en s'intéressant particulièrement à l'état thermodynamiquement stable de l'eau. Vient ensuite l'étude proprement dite des conditions de cette « tempête », ainsi que des conditions mécaniques requises pour provoquer le basculement du Véhicule Ascensionnel Martien (VAM). Il est parfois nécessaire de prendre quelques initiatives, notamment pour interpréter correctement et complètement les informations présentes en annexe. · La troisième partie, sans doute la plus simple, aborde succinctement l'efficacité d'une pompe à chaleur ditherme alimentée par des panneaux photovoltaïques. · La quatrième partie s'intéresse au voyage spatial proprement dit. On s'appuie sur des orbites de transfert elliptiques, dites orbites de Hohmann. Les calculs envisagés, purement algébriques donc simples en apparence, nécessitent soin et rigueur pour utiliser à bon escient les différentes notations introduites et définir correctement les grandeurs à calculer. La partie se termine par deux résolutions de problème centrées sur la notion de poussée afin d'expliquer la scène de récupération de l'astronaute Mark Watney, lorsque ce dernier tente de rejoindre le véhicule spatial Hermès. · La cinquième partie aborde la fabrication d'eau sur Mars. Les questions sont très classiques et c'est la thermodynamique chimique qui constitue l'essentiel de cette courte partie, notamment grandeurs standard de réaction, constante d'équilibre, déplacement d'équilibre et calcul de température de flamme. · La dernière partie traite de la culture des pommes de terre sur Mars que Mark Watney fait pousser en utilisant des bactéries. On utilise dans cette partie la bactérie classique E. coli comme organisme modèle et on modélise le stress oxydant du sol de Mars par du peroxyde d'hydrogène H2 O2 . Cette partie est l'occasion de traiter de diffusion de particules à travers la paroi des bactéries puis de cinétique pour étudier les variations des concentrations du peroxyde d'hydrogène à l'intérieur et à l'extérieur des bactéries. Le sujet est très long et il aborde des thématiques variées sous l'angle original de la validation scientifique d'une oeuvre cinématographique. De nombreuses données numériques sont fournies en annexe et certaines réponses aux questions s'y trouvent. Il est important dans ce type d'épreuve de se « laisser porter » par le sujet, tout en étant toujours dans la position de l'observateur critique qui peut souvent, par simple bon sens, progresser dans la compréhension des phénomènes. Indications Partie I 1 Utiliser le temps de parcours des signaux radio quand la Terre et Mars sont au plus proche, puis au plus loin, l'une de l'autre. 2 Utiliser la troisième loi de Kepler. Partie II 4 La pression dans le scaphandre n'est pas la pression à la surface de la Terre et le corps humain a besoin d'un volume d'oxygène donné à chaque inspiration. 7 Utiliser les valeurs affichées sur la figure 1 pour la température et la pression de l'atmosphère martienne. 8 Une des raisons est liée au taux d'oxygène et l'autre à la vaporisation de l'eau. 10 Utiliser le dernier graphe de l'annexe qui donne le coefficient de traînée en fonction du nombre de Reynolds et même l'expression de la force de traînée. 11 Calculer les moments des forces par rapport au point fixe O. Partie III 15 Estimer la surface des panneaux solaires visibles sur la figure 3. Partie IV 17 Exprimer le temps de transfert en fonction de la période orbitale du vaisseau. Repérer Mars et la Terre par leurs positions angulaires car leur distance au Soleil est constante. 18 L'angle formé par TSM (Terre, Soleil, Mars) au début du nouveau lancement doit être le même que celui défini par T0 SM0 . 19 Chercher les positions de la Terre et de Mars au début du nouveau transfert. 22 Exprimer la force de poussée en fonction de la masse d'air éjecté. En déduire le volume d'air à éjecter pour réduire la vitesse de 30 m.s-1 . Estimer le volume du vaisseau Hermès. 