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Volontairement bref, ce texte a pour objectif de définir le projet spatial, de lister ses conditions d’exécution et de présenter les premières applications pratiques. En revanche, le lecteur curieux trouvera en approfondissement l’étude plus précise de différents aspects pratiques du projet mettant en œuvre des connaissances théoriques pluridisciplinaires.
Vivre loin de la Terre
La colonisation de l’espace – au sens extra-terrestre du terme – relève désormais du rêve réalisable. Devenue possible à échéance raisonnable, elle impose à l’Homme, entre autres contraintes, d’assurer sa survie au sein de systèmes fermés (au sens thermodynamique du terme, c’est-à-dire sans échange de matière avec l’extérieur), que ce soit pour des voyages de longue durée ou, surtout, pour des stations permanentes, comme la future base martienne envisagée dans un avenir relativement proche.
Pour des raisons de volume et de masse, et donc de coûts, il n’est pas question d’exporter de la Terre la totalité de l’oxygène, de l’eau et des aliments nécessaires à un très long séjour de plusieurs cosmonautes dans une station permanente spatiale ou sur la Lune, ou encore sur Mars.
Il s’agit donc de reconstituer artificiellement dans un espace réduit, en conditions contrôlées et avec des constantes de temps très rapides, le cycle de la matière tel qu’il existe sur la Terre et dans son atmosphère.
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 » ou « minéralisation » des déchets assimilables par la photosynthèse ;
- une phase de « réduction » destinée à reproduire du dioxygène et de la nourriture par photosynthèse à partir des minéraux précédents, de l’eau et du dioxyde de carbone.
Le principal problème est alors de produire une ration alimentaire équilibrée tout en régénérant rapidement et sous contrôle l’atmosphère (dioxygène).
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.
Un écosystème artificiel : le projet MELiSSA
Le projet MELiSSA (acronyme pour Micro-Ecological Life Support System Alternative, ou en français, option micro-écologique pour un système de support-vie) présente la particularité d’être basé uniquement sur des étapes biologiques faisant principalement appel à des micro-organismes. Ce programme de recherche, qui a débuté en 1989, implique maintenant une dizaine d’équipes dans toute l’Europe ainsi qu’au Canada.
Dans ce projet, le cycle de la matière a été réduit au minimum puisque cet écosystème artificiel ne comporte que cinq étapes majeures et donc cinq compartiments :
- le compartiment consommateur (pour le moment, des souris ; plus tard, des cosmonautes !) qui produit les déchets solides, liquides et gazeux ;
et l’ensemble des compartiments de recyclage :
- le compartiment liquéfacteur, qui transforme les déchets solides et liquides en dioxyde de carbone, acides gras volatils et ammoniaque ;
- le compartiment photohétérotrophe, qui transforme les acides gras volatils et une partie de l’ammoniaque en biomasse consommable ;
- le compartiment nitrificateur, qui permet au besoin de transformer une partie de l’ammoniaque en nitrate pour obtenir une proportion idéalement assimilable de la source d’azote par la photosynthèse ;
- le compartiment photoautotrophe, qui reproduit la nourriture et l’oxygène à partir de dioxyde de carbone, d’eau et de minéraux. On utilise des plantes supérieures pour équilibrer la ration alimentaire et un micro-organisme photosynthétique (Spirulina) pour la régénération rapide de l’atmosphère avec un meilleur rendement. Cette étape photosynthétique, de même que l’étape photohétérotrophe, nécessite d’avoir recours à l’énergie lumineuse, solaire ou artificielle.
Culture de Spirulina en photobioréacteur
Spirulina platensis peut produire de l’oxygène avec un bon rendement énergétique et présente également des qualités nutritionnelles qui en font un excellent candidat pour la régénération de l’atmosphère d’un écosystème clos artificiel. Il faut pour cela être capable de produire rapidement une grande quantité d’oxygène, donc de pouvoir cultiver le micro-organisme en masse dans des conditions si possible optimales.
L’activation de la croissance et le contrôle de la culture d’un micro-organisme photosynthétique se font dans un bioréacteur éclairé, grosso modo semblable à celui qui est utilisé en expérimentation assistée par ordinateur.
L’utilisation de ce bioréacteur contrôlé présente avant tout l’avantage de maintenir la stérilité de la culture. On évite ainsi la contamination du réacteur par une autre souche que celle que l’on désire cultiver.
Deux autres paramètres extrêmement variables et donc importants, mais qui sont en général surveillés, sont le pH et la température. En effet, un micro-organisme donné fonctionne de façon optimale (croissance la plus rapide) dans des limites dépendant le plus souvent des conditions de son milieu naturel de pH et de température, limites assez étroites et fréquemment dépassées.
L’agitation est également un paramètre important, car il faut s’assurer qu’il existe un brassage suffisant des cellules et du milieu de culture de façon à éviter l’existence de gradients de concentration ou de zones peu agitées qui ne fonctionneraient pas de façon optimale dans le réacteur. A contrario, une agitation trop importante n’est pas forcément supportée par les micro-organismes surtout s’ils sont pluricellulaires comme beaucoup de cyanobactéries ou de micro-algues.
