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Au lieu de construire des structures sur Mars, nous pourrions les faire pousser à l’aide de bactéries

La NASA et l’Agence spatiale nationale chinoise (CNSA) prévoient de monter les premières missions avec équipage vers Mars au cours de la prochaine décennie. Celles-ci commenceront par le lancement d’un équipage en 2033, avec des missions de suivi lancées tous les 26 mois pour coïncider avec le fait que Mars et la Terre soient au point le plus proche de leurs orbites. Ces missions culmineront avec la création d’avant-postes que les futurs astronautes utiliseront, menant éventuellement à des habitats permanents. Au cours des dernières décennies, la NASA a mené des études de conception et des concours (comme le Défi de l’habitat imprimé en 3D) pour étudier les conceptions et les méthodes de construction possibles.

Par exemple, dans le Architecture de référence de conception de Mars 5.0, la NASA décrit une architecture « de banlieue » basée sur un « habitat monolithique situé au centre » d’habitats gonflables légers. Cependant, une nouvelle proposition envisage la création d’une base utilisant des organismes qui extraient les métaux du sable et de la roche (un processus connu sous le nom de biominéralisation). Plutôt que de transporter des matériaux de construction ou des modules préfabriqués à bord d’un vaisseau spatial, les astronautes à destination de Mars pourraient apporter des cultures de bactéries synthétiques qui leur permettraient de développer leurs habitats à partir de la planète rouge elle-même.

Le concept, connu sous le nom de “blocs de construction auto-croissants activés par la biominéralisation pour l’équipement de l’habitat sur Mars”, a été proposé par Dr Congrui Grace Jin – professeur adjoint de génie civil et environnemental à l’Université du Nebraska-Lincoln. Sa proposition était l’une des nombreuses sélectionnées par le Concepts avancés innovants de la NASA (NIAC) pour le développement de la phase I, qui comprend une subvention de 12 500 $. Ce programme fait des sollicitations annuelles pour des concepts avancés, innovants et techniquement réalisables qui aident les missions de la NASA et font avancer les objectifs d’exploration spatiale de l’agence.

Depuis les années 1990, plusieurs architectures ont été élaborées pour des missions en équipage vers Mars, qui ont toutes souligné la nécessité de maintenir une masse de lancement faible. Des suggestions sur la manière dont cela pourrait être accompli incluent des modules gonflables. Mais comme le Dr Jin l’a souligné dans sa proposition, les structures physiques utilisées pour équiper les modules gonflables ne peuvent pas être transportées par un vaisseau spatial avec équipage et nécessitent généralement un deuxième véhicule pour les lancer. C’est un défi logistique pour les missions et augmente considérablement les coûts de lancement.

Une autre possibilité consiste à utiliser les ressources locales pour réduire la quantité de fournitures à transporter – un processus connu sous le nom de Utilisation des ressources in situ (ISRU). Les exemples vont de la Mars direct proposition rédigée en 1991 par le Dr Robert Zubrin et ses collègues du centre de recherche Ames de la NASA à la NASA Voyage vers Mars programme lancé en 2010. Pour les missions vers Mars, cela inclurait l’utilisation de régolithe local pour créer des matériaux de construction et de la glace d’eau pour la consommation des astronautes, l’irrigation et pour créer du propulseur et de l’oxygène gazeux.

Cependant, cette architecture de mission nécessite des équipements (comme des imprimantes 3D robotisées) pour être transportés vers Mars. De plus, de nombreuses conceptions d’habitats imprimés ISRU-3D nécessitent encore des modules gonflables, qui fournissent un échafaudage pour les structures imprimées en 3D. Pour sa proposition, le Dr Jin suggère qu’au lieu d’expédier des éléments préfabriqués ou des machines sur Mars, des habitats pourraient être réalisés grâce à une construction in situ utilisant des cyanobactéries et des champignons comme agents de construction. Universe Today a récemment interviewé le Dr Jin via Zoom, qui a expliqué le chemin qui a conduit à sa proposition NAIC :

« Ces dernières années, je travaillais sur le béton autocicatrisant. Ainsi, lorsque le béton génère des fissures, nous utilisons des bactéries ou des champignons pour inciter les biominéraux à cicatriser les fissures. Et puis nous pensons à d’autres possibilités, comme des matériaux auto-croissants. Donc, on aurait des particules de sol ou des agrégats, nous voulons utiliser des champignons ou des bactéries pour les transformer en un corps cohésif.

