Faire pousser des plantes dans l'espace est une entreprise complexe qui présente plusieurs défis uniques. Cependant, la recherche et l'expérimentation dans ce domaine ont progressé au fil des ans, et des efforts sont en cours pour cultiver des plantes dans des environnements spatiaux tels que la Station spatiale internationale (ISS).
PARTIE 1 : La première plante de l'espace
la première plante à fleurir dans l'espace a été Arabidopsis thaliana en 1982. Cette expérience historique a été réalisée à bord de la station spatiale soviétique Salyut-7. Arabidopsis thaliana, également connue sous le nom de moutarde des murs, est considérée comme le modèle idéal pour la biologie végétale en raison de sa petite taille, de son cycle de vie court et de sa facilité de culture en laboratoire.
L'étude menée à bord de Salyut-7 a été significative car elle a démontré que cette plante pouvait se développer et produire des graines viables en impesanteur, bien que leur morphologie ait été légèrement altérée. Cela a ouvert la voie à de futures expériences de culture de plantes dans l'espace, permettant aux scientifiques de mieux comprendre comment les plantes réagissent à l'environnement spatial et d'envisager des solutions pour cultiver des aliments dans des conditions extraterrestres lors de futures missions spatiales.
PARTIE 2 : Un peu d'histoire
Willy Ley (1906-1969) était un écrivain et scientifique allemand, principalement connu pour ses travaux dans le domaine de l'astronautique et de l'exploration spatiale. Il a joué un rôle majeur dans la diffusion des connaissances sur les voyages spatiaux et a contribué à populariser l'idée de la conquête de l'espace.
En ce qui concerne les plantes dans l'espace, Willy Ley a été l'un des premiers à explorer et à promouvoir cette idée. Il a suggéré que les plantes pourraient jouer un rôle crucial dans les missions spatiales en fournissant de l'oxygène par la photosynthèse et en recyclant le dioxyde de carbone exhalé par les astronautes. Il a également souligné que les plantes pourraient contribuer à maintenir un équilibre biologique dans les habitats spatiaux en fournissant de la nourriture fraîche et en aidant à réguler l'humidité et la qualité de l'air.
Bien qu'il n'ait pas été directement impliqué dans la réalisation d'expériences de culture de plantes dans l'espace, ses idées ont inspiré de futurs travaux et recherches dans ce domaine. À mesure que la technologie spatiale progressait, les expériences de culture de plantes ont été menées à bord de stations spatiales telles que l'ISS, où des astronautes ont exploré la manière dont les plantes se comportent en microgravité et dans des environnements extraterrestres.
Les recherches sur la Chlorelle dans les années 1950 ont jeté les bases de l'étude des microorganismes et des algues pour soutenir la vie et les activités humaines dans l'espace. Ces travaux ont contribué à notre compréhension des systèmes de soutien de vie en milieu spatial et ont ouvert la voie à de futures expérimentations et études sur les microorganismes et les plantes dans des environnements extraterrestres.
Station spatiale internationale : quelles expériences ont été menées ?
Des expériences en biologie menées à bord de l'ISS ont inclus l'étude des effets de la microgravité sur la croissance des plantes, la recherche sur les maladies et les vaccins, l'étude de la survie des bactéries dans l'espace et l'analyse de la régénération des tissus chez les salamandres.
Voici quelques exemples d'expériences qui ont été menées sur les plante :
Dans les années 1940, les premières recherches ont été lancées sur les algues dans le domaine spatial. Ces études pionnières visaient à comprendre comment les algues se comportent et se développent dans des environnements extraterrestres, en particulier en microgravité. Les algues ont été choisies pour ces premières expériences en raison de leur simplicité biologique et de leur capacité à réaliser la photosynthèse, un processus crucial pour la production d'oxygène.
En 1980 l'expérience Biomass Production System (BPS) : Réalisée à bord de la station spatiale russe Mir a consisté à cultiver différentes plantes, notamment des blés, des haricots et des radis, pour étudier leur croissance et leur développement en microgravité.