Enfin, il est important de connaître et de contrôler l’intensité lumineuse incidente sur le réacteur, car elle est à la base de la vitesse de production de la biomasse ou de l’oxygène.
Application des principes : le projet Biorat
En raison de la très grande complexité intervenant dans la conception et la réalisation d’écosystèmes clos artificiels pour le maintien de la vie humaine dans l’espace, il est important de pouvoir étudier au préalable des sous-systèmes plus simples, dont on va retirer de riches enseignements sur les plans scientifiques et techniques. C’est cette idée qui a donné naissance au projet Biorat : un projet d’écosystème limité à deux partenaires et donc deux compartiments en boucle fermée sur les gaz seulement.
Schéma de principe de l’expérience Biorat
En pratique, un compartiment consommateur dans lequel vit un organisme aérobie – en l’occurrence, des souris consommant du dioxygène et produisant du dioxyde de carbone – est connecté à un photobioréacteur cultivant un organisme photosynthétique – en l’occurrence, Spirulina platensis consommant du dioxyde de carbone et produisant du dioxygène –, par l’intermédiaire d’une « boucle gaz ». C’est-à-dire que l’on fait circuler avec une pompe un débit d’air de façon entièrement hermétique vis-à-vis de l’extérieur.
Lors de son passage dans le compartiment consommateur, cet air va s’enrichir en dioxyde de carbone à cause de l’activité métabolique des souris ; mais, lors de son passage dans le photobioréacteur, le dioxyde de carbone est consommé et remplacé par le dioxygène qui servira à régénérer l’atmosphère du compartiment consommateur.
L’objectif de l’expérience Biorat est de montrer que l’on est capable de maintenir et contrôler un tel écosystème artificiel très simple sur une longue période, d’abord sur Terre, puis en conditions de microgravité sur la station spatiale internationale.
Bien sûr, on imagine aisément qu’en fonction de l’activité des souris (suivant qu’elles dorment ou qu’elles font de la roue !), la demande en dioxygène va varier énormément. C’est là une des difficultés majeures du projet, qui doit prouver qu’en adaptant l’intensité lumineuse incidente sur le photoréacteur, on peut maintenir constante la teneur en dioxygène dans l’atmosphère du compartiment consommateur.
Il a fallu maintenir sans ennui et sans dérive le système clos sur les gaz contenant deux souris pendant au moins trois semaines, ce qui avait été jugé significativement démonstratif de la réussite du projet, aussi bien au niveau de la conception que de l’approche par modèles de connaissance.
L’expérience s’est bien déroulée puisque pendant 21 jours la teneur en oxygène est restée stable à la valeur de la consigne, soit 20 % dans le compartiment consommateur. De même, les autres variables régulées sur le compartiment consommateur sont restées parfaitement stables à leurs valeurs de consigne, soit respectivement 1 013 hPa pour la pression et 55 % d’humidité.
Enfin, on a pu vérifier que la teneur en dioxyde de carbone, non contrôlée, se stabilisait bien à une valeur moyenne de 0,15 % malgré des variations plus importantes liées essentiellement à la régulation du pH dans le photoréacteur.
En guise de bilan
Les prochaines phases du projet Biorat consistent, d’une part, à réaliser un prototype de vol sur la station internationale à l’échelle 1, pour prouver la fonctionnalité du concept en microgravité (phase en cours), avec comme challenge l’optimisation et la miniaturisation de tout le matériel (exceptées les souris !) pour réduire le volume total de l’expérience par dix et, d’autre part, à tenter de résoudre par un nouveau concept et de nouvelles régulations le contrôle également de la teneur en dioxyde de carbone, de façon à pouvoir réellement disposer d’un système clos sur les gaz !
La base biologique de ce projet requiert des connaissances précises en ce domaine mais il ne peut être développé qu’en prenant en compte des contraintes qui exigent des solutions techniques : taille des compartiments, rendement des flux, contrôles précis capables d’anticipation. Ces contraintes se rapprochent de celles que rencontrent les industriels qui utilisent Spirulina, d’autres cyanobactéries ou des micro-algues pour produire des métabolites à haute valeur ajoutée comme les pigments, les antioxydants, les polysaccharides, des acides gras essentiels ; pour réaliser des opérations de dépollution (métaux lourds, fixation de dioxyde de carbone), voire pour produire de l’hydrogène.
Pour en savoir plus
L’Agence spatiale européenne propose une description précise en anglais de toutes ces étapes ainsi qu’un schéma reprenant ces items, en particulier dans la rubrique « Introduction ».
http://extids.estec.esa.nl/
Le laboratoire de Génie chimique et biochimique de l’université de Clermont-Ferrand travaille sur le projet MELiSSA. Il en décrit les différents champs de recherche sur son site.
www.univ-bpclermont.fr/
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