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Vision d'artiste d'une base durable sur la Lune.

EXPLORATION

Comment vivre en vase clos au fin fond de l’espace

En vue des prochains voyages spatiaux, les scientifiques développent des «écosystèmes clos artificiels». Ceci avec des technologies qui, avant d’être utilisées dans l’espace, pourraient aussi l’être sur une Terre en mal de durabilité

«A bord de la Station spatiale internationale (ISS), réparer le système de purification du CO2 n’est pas une sinécure, car cela prend deux ou trois jours de travail. A l’avenir, il faudra que cet instrument soit plus robuste. Ou plus simple à rafistoler…» Présente à Lausanne jeudi, l’astronaute italienne Samantha Cristoforetti est venue narrer les péripéties de son séjour dans l’espace, à bord de ce que les spécialistes appellent un «habitat clos» ou «écosystème clos artificiel» – le sujet d’un double colloque organisé par l’Agence spatiale européenne (ESA). Et le recyclage du gaz carbonique n’était qu’un des aspects.

Car pour un voyage spatial, long de plusieurs mois, voire une implantation sur un autre astre, il s’agira autant de tout recycler (air, eaux, déchets) que de produire de la nourriture in situ; impossible en effet d’emporter à bord tous les éléments nécessaires à la survie, dont la masse serait considérable et coûterait des montants exorbitants à lancer. Quelque 140 experts du spatial, mais aussi d’autres domaines, se sont réunis durant trois jours à l’Université de Lausanne (UNIL), avec parmi eux, deux des fondateurs de Biosphere2, l’immense écosystème clos construit en 1991 aux Etats-Unis et dont l’expérience finale s’est soldée par un échec. Tous sont venus pour évoquer ce futur de la conquête de l’espace. Mais aussi pour évaluer dans quelles mesures ces technologies durables peuvent déjà être appliquées sur la Terre.

L’ESA se penche sur ces questions depuis 27 ans, à travers le projet Melissa, basé à l’Université autonome de Barcelone (UAB). «Il s’agit d’une installation de démonstration consistant en cinq compartiments», explique Christophe Lasseur, l’un de ses responsables. En résumé, l’un des modules contient des rats. Un autre sert à transformer en oxygène le CO2 qu’ils expirent, ceci à l’aide d’algues. Lesquelles sont «nourries» avec des nutriments issus du recyclage, dans d’autres compartiments, des déjections des rongeurs ou des végétaux qu’ils consomment, eux aussi produits au sein de cette «boucle fermée».

Mais l’on n’en est pas encore là: en 2015, seul le module des rats a été connecté avec celui des micro-algues. «Cette première étape fonctionne très bien, assure Christophe Lasseur. Ce que nous avons démontré, c’est que les modèles de fonctionnement de ces systèmes que nous décrivons et contrôlons à l’aide de formules et d’équations, sont génériques, autrement dit qu’ils pourront être transposés dans d’autres expériences similaires.»


Lire aussi: Melissa, voyage simulé vers Mars en mode «recyclage»

Visionner: Infographie interactive avec vidéos sur Melissa, cliquez ici (état à mars 2015).


Le pendant en orbite de cette expérience est d’ailleurs planifié. Au sein du projet ArtEMISS, l’entreprise belge QinetiQ a développé un petit photo-bioréacteur pour étudier comment les microalgues croissent dans l’espace. Et avec cette société, la succursale de RUAG Space à Nyon planche déjà sur la suite, à savoir un environnement clos plus imposant, nommé BIORAT1 qui sera installé sur l’ISS. A l’intérieur, trois souris – et non plus des rats, tout devant doit être miniaturisé dans l’espace – respireront l’oxygène généré sous forme de bulles par ces algues, en quantité 100 fois plus grande que dans ArtEMIS.

«Mais si sur Terre, les bulles d’oxygène remontent à la surface du liquide de culture des algues et peuvent être séparées facilement, ce n’est pas le cas en apesanteur, détaille le responsable Samuel Gass. Nous recourons donc à des membranes particulières pour gérer les échanges de gaz (CO2 et oxygène) avec l’espace habité par les souris.» Si tout va bien, ce bioréacteur à plusieurs millions de francs, et qui serait à terme plus efficace que les systèmes complexes de traitement de l’air en boucle ouverte équipant l’ISS, devrait y être installé pour trois mois dès 2020.

Dans le projet Melissa, la prochaine étape est d’adjoindre à la première boucle un troisième compartiment: «Celui-ci va extraire de l’urine des nitrates, soit de l’engrais pour les algues, par un processus bactérien appelé nitrification», explique Christophe Lasseur. Le recyclage des liquides est en effet l’un des premiers défis: «Pour un voyage vers Mars de trois ans avec six membres d’équipage, et à raison de 12 litres consommés par personne et par jour, il faudrait emporter 79 tonnes d’eau! Impossible», a souligné Siegfried Vlaeminck, de l’Université belge d’Anvers.

