Comprendre comment des êtres humains, des animaux et d’autres organismes existent sur notre planète mais ne peuvent pas le faire en dehors de l’atmosphère de la Terre fait l’objet de nombreuses études de sciences naturelles depuis des siècles. L'écologie est l'une des sciences naturelles les plus récentes et l'un des principaux domaines de recherche dans ce domaine est lié au potentiel des écosystèmes et à la création de systèmes écologiques fermés. Voici un aperçu de ce qu’est un système écologique fermé et s’ils peuvent sauver l’avenir.
Qu'est-ce qu'un système écologique fermé?
Un système écologique fermé est le mieux décrit comme un écosystème qui ne repose pas sur un échange de matière avec quoi que ce soit de l’extérieur du système. Dans ces systèmes, si les déchets sont produits par une espèce, ils doivent être utilisés par une autre espèce. L'objectif principal d'un système écologique fermé est de maintenir la vie. Par conséquent, il est essentiel de convertir les déchets en substances indispensables. Par exemple, l'urine, les matières fécales et le dioxyde de carbone doivent devenir de l'eau, des aliments et de l'oxygène.
Pour qu'un système écologique fermé fonctionne, il faut au moins un organisme autotrophe. Également appelé producteur primaire, un organisme autotrophe est un organisme qui extrait de simples substances de son environnement et produit des composés organiques complexes. Cela se fait généralement par photosynthèse ou chimiosynthèse.
Pourquoi aurions-nous besoin de systèmes écologiques fermés?
Jusqu'à présent, la nécessité première de créer des systèmes écologiques fermés concerne la création d'un environnement sûr pouvant maintenir la vie durant les vols spatiaux, les stations spatiales ou les habitats spatiaux. Dans un avenir proche, l’utilisation d’un système écologique fermé ne concernerait que les utilisateurs de l’industrie aérospatiale ou de domaines scientifiques liés à l’environnement ou à l’espace. Malgré la focalisation sur les systèmes biogénériques de maintien de la vie dans l’espace, il existe également des applications futures potentielles pour ces systèmes sur Terre, dit un rapport par Christian Tamponnet et Christopher Savage dans le Journal of Biological Education. L'une concerne la création potentielle d'un système écologique fermé pour soutenir la vie sur la Lune ou sur Mars en cas de catastrophe terrestre. La seconde est de créer un système écologique fermé qui soutient la vie sur Terre si la situation de l’atmosphère empire et qu’il devient difficile de maintenir la vie sur Terre.
Quels sont les différents types de systèmes écologiques fermés?
Il existe différents types de systèmes écologiques fermés, dont certains sont naturels et d'autres créés par l'homme. Certains des différents types de systèmes écologiques fermés incluent:
- Écosphère – Un système écologique fermé pour une planète entière s'appelle une écosphère. Par exemple, la biosphère territoriale de la Terre est un système écologique fermé unique. C'est une forme naturelle d'un système écologique fermé et non un système créé par l'homme.
- Systèmes écologiques fermés créés par l'homme – Lorsque le terme systèmes écologiques fermés est utilisé, il fait généralement référence à de petits systèmes créés par l'homme, créés pour préserver la vie humaine. BIOS-1, BIOS-2, BIOS-3, Biosphere 2 et MELiSSA en sont quelques exemples.
- Écosphères pour aquariums et jardins de bouteilles – Ce sont deux autres types de petits systèmes écologiques fermés artificiels. Vous pouvez les acheter ou les fabriquer vous-même en utilisant un récipient en verre fermé ou partiellement fermé. Les éléments que vous pouvez inclure dans ces types de systèmes écologiques fermés incluent les petites plantes