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Tout comme l'atmosphère terrestre est nettoyée par les plantes avec l'aide du soleil, notre atmosphère artificielle peut être renouvelée... Les plantes que nous emportons dans notre voyage peuvent fonctionner sans interruption”. C'est ce qu'écrivait au début du XXe siècle le pionnier de l'astronautique, le Russe Konstantin Tsiolkovski. L'humanité se prépare à des missions spatiales qui pourraient durer plusieurs mois ou années, où les ressources essentielles telles que l'oxygène, l'eau et la nourriture seront sévèrement limitées et ne pourront être reconstituées que par des missions de réapprovisionnement. La réponse est la même que celle que nous connaissons depuis le néolithique : l'agriculture. La culture de plantes sur d'autres mondes permet non seulement de réduire la dépendance à l'égard des missions de réapprovisionnement, mais ouvre également la voie à une source de nourriture renouvelable qui peut contribuer à la durabilité à long terme des environnements extraterrestres. L'espace est un environnement hostile pour l'agriculture et présente un certain nombre de problèmes qui doivent être résolus, notamment l'absence de gravité, la nécessité d'un éclairage artificiel, la rareté de l'eau et d'autres nutriments vitaux, et la quantité limitée de terres disponibles. La gravité joue un rôle important dans le développement des plantes, car elle leur indique où faire pousser les feuilles et les racines. Par conséquent, dans les conditions de microgravité typiques des vols spatiaux, le développement des plantes est considérablement affecté et des adaptations innovantes doivent être introduites pour garantir une culture réussie. Les radiations constituent également une menace, qui doit être contrée par des mesures efficaces de protection contre les radiations afin de préserver la santé des plantes. Pour comprendre l'état de l'art de l'agriculture spatiale, nous avons interrogé Stefania De Pascale, professeur titulaire au département d'agriculture de l'université de Naples Federico II et chef du laboratoire Esa de recherche sur les cultures pour l'espace..
Les plantes jouent un rôle important pour l'humanité. Quel devrait être le rôle de la production alimentaire à base de plantes dans les aventures spatiales ?
“Le rôle des plantes pour la vie humaine sur Terre va bien au-delà de la simple production alimentaire et sera tout aussi important pour la survie de l'homme dans l'espace. La solution proposée par les chercheurs consiste à créer dans l'espace un écosystème artificiel appelé Blss (Bioregenerative Life Support System), dans lequel différents organismes biologiques interagissent, comme ils le font dans les écosystèmes terrestres. L'objectif est de créer un écosystème basé sur les interactions entre des organismes producteurs (algues, plantes vertes et autres organismes photosynthétiques), des organismes décomposeurs (bactéries, champignons et détritivores tels que les vers et les larves d'insectes) et des organismes consommateurs (l'équipage humain), logés dans des compartiments relatifs, dans lesquels chacun utilise les déchets de l'autre comme une ressource, dans un cycle fermé idéal.”
Qu'est-ce que le consortium “Melissa” ?
“Depuis 2013, le département d'agriculture de l'université Federico II de Naples est un partenaire officiel du consortium Melissa (Micro-Ecological Life Support System Alternative), le programme de l'Agence spatiale européenne (Esa) qui étudie les systèmes de maintien de la vie en boucle fermée avec une approche écosystémique depuis 1987. Depuis, nous participons activement à des projets liés au compartiment de culture végétale d'un Blss dans le cadre de cet ambitieux programme. Le 19 novembre 2019, nous avons inauguré dans notre département le Laboratoire de recherche sur les cultures pour l'espace, le premier laboratoire en Europe dédié à la culture de plantes pour les systèmes régénératifs de maintien de la vie dans l'espace, né de la collaboration avec l'Esa et l'Agence spatiale italienne.”.
En quoi les plantes cultivées en microgravité sont-elles différentes de celles cultivées sur Terre ?
“La gravité joue un rôle crucial dans l'orientation de la croissance des plantes par le biais de ce que l'on appelle le tropisme gravitationnel. Dans l'espace, en l'absence de stimuli gravitationnels, les plantes présentent des schémas de croissance aléatoires ou répondent à des stimuli différents (par exemple, les racines se dirigent vers l'eau et les couronnes vers la lumière). La microgravité influence également les plantes de manière indirecte en modifiant la disponibilité des ressources et l'efficacité des systèmes utilisés pour soutenir leur croissance, par exemple grâce à l'interaction entre la gravité et la dynamique des fluides. Dans l'environnement de microgravité de la Station spatiale internationale (ISS), l'eau ne se comporte pas comme sur Terre, c'est-à-dire qu'elle ne reste pas au fond d'un récipient et ne peut pas être versée, et si elle est pulvérisée, elle forme des gouttelettes qui s'entrechoquent et s'agrègent, formant des gouttelettes de plus en plus grosses qui restent suspendues dans l'air”.
Y a-t-il d'autres problèmes que l'irrigation ?
