La Survie Dans L’espace : en Route Vers Un Système Fermé
Les gens ont besoin d’air, d’eau et de nourriture pour survivre. Sur Terre, les différentes parties des écosystèmes répondent à ces besoins fondamentaux. Par exemple, comme les plantes ajoutent l’oxygène indispensable dans l’atmosphère et éliminent le dioxyde de carbone toxique, elles contribuent à rendre notre air respirable. L’eau potable provient des lacs, des rivières et des eaux souterraines. Le sol nourrit les plantes cultivées qui sont récoltées pour nourrir les gens.
En ce qui concerne la matière qui compose l’air, l’eau et la nourriture, la Terre est un système fermé. La matière n’est pas ajoutée à la Terre depuis l’espace ni perdue dans l’espace à partir de la Terre. Toute la matière est recyclée au sein de l’écosystème terrestre.
La Station spatiale internationale (SSI) gravite autour de la Terre à 400 kilomètres d’altitude. Les astronautes de la SSI ont besoin d’air, d’eau et de nourriture, mais il n’y a pas d’écosystèmes dans l’espace permettant de satisfaire ces besoins fondamentaux. Les systèmes de survie à bord de la SSI génèrent et recyclent uniquement une partie de l’oxygène et de l’eau. Toute la nourriture est expédiée vers la Station depuis la Terre. Comme la SSI dépend de la Terre pour tous ses besoins relatifs à la survie, elle forme un système ouvert.
À bord, le système américain de conditionnement d’air et de survie (ECLSS) gère l’atmosphère (qualité, humidité, température et pression de l’air), l’eau (traitement des eaux usées et production d’eau potable), les services d’urgence (comme la détection et le contrôle des incendies et des déversements de substances toxiques) et les déchets (collecte et stockage).
Le système de conditionnement d’air et de survie de la NASA (ECLSS) est un réseau de machines interconnectées et interdépendantes qui fournissent l’air respirable et l’eau pure potable pour les astronautes de la SSI (voir le résumé infographique sur l’ECLSS). Les machines construites par l’Agence spatiale fédérale russe (Roscosmos) contribuent également à la survie à bord de la SSI.
L’air à Bord De La SSI
L’air respirable contient de l’oxygène et très peu de dioxyde de carbone. À bord de la SSI, le système générateur d’oxygène (OGA) de l’ECLSS fabrique de l’oxygène en séparant l’eau liquide en hydrogène et en oxygène gazeux grâce à l’électricité fournie par les panneaux solaires. L’ECLSS extrait aussi le dioxyde de carbone toxique à l’intérieur de la SSI grâce à des filtres.
Le système russe Elektron fabrique de l’oxygène par électrolyse de l’eau, tout comme l’ECLSS. Vozdukh est le système russe qui extrait le dioxyde de carbone de l’air à bord de la SSI.
Auparavant, le dioxyde de carbone rejeté, ainsi que les déchets d’hydrogène provenant de l’OGA, étaient évacués dans l’espace. En 2010, l’ajout du système de réduction du dioxyde de carbone, aussi appelé système Sabatier, a représenté un grand pas vers un système fermé de recyclage d’oxygène. Le système Sabatier utilise le dioxyde de carbone rejeté et l’hydrogène gazeux (dihydrogène) pour fabriquer de l’eau, qui est finalement retournée à l’OGA pour produire de l’oxygène. (Le méthane est un sous-produit de la réaction de Sabatier; il est évacué dans l’espace.)
Le système Sabatier n’est pas parfaitement efficace, car seule la moitié de l’oxygène environ peut être récupérée à partir du dioxyde de carbone rejeté. La NASA s’efforce d’en améliorer l’efficacité. En attendant, des réservoirs d’oxygène sont envoyés depuis la Terre dans des vaisseaux de ravitaillement et la SSI est approvisionnée avec des bougies spéciales de secours qui libèrent de l’oxygène en brûlant.
L’eau à Bord De La SSI
Le système russe de traitement de l’eau issue de la condensation (SRV-K) récupère la vapeur d’eau contenue dans l’air à bord de la SSI (humidité provenant de la transpiration), mais ne recycle pas l’urine comme.
L’ECLSS récupère environ 90 % de l’eau utilisée par les astronautes et la transforme en eau potable. Le système de traitement de l’eau (WPA) recueille l’eau du système Sabatier, l’eau utilisée pour le lavage, la vapeur d’eau condensée de l’air (humidité produite par la transpiration) et même l’urine. Le WPA produit de l’eau pure qui peut être bue et servir à la préparation des repas, au lavage des mains et du corps, et à la production d’oxygène dans l’OGA.
Certains conteneurs d’eau sont toujours envoyés de la Terre dans les vaisseaux de ravitaillement, mais le recyclage de l’eau par l’ECLSS s’apparente à un système fermé. L’objectif de la NASA est d’améliorer l’ECLSS de sorte que les systèmes d’air et d’eau soient complètement intégrés et fonctionnent en boucle fermée, recyclant ou régénérant tout l’air et l’eau dont les astronautes ont besoin.
