Alimentation spatiale – Comment nourrir la prochaine vague de pionniers de l’humanité ?

Un nouveau type d’exploration spatiale

Après plusieurs décennies de stagnation suite à l’atterrissage sur la Lune, une nouvelle course à l’espace s’intensifie. Le déclencheur a été le succès extraordinaire de SpaceX (SPCX ) dans la création d’une fusée réutilisable, réduisant le coût de lancement en orbite d’un ordre de grandeur. Avec le dernier véhicule de lancement, Starship, en cours de test, les coûts devraient encore diminuer.

Source: Visual Capitalist

SpaceX est peut-être la société spatiale la plus impressionnante, mais beaucoup d’autres la suivent – y compris diverses entreprises chinoises de fusées, tant privées que financées par l’État.

Parallèlement, la NASA et ses partenaires prévoient de retourner sur la Lune et d’y établir une base permanente ; la Chine et la Russie ont également des ambitions similaires. Au cours de la prochaine décennie, SpaceX envisage de voir les premiers hommes marcher sur Mars.

Ainsi, il est presque certain que nous verrons beaucoup plus d’astronautes dans les décennies à venir que depuis l’âge d’or de l’exploration spatiale. Contrairement aux années 1960, ils vivront dans l’espace dans des habitats lointains, pas seulement en voyage de quelques jours vers la Lune ou en séjournant dans des stations spatiales en orbite terrestre basse.

Cela signifie plus de personnes, plus loin, et dans le cas de Mars, des mois de voyage. Tout cela entraîne le besoin de leur fournir des consommables coûteux supplémentaires. Cela déséquilibre l’économie de l’approvisionnement des astronautes en faveur de la production sur place de ce dont ils ont besoin. L’impression 3D jouera probablement un rôle majeur dans la fourniture de pièces de rechange. Et la nourriture devra être au moins partiellement cultivée sur place.

En plus des coûts, la culture d’aliments frais sur place aidera également à garder les astronautes en bonne santé en fournissant des vitamines C de haute qualité et des aliments riches en antioxydants utiles pour réduire le danger des radiations provenant des rayons cosmiques et des tempêtes solaires.

Prototypes d’aliments spatiaux

Ce n’est pas un concept nouveau, et la NASA ainsi que d’autres agences spatiales étudient ces idées depuis plusieurs décennies. Cependant, le manque d’espace à bord de l’ISS signifie que pour l’instant, seul le projet pilote et le prototype ont été testés, et aucun plan actuel n’envisage de produire une quantité importante de nourriture dans l’espace.

Concept testé n° 1 : Culture de plantes en aéroponie

En cultivant des plantes sans sol ni eau, l’aéroponie est une méthode qui semble particulièrement adaptée aux conditions d’apesanteur comme les stations spatiales, où les liquides et la poussière posent de sérieux problèmes pouvant entraîner des courts-circuits et des incendies. Vous pouvez en savoir plus sur le fonctionnement de l’aéroponie et son utilisation actuelle sur Terre dans notre article “Aéroponie – Tout ce que vous devez savoir”.

L’aéroponie est particulièrement efficace pour cultiver des produits frais en un temps record et avec un espace limité, ce qui la rend idéale pour les conditions exigues d’un vaisseau spatial vers Mars ou d’une station spatiale en orbite.

Elle peut également cultiver des cultures racines très riches en énergie, comme les pommes de terre, qui sont faciles à consommer sans cuisson trop complexe, contrairement aux céréales.

Un prototype a déjà été testé à bord de l’ISS dans le cadre du programme de démonstration technologique eXposed Root On-Orbit Test System (XROOTS).

Source: NASA

Des systèmes similaires pourraient cultiver des produits frais pour les astronautes lors de longs voyages, comme les 6 à 18 mois vers Mars (selon le système de propulsion). Ils pourraient inclure le Veggie (Système de production végétale) testé auparavant, Veggie PONDS et Plant Habitat‑04 (PH‑04), qui a réussi à faire pousser une variété de plantes, dont trois types de laitues, du chou chinois, de la moutarde mizuna, du chou frisé russe rouge, des fleurs de zinnia, du blé et des poivrons.

Concept testé n° 2 : Micro-organismes dans des canisters

Le programme Biological Research in Canisters (BRIC) était destiné à étudier les effets de l’espace sur des organismes suffisamment petits pour être cultivés dans des boîtes de Pétri, comme les levures et les microbes. Mais une telle méthode de culture détournerait des substrats riches en énergie de la Terre pour les transformer en produits comestibles.

