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Les lois de Kepler imposant leurs contraintes aux voyages de la Terre vers Mars, aucun envoi vers Mars ne peut avoir lieu en dehors des fenêtres de lancements ouvertes depuis la Terre tous les 26 mois. En marge de ces fenêtres, le coût énergétique du transport devient très rapidement prohibitif avant d’être technologiquement totalement impossible. Par ailleurs, compte tenu de la capacité d’emport de nos fusées, il est inconcevable de transporter la totalité ou même une partie importante de la masse des produits alimentaires nécessaires pour un cycle synodique, à un établissement regroupant quelques dizaines de personnes. La conséquence est que la quasi-totalité de la nourriture d’une colonie humaine sur Mars devra être produite sur Mars.
Élever des animaux est plus difficile que de faire pousser des plantes et il est impossible de faire pousser ou d’élever quoi que ce soit en dehors d’un environnement pressurisé. Par conséquent, la production alimentaire sera essentiellement végétale et devra être pratiquée dans des serres, des aquariums et, accessoirement, dans des habitats viabilisés spécialisés pour animaux de petite taille. Les producteurs d’aliments auront trois objectifs: quantité, variété, qualité organoleptique et trois considérations spéciales: maintenir un environnement sain pour leurs produits (tous seront des êtres vivants), une qualité énergétique et diététique maximale pour un volume et une masse minimale pour le consommateur, une quantité de déchets non-réutilisables minimum.
Mars présente d’énormes avantages par rapport à d’autres endroits en dehors de la Terre: (1) elle offre une gravité minimale (0,38 g) qui permet la verticalité et l’écoulement de l’eau; (2) l’éclairement énergétique du soleil (“irradiance”) au niveau de son orbite (entre 492 et 715 W/m2 contre 1321 à 1413 pour la Terre) est tel qu’il vaut la peine d’utiliser la lumière naturelle ; (3) son rythme circadien, avec des nuits de longueur acceptable (à la différence de la Lune), facilitera la culture de plantes supérieures et l’élevage des animaux; (4) son atmosphère est constituée à près de 96% de gaz carbonique, dont les plantes ont besoin; (5) il y a de la glace d’eau disponible dans de nombreux endroits, y compris la zone intertropicale; (6) de l’azote peut être extrait de l’atmosphère.
Produire des aliments sera loin d’être aussi facile sur Mars que sur Terre mais nous pourrons y parvenir. Voyons les différents points importants:
(1) la densité atmosphérique étant trop basse (moins du centième de celle de la Terre, 6 millibars en moyenne au niveau d’altitude moyen -“Datum”), les gaz atmosphériques respirables, contenus dans des serres, devront être pressurisés, ce qui est pratiqué couramment ; la difficulté, maîtrisable, étant la différence de pression entre extérieur et intérieur, donc les risques de fuites et les risques de faiblesse structurelle des serres. Le plus on réduira cette différence, le mieux ce sera.
(2) la plupart des êtres vivants ont besoin d’oxygène et ce gaz devra être produit sur Mars puis diffusé dans les serres; on pourra l’obtenir à partir du CO2 de l’atmosphère (réaction de Sabatier, avec apport d’hydrogène issue de la glace d’eau martienne, mais aussi du travail « naturel » des spirulines – voir plus bas). NB: on exclut la décomposition thermique du CO2 trop coûteuse en énergie.
(3) Il faudra veiller à un bon « mix » atmosphérique pour les plantes ; on devra maintenir des quantités et des pourcentages comparables à ceux que l’on a sur Terre, l’oxygène aux environ de 21% car il faut éviter l’hyperoxie aussi bien que l’hypoxie, le gaz carbonique jusqu’à 1000 ppm (environ 1% du total terrestre) mais pas tout le temps (c’est l’optimum pour la photosynthèse…lorsque la lumière est suffisante mais les besoins varient en fonction de la lumière et de l’évolution du cycle végétatif au long des saisons). La solution pour maintenir la quantité de ces deux gaz tout en baissant la pression, est de maintenir leurs quantités optimales en valeur absolue et de réduire la quantité d’azote, gaz tampon, neutre. On pourrait ainsi descendre jusqu’à 0,52 bars. En dessous d’une quantité minimum de gaz neutre, les risques d’incendie deviendraient trop grands et l’oxygène seraient trop agressifs pour les systèmes respiratoires. A noter que les 1000 ppm de gaz carbonique sont valables pour les plantes mais pas pour les hommes ni les animaux (niveaux actuels sur Terre 400 ppm et c’est un taux historiquement élevé).
