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Nouvelles énergies 06/12/2021

La Terre, un vaisseau spatial comme les autres - PARTIE 2

Considérer la Terre comme un vaisseau spatial isolé pour aider à résoudre nos problèmes de production et de consommation  d'énergie ?  Les enseignements que nous pouvons tirer des vols habités de l'ISS inspire les chercheurs. Suivez leurs raisonnements. 

Retrouvez la première partie de cet article écrit par Jim Gripekoven - ENGIE Laborelec, Jan Mertens, Rob Verstreit et Michael E. Webber - ENGIE Research dans le Magazine "Pour la Science".

"L’énergie du Soleil est le seul élément à entrer dans nos systèmes fermés"

La production et la consommation d’énergie à bord des engins spatiaux posent de nombreux problèmes similaires à ceux que l’on rencontre sur Terre : les solutions des premiers sont une source d’inspiration pour résoudre les seconds. 

(Lire la première partie de l'article)

Respirer et manger

Les humains et la plupart des animaux inspirent de l’O2 et expirent du dioxyde de carbone (CO2 ). Sur Terre, les végétaux grâce à la photo- synthèse prennent en charge le recyclage, transformant le CO2 et l’eau en une source d’énergie (le glucose) et en O2.

Cependant, emporter des plantes dans l’espace mobiliserait trop d’espace, de matière (eau, sol, nutriments…) et d’énergie pour l’éclairage. Comment recycler le CO2  sans un seul brin d’herbe ?


Dans la station spatiale ISS, le CO2 est d’abord capté sélectivement dans l’atmosphère. Ensuite, il réagit avec de l’H2 pour former du méthane (CH et de l’eau (H2O). Une partie de cette dernière peut servir à générer de l’O2 et de l’H2 (utile pour l’étape précédente) par électrolyse. La boucle est bouclée (voir la figure ci-contre) ! De la sorte, l’équipage économise les ressources en eau et en O2, forcément limitées, qui sont acheminées dans les véhicules spatiaux.

Ce procédé est très proche de celui employé sur Terre pour produire de l’e-méthane (ou méthane de synthèse), une technique pour laquelle ENGIE est pionnière : le CO2  est capté, par exemple dans les fumées d’une usine, et réagit avec de l’H2 produit par électrolyse en utilisant une énergie à faible teneur en carbone pour produire de l’e-méthane. L’objectif est d’épargner les ressources fossiles de CH4 qui, en brûlant, ajoutent du CO2  dans l’atmosphère et contribuent au réchauffement de la planète.



Sur Terre, le CH4 est le produit principal recherché tandis que l’O2 est un produit secondaire le plus souvent évacué : tout l’inverse de ce qui se passe dans l’ISS. Ainsi, avec un système certes similaire, la philosophie est complètement différente !

Néanmoins, un objectif commun aux deux procédés est d’augmenter l’efficacité de la chaîne en utilisant, par exemple, de nouveaux matériaux de capture du CO2 comme les MOF (ces « metal-organic frameworks » sont des structures de type polymère hautement poreuses) et de nouveaux catalyseurs pour la production d’e-méthane. Une autre voie d’amélioration est l’intégration des différentes étapes du procédé : on peut ainsi imaginer utiliser la chaleur produite par la méthanation pour couvrir les besoins de la capture du CO2  , augmentant ainsi les performances du procédé.

Des bactéries au menu

Dans l’espace, respirer est une chose, manger en est une autre. Aujourd’hui, les astronautes de l’ISS se nourrissent d’aliments stabilisés et sont réapprovisionnés tous les 90 jours. Les missions plus longues et plus lointaines posent des problèmes supplémentaires. Par exemple, la nourriture consommée au retour d’un voyage vers Mars aurait été produite cinq à sept ans auparavant...

Pour éviter sa dégradation et éviter une charge utile lourde, pourrait-on produire de la nourriture in situ ? Plusieurs options sont possibles.

  • La première consisterait à élaborer des aliments par photosynthèse : à l’aide de LED, l’électricité serait convertie en une lumière dirigée vers un réacteur où croissent des algues, une source de nourriture riche en nutriments.
  • Une autre possibilité est fondée sur des bactéries oxydant l’hydrogène (celui-ci devient un donneur d’électrons), comme Cupriavidus necator. Ce type de microorganismes, que l’on trouve dans le sol ou les sources hydrothermales au fond des océans, transforme l’H2 et le CO2 en une biomasse riche en protéines et en nutriments. Dans un vaisseau spatial l’H2 serait produit à partir de l’électrolyse de l’eau et le CO2 capté dans l’atmosphère.


La bactérie Cupriavidus necator transforme l’H2 et le CO2  en une biomasse riche en protéines et en nutriments.

Dans les deux options, l’électricité est transformée en énergie chimique au terme d’un processus biologique, ce qui rend la comparaison facile. En termes de rendement, celui des bactéries se situe à environ 18 %, loin devant les 4 % de la voie photosynthétique. De même, la productivité volumétrique (en kilogramme par mètre cube et par jour) est 15 fois supérieure pour les bactéries alors même que le volume et la masse d’installation nécessaires sont respectivement 29 et 8 fois plus faibles. Quoi qu’il en soit de ces différences de performances, ces systèmes pourront à l’évidence élargir l’horizon de l’exploration spatiale.

Quel intérêt sur Terre ? Réduire l’empreinte environnementale liée à notre nourriture.

De fait, notre alimentation est responsable de 26 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, de 50 % de l’utilisation des sols, de 70 % des prélèvements d’eau douce et de 78 % de l’eutrophisation (l’accumulation de nutriments dans un milieu aquatique). Les voies d’amélioration sont nombreuses et faciles à mettre en œuvre, car le système de production alimentaire est hautement dissipatif, à commencer par la photosynthèse dont le rendement est très faible, de l’ordre de 1 à 2 % pour les principales cultures. Ajoutez à cela les autres conversions (récolte, transformation des récoltes, alimentation et abattage du bétail…) et les déchets produits tout au long de la chaîne.

L’utilisation de bactéries oxydant l’hydrogène pour produire de la nourriture pour les humains ou pour les animaux serait une alternative bénéfique pour le climat à bien des égards : moins de terres et d’eau nécessaires, moins de gaz à effet de serre émis, moins de gaspillage, le tout sans pesticides ni antibiotiques. Une victoire évidente sur tous les plans !

Dans Interstellar, le héros et une équipe d’astronautes partent explorer une galaxie dans l’espoir de trouver une autre planète habitable que la Terre, celle-ci étant devenue invivable à cause notamment du climat. Ils avaient probablement les solutions pour éviter une telle situation à bord de leur vaisseau…

(Retrouvez la première partie de l'article)


Référence

Jim Gripekoven - ENGIE Laborelec
Jan Mertens - ENGIE Research
Rob Verstreit - ENGIE Research
Michael E. Webber - ENGIE Research


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