“Ce sera très important s’il n’y a pas de travail humain, en particulier sur Mars. Ils peuvent le faire automatiquement. Nous proposons qu’au lieu d’expédier des matériaux de la Terre à Mars, nous puissions utiliser directement des matériaux in situ. De l’échantillon, du sol, de l’atmosphère et de l’eau sur Mars, nous pouvons simplement apporter des bactéries ou des spores fongiques et ils construiront les briques pour nous.

Vue d’artiste de robots assemblant le concept Sprout à l’aide de briques de type lego. Crédit : Mars City Design/Giuseppe Calabrese

La clé est la « biominéralisation », un processus par lequel les bactéries et les spores peuvent assembler des minéraux comme le carbonate de calcium (CaCO3), autrement connu sous le nom de calcaire. Les scientifiques savaient qu’il y avait du calcaire et d’autres carbonates sur Mars, comme l’a démontré le Pheonix Mars Lander qui a trouvé des traces de CaCO3 sur son site d’atterrissage en 2008. Cela a été confirmé par l’analyse ultérieure d’échantillons menée par les rovers Spirit et Opportunity et la cartographie minérale. menée par des missions comme celle de la NASA Orbiteur de reconnaissance de Mars (MRO).

Selon la proposition du Dr Jin, les futures missions pourraient être équipées de « boîtes à outils de biologie synthétique » pour créer des systèmes de lichens synthétiques (cyanobactéries diazotrophes et champignons filamenteux). Ceux-ci transformeront CaO3 en biopolymères abondants qui peuvent être combinés avec du régolithe martien pour « faire pousser » des matériaux de construction. “Ils fonctionneront comme un catalyseur pour favoriser la formation de carbonate de calcium, et ces cristaux de carbonate de calcium fonctionneront comme une colle pour lier ces particules de sol ensemble”, a déclaré le Dr Jin. “Vous devez mettre les particules de sable dans le moule que vous voulez, puis les bactéries et les champignons les développeront dans la forme du moule.”

Dans ce système autonome proposé, les cyanobactéries et les champignons filamenteux remplissent des fonctions différentes (mais complémentaires. Selon la proposition NAIC, les cyanobactéries sont responsables de 1) capturer le dioxyde de carbone et le convertir en ions carbonate et 2) fournir de l’oxygène et des composés organiques pour soutenir les champignons filamenteux. Les champignons, quant à eux, sont responsables 1) de la liaison des ions calcium sur les parois cellulaires fongiques et de servir de sites de nucléation pour le dépôt de carbonate de calcium et 2) d’aider à la survie et à la croissance des cyanobactéries en leur fournissant du dioxyde de carbone supplémentaire et en réduisant leur stress oxydatif.

De plus, les cyanobactéries et les champignons sécrètent des «substances polymères extracellulaires» qui améliorent l’adhérence entre les particules de régolithe et les biopolymères et la cohésion entre les particules précipitées. Le Dr Jin a également détaillé le processus de création de ces bactéries et champignons synthétiques, qui garantit qu’ils fonctionnent en symbiose et non en compétition :

“Nous devons trouver ces souches qui peuvent s’entendre les unes avec les autres. C’est ce qu’on appelle la co-culture mutualiste. Fondamentalement, certains d’entre eux peuvent améliorer la vie du partenaire. Nous avons besoin de champignons filamenteux en raison de leur structure filamenteuse. Ils peuvent promouvoir de plus grandes quantités de cristaux de carbonate de calcium. Mais nous avons également besoin que les cyanobactéries puissent faire de la photosynthèse – elles peuvent capturer le CO2 et générer du carbone organique pour les champignons.

