Colonies spatiales : comment la photosynthèse artificielle peut être la clé d'une vie durable au-delà de la Terre

7 juin 2023

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par Katharina Brinkert, La Conversation

La vie sur Terre doit son existence à la photosynthèse, un processus vieux de 2,3 milliards d'années. Cette réaction extrêmement fascinante (et encore mal comprise) permet aux plantes et à d'autres organismes de récolter la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone tout en les convertissant en oxygène et en énergie sous forme de sucre.

La photosynthèse fait tellement partie intégrante du fonctionnement de la Terre que nous la tenons pour acquise. Mais alors que nous cherchons au-delà de notre propre planète des endroits à explorer et à habiter, il est évident à quel point le processus est rare et précieux.

Comme mes collègues et moi l'avons étudié dans un nouvel article publié dans Nature Communications, les progrès récents dans la fabrication de la photosynthèse artificielle pourraient bien être la clé pour survivre et prospérer loin de la Terre.

Le besoin humain en oxygène rend les voyages spatiaux délicats. Les contraintes de carburant limitent la quantité d'oxygène que nous pouvons emporter avec nous, en particulier si nous voulons faire des voyages long-courriers vers la lune et Mars. Un aller simple vers Mars prend généralement de l'ordre de deux ans, ce qui signifie que nous ne pouvons pas facilement envoyer des ressources depuis la Terre.

Il existe déjà des moyens de produire de l'oxygène en recyclant du dioxyde de carbone sur la Station spatiale internationale. La majeure partie de l'oxygène de l'ISS provient d'un processus appelé "électrolyse", qui utilise l'électricité des panneaux solaires de la station pour séparer l'eau en hydrogène gazeux et oxygène gazeux, que les astronautes respirent. Il dispose également d'un système séparé convertissant le dioxyde de carbone que les astronautes respirent. dans l'eau et le méthane.

Mais ces technologies sont peu fiables, inefficaces, lourdes et difficiles à maintenir. Le processus de génération d'oxygène, par exemple, nécessite environ un tiers de l'énergie totale nécessaire pour faire fonctionner l'ensemble du système d'ISS prenant en charge "le contrôle de l'environnement et le maintien de la vie".

La recherche de systèmes alternatifs utilisables sur la Lune et lors des voyages vers Mars est donc en cours. Une possibilité est de récolter l'énergie solaire (qui est abondante dans l'espace) et de l'utiliser directement pour la production d'oxygène et le recyclage du dioxyde de carbone dans un seul appareil.

La seule autre entrée dans un tel appareil serait de l'eau, similaire au processus de photosynthèse qui se déroule dans la nature. Cela contournerait les configurations complexes où les deux processus de récolte de lumière et de production chimique sont séparés, comme sur l'ISS.

C'est intéressant car cela pourrait réduire le poids et le volume du système, deux critères clés pour l'exploration spatiale. Mais ce serait aussi plus efficace.

Nous pourrions utiliser l'énergie thermique (chaleur) supplémentaire libérée pendant le processus de capture de l'énergie solaire directement pour catalyser (allumer) les réactions chimiques, les accélérant ainsi. De plus, le câblage et la maintenance complexes pourraient être considérablement réduits.

Nous avons produit un cadre théorique pour analyser et prédire les performances de tels dispositifs intégrés de "photosynthèse artificielle" pour des applications sur la Lune et sur Mars.

Au lieu de la chlorophylle, qui est responsable de l'absorption de la lumière dans les plantes et les algues, ces dispositifs utilisent des matériaux semi-conducteurs qui peuvent être enrobés directement de simples catalyseurs métalliques supportant la réaction chimique souhaitée.

Notre analyse montre que ces dispositifs seraient en effet viables pour compléter les technologies de survie existantes, telles que l'ensemble générateur d'oxygène utilisé sur l'ISS. C'est particulièrement le cas lorsqu'il est associé à des dispositifs qui concentrent l'énergie solaire afin d'alimenter les réactions (essentiellement de grands miroirs qui concentrent la lumière solaire entrante).

Il existe également d'autres approches. Par exemple, nous pouvons produire de l'oxygène directement à partir du sol lunaire (régolithe). Mais cela nécessite des températures élevées pour fonctionner.

Les dispositifs de photosynthèse artificielle, en revanche, pourraient fonctionner à température ambiante à des pressions trouvées sur Mars et la Lune. Cela signifie qu'ils pourraient être utilisés directement dans les habitats et utiliser l'eau comme principale ressource.

Ceci est particulièrement intéressant compte tenu de la présence stipulée d'eau glacée dans le cratère lunaire Shackleton, qui est un site d'atterrissage prévu dans les futures missions lunaires.

Sur Mars, l'atmosphère se compose de près de 96 % de dioxyde de carbone, ce qui semble idéal pour un appareil de photosynthèse artificielle. Mais l'intensité lumineuse sur la planète rouge est plus faible que sur Terre en raison de la plus grande distance du Soleil.

Cela poserait-il alors un problème ? Nous avons en fait calculé l'intensité de la lumière solaire disponible sur Mars. Nous avons montré que nous pouvons effectivement utiliser ces dispositifs là-bas, même si les miroirs solaires deviennent encore plus importants.

La production efficace et fiable d'oxygène et d'autres produits chimiques ainsi que le recyclage du dioxyde de carbone à bord des engins spatiaux et dans les habitats est un énorme défi que nous devons maîtriser pour les missions spatiales à long terme.

Les systèmes d'électrolyse existants, fonctionnant à des températures élevées, nécessitent un apport énergétique important. Et les dispositifs de conversion du dioxyde de carbone en oxygène sur Mars en sont encore à leurs balbutiements, qu'ils soient basés sur la photosynthèse ou non.

Plusieurs années de recherche intense sont donc nécessaires pour pouvoir utiliser cette technologie dans l'espace. Copier les éléments essentiels de la photosynthèse de la nature pourrait nous offrir certains avantages, nous aidant à les réaliser dans un avenir pas trop lointain.

Les retours seraient énormes. Par exemple, nous pourrions en fait créer des atmosphères artificielles dans l'espace et produire des produits chimiques dont nous avons besoin pour des missions à long terme, comme des engrais, des polymères ou des produits pharmaceutiques.

De plus, les informations que nous tirons de la conception et de la fabrication de ces appareils pourraient nous aider à relever le défi de l'énergie verte sur Terre.

Nous avons la chance d'avoir des plantes et des algues pour produire de l'oxygène. Mais des dispositifs de photosynthèse artificielle pourraient être utilisés pour produire de l'hydrogène ou des carburants à base de carbone (au lieu de sucres), ouvrant ainsi une voie verte pour la production de produits chimiques riches en énergie que nous pouvons stocker et utiliser dans les transports.

L'exploration de l'espace et notre future économie énergétique ont un objectif à long terme très similaire : la durabilité. Les dispositifs de photosynthèse artificielle pourraient bien devenir un élément clé de sa réalisation.

Plus d'information: Byron Ross et al, Évaluation de la viabilité technologique des dispositifs photoélectrochimiques pour la production d'oxygène et de carburant sur la Lune et Mars, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-38676-2

Informations sur la revue :Communication Nature

Fourni par La Conversation

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.