En 2016, une autre étape a été franchie lorsque la première fleur, un Zinnia, a éclos à bord de l'ISS. Cela a été un événement marquant car il a démontré que des plantes plus complexes que des légumes pouvaient être cultivées avec succès dans l'espace.
De 2014 à 2016, des membres d'équipage à bord de la Station spatiale internationale (ISS) ont entrepris la culture de laitues. Les récoltes obtenues avaient été rapatriées sur Terre afin d'être examinées et déterminer leur aptitude à la consommation. Les conclusions de cette étude ont été divulguées en mars 2020, indiquant que les laitues cultivées dans l'espace étaient aussi nutritives que leurs homologues cultivées sur Terre.
Cette prouesse a été rendue possible grâce à la chambre de croissance VEGGIE. Cette installation de culture, illustrée dans une photo, comprend six compartiments, chacun équipé de trois sous-systèmes essentiels : un système de LEDs émettant une lumière de 660 nm (rouge) et de 450 nm (bleu), les deux longueurs d'onde les plus efficaces pour la photosynthèse, un système d'aération et un tapis pour fixer les racines et leur fournir les nutriments nécessaires à leur développement. En 2016, l'ISS a connu un autre moment historique lorsque la première fleur de l'espace, un Zinnia, a éclos à bord. Ces réalisations représentent des avancées significatives dans le domaine du jardinage spatial et ouvrent de nouvelles perspectives pour la culture d'aliments plus variés et nutritifs dans l'espace, ce qui est essentiel pour les missions spatiales de longue durée, y compris celles prévues pour l'exploration de la Lune et de Mars. Ces succès témoignent des progrès technologiques et scientifiques continus visant à assurer l'autonomie alimentaire des futurs astronautes en mission dans l'espace.
Image 2 : Première fleur à avoir été cultivée dans le système de culture Veggie de la Station spatiale internationale. Source : NASA.
Image 3 : Une photo du dispositif VEG-01 ou VEGGIE. Source : NASA.
En avril 2021, l'astronaute de la NASA, Thomas Pesquet, avait entamé sa deuxième mission spatiale en se dirigeant vers la Station spatiale internationale (ISS). L'un de ses objectifs principaux consistait à mener diverses expériences scientifiques, dont l'une portait sur la culture de plantes.
Pour cette expérience, Thomas Pesquet utilisa une méthode développée par la NASA appelée "Gestion de l'eau pour les plantes" (PWM), qui repose sur le principe de l'hydroponie. Contrairement à la culture traditionnelle en sol, l'hydroponie n'implique pas l'utilisation de terre et nécessite moins d'eau et d'engrais. Les plantes sont alimentées en sels minéraux et en nutriments essentiels à leur croissance. Grâce à une bonne aération, les plantes réussissent à germer et à se développer directement dans l'eau, profitant du phénomène de capillarité qui fonctionne de manière plus efficace en microgravité que sur Terre. Par conséquent, les plantes poussent trois fois plus rapidement que sur notre planète.
Cette approche novatrice permet aux chercheurs d'approfondir leur compréhension de la réaction des plantes à l'environnement spatial et ouvre également des perspectives prometteuses pour l'agriculture en milieu spatial. Ces expériences contribuent à élargir les connaissances scientifiques et à préparer les futures missions spatiales impliquant des séjours prolongés, en particulier en vue d'une exploration plus approfondie de la Lune et de Mars.
PARTIE 3 : Les serres spatiales
C'est à bord de la Station spatiale internationale (ISS) que les études sur les végétaux ont véritablement progressé grâce à l'utilisation de diverses structures de culture, souvent désignées sous le terme de "serres".
Lada
En 2002, la serre Lada a été installée dans le module russe de la Station spatiale internationale (ISS) dans le cadre d'une collaboration entre les États-Unis et la Russie. Cette serre comprenait un module de contrôle et deux modules de développement des plantes, permettant de comparer l'évolution des plantes en fonction des différentes méthodes de culture. Les recherches menées au moyen de cette serre avaient pour objectifs principaux de garantir que les "cultures spatiales soient suffisamment saines pour la consommation humaine" et de vérifier qu'elles ne provoquent pas de contaminations internes (par des micro-organismes) au sein de l'ISS.