Autocicatrisation d’une éprouvette de béton bio-encapsulé pendant une période de 3 semaines. Crédit : Jakhrani et al. (2019)

Pour lancer ce processus, il reste encore du matériel à amener sur Mars. En raison de l’atmosphère à basse pression, des radiations et des températures extrêmes, le Dr Jin dit que les futures missions devront apporter un photobioréacteur. C’est dans ce bioréacteur que se développeront les cultures de bactéries et de lichens et que se déroulera le processus d’assemblage. En fin de compte, la proposition envisage des bioréacteurs produisant des briques qui sont retirées pour construire des structures de surface. En ce qui concerne le taux de production, le Dr Jin soutient que davantage de recherches sont nécessaires :

« Cela dépend vraiment des nutriments, de la température et de la pression. Nous étudions donc toujours ce processus. Nous voulons optimiser les facteurs qui influencent le processus afin de pouvoir le faire beaucoup plus rapidement », a-t-elle déclaré. Cependant, un autre avantage est la façon dont ces matériaux de construction seront également auto-cicatrisants. « Si vous ne tuez pas les bactéries ou les champignons, ils peuvent toujours générer ces cristaux de calcaire. Ainsi plus tard, lorsque la structure génère des fissures, ils peuvent les réparer automatiquement. Donc, ce matériau est auto-croissant et auto-réparateur. Ils ont donc beaucoup de fonctionnalités que nous n’avons pas avec les matériaux sur Terre. »

Alors que la biominéralisation est quelque chose que les chercheurs étudient depuis des années, cette proposition représente une première pour deux raisons. Pour commencer, il s’agit du premier projet à considérer les champignons filamenteux comme un producteur de biominéraux à la place des bactéries. Le Dr Jin a mené des recherches approfondies sur la biominéralisation au cours des dernières années, et ses résultats ont démontré que les champignons filamenteux possèdent des avantages distinctifs par rapport aux bactéries. Le plus important d’entre eux est leur extraordinaire capacité à produire de grandes quantités de minéraux en peu de temps.

Deuxièmement, ce projet est le premier à utiliser une technologie d’auto-croissance en créant un système de lichens synthétiques et en utilisant des interactions symbiotiques entre des cyanobactéries photoautotrophes et des champignons filamenteux hétérotrophes. Les photoautotrophes sont connus pour utiliser la lumière du soleil pour transformer le carbone inorganique en matériaux organiques (dans ce cas, le carbone organique). Aucune des pratiques d’auto-croissance étudiées jusqu’à présent n’a été totalement autonome puisqu’elles étaient généralement limitées à une seule espèce ou souche d’hétérotrophes dépendant d’un apport externe constant de carbone organique.

Illustration d’un photobioréacteur qui pourrait faire pousser de la nourriture et des matériaux de construction sur Mars. Crédit : Joris Wegner/ZARM/Universität Bremen

Cette technologie a également des applications au-delà de l’exploration spatiale. En plus de construire des habitats sur Mars et d’autres corps au-delà de la Terre, la technologie a également le potentiel de révolutionner la construction ici sur Terre. Dans les régions qui ont été touchées par la guerre, les catastrophes naturelles et le changement climatique, cette technologie autonome et à croissance automatique a le potentiel de « guérir » les structures endommagées et de construire de nouvelles infrastructures d’une manière qui a une empreinte carbone négative. Étant donné que le processus repose sur le CO2 capturé dans l’atmosphère, il est cohérent avec les efforts mondiaux de restauration du climat.

Cette technologie est un autre exemple de la façon dont les organismes terrestres et les processus biologiques inspirent des systèmes spatiaux durables et régénératifs. Ces mêmes technologies, qui pourraient permettre à l’humanité de vivre durablement dans l’espace, pourraient également nous aider à combattre et à inverser le changement climatique chez nous. Tout comme le processus qui alimente cette technologie de bioréacteur proposée, la relation est symbiotique.

Lectures complémentaires : Nasa

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