(4) la lumière naturelle pourrait être insuffisante pendant les longs mois de l’hiver martien austral (l’irradiance descend en dessous de 500 W/m2) ou pendant les tempêtes de poussière; elle devra donc être complétée par une lumière artificielle (ce qui représente un coût en énergie) ; nous estimons (travaux de Richard Heidmann) la puissance moyenne de l’éclairage auxiliaire nécessaire pour 1 000 habitants à 15 MW (plusieurs milliers de tubes lumineux !);
(5) la température moyenne sur Mars est froide et les serres devront donc être chauffées (ce qui coûte aussi de l’énergie!); une partie non négligeable de la puissance de chauffage nécessaire pourra être extraite de la source «froide» des générateurs nucléaires, principale énergie à laquelle les résidents devront recourir ;
(6) dans les serres, les volumes disponibles pour la croissance des plantes seront limités; nous devrons donc cultiver des plantes avec les meilleurs ratios volume + masse sur valeur nutritive ou élever des animaux offrant l’apport nutritionnel le plus élevé par rapport à leur masse;
(7) pour la même raison (volume viabilisé réduit), les infections microbiennes pourront se propager très rapidement et nous devrons faire très attention à la contamination microbienne.
Les premiers organismes qu’on devra cultiver seront des spirulines, des algues vertes qui sont des bactéries, respirent le gaz carbonique et rejettent de l’oxygène. Cet oxygène sera utilisé par tous les êtres vivants y compris les plantes supérieures, les animaux et l’homme qui le respireront. Leurs déchets métaboliques organiques, seront utilisés pour nourrir de nouveaux êtres vivants qui seront à leur tour exploités. En résumé, nous devrons essayer de recréer au mieux, dans un environnement limité d’habitats pour les hommes, de serres, de réservoirs et d’habitats pour animaux, un « système de support de vie micro-écologique alternatif ». C’est exactement ce à quoi travaillent les équipes du programme MELiSSA (ESA/ESTEC) et c’est le meilleur concept imaginable pour maintenir l’équilibre dans une boucle dynamique, c’est-à-dire sans qu’il soit nécessaire de faire intervenir autre chose de l’extérieur pour le maintenir (l’avantage recherché étant l’absence – ou au moins un minimum – d’importations de produits chimiques de la Terre).
La plupart des produits à consommer et à assimiler et digérer par l’homme seront des légumes, des céréales et/ou pseudo-céréales (quinoa) et des petits fruits (baies) ainsi que des spirulines, déjà mentionnées pour l’oxygène, (très riches en protéines, y compris des acides aminés essentiels et de qualité organoleptique tout à fait acceptable). Mais le poisson (tilapia) pourra être élevé assez tôt dans des bassins (dont l’eau pourrait servir de filtre contre les radiations) et, au fil des années, on pourrait importer des volailles (pour les œufs!) et des petits animaux, lapins et, idéalement mais ce sera plus difficile, des chèvres (lait et fromage!) et / ou des porcs (chair). Les principales préoccupations concernant les animaux terrestres étant les nombreux mois nécessaires au voyage (le peu de place disponible et la nécessité de restituer une gravité artificielle minimum pendant le vol – on espère pouvoir le faire!) et, tout le temps, la nécessité de prendre soin de leur environnement microbien, microbiotes et microbiomes (à l’intérieur et à l’extérieur des animaux), en relation avec celui des plantes et celui des êtres humains.
La surface minimale pour faire croître des végétaux en quantité suffisante pour l’alimentation d’une personne est estimée de 60 à 100 mètres carrés selon le cultivar et le mode de culture. Construire des volumes viabilisés sous une pression acceptable (au minimum 0,52 bars comme vu ci-dessus) coûtera très cher et sera très consommateur de travail et de temps, nous devrons donc les utiliser le plus intensivement qu’il est possible, c’est-à-dire construire plusieurs niveaux de culture dans le même volume. Un bon exemple de ce que nous pourrions faire est expérimenté dans certaines exploitations de « fermes urbaines », comme le «Sky Green Vertical Farming System», de Singapour : les bacs de culture sont actionnés dans une noria verticale par la constante évolution de leur poids (ils sont plus lourds après avoir été arrosés et s’allègent avec leur respiration et l’évaporation de l’eau). Le cadre de la noria peut atteindre 9 mètres de haut avec 38 niveaux de bacs (nous n’aurions pas besoin d’une telle hauteur sur Mars, mais ces caractéristiques impliquent la faisabilité de l’installation d’une noria plus petite – sans doute de quelques 2,5 à 3 mètres de hauteur). La rotation permet de s’assurer que les plantes reçoivent une lumière, une irrigation et des nutriments uniformes, par leur passage aux différents points de la structure. Le système consomme très peu d’énergie. Sur Mars, les nutriments ne seront pas disséminés dans le sol, afin de limiter les pertes et de mieux contrôler les échanges, mais seront directement acheminés vers la plante par hydroponie dans les bacs, le support étant constitué de perles minérales neutres biochimiquement, obtenues à partir de régolithe martien (débarrassé de ses perchlorates) et facilement contrôlables pour son contenu microbien.
