La prochaine frontière : le soutien à la vie en génie pour Mars

Alors que l'humanité vise à établir une présence permanente sur Mars, les défis techniques deviennent de plus en plus évidents. Contrairement à la Station spatiale internationale, qui reçoit des missions régulières de ravitaillement, une mission Mars nécessitera des systèmes de survie qui fonctionnent de façon autonome pendant des années, avec un approvisionnement minimal ou nul externe. L'ensemble du système doit être conçu à partir du sol pour recycler presque toutes les ressources tout en respectant l'environnement impitoyable de la planète.

L'unicité des contraintes environnementales de Mars

Mars n'offre aucun de ces avantages. L'atmosphère est de 95 % de dioxyde de carbone à une pression de seulement 0,6 % du niveau de la mer terrestre. Les températures de surface passent de -125 °C aux pôles en hiver à 20 °C à l'équateur en été. Le rayonnement solaire, non blindé par un champ magnétique, baigne la surface en particules à haute énergie. Chaque système doit fonctionner à travers cette gamme thermique tout en étant durci contre les rayonnements qui peuvent dégrader l'électronique et les matériaux.

Fonctions essentielles de soutien de la vie et défis techniques

Un habitat Mars doit fournir cinq fonctions essentielles : l'air respirable, l'eau potable, les aliments nutritifs, le traitement des déchets et la régulation thermique.

Gestion de l'atmosphère

Pour maintenir une atmosphère respirante dans un habitat de Mars, il faut éliminer en permanence le dioxyde de carbone, réapprovisionner l'oxygène, contrôler les traces de contaminants et gérer l'humidité et la pression. L'approche primaire repose sur les technologies éprouvées par l'ISS, comme l'assemblage de l'élimination du dioxyde de carbone et le système de génération d'oxygène. Cependant, les missions de Mars exigent une plus grande efficacité et fiabilité. L'atmosphère doit être nettoyée de CO2, et le CO2 doit être traité pour récupérer l'oxygène plutôt que par-dessus bord.

Récupération et recyclage de l'eau

L'eau est la plus consommable de la Terre, ce qui rend le recyclage essentiel. L'ISS récupère environ 90% des eaux usées, mais une mission Mars doit approcher 100%. Cela signifie capturer chaque molécule, y compris la vapeur d'eau de la respiration et de l'humidité dans l'air de la cabine. Une innovation prometteuse est l'utilisation de membranes d'osmose avant qui fonctionnent à des pressions inférieures à l'osmose inverse traditionnelle, réduisant la consommation d'énergie et l'usure des équipements.

Production alimentaire et nutrition

La culture de la nourriture sur Mars n'est pas seulement une commodité, mais une nécessité pour les séjours de longue durée. La recherche actuelle porte sur les systèmes de croissance hydroponiques et aéroponiques qui utilisent des solutions nutritives et un éclairage LED optimisé pour la photosynthèse végétale. Le Centre d'agriculture de l'environnement contrôlé de l'Université de l'Arizona a démontré que la laitue, les tomates, les poivrons, les fraises et même les pommes de terre peuvent être cultivés dans des conditions simulées Mars. Cependant, fournir des besoins nutritionnels complets, y compris les protéines, les graisses et les vitamines provenant de sources végétales seules, nécessite une sélection soigneuse des cultures et potentiellement l'inclusion d'algues ou de protéines à base d'insectes.

Gestion des déchets

Les systèmes de compostage utilisant des communautés microbiennes peuvent décomposer la matière organique en matière semblable au sol pour la croissance des plantes tout en captant du CO2 pour l'atmosphère. L'incinération ou la pyrolyse peut aussi détruire les agents pathogènes et produire du biochar et de l'énergie. Le défi est de réaliser une conversion complète avec une consommation minimale d'énergie et un rejet nul de composés toxiques.

Systèmes en boucle fermée : le chemin de l'autosuffisant

Un système de survie en boucle fermée réduit le besoin d'intrants externes en recyclant toutes les ressources de l'habitat. Deux approches générales sont en cours : biorégénérative et physicochimique. En pratique, le système final sera probablement un hybride qui utilise des processus biologiques pour le recyclage à basse énergie, à longue durée et des systèmes physicochimiques pour un traitement fiable et à haut débit.