ABRS
L'ABRS, ou "Advanced Biological Research System", équivaut à la serre Lada en version américaine, destinée à conduire des expérimentations avancées sur les plantes, ainsi que sur les micro-organismes et les arthropodes. Il comprend également deux compartiments pour la culture végétale, mesurant chacun 13 x 20 x 40 cm. Les paramètres d'éclairage et les compositions atmosphériques à l'intérieur de ces compartiments sont ajustés en fonction des besoins spécifiques des expériences. Équipé de plus de 180 capteurs, ce système permet de contrôler les expériences à distance depuis la Terre et via un ordinateur opéré par l'équipage de l'ISS. Les données collectées sont transmises automatiquement vers la Terre. L'ABRS a été conçu dès le départ pour explorer les possibilités de culture végétale en réduisant au maximum les interventions de l'équipage.
VEGGIE
L'équipement VEGGIE se distingue par sa simplicité mais sa taille plus imposante, principalement conçu pour la production de plantes destinées à la consommation humaine. Installé dans la Station spatiale internationale (ISS) en avril 2014, il est prévu d'y rester en permanence. Sa principale différence par rapport aux équipements précédemment utilisés pour ces études réside dans son caractère ouvert, permettant aux plantes de bénéficier de l'environnement de la station spatiale. En effet, toutes les expérimentations ont confirmé qu'elles ne présentaient pas de risque majeur pour la santé des astronautes.
APH
L'Advanced Plant Habitat (APH) a été déployé à bord de l'ISS. Cet équipement est spécifiquement dédié à la recherche sur le développement des plantes en milieu spatial, dans le but de préparer les équipages à cultiver une partie de leur alimentation lors de missions spatiales de durée (très) prolongée. C'est au sein de cette installation que des poivrons ont été cultivés avec succès en 2021. Pour parvenir à la pollinisation des fleurs, des ventilateurs ont été activés, et l'équipage a également intervenu manuellement dans le processus.
Timelapse publiée par la NASA montrant les premiers résultats de l’utilisation de l'APH destinée à cultiver des végétaux dans l’espace ici.
PARTIE 4 : Des plantes sur la Lune ou Mars ?
Dans une étude publiée dans la revue scientifique Plos-One, des chercheurs ont entrepris d'examiner la potentialité de la germination des plantes dans des sols analogues à ceux de la Lune ou de Mars. L'objectif de l'étude se concentrait exclusivement sur l'évaluation de la qualité nutritionnelle de ces sols ou pseudo-sols. Les chercheurs ont comparé la germination des graines ainsi que la croissance des plantes lorsqu'elles étaient placées dans trois types de substrats distincts. Chaque contenant renfermait 5 graines associées à l'un de ces trois types de substrats, accompagnées de 25 g d'eau déminéralisée :
100 g de pseudo-sol martien (JSC-1A Mars Simulant), développé par la NASA pour imiter la composition du sol martien, prélevé d'un volcan à Hawaï.
100 g de sol terrestre provenant des profondeurs du Rhin, situé à 10 mètres de profondeur, extrêmement dépourvu en nutriments et exempt de matière organique.
50 g de pseudo-sol lunaire, fabriqué par la NASA pour simuler les caractéristiques du sol lunaire, puisé dans un désert en Arizona.
Les chercheurs ont ainsi voulu déterminer la capacité des plantes à se développer dans ces environnements particuliers et à quel point les différentes compositions pouvaient influencer la germination et la croissance végétale.
Les graines ont été plantées à une température de 20°C dans des conditions d'humidité atteignant 65%. Les variétés de graines utilisées sont la tomate, la carotte, la moutarde, les orties, le chardon, la fétuque rouge, le lupin, le lotier des marais, le mélilot officinal, la vesce commune et le seigle...
Au terme de l'expérience, le pseudo-sol martien a affiché le plus haut taux de graines ayant germé, tandis que le sol lunaire a présenté le taux de germination le plus bas. Toutefois, les auteurs notent que la qualité intrinsèque des semences pourrait également avoir joué un rôle dans le processus de germination. La formation de feuilles s'est produite avec succès dans les pseudo-sols martiens et lunaires. Trois espèces seulement (moutarde, seigle et cresson) ont atteint l'étape de floraison, générant ainsi de nouvelles graines.