Les risques de maladies contagieuses seront très préoccupants car leur diffusion sera très facile et rapide du fait des volumes habitables limités (pas d’effet tampon résultant de grands volumes). Par conséquent, le contrôle microbien sera essentiel (il devra y avoir des capteurs biologiques partout), les contacts entre êtres vivants (ou plus précisément leurs microbiomes) devront être limités au maximum, ce qui implique que les cultures soient robotisées (l’agriculture de loisir par main de l’homme n’est pas recommandée). Il devra y avoir autant, de serres, d’aquariums ou d’habitats pour animaux, que possible et ils devront être bien séparés les uns des autres (sas). Un équilibre sera à trouver en fonction de nos capacités technologiques pour construire des serres et de l’efficacité du travail des robots en fonction des volumes à traiter.
Au-delà de la culture proprement dite, une autre préoccupation sera d’adapter le rythme de production aux besoins nutritifs des résidents, tout au long des cycles synodiques car les aliments sont périssables ! Un stockage approprié est la première solution et à cet égard le conditionnement sous vide et la congélation seront facilement réalisables. Au-delà, les avantages de disposer de lumière artificielle complémentaire et, d’une manière générale, de contrôler l’environnement de croissance dans de multiples lieux viabilisés différents, permettront d’adapter la quantité et de privilégier telle ou telle longueur d’onde du spectre (choix du bleu ou du rouge) de la lumière, la température, l’humidité, au cycle et aux besoins spécifiques de chaque plante. Nous aurons des fraises et des tomates en hiver et des pommes en été, la flexibilité pouvant facilement être étendue à n’importe quelle cultivar (même si nous préférerons ne pas dépenser trop d’énergie pendant l’hiver austral).
Les déchets sont le dernier problème à considérer. Compte tenu de la rareté de la matière organique sur Mars, l’objectif sera la récupération et le recyclage total. On se fixera donc un objectif « zéro déchet » mais il sera évidemment difficile à atteindre (on se trouvera certainement sur une courbe asymptotique). La nitrification de rejets métaboliques ou de parties non consommables des végétaux (et des animaux !) sera pratiquée dans la boucle du système de support vie et les systèmes de collecte devront être adaptés; quand des animaux pourront être élevés, les chèvres (ou les porcs) consommeront beaucoup de ce que les humains ne peuvent ingérer; d’autres déchets pourront être transformés par un processus chimique ou physique (tiges, coques, noyaux, coquilles, os) transformés, compressés pour produire divers objets utiles ou (matières organiques) être utilisés pour commencer à bonifier certaines parcelles de sol martien libérées de leurs perchlorates.
Une nourriture acceptable est un élément essentiel de l’attrait d’un long séjour sur Mars (18 mois). Tous les résidents l’apprécieront, en particulier les touristes qui devraient fournir une part non négligeable des revenus de la colonie. Nous devrions pouvoir leur donner satisfaction aussi rapidement que possible (peut-être dès le troisième cycle synodique – moins de 8 ans – suivant le premier voyage). Cela fait partie des considérations à prendre en compte pour créer une base martienne économiquement viable.
Liens :
fermes urbaines:
http://www.skygreens.com/
Towards a closed life support system loop:
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Melissa
Microbial control:
http://planetaryprotection.nasa.gov/file_download/97/MIDASS-ESA.pdf
Production agricole en milieu fermé, artificialisé et isolé par Jean DUNGLAS Membre de l’Académie d’agriculture de France. Manuscrit révisé le 31 mai 2018 – Publié le 14 juin 2018
https://www.academie-agriculture.fr/sites/default/files/agenda/jdunglasmilieuxfermes.pdf
ESTEE, Earth Space Technical Ecosystem Enterprises: http://est2e.com/
Image à la une : intérieur de la ferme urbaine de Skygreens à Singapour, crédit Sky Urban Solutions, Singapore.
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Index L’appel de Mars 02 04 19