MELiSSA, l'écosystème en bouteille
Depuis près de quarante ans, l'Agence spatiale européenne construit un écosystème artificiel capable de nourrir un équipage et de lui fournir son oxygène, sans ravitaillement. Visite d'une usine pilote près de Barcelone, où les cobayes sont des rats.
Sur Terre, personne ne se demande qui recycle l'air. Des plantes absorbent le dioxyde de carbone, des bactéries décomposent les déchets, l'eau circule, et l'ensemble tient depuis des milliards d'années. Reproduire ce service dans un volume clos de quelques dizaines de mètres cubes est une autre affaire. C'est l'objet du programme MELiSSA, pour Micro-Ecological Life Support System Alternative, mené par l'Agence spatiale européenne avec des partenaires d'une dizaine de pays depuis la fin des années 1980.
Une idée née en 1987
L'histoire commence en août 1987. Un écosystème artificiel très simplifié, réduit à deux souches de micro-organismes, part pour cinq jours d'apesanteur à bord d'une capsule chinoise. Les algues survivent, et l'idée d'une boucle complète prend forme. Autour d'elle se regroupent des industriels et des universitaires : Claude Chipaux et Daniel Kaplan, de Matra Espace, le professeur Max Mergeay, du centre nucléaire belge SCK, le professeur Willy Verstraete, de l'université de Gand, et des chercheurs du CNRS. Leur intention de départ est modeste dans sa formulation et vaste dans ses conséquences : recycler déchets et dioxyde de carbone à bord d'un vaisseau grâce à des bactéries. En 1993, les fondateurs formalisent leur coopération, et le consortium s'élargit ensuite.
Cinq compartiments et un équipage
La boucle MELiSSA se lit comme une chaîne de digestion, répartie entre quatre compartiments de micro-organismes et de plantes, plus un cinquième : l'équipage.
Le premier, dit de liquéfaction, reçoit les déchets organiques, les parties non comestibles des plantes, le papier. Des bactéries thermophiles y travaillent sans oxygène et les ramènent à des produits simples : dioxyde de carbone, acides gras volatils, ammoniac. Le deuxième élimine ces acides gras grâce à des bactéries photosynthétiques qui n'ont pas besoin d'oxygène, et transforme le carbone organique en carbone minéral.
Le troisième est le compartiment de nitrification. Deux espèces y vivent en biofilm sur un lit fixe : Nitrosomonas europaea, qui oxyde l'ammonium en nitrite, puis Nitrobacter winogradskyi, qui oxyde le nitrite en nitrate. C'est sous cette dernière forme que l'azote devient utilisable par les plantes.
Le quatrième est double. Une moitié est occupée par une cyanobactérie, la spiruline (Limnospira indica, longtemps rangée dans le genre Arthrospira), qui consomme le dioxyde de carbone et produit de l'oxygène et une biomasse comestible. L'autre moitié est réservée aux plantes supérieures : une trentaine d'espèces sont envisagées, pour assimiler davantage de dioxyde de carbone et offrir un régime supportable. Puis vient le compartiment cinq, celui qui respire, mange et produit les déchets du compartiment un.
Une usine pilote, et des rats pour équipage
Ce schéma est testé en vrai. L'usine pilote MELiSSA est un laboratoire externe de l'ESA installé sur le campus de l'Universitat Autònoma de Barcelona, à Bellaterra, dans le laboratoire qui porte le nom de Claude Chipaux. Sa deuxième génération a été inaugurée le 4 juin 2009. Elle fonctionne selon un système qualité ISO 9001, certifié sans interruption depuis 2011, et la méthode y est patiente : comprendre chaque compartiment, le faire tourner seul, puis le raccorder aux autres. Le travail est financé par l'ESA avec plusieurs États membres, l'Espagne au premier rang.
Comme on ne peut pas enfermer des volontaires humains dans une boucle encore imparfaite, l'équipage est maquetté par des rats. L'intégration la plus avancée a été publiée en 2021 par David Garcia-Gragera, Francesc Gòdia et leurs collègues. Trois compartiments y sont reliés : le nitrificateur, un réacteur de 7 litres ; le photobioréacteur, de 83 litres dont 55 éclairés ; et un isolateur animal de 1 550 litres, avec trois rats. Le photobioréacteur a été dimensionné pour couvrir la respiration d'un être humain, soit 0,84 kilogramme d'oxygène par jour.
Les résultats sont encourageants et instructifs. La liaison liquide entre nitrificateur et photobioréacteur a tenu 276 jours, la liaison gazeuse entre photobioréacteur et isolateur environ 110 jours. La conversion de l'ammonium est restée proche de 100 %, et la production d'oxygène, entre 1,5 et 2,1 grammes par heure selon les essais, a couvert la demande des animaux. Mais le dioxyde de carbone dans l'isolateur s'est maintenu entre 1,2 et 1,6 %, bien au-dessus de la limite admissible pour un humain, inférieure à 0,5 %. Les auteurs relèvent aussi que le nitrite, au-delà d'une certaine concentration, semble gêner la photosynthèse. Fermer une boucle, c'est découvrir que chaque organisme a ses exigences.
Et sur Terre ?
Les retombées sont déjà là, et portent surtout sur l'eau. Les membranes mises au point pour MELiSSA, aux pores d'environ 0,0001 millimètre, retiennent les nitrates. Un système de recyclage des eaux grises issu de ces travaux fonctionne depuis une quinzaine d'années à la station antarctique Concordia, perchée à 3 200 mètres et à plus de 1 100 kilomètres des côtes, et récupère jusqu'à 80 % de ces eaux. Le même matériel a été installé en 2020 sur les terrains d'entraînement de Roland-Garros, où l'eau des douches sert aux toilettes. Près de Kenitra, au Maroc, une unité alimentée par le solaire et l'éolien traite pour une école une eau souterraine trop chargée en nitrates, avec l'UNESCO et l'université de Kenitra. D'autres unités, mobiles, traitent des eaux usées urbaines ; une entreprise née du programme récupère même l'azote et le phosphore de l'urine.
La marche « Boucle Fermée Intégrale » (voir la marche J-CRW-01) veut reprendre là où s'arrêtent ces démonstrations : faire tourner pendant des années un écosystème artificiel qui fournit toute la nourriture et tout l'oxygène d'un équipage, sans aucun ravitaillement. Le verrou qu'elle désigne n'est pas la spiruline ni la salade, mais la minéralisation des déchets récalcitrants, fibres et matières fécales, dont le laboratoire ne dégrade aujourd'hui qu'environ 70 % ; elle vise plus de 90 % en continu, puis le raccordement d'un compartiment de plantes supérieures, jamais intégré à ce jour, et enfin un démonstrateur habité d'au moins douze mois. Le record humain reste chinois : 370 jours dans l'installation Lunar Palace 1, à l'université Beihang, avec huit volontaires en deux équipes, 98,2 % de fermeture du système, mais seulement 73 % de la nourriture produite sur place en masse sèche.
Sur Terre, une telle boucle intéresse les éco-quartiers, les bases polaires et les villages isolés, qui pourraient transformer sur place déchets et eaux usées en eau, nourriture et engrais. Aucun vaisseau ne partira pour un siècle sans ce socle, et aucune base isolée ne devient autonome sans lui.