“Il est important de fournir aux plantes les nutriments dont elles ont besoin. Des systèmes de libération contrôlée des nutriments peuvent être incorporés dans le substrat pour assurer un apport constant de nutriments. Les expériences menées à bord de l'ISS et d'autres missions spatiales ont démontré la faisabilité de la culture des plantes, fournissant des informations scientifiques précieuses sur la réaction des plantes et permettant d'optimiser les systèmes de culture, tels que les substrats capillaires et les techniques d'irrigation et de nutrition adaptées à la microgravité. Les légumes à feuilles (“salades”) ont montré une bonne adaptabilité aux conditions de microgravité et sont cultivés avec succès à bord de l'ISS dans des ”machines à salades", ce qui est très utile pour fournir des ingrédients frais au régime alimentaire des astronautes. Mais des céréales, des tomates, des betteraves, des radis et de nombreuses autres plantes à usage alimentaire sont déjà cultivées dans l'espace. Une petite bouchée pour l'homme, un grand bond pour l'humanité : c'est par ces mots que la Nasa a commenté la première dégustation officielle dans l'espace de laitue romaine produite dans Veggie, l'une des installations de la Nasa installées à bord de l'Iss, et consommée en 2015 par les astronautes. Mais ce n'était qu'un avant-goût. Le projet Microgreens x Microgravity pour la production de microgreens dans l'espace, financé par le ministère de l'Université et de la Recherche et coordonné par l'Asi, dont j'ai la responsabilité scientifique, vise à définir les exigences scientifiques d'un appareil de vol pour la production de microgreens frais qui seront récoltés et consommés à bord de l'Iss. Les microgreens sont de jeunes plants de différentes espèces horticoles, herbacées ou aromatiques qui sont récoltés une à deux semaines après le semis, lorsque les premières vraies feuilles commencent à se développer. Elles sont petites et tendres, mais contiennent une forte concentration de phytonutriments, de vitamines, d'antioxydants et de minéraux. Cette richesse nutritionnelle les différencie à la fois des germes et des légumes matures de la même espèce. L'appareil de croissance est actuellement en phase de conception industrielle, grâce à un nouveau financement d'Asi, et cette phase est coordonnée par Thales Alenia Space Italia. Cet appareil permettra de produire suffisamment de micro-légumes à bord de l'ISS pour fournir aux astronautes la dose journalière recommandée de vitamine C, un antioxydant puissant mais malheureusement instable et donc inadapté au transport lors de longs voyages dans l'espace.
Quelles sont les cultures idéales pour l'espace ?
“Le choix des plantes à cultiver dans l'espace repose sur plusieurs facteurs clés, notamment l'efficacité de la régénération des ressources, la valeur nutritionnelle élevée, la rapidité du cycle de croissance, la facilité de culture dans un environnement contrôlé et la tolérance aux stress environnementaux. Mais le choix dépend aussi du scénario de la mission. À bord des stations orbitales telles que l'ISS, les limites techniques dépendent de la disponibilité réduite du volume et de l'énergie, ainsi que du temps de l'équipage. Dans ces environnements, on privilégie les cultures caractérisées par un cycle court, une petite taille, une tolérance à la culture dans de petits volumes en microgravité et une productivité élevée, également appelée indice de récolte, c'est-à-dire le rapport entre la fraction comestible et la biomasse totale des plantes.
Qu'en est-il des missions à long terme et des futures colonies spatiales ?
Pour répondre aux besoins nutritionnels de l'équipage, les cultures qui fournissent des aliments riches en énergie, en glucides et en protéines (comme le blé tendre et dur, le riz, les pommes de terre, le soja), ainsi que les cultures destinées à la consommation fraîche (tomate, laitue) sont privilégiées. Il ne faut pas s'attendre à des plantes comme celles de la Petite boutique des horreurs de Frank Oz, mais aux mêmes cultures que celles qui constituent la base de notre alimentation sur Terre. La sélection des cultures pour l'espace dépendra également de la capacité à gérer efficacement le cycle de vie de la plante, à commencer par la pollinisation, dans un environnement fermé et contrôlé”.
Est-il possible de rendre le sol de la Lune ou de Mars propice à la culture des plantes ?
“C'est l'un des défis les plus intrigants pour l'exploration spatiale à long terme de la Lune et de Mars. Le sol de ces corps célestes, le régolithe, présente plusieurs problèmes, notamment la présence de composés potentiellement toxiques pour les plantes, l'absence de matière organique et le manque de nutriments disponibles essentiels à la croissance des plantes. Cependant, plusieurs approches sont à l'étude pour surmonter ces difficultés. Pour favoriser la croissance des plantes, le sol de Mars et de la Lune nécessitera un amendement robuste, avec l'ajout de matières organiques obtenues à partir du traitement des résidus de culture et des déchets de mission (déchets alimentaires, fèces, urine), ainsi que des conditionneurs de sol microbiens et non microbiens et des biostimulants pour permettre la croissance des plantes”.
L'étude de la culture des plantes dans l'espace permet-elle de développer des systèmes exportables sur Terre ?
“L'agriculture spatiale est un domaine en pleine évolution qui promet de révolutionner l'exploration spatiale et d'avoir un impact positif sur la Terre. En développant des systèmes agricoles durables et résistants dans l'espace, nous pouvons apprendre à mieux gérer les ressources de notre planète et à assurer la sécurité alimentaire des générations futures, contribuant ainsi à relever le grand défi agricole que représente l'alimentation d'une population en constante augmentation. Les connaissances acquises et les technologies développées pour cultiver des plantes dans l'espace permettront de cultiver dans des zones terrestres extrêmes, des pôles aux déserts, jusqu'au cœur des mégapoles modernes, et de gagner ainsi plus d'espace pour les plantes sur Terre. Ma devise reflète cet idéal : ”Plus de plantes dans l'espace. Plus d'espace pour les plantes sur Terre".