Soutien à la vie biogénérative

Le programme MELISSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) dirigé par l'Agence spatiale européenne est l'effort le plus avancé dans ce sens. Le projet MELISSA comprend cinq compartiments interconnectés : un compartiment de bactéries anaérobies thermophiles pour décomposer les déchets, un photobioréacteur contenant la cyanobactérie Limnospira platensis (anciennement Spiruline) pour produire de l'oxygène et de la biomasse, un compartiment végétal supérieur et un compartiment d'équipage. Les bactéries et algues travaillent au niveau moléculaire pour convertir les déchets en ressources, tandis que les plantes fournissent une source alimentaire familière et un confort psychologique aux astronautes.

Systèmes physicochimiques

Les systèmes physicochimiques reposent sur des réactions chimiques et des processus physiques plutôt que sur des organismes vivants, notamment les réacteurs Sabatier qui transforment le CO2 et l'hydrogène en méthane et en eau, les unités d'électrolyse de l'eau qui divisent l'eau en hydrogène et en oxygène, et les systèmes d'électrolyte solide qui extraient l'oxygène directement du CO2. L'avantage de ces systèmes est qu'ils sont entièrement déterministes et peuvent être conçus selon des spécifications précises. Ils sont déjà utilisés sur l'ISS et formeront l'épine dorsale des missions de Mars précoce.

Utilisation des ressources in situ (ISRU) comme changement de jeu

Sur Mars, l'ISRU a trois applications principales : l'extraction de l'eau, la production d'oxygène et la production de carburant. Le Marshall Space Flight Center a testé un système qui extrait de l'eau de la simulation de régolith martien en la réchauffant pour libérer l'adsorbé sur les surfaces minérales. Le système a obtenu des taux de récupération de l'eau de plus de 90 % dans les tests de laboratoire. Sur Mars, cette eau pourrait être utilisée directement pour la boisson, l'hygiène et la croissance végétale, ou électrolysée pour produire de l'oxygène et de l'hydrogène.

Extraction d'eau de Martien Resolith

Le laboratoire de propulsion de la NASA a développé un robot d'exploitation de systèmes de surface avancés de Regonith qui peut extraire, chauffer et recueillir de la vapeur d'eau du sol. La vapeur est condensée puis purifiée par un système de filtration à plusieurs étages. Cette approche nécessite une énergie thermique importante, qui pourrait être fournie par des réacteurs nucléaires ou des systèmes solaires thermiques concentrés. Une autre méthode utilise le chauffage par micro-ondes pour chauffer sélectivement les minéraux porteurs d'eau sans chauffer la totalité de la masse du sol, réduisant ainsi la consommation d'énergie d'un ordre de grandeur.

Production d'oxygène à partir de l'atmosphère

L'atmosphère de Mars est de 95 % CO2. Deux méthodes peuvent en produire de l'oxygène. La première est l'électrolyse d'oxyde solide, où le CO2 est chauffé à 800-1000°C et divisé en monoxyde de carbone et en oxygène. L'oxygène est recueilli et le CO peut être utilisé comme combustible ou encore traité. L'expérience d'utilisation des ressources in situ de Mars Oxygen (MOXIE) sur le rover Perseverance a démontré cette technologie en produisant de l'oxygène à un rythme d'environ 6 grammes par heure. Pour un équipage de quatre, une version graduée devrait produire 2-3 kilogrammes par heure. La seconde méthode utilise un réacteur plasma pour dissocier le CO2 en oxygène et en carbone à des températures plus basses, offrant des gains d'efficacité potentiels mais nécessitant une gestion soigneuse du sous-produit carbone, qui peut déstabiliser le rejet plasmatique.