Une version mise à jour, BRIC-LED est la version la plus récente, qui utilise des diodes électroluminescentes (LED) supplémentaires pour soutenir la biologie, comme les plantes, les mousses, les algues et les cyanobactéries qui ont besoin de lumière pour fabriquer leur nourriture. Des panneaux solaires ou des réacteurs nucléaires pourraient alimenter ces lampes à LED (similaires à celles utilisées en aéroponie) et permettre la culture alimentaire sur place.

Concept testé n° 3 : Serres spatiales gonflables

La NASA a également développé le concept de serres hydroponiques gonflables, avec un prototype de 18 pieds de long, 7 pieds de large et 3 pouces de diamètre testé par le Controlled Environment Agriculture Center de l’Université de l’Arizona.

Source: Inside Hook

Le fonctionnement de la serre gonflable suit le principe de l’hydroponie, que vous pouvez découvrir dans notre article dédié « Hydroponie – Tout ce que vous devez savoir ».

Pour les premières étapes de la colonie, les serres pliables ou gonflables seraient probablement une bonne option pour économiser la masse et l’espace dans les vaisseaux de transport.

Systèmes alimentaires spatiaux futurs

Il est nécessaire de distinguer la question de la culture alimentaire dans l’espace selon l’environnement, les trois situations principales étant les stations/spaceships spatiaux, les bases lunaires et les bases martiennes.

Cela crée des contraintes uniques qui façonneront différemment les possibilités de systèmes alimentaires dans chaque environnement.

Orbite & espace lointain

En raison de l’espace, mais aussi des contraintes de poids (un vaisseau plus lourd gaspillerait du carburant), les vaisseaux et stations spatiales ne sont pas susceptibles de cultiver toute leur nourriture. Il est plus probable que l’équipage soit réapprovisionné lorsqu’il est en orbite terrestre. Ils pourraient toutefois cultiver une quantité limitée d’aliments frais comme des légumes à feuilles ou des microalgues.

Les microalgues seraient particulièrement intéressantes si l’on constate que la meilleure façon de protéger l’équipage d’un vaisseau voyageant vers Mars est une épaisse couche d’eau (certaines estimations estiment qu’une couche d’eau d’un mètre de profondeur serait nécessaire pour protéger l’équipage contre les rayons cosmiques et les tempêtes solaires temporaires).

Nous pourrions donc voir chaque vaisseau et station spatiale en orbite autour de Mars équipés d’une salle d’abri contre les radiations utilisant beaucoup d’eau. Il serait alors logique d’utiliser cette eau également pour cultiver de la nourriture.

De tels systèmes sont déjà bien compris et utilisés pour des expériences en laboratoire, et des projets comme BRIC-LED montrent comment les adapter à l’espace & à l’apesanteur.

Source: MDPI

En bonus, l’air limité disponible nécessite également un recyclage intensif, auquel les plantes ou algues productrices d’oxygène pourraient contribuer.

Bases lunaires

Grâce à la possibilité d’apporter des modules préfabriqués ou du matériel pour l’impression 3D depuis la Terre voisine, l’espace devient beaucoup moins un problème. On s’attend également à ce que la Lune dispose d’une certaine quantité d’eau sur place, de sorte que la culture ne nécessiterait pas d’apporter des tonnes de liquides lourds en plus des engrais pour démarrer la culture en orbite.

Cela rend l’idée d’une base lunaire entièrement autonome, tant que la population reste dans les centaines ou les milliers, viable.

Cela constituerait également un excellent terrain d’essai pour toutes les méthodes de production alimentaire nécessaires plus tard sur Mars. Si, d’une manière ou d’une autre, une récolte entière échoue, obtenir un réapprovisionnement alimentaire d’urgence depuis la Terre à trois jours ne poserait pas de problème.

Cependant, la Lune est unique à certains égards. La nuit peut durer très longtemps, rendant impossible l’idée de serres dôme s’appuyant sur la lumière naturelle. Pour la même raison, les réacteurs nucléaires devront probablement fournir l’énergie au lieu de panneaux solaires.

Elle n’a également aucune atmosphère, réduisant la possibilité d’obtenir du CO₂ gratuit et d’équilibrer l’oxygène en excès. Ainsi, chaque système alimentaire lunaire devra être une boucle parfaitement fermée.

Cependant, la Lune possède une gravité (1/6 de celle de la Terre), ce qui rend l’hydroponie ou même l’aquaponie une option viable pour fournir des cultures et même de la viande aux astronautes de manière moins laborieuse que l’aéroponie. Vous pouvez lire comment l’aquaponie peut mêler aquaculture et hydroponie dans le même système dans notre article « Aquaponie – Tout ce que vous devez savoir ».