23 Utiliser la vitesse d'éjection de 500 m.s-1 donnée à la question 22. Pour calculer la densité de l'air dans le scaphandre, utiliser les résultats des questions 2 et 5. Trouver en combien de temps le scaphandre se vide de son air. Estimer alors le temps nécessaire pour que Mark Watney rejoigne le vaisseau en estimant la distance à parcourir. Utiliser les résultats de la question 8. Remarquer que la main de Mark Watney n'est pas confondue avec son centre de gravité. Partie V 25 Penser à la stoechiométrie complète pour la formation d'eau à partir d'hydrazine. 27 Utiliser dans un premier temps la densité pour déterminer le paramètre de maille. La masse molaire de l'iridium a été oubliée dans l'énoncé : 192, 2 g.mol-1 . 28 Calculer les grandeurs standard de réaction pour déterminer r G , puis K . 29 Utiliser la relation de Van't Hoff. 30 Faire l'hypothèse d'une transformation adiabatique pour le calcul de la température de flamme et se placer en conditions stoechiométriques. Partie VI 32 Faire apparaître j, la densité de courant particulaire. Le problème est de symétrie sphérique (une seule dimension r) ; établir une équation différentielle en r pour la concentration. L'intégrer entre R - e et R. 34 Déterminer le rayon R en utilisant le volume de la bactérie. 35 Exprimer le flux de H2 O2 sortant de la bactérie en faisant apparaître le volume de la bactérie et la concentration [H2 O2 ]i . 40 La dérivée de [H2 O2 ]i par rapport au temps fait intervenir les quatre phénomènes décrits figure 8. Pour la variation de [H2 O2 ]e , relier la variation de la quantité de matière à la diffusion à travers toutes les cellules. Utiliser les volumes Ve et Vi . 41 À l'équilibre les concentrations intérieure et extérieure sont égales et stationnaires. 43 En situation de stress oxydant, [H2 O2 ] KM , ce qui implique des vitesses michaeliennes maximales. 45 Si la durée de décomposition est trop longue, les bactéries ont peu de chance de survivre dans ce milieu très agressif. Seul sur Mars I. La planète Mars 1 On suppose que la trajectoire de la Terre T est circulaire. Celle de Mars est une ellipse de c t1 c t2 foyer le Soleil S. La distance minimale entre aT Mars et la Terre est celle entre le périhélie Mp S de Mars et la position T de la Terre sur le schéma. La distance maximale est celle entre Mp T Ma l'aphélie Ma de Mars et la position T. D'après l'article du CNRS, les signaux radio dmin dmax qui se propagent à la vitesse de la lumière c mettent t1 = 5 min pour aller de T à Mp et t2 = 22 min pour aller de T à Ma . Les distances minimale et maximale entre la Terre et Mars sont c t1 et c t2 . On en déduit les distances minimale (dmin ) et maximale (dmax ) entre Mars et le Soleil en fonction de la distance Terre-Soleil aT dmin = c t1 + aT = 240 × 106 km dmax = c t2 - aT = 246 × 106 km D'après le schéma, on trouve que le demi-grand axe aM est aM = dmin + dmax = 243 × 106 km 1,62 u.a. 2 2 La Terre et Mars orbitent autour du Soleil de masse M . Leurs période P et demi-grand axe a obéissent donc à la troisième loi de Kepler a3 G M = P2 4 2 -11 3 -1 -2 où G = 6,67 × 10 m .kg .s . On en déduit avec P T = 365 jours PM aM = aT = 229 × 106 km 1,52 u.a. PT Cette valeur diffère de (1,62 - 1,52)/1,52 7% de la valeur estimée à partir des données de l'article. Or, cette estimation se base sur les temps de parcours donnés à la minute près, soit avec une précision de 30 s. Cela implique une précision relative sur aM d'au moins 0,5/5 = 10%. Les valeurs estimées de aM sont donc en accord. La troisième loi de Kepler permet également de calculer la masse du Soleil M = 4 2 aT 3 2,0 × 1030 kg G PT 2 3 Considérons la répartition de masse de Mars homogène. Le champ de pesanteur g M à la surface de Mars de masse MM et de rayon RM = 3 390 km est donné par G MM gM = . RM 2 En introduisant la masse volumique M = 3 900 kg.m-3 , il vient gM = 4 G M RM 3,7 m.s-2 3 Ce champ est environ trois fois plus petit que sur Terre où il vaut g T 9,81 m.s-2 .