Mais transformer l’urine en eau potable et en extraire les nutriments n’est pas une simple affaire, est venu rappeler Kai Udert, de l’Institut de recherches Eawag à Dübendorf, qui développe, lui, des toilettes pour les pays pauvres: «Une bonne nitrification dépend du pH du mélange liquide. Or ce pH varie en fonction de l’urée (un des composés de l’urine) qui s’évapore rapidement. Il s’agit donc de bien gérer les apports d’urine 'fraîche'.»

Tout ceci sans même encore évoquer la récupération et le traitement des déchets solides, tels que les fécès ou les restes non comestibles dans les végétaux; à ce titre, pour la première fois, en août 2015, les occupants de l’ISS ont pu consommer des laitues romaines cultivées à bord.

«Pour l’instant, ces mécanismes de recyclage, qui se font à l’aide de bactéries, correspondent à une 'boîte noire', estime Vimac Nolla-Ardèvol, de l’Université de Louvain: on sait ce qui entre et ce qui sort, mais pas ce qui se passe entre deux. Notre objectif est de caractériser dans les détails tous les mécanismes en jeu et le rôle de chaque (type de) bactérie», ceci à l’aide des techniques génomiques et métabolomiques les plus poussées. Mais atteindre ce niveau de connaissances est-il indispensable pour imaginer une boucle complète de recyclage? «L’objectif est de simplifier au mieux tous nos modèles, répond Francesc Godia, professeur à l’UAB et responsable de Melissa. Mais pour le faire correctement, il faut d’abord obtenir un maximum de détails.»

Les dix commandements des scientifiques

Au final, les défis sont multiples pour développer ce que ces spécialistes appellent des «systèmes de support-vie». Siegfried Vlaeminck les a bien résumés en citant les «dix commandements» à suivre pour les mettre au point: les rendre très efficaces, compacts, légers, robustes, compatibles avec l’environnement spatial, consommant peu d’énergie et d’intrants chimiques, dotés de réserves restreintes, imposant peu de risque à l’équipage et lui demandant peu de temps d’entretien.

Lors du symposium, d’autres aspects liés à ces «habitats clos» ont été évoqués, comme leur ergonomie ou les matériaux nécessaires pour les construire: «L’environnement spatial est différent, avec par exemple des différences de températures énormes, a expliqué Christophe Lasseur. Les matériaux doivent ainsi être légers et facilement déployables, auto-réparants (avec par exemple des colles enfermées dans des microcapsules qui se brisent lors d’une déformation), thermiquement peu réactifs, et permettant d’éviter toute condensation à leur surface, donc aussi toute accumulation bactérienne.» Autant de sujets de recherches qui occupent les scientifiques.

Il y a clairement une convergence des recherches entre les deux domaines spatiaux et terrestres

Et autant d’avancées qui sont «intéressantes et cruciales, tant dans les matériaux que dans le recyclage de l’eau, de l’air et des déchets, parce qu’elles pourraient être aussi utiles sur la Terre», avise Oliver Botta, du Swiss Space Office, en expliquant pourquoi la Suisse s’est lancée dans ce domaine, notamment en soutenant le projet Melissa dès 2012. A l’UNIL, le professeur d’écologie industrielle et coorganisateur du colloque Suren Erkman, voit aussi «clairement une convergence des recherches entre ces deux domaines». Et d’indiquer que les avancées dans le recyclage de l’eau sont par exemple déjà exploitées depuis dix ans dans des «habitats clos terrestre» comme la station franco-italienne Concordia située en Antarctique.

Rôle de facilitateur

Longtemps vue comme singulière, cette vision, sur une Terre en mal de durabilité, intéresse de plus en plus les milieux économiques. En 2005 déjà a été créée IPStar, une agence visant à favoriser les transferts de technologies possibles du programme Melissa. Et en 2013, la société ESTEE a été fondée à Lausanne, et collabore notamment avec des membres de Biosphere2. «Notre mission est de jouer un rôle de facilitateur pour faire émerger et commercialiser plus rapidement des applications terrestres de toutes ces recherches destinées a priori d’abord au spatial», explique son directeur Théodore Besson, ancien chercheur de l’UNIL pour laquelle il a d’ailleurs réalisé une vaste étude sur le sujet, et coorganisateur du colloque.

Celui-ci a débouché sur les recommandations de planifier la construction d’un démonstrateur d’«ecosystème habitable clos» bien réel, qui pourrait être occupé par des humains, serait pensé de manière architecturalement inédite et doté de performances énergétiques abouties ainsi que d’un système de domotique personnalisé.

Lire aussi: Et si l’aventure d’un voyage vers Mars commençait en Suisse romande…

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