Scénarios d’agriculture lunaire

Les produits frais seront probablement cultivés localement pour fournir un apport en vitamines et un soutien moral aux astronautes.

Il n’est pas encore clair quelle sera la majeure partie des calories (protéines et glucides). En fin de compte, l’économie décidera si seule une partie ou la totalité de la nourriture des résidents lunaires sera produite sur place.

• Si il est moins cher de l’apporter de la Terre en vrac que de construire d’immenses installations de culture, seuls les produits frais seront cultivés sur la Lune.
• Sinon, si cela s’avère prohibitivement coûteux, des fermes semi‑automatisées d’aéroponie de pommes de terre, haricots et céréales pourraient être la solution pour réduire les coûts d’exploitation des bases lunaires.

Bases martiennes

Mars est extrêmement éloignée de la Terre. Produire de la nourriture localement sera à la fois une nécessité économique et une solution aux risques de sécurité.

Cela a été brillamment illustré dans le livre The Martian d’Andy Weir, plus tard adapté en film avec Matt Damon, où un astronaute bloqué recourt à la culture improvisée de pommes de terre pour survivre. Et le plus grand danger auquel il fait face n’est pas la radiation, le manque d’air ou le froid, mais la famine.

Source: Modern Farmer

L’objectif des bases martiennes diffère également de celui de la Lune. L’objectif ultime est une colonisation à part entière. Ainsi, si une population de quelques dizaines à centaines d’astronautes pouvait être soutenue à grand coût depuis la Terre, des dizaines de milliers ou des millions ne le pourraient jamais.

Cela signifie que Mars devra être entièrement autonome en matière de production alimentaire.

Les mêmes types de cultures que sur la Lune sont possibles : hydroponie ou aquaponie à grande échelle. Mais comme Mars possède une atmosphère et un jour d’une durée presque exactement de 24 heures, il est également possible de construire des serres de surface et de collecter le CO₂ dont les plantes ont besoin dans la fine atmosphère tout en extrayant la glace pour l’eau.

Il est également très probable que Mars possède, comme la Terre, des gisements locaux de phosphore, d’azote et de potassium qui peuvent être exploités et sont nécessaires à l’agriculture intensive.

Ces serres devront être chauffées, fertilisées et étanches, mais elles offriront une méthode de culture beaucoup plus efficace, résiliente et moins énergivore.

Rendre Mars fertile

Il pourrait également être bénéfique pour l’agriculture martienne de cultiver directement dans le sol, nécessitant moins de machines que l’hydroponie. Cela libérerait des équipements, de la main‑d’œuvre et des ressources pour d’autres usages.

Un problème à résoudre est que le sol martien (régolithe) est riche en peroxyde d’hydrogène (H2O2). Ce produit hautement oxydant peut tuer les plantes et les bactéries, surtout aux concentrations présentes sur Mars.

Heureusement, le peroxyde peut également être utilisé pour produire de l’oxygène. Cela a été démontré grâce à l’expérience Mars Oxygen In‑Situ Resource Utilization (MOXIE) testée sur le rover Perseverance. Nous pouvons donc facilement imaginer que de futures missions « exploiteront » le régolithe pour créer de l’oxygène pour les astronautes, ainsi que pour être utilisé comme carburant de fusée.

Puis, l’utilisation de ce régolithe traité, exempt de peroxyde, le transforme en sol fertile pour les serres.

Une autre option pourrait être de créer des étangs artificiels, peut‑être au-dessus de petits cratères, où les algues, coquillages d’eau douce et poissons pourraient pousser « à l’état sauvage » avec un entretien minimal, simplement en maintenant les dômes des serres chauds et étanches.

Autres technologies alimentaires spatiales

Jusqu’à présent, nous avons principalement abordé la culture alimentaire via l’aéroponie, l’hydroponie et l’aquaponie, ainsi que les serres étanches. Mais d’autres options pourraient également être explorées. L’une d’elles est la nourriture synthétique.

En 2021, des scientifiques chinois ont développé la première méthode de synthèse artificielle, sans cellules, d’amidon (C6H10O5) à partir de CO2. Étant donné que l’amidon est le principal composant calorique des céréales comme le riz, le maïs et le blé, cela mérite une attention particulière. D’ailleurs, l’atmosphère de Mars est composée à 95 % de CO₂.

Source: Science.org

Le système utilisait un catalyseur à base de zirconium et a atteint un taux de synthèse environ 8,5 fois supérieur à celui de la synthèse d’amidon dans le maïs.