La Nourriture à Bord De La SSI
Tout ce que les astronautes mangent à bord de la SSI est envoyé depuis la Terre; il s’agit donc d’un système complètement ouvert. À l’heure actuelle, la plupart des aliments de l’espace sont prêts-à-manger ou précuits. Les vaisseaux de ravitaillement apportent une quantité limitée de fruits et de légumes frais, qui sont un régal pour les astronautes.
La NASA est en train d’apprendre à cultiver des produits frais dans l’espace grâce à son système de production de légumes surnommé Veggie. Les astronautes de la SSI ont goûté la laitue cultivée dans l’espace pour la première fois en août 2015. D’autres expériences récentes de Veggie concernent la culture de zinnias — une plante non comestible, mais qui est un bon test pour d’autres plantes, comme les tomates, qui doivent fleurir pour produire des fruits.
La capacité de cultiver des fruits et des légumes frais dans l’espace sera importante pour les futures longues missions, comme celles consistant à aller sur Mars. En théorie, les plantes peuvent également aider à maintenir la qualité de l’air à bord des engins spatiaux grâce à la photosynthèse (les plantes absorbent le dioxyde de carbone et produisent de l’oxygène). À l’heure actuelle toutefois, ce n’est pas une contribution importante, car seulement quelques plantes peuvent être cultivées à la fois.
Les Déchets à Bord De La SSI
Les déchets solides à bord de la SSI comprennent les emballages, les conteneurs, les ordures (comme les sacs en plastique, les lingettes hygiéniques, les vêtements usagés) et les matières fécales. Tous les déchets sont recueillis et stockés jusqu’à ce qu’ils soient placés dans un vaisseau de ravitaillement vide après la livraison de la cargaison. Lorsque le vaisseau spatial rempli de déchets pénètre dans l’atmosphère de la Terre, tout — y compris le véhicule — brûle. La gestion des déchets est un système ouvert, car tous les déchets sont renvoyés vers la Terre.
La NASA tente de réduire la quantité de déchets en utilisant moins d’emballages et en développant des façons de réutiliser les matériaux d’emballage dans l’espace. Par exemple, certains emballages pourraient être réutilisés tels quels ou fondus et transformés en tuiles pour la construction d’abris. Ce sera extrêmement important pour les futures longues missions, comme celles consistant à se rendre sur Mars.
Un Système De Survie Entièrement Fermé, MEliSSA Y Travaille
L’Université de Guelph en Ontario est l’un des partenaires internationaux de MELiSSA, et possède une expertise dans la culture de plantes dans des environnements fermés.
L’Agence spatiale européenne (ASE) coordonne un projet de recherche international appelé micro système de soutien-vie écologique, ou MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative). L’objectif est de construire un système de survie complètement fermé qui pourrait être utilisé pour les futures missions spatiales. MELiSSA est un écosystème artificiel basé sur le modèle d’un écosystème aquatique. MELiSSA utiliserait les plantes et les algues pour récupérer la nourriture, l’eau et l’oxygène à partir des déchets humains et du dioxyde de carbone, en recourant à l’énergie lumineuse pour la photosynthèse. Cette intégration complète de l’air, de l’eau, de la nourriture et des déchets en est encore à la phase expérimentale.
Il est probable que de longues missions spatiales vont avoir été entreprises avant qu’un système de survie complètement fermé, comme MELiSSA, soit prêt à être utilisé. Pour l’expédition vers Mars, la philosophie « réduire, réutiliser, recycler » sera importante pour la conception d’un système de survie le plus fermé possible.
Glossaire
Écosystème
Un écosystème est un ensemble interactif formé d’une communauté d’organismes vivants et de leur milieu non vivant. Un écosystème peut être petit, comme un étang (et comprendre les poissons, les bactéries, les algues, les plantes, l’eau, les sédiments) ou grand, comme la Terre (et comprendre les plantes, les animaux, les microbes, l’eau, le sol, l’air).
Photosynthèse
Processus utilisé par les végétaux pour transformer l’énergie de la lumière en énergie biochimique (sucre). L’énergie de la lumière sert à transformer le dioxyde de carbone et l’eau en oxygène et en sucre.
Système
Ensemble d’éléments interconnectés et interdépendants qui interagissent et forment un ensemble complexe. Les exemples incluent le corps humain, un écosystème aquatique, la Terre et la Station spatiale internationale (y compris les astronautes).
Système fermé
Dans le cadre de ce document, un système fermé est un système qui n’échange pas de matière avec son environnement — la matière est donc recyclée à l’intérieur du système. Une définition plus large comprend l’échange d’énergie (voir Système ouvert).
Système ouvert
Dans le cadre de ce document, un système ouvert est un système qui échange de la matière avec son environnement — la matière peut donc sortir du système et y entrer. Une définition plus large comprend l’échange d’énergie. La Terre est un système fermé en ce qui a trait à la matière, mais un système ouvert à l’égard de l’énergie (l’énergie lumineuse y entre à partir du Soleil pour remplacer l’énergie thermique perdue pendant les réactions biochimiques chez les plantes et les animaux).
Système de conditionnement d’air et de survie (ECLSS)