Source: The Conversation – France in French (2) – By Laurent Palka, Maître de conférences, Muséum national d’histoire naturelle (MNHN)
Aller sur Mars représente un voyage de plus de mille jours. Comment rendre autonome un équipage pendant autant de temps ? Découvrez le projet MELiSSA qui vise à recycler le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote grâce aux bactéries en recréant le fonctionnement d’un écosystème terrestre à l’intérieur d’une fusée.
Les voyages habités vers la Planète rouge ne sont plus de la fiction. La Nasa prévoit même les premiers dans les années 2030, autrement dit demain. Pourtant, les défis techniques, scientifiques et humains à relever sont encore immenses avant de parcourir les 225 millions de kilomètres qui nous séparent de Mars, à l’aller comme au retour. L’équipage devra résister pendant des mois à l’effet des radiations, de la microgravité, du confinement, de l’isolement, etc., et à l’absence de biodiversité. C’est pourtant d’elle qu’il sera question ici pour régler un autre défi, celui de l’autonomie.
Des ressources pour un voyage au long cours
Dans l’espace, un homme ou une femme a besoin toutes les 24 heures d’un kilo de nourriture, d’un kilo d’oxygène, de trois litres d’eau potable et de 20 litres supplémentaires pour l’hygiène corporelle. De sorte qu’un voyage de mille jours aller-retour vers Mars obligerait à décoller avec 25 tonnes de ressources par personne.
En admettant que ce soit possible avec un des lanceurs super lourds qui emportent 130 à 150 tonnes, il faudrait ajouter la quantité de ressources quotidiennes nécessaire une fois sur Mars et pouvoir redécoller avec un emport suffisant pour le retour. L’autonomie de l’équipage sur le long terme est donc un vrai défi.
Pour le surmonter, l’idée serait de tout produire et recycler en cours de route et sur place, de manière durable. Tel est l’objectif du projet MELiSSA. L’acronyme signifie système de support de vie micro-écologique alternatif, qui se base sur deux composantes de la biodiversité, les bactéries et l’écosystème. Ce dispositif bio-inspiré est développé par l’Agence spatiale européenne (ESA) et ses partenaires.
Des bactéries fonctionnant comme dans un écosystème terrestre
Le préfixe « éco » du terme écosystème provient du grec ancien Oikos qui se traduit par la métaphore de la maison et ses habitant·es. Mais une maison a besoin de lumière, de CO2 et d’eau pour créer un phénomène crucial pour la vie sur Terre, la photosynthèse oxygénique.
À partir de lumière, de CO2 et d’eau, les cyanobactéries, c’est-à-dire les bactéries photosynthétiques, les algues et les plantes se mettent à fabriquer des molécules carbonées (sucres et lipides), en libérant de l’oxygène. Ce sont les producteurs primaires à la base des principaux écosystèmes, de la pyramide des consommateurs et des réseaux trophiques. Ce type de réseau se définit comme l’ensemble des interactions alimentaires. Mais les producteurs primaires ont besoin de minéraux. Une partie provient de la décomposition de la matière organique et des excréments assurée par les bactéries et les champignons.
C’est ce fonctionnement circulaire dans le milieu terrestre qui a inspiré les scientifiques du projet MELiSSA en le simplifiant pour mieux le contrôler. Le dispositif est ingénieux et comporte cinq compartiments interconnectés. L’objectif est de produire les ressources nécessaires à l’équipage par des plantes cultivées en hydroponie, ou culture hors sol, et des cyanobactéries, puis décomposer les déchets par des consortiums bactériens artificiels.
L. Palka, Fourni par l’auteur
Les déchets sont un mélange d’au moins 70 % de végétaux non consommés et d’un maximum de 30 % d’excréments. La décomposition se fait en absence d’oxygène et à 55 °C par un consortium dominé par les bacilles Thermocaproicibacter et Thermoanaerobacterium. Dans ce four, les bactéries thermophiles atteignent leur optimum de croissance, tandis que les pathogènes opportunistes meurent, ce qui fait partie aussi de l’objectif. La décomposition libère des acides gras volatiles, du CO2, de l’ammoniac et de l’hydrogène qui vont alimenter les autres compartiments.
HZI/Manfred Rohde, Fourni par l’auteur
Les acides gras sont transférés dans le compartiment n°2 contenant une seule espèce de bactéries, Rhodospirillum rubrum. La majorité des cellules sont spiralées et possèdent sept flagelles à chaque pôle. Certaines peuvent atteindre entre 10 et 60 µm de long dans certains milieux. Ces bactéries, de couleur rose en absence d’oxygène, sont multitâches, capables de faire la photosynthèse mais sans produire d’oxygène, de fixer l’azote et de libérer de l’ammoniac. Ce n’est pourtant pas ces caractéristiques qui intéressent MELiSSA, mais leur capacité à pousser plus loin la conversion des acides gras en CO2. Celui-ci passe alors directement dans le compartiment n°4 pour entretenir la photosynthèse par les plantes et par les cyanobactéries.
Le compartiment suivant, n°3, contient deux autres espèces de bactéries, typiques d’une étape fondamentale du cycle de l’azote, la nitrification. Il s’agit de réactions chimiques en chaîne très complexes. Tout commence par les bactéries appartenant au genre Nitrosomonas qui fixent des atomes d’oxygène à l’ammonium en produisant des nitrites ou NO2. L’oxygène nécessaire émane du compartiment n°4 tandis que l’ammoniac provient principalement de l’urine de l’équipage. Les nitrites sont ensuite oxydés à leur tour par les bactéries du genre Nitrobacter en nitrates ou NO3. Les nitrates passent alors dans le compartiment n°4 comme source d’azote pour les plantes et les cyanobactéries.
Un dispositif de production et de recyclage en constante amélioration
C. Duval et C. Bernard, MNHN, Fourni par l’auteur
La biomasse produite, mais aussi l’oxygène et l’eau sont consommés par l’équipage dans le compartiment n°5. Les déchets vont dans le compartiment n°1, le CO2 dans le n°4, et le cycle recommence. Tous les éléments, à savoir le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote, sont recyclés.
Mais ce dispositif est sans cesse en développement pour être optimal. Par exemple les scientifiques de MELiSSA essaient de remplacer R. rubrum par des biopiles où un consortium bactérien contenant le genre Geobacter est associé à l’anode, l’une des deux électrodes, pour convertir les acides gras en CO2 en créant un courant électrique. Sur le plan énergétique, celui-ci est encore marginal, certes.
Les scientifiques testent par ailleurs des plantes, comme la laitue, la tomate, le chou ou le riz et un genre de cyanobactérie, Limnospira connu sous le nom de spiruline. Si les cyanobactéries représentent aujourd’hui seulement 30 % de la biomasse, leur contribution est appelée à croître, car leur système photosynthétique leur donne la capacité de réagir de manière quasi instantanée au changement de flux lumineux. Par ailleurs, la spiruline est très riche en protéines et contient des vitamines et des acides gras de type oméga 6.
Le projet MELiSSA montre que la connaissance des bactéries et la compréhension du fonctionnement des écosystèmes terrestres sont une des clés pour rendre possible l’autonomie des vols habités vers la planète Mars. Mais le développement de ce dispositif européen aussi complexe est long et ne sera pas prêt d’ici les années 2030. A priori, il en serait de même côté américain pour la Nasa, et la question reste posée pour les approches russes et chinoises. Quoi qu’il en soit, l’idée de l’ESA est aussi de valoriser plus rapidement le dispositif sur Terre pour contribuer au développement de l’économie circulaire.
Ce texte n’aurait pas été possible sans la relecture de Chloé Audas, directrice du projet MELiSSA, Brigitte Lamaze, ingénieure à l’ESA, et Claude-Gilles Dussap, directeur de la Fondation MELiSSA. L’auteur les remercie vivement.
Laurent Palka est membre du CESCO, Centre d’Ecologie et des Sciences de la Conservation et de l’association Chercheurs Toujours.
– ref. Des bactéries pour aller sur Mars – https://theconversation.com/des-bacteries-pour-aller-sur-mars-273518