Ainsi, nous pourrions imaginer un module intégré et automatisé qui synthétise de l’amidon en continu, littéralement à partir de l’air. Cela pourrait fournir la majeure partie des calories nécessaires pour l’alimentation animale ou les denrées de base humaines, tandis que l’agriculture traditionnelle se concentrerait uniquement sur des aliments de haute qualité et riches en vitamines.

Dans tous les cas, nous pouvons imaginer que de tels systèmes fonctionnent de manière autonome avant même qu’aucun astronaute n’atterrisse sur Mars, afin de créer sur place, avant l’atterrissage, une énorme réserve de calories pour éviter un scénario comme dans The Martian.

D’autres options existent également, notamment d’autres types d’aliments synthétiques, y compris des protéines (voir ci‑dessous le Solein de Solar Foods), ou de la viande cultivée en laboratoire, ou des substituts de viande comme une viande à base de champignons testée à bord de l’ISS en 2022, produite par la société Nature’s Fynd.

Entreprises d’aliments spatiaux

1. Aleph Farms

Aleph Farm a réalisé la croissance du premier steak de viande cultivée en microgravité à bord de l’ISS lors de la mission Rakia. Comme toute forme d’élevage pourrait être impossible aux premiers stades de la colonisation spatiale, la viande sera probablement produite uniquement par ce type de méthode.

Ayant déjà testé le processus en microgravité, Aleph Farms est en avance sur la plupart des autres entreprises de viande cultivée sur le marché des aliments spatiaux. Israël a approuvé ses produits carnés pour la commercialisation en 2024.

La société travaille également à produire collagènesans abattage, un ingrédient clé dans de nombreux produits alimentaires, cosmétiques et médicaux.

2. Solar Foods

Cette entreprise cherche à « produire de la nourriture à partir de l’air ». Elle a levé 8 millions d’euros à la fin de 2023 pour poursuivre cet objectif.

Le concept consiste à utiliser l’électricité pour décomposer l’eau en oxygène et en hydrogène, puis à utiliser l’hydrogène, ainsi que le CO₂ atmosphérique et les nutriments minéraux, pour nourrir des micro‑organismes qui produiront une poudre sèche composée à 70 % de protéines.

Commercialisée sous la marque Solein, cette source de protéines contenant les 9 acides aminés essentiels peut être incorporée à d’autres ingrédients pour créer une source nutritionnelle très dense.

Source: Solar Foods

L’entreprise cible explicitement le marché de l’exploration spatiale. Cependant, elle envisage également qu’à long terme, elle pourrait révolutionner la production alimentaire sur Terre, car elle offre une source de protéines qui convertit l’énergie en protéines très efficacement.

“Nous nourrissons le microbe comme on nourrirait une plante, mais au lieu de l’arroser et de le fertiliser, nous utilisons simplement de l’air et de l’électricité. Avec notre procédé actuel, c’est 20 fois plus efficace que la photosynthèse (et 200 fois plus que la viande).”

Solar Foods a reçu la première autorisation réglementaire de nouvel aliment pour le Solein de la Singapore Food Agency (SFA) en septembre 2022.

Adapter l’alimentation spatiale

Tout au long de l’histoire, la culture alimentaire et la nutrition ont dû s’adapter à leur environnement. Cela était vrai pour les agriculteurs cultivant du riz sur des terrasses en Asie jusqu’aux Inuits qui dépendent presque exclusivement d’un régime à base de viande.

L’espace ne sera pas différent, bien qu’il possède la particularité d’avoir absolument aucune fertilité naturelle ni écosystème sauvage. Cela signifie que toute production alimentaire spatiale dépendra entièrement de machines ou d’écosystèmes conçus de toutes pièces par l’homme.

Des systèmes hautement compacts et efficaces comme la nourriture synthétique ou l’aéroponie domineront probablement dans les environnements les plus hostiles, comme les vaisseaux spatiaux ou la Lune sans air.

Sur des planètes comme Mars, quelque chose de plus proche de l’agriculture traditionnelle pourrait être possible. La lumière naturelle travaillerait de concert avec les lampes à LED et des systèmes agricoles ultra‑efficaces à l’intérieur de serres étanches et chauffées.

Comme c’est souvent le cas avec les technologies spatiales, ce concept pourrait également avoir un impact majeur sur la Terre. Notre quotidien utilise déjà des technologies initialement développées pour l’espace, comme des filtres à eau, des microprocesseurs, des outils sans fil, des lentilles anti-rayures ou des détecteurs de fumée.

Il est possible que dans quelques décennies, l’amidon et les protéines synthétiques, les fermes d’aéroponie automatisées et les serres ultra‑efficaces à déployer dans les régions désertiques et l’Arctique soient ajoutés à cette liste.