Quelques problématiques
Malgré les progrès accomplis, la culture de plantes dans des environnements à faible gravité, tels que la Lune et Mars, ainsi que dans l'espace, demeure confrontée à des défis complexes et variés.
Voici quelques-unes des considérations et des défis majeurs liés à la culture de plantes dans l'espace :
Microgravité et stress environnemental : La microgravité présente un défi majeur pour la croissance des plantes car elle affecte la façon dont l'eau, les nutriments et l'air sont distribués dans les racines et les tiges. Les plantes peuvent également avoir du mal à s'ancrer dans un environnement où la gravité est faible.
Éclairage : Dans l'espace, les plantes ne reçoivent pas de lumière solaire constante, ce qui est essentiel à la photosynthèse. Des systèmes d'éclairage artificiel doivent donc être mis en place pour fournir la bonne quantité et le bon type de lumière aux plantes.
Contrôle de l'environnement : La température, l'humidité et la concentration en dioxyde de carbone doivent être soigneusement contrôlées pour créer un environnement favorable à la croissance des plantes.
Recyclage des ressources : Les ressources sont limitées dans l'espace, il est donc essentiel de développer des systèmes de recyclage efficaces pour l'eau et les nutriments afin de minimiser les besoins en approvisionnement externe.
Pollinisation : En l'absence d'insectes pollinisateurs, les plantes peuvent nécessiter des méthodes de pollinisation alternatives, telles que la pollinisation manuelle ou l'utilisation de dispositifs mécaniques.
Sélection des cultures : Certaines plantes sont mieux adaptées à la culture dans des environnements spatiaux que d'autres. Les chercheurs doivent identifier les espèces végétales qui sont plus résistantes et productives dans ces conditions particulières.
Les variations peuvent influencer la croissance végétale. L'expérience PESTO menée par la NASA en 2019 a démontré que la microgravité avait un impact sur le développement des feuilles, des cellules et des chloroplastes chez les plants de blé. Toutefois, l'hypogravité n'a pas été défavorable aux plantes, qui ont en réalité poussé 10 % plus rapidement que celles cultivées sur Terre.
Un autre défi majeur réside dans la pauvreté des sols extraterrestres, particulièrement sur Mars et la Lune. Ces sols présentent une faible teneur en azote et sont dépourvus de matière organique essentielle à la croissance végétale, tels que les composés carbonés. Ces conditions compliquent la culture des plantes dans ces milieux hostiles. De plus, l'absence de bouclier magnétique sur Mars et la Lune expose les plantes aux vents solaires et aux radiations cosmiques, potentiellement préjudiciables à leur ADN. Cette exposition aux radiations constitue un risque potentiel pour la santé et la croissance des plantes.
Enfin, la culture de plantes en microgravité requiert une quantité substantielle d'eau, une ressource extrêmement limitée sur Mars et totalement absente sur la Lune. L'accès à l'eau devient donc un élément crucial pour la viabilité de toute initiative de jardinage extraterrestre.
Des FarmCubes dans l'espace ?
Farm3 a été lauréat du MediSpace Challenge by Airbus development en 2019 dont les jurys étaient le CNES et Airbus. L'aéroponie est en effet la technique de cultivation la plus optimisée pour les endroits manquant d'eau puis qu'elle permet d'économiser plus de 97% d'eau. Les structures fermées qui permettent de contrôler le climat à l'intérieur des cubes permet également de reproduire des conditions réelles permettant aux plantes de pousser convenablement. Alors mettre des cubes dans l'espace n'est pas la priorité première de Farm3, mais imaginer nos plantes pousser sur d'autres planètes nous met des étoiles dans les yeux !
Conclusion
Farm3 est un expert de la donnée agronomique (génération et traitement) et le seul acteur qui propose une solution toute intégrée. Farm3 place la plante au cœur de vos projets de fermes verticales, vous permettant de produire en hors-sol des plantes qui jusqu'à présent ne l'étaient pas, et ce à des coûts d'investissement et de production réduits et maîtrisés.