Matériaux de construction et combustibles

Au-delà de la vie, l'ISRU peut produire des matériaux de construction et du carburant. Le régolith martien peut être compacté en briques ou fritté en utilisant des micro-ondes pour former des matériaux de construction solides. Le méthane de la réaction Sabatier peut être utilisé comme carburant de fusée pour les missions de retour, tandis que l'oxygène peut servir d'oxydant. L'Université de Californie, San Diego a démontré un processus qui utilise le monoxyde de carbone et l'hydrogène pour produire des plastiques et des hydrocarbures synthétiques, qui pourraient être utilisés pour les pièces de rechange, les emballages et le carburant.

Intégration de l'intelligence artificielle et de l'automatisation

Un habitat de Mars sera trop éloigné pour une intervention humaine en temps réel. Les retards de communication de 4 à 24 minutes signifient que toute défaillance du système nécessitant une réponse immédiate doit être gérée de façon autonome. Des systèmes d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique sont en cours de développement pour surveiller toutes les fonctions de survie, prévoir les défaillances avant qu'elles ne surviennent et exécuter des actions correctives sans intervention humaine.

L'Université du Texas à Austin développe des modèles numériques de systèmes de survie qui simulent chaque composant en temps réel. Ces modèles sont alimentés par des données de capteur et peuvent prédire le comportement du système heures ou jours à l'avance, permettant une maintenance proactive. Si un roulement de pompe montre des signes d'usure, le jumeau numérique peut estimer sa durée de vie utile restante et programmer un remplacement avant qu'une défaillance ne se produise. Cette capacité est essentielle pour les missions où les pièces de rechange sont limitées et chaque composant doit être utilisé à son maximum de potentiel.

Redondance, fiabilité et sécurité de l'équipage

Les ingénieurs conçoivent des couches multiples de redondance : chaque fonction critique est supportée par au moins deux systèmes indépendants, et souvent trois ou plus. Par exemple, l'oxygène peut être fourni par électrolyse de l'eau, par électrolyse d'oxyde solide à partir du CO2, par libération des réservoirs d'oxygène entreposés, ou par production biologique à partir des plantes. L'eau peut être recyclée par distillation, osmose inverse, osmose avant ou processus biorégénératifs. Le module d'habitation lui-même est conçu pour être scellable dans les compartiments de sorte que si une zone devient contaminée, l'équipage peut se replier vers une zone de sécurité.

Recherches et bancs d'essai actuels

Plusieurs installations du monde entier testent des systèmes de survie intégrés dans des conditions de Mars simulées. L'analogue de recherche sur l'exploration humaine de la NASA au Johnson Space Center effectue des missions d'un an dans un habitat de Mars simulé, testant la fiabilité et la performance de l'équipement de survie. L'analogue d'exploration spatiale et de simulation d'Hawaii (HI-SEAS) effectue des missions de longue durée dans un environnement semblable à celui de Mars, en mettant l'accent sur la dynamique de l'équipage et l'autonomie du système. L'usine pilote de l'Agence spatiale européenne MELISSA à Barcelone exploite une boucle biorégénérative à grande échelle avec des algues, des usines et des réacteurs microbiens.

Orientations futures pour les missions de longue durée

La prochaine décennie verra le déploiement de la station spatiale Gateway en orbite lunaire, qui servira de terrain de démonstration pour les technologies de soutien de la vie de la prochaine génération. Le retour du programme Artemis sur la Lune offrira l'occasion de tester les systèmes ISRU à l'échelle, en extrayant l'eau du régolith lunaire et en démontrant la production d'oxygène et de carburant.Ces missions prendront fin et valideront les systèmes requis pour Mars. Au-delà de l'ingénierie, on reconnaît de plus en plus que les systèmes de soutien de la vie doivent être conçus non seulement pour la santé physique mais aussi pour le bien-être psychologique.

Conclusion

L'ingénierie des systèmes de survie pour Mars est l'un des défis les plus complexes et les plus gratifiants dans les vols spatiaux humains. Elle nécessite l'intégration de la chimie, de la biologie, de la physique, des sciences des matériaux, de l'intelligence artificielle et des facteurs humains dans un système unique et cohérent. Les progrès réalisés au cours de la dernière décennie ont été remarquables. Le recyclage en boucle fermée, l'ISRU et l'exploitation autonome ne sont plus des concepts théoriques mais sont testés dans des laboratoires et des habitats analogiques à travers le monde.