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Un cosmonaute produit des déchets solides (fèces, etc.), liquides (eau, urine, etc.) et gazeux (CO2, etc.) qu’il faut être capable de recycler en eau potable ou de lavage, en nourriture équilibrée (3 000 kcal/jour, soit 12 540 kjoules/jour, dont 64 % de sucres, 15 % de lipides, 21 % de protéines) et en dioxygène. Pour ce faire, on envisage de concevoir ce que l’on appelle des écosystèmes clos artificiels, destinés à recycler la matière de façon autonome, sans échange avec l’extérieur autre que d’énergie.
Dans un premier temps, on s’intéresse aux éléments principaux que sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le soufre et le phosphore (C, H, O, N, S, P) qui représentent à eux seuls 95 % de la masse à recycler. En réalité, on se préoccupe également des oligo-éléments qui peuvent avoir des effets toxiques ou produire des carences à très faible dose.
Besoins journaliers en eau, nourriture et oxygène pour une personne
et déchets produits à recycler
Principes de fonctionnement d'un écosystème artificiel
Tous les écosystèmes artificiels proposés procèdent de la même façon, en deux étapes que l’on observe déjà dans un écosystème naturel :
- une phase « d’oxydation » des déchets, où l’on cherche à oxyder les éléments si possible sous une forme assimilable par la photosynthèse. Ainsi, on préfère produire du dioxyde de carbone plutôt que du méthane, du nitrate ou de l’ammonium plutôt que du diazote. Les étapes de transformation peuvent être réalisées par voie purement physico-chimique (avec une très grande efficacité mais des conditions de température et de pression très sévères) ou par voie biologique (avec une faible efficacité mais des températures et pressions ambiantes) ;
- une phase de « réduction » destinée à reproduire de l’oxygène et de la nourriture par photosynthèse à partir des minéraux précédents, de l’eau et du dioxyde de carbone. Cette phase est obligatoirement biologique pour reproduire de la nourriture bien qu’on sache recycler l’oxygène à partir du dioxyde de carbone mais, dans ce cas, le carbone n’est pas recyclé !
Le principal problème est alors de produire une ration alimentaire équilibrée tout en régénérant rapidement et sous contrôle l’atmosphère (dioxygène). Le premier objectif peut être atteint en utilisant un consortium de plantes supérieures (blé, riz, salade, etc.), alors que le deuxième objectif nécessite d’avoir recours à des micro-organismes photosynthétiques cultivés en masse dans un photobioréacteur.
En fonction du choix du micro-organisme, celui-ci pourra aussi éventuellement entrer dans la composition de la ration alimentaire, essentiellement comme source de protéines.
Particularités de l’écosystème artificiel
Contrairement à ce qui se passe dans un écosystème naturel dont la stabilité est assurée par un grand nombre de populations interagissant par des rétroactions et s’autorégulant, l’approche envisagée dans les écosystèmes clos artificiels consiste à réduire au minimum le nombre d’étapes nécessaires au cycle de la matière et à dimensionner et contrôler ces compartiments pour leur imposer un fonctionnement compatible avec les objectifs recherchés.
Cette approche est tout à fait similaire à celle que l’on rencontre dans les procédés industriels de transformation de la matière dans lesquels œuvrent des ingénieurs en génie des procédés. Hormis l’objectif du recyclage, une usine de fabrication de produits chimiques ne fonctionne pas différemment.
En réalité, il est illusoire d’espérer recycler totalement la matière avec si peu d’opérations unitaires, mais comme cela a été dit plus haut, on cherche à obtenir un maximum d’efficacité pour les principaux éléments en masse (on parle de pourcentage de fermeture des éléments si l’on ne recycle pas à 100 %).
D’ailleurs, la Terre elle-même n’est pas un véritable système clos ; chaque année, des milliers de tonnes de matières météoritiques nous viennent de l’espace ! En première approximation cependant, on peut considérer que les principaux flux de matière sont équilibrés, mais il s’agit d’un équilibre dynamique, avec des stockages et des déstockages à grandes échelles d’espace et de temps. Par opposition, la taille d’un écosystème artificiel réduit considérablement de tels phénomènes et le système doit pouvoir répondre avec une dynamique très rapide à des modifications de comportements humains (par exemple, variation d’activité).
Ceci sera possible si l’on dispose à la fois d’une politique de contrôle très élaborée, tant au niveau de chaque opération qu’au niveau global, et d’un système correctement conçu pour répondre à toutes les exigences qui pourraient survenir, ce qui suppose un choix de variables d’action suffisant ; c’est ce qu’on appelle l’étude des degrés de liberté du système.
Ainsi, en plus de l’objectif initial du maintien de la vie dans l’espace, nous avons beaucoup à apprendre sur la stabilité et la « contrôlabilité » des écosystèmes clos artificiels !
Pour en savoir plus
- Pour ce qui concerne le maintien en vie du cosmonaute, le site MARS Academy présente les diverses possibilités de systèmes, physico-chimique ou biologique. www.marsacademy.com/
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