La science et la technologie végétales et microbiennes comme pierres angulaires des systèmes de survie biorégénératifs dans l’espace

Jul 29, 2023

npj Microgravity volume 9, Numéro d'article : 69 (2023) Citer cet article

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Les missions d'exploration spatiale humaine à long terme nécessitent un contrôle environnemental et des systèmes de survie fermés (LSS) capables de produire et de recycler des ressources, répondant ainsi à tous les besoins métaboliques essentiels à la survie humaine dans des environnements spatiaux difficiles, à la fois pendant les voyages et sur les stations orbitales/planétaires. Cela deviendra de plus en plus nécessaire à mesure que les missions s’éloigneront de la Terre, limitant ainsi la faisabilité technique et économique du réapprovisionnement en ressources depuis la Terre. Une incorporation plus poussée d'éléments biologiques dans des LSS de pointe (principalement abiotiques), conduisant à des LSS biorégénératifs (BLSS), est nécessaire pour des solutions supplémentaires de récupération des ressources, de production alimentaire et de traitement des déchets, et pour permettre des missions plus autonomes. vers la Lune et Mars. Il existe toute une série de fonctions cruciales pour maintenir la présence humaine en orbite terrestre basse (LEO) et une installation réussie sur la Lune ou sur Mars, telles que le contrôle environnemental, la régénération de l'air, la gestion des déchets, l'approvisionnement en eau, la production alimentaire, la pressurisation des cabines/habitats, la radioprotection. , l'approvisionnement en énergie et les moyens de transport, de communication et de loisirs. Dans cet article, nous nous concentrons sur la production d’air, d’eau et de nourriture, ainsi que sur la gestion des déchets, et abordons certains aspects de la radioprotection et des loisirs. Nous discutons brièvement des connaissances existantes, soulignons les lacunes ouvertes et proposons de futures expériences possibles à court, moyen et long terme pour atteindre les objectifs de l'exploration spatiale en équipage, conduisant également à des avantages possibles sur Terre.

Le concept de systèmes de survie biorégénératifs (BLSS), également appelés systèmes écologiques de survie fermés (ou contrôlés) (CELSS), a été exploré depuis le début de l’ère de l’exploration spatiale humaine dans les années 19601. Un BLSS en boucle fermée et semi-fermée est basé sur le concept de réseaux écologiques où plusieurs niveaux de connexions trophiques garantissent le cycle de la biomasse dans les réseaux trophiques. Ainsi, un BLSS est constitué de plusieurs compartiments interconnectés basés sur des organismes dont les déchets représentent les ressources vitales pour les autres compartiments (Fig. 1). Ces systèmes comprennent trois principaux types de compartiments : les « producteurs » biologiques (par exemple, les plantes, les microalgues, les bactéries photosynthétiques), les « consommateurs » (c'est-à-dire l'équipage) et les « dégradeurs et recycleurs » de déchets (par exemple, les bactéries fermentatives et nitrifiantes). Plusieurs éléments biologiques alternatifs ont été proposés au fil des années2. Par exemple, des compartiments animaux (par exemple, avec des insectes, des poissons) ont été proposés pour fournir des protéines supplémentaires3. Plusieurs démonstrateurs au sol à grande échelle ont testé le BLSS en boucle fermée avec des humains dans la boucle, comme BIOS-1, 2, 3 et 3 M en Russie, Biosphere 2 aux États-Unis, le Closed Ecology Experiment Facility (CEEF) au Japon et Lunar Palace 1 en Chine. D'autres installations en Antarctique ont testé des fonctions BLSS indépendantes comme le recyclage des eaux grises à la station Concordia ou la production alimentaire au sein de l'installation d'essai mobile EDEN ISS (Station spatiale internationale) à la station Neumayer III. De plus, dans le cadre du projet de test du système de survie Lunaire-Mars de la NASA, une chambre de croissance a contribué à la revitalisation de l'air et aux besoins alimentaires d'un équipage de quatre personnes pendant 91 jours4. D'autres installations ont permis des missions analogiques testant des compartiments ou des parties de ceux-ci avec différents niveaux de complexité, comme MARS500 et SIRIUS en Russie, HERA et LMLSTP au JSC de la NASA, la Biomass Production Chamber de KSC, MDRS dans l'Utah et HI-SEAS à Hawaï, aux États-Unis4, 5,6. Ces démonstrateurs au sol ont été utilisés pour tester des technologies spécifiques pour les chambres de culture contrôlées, les systèmes de production alimentaire et la gestion des déchets biologiques. Certaines de ces installations d'essai ont également été utilisées pour évaluer l'impact du confinement sur des équipages isolés en termes de problèmes physiologiques et psychologiques, ainsi que pour évaluer l'effet d'atténuation possible de la présence de plantes (ex. : accès à de la nourriture fraîche, jardinage pour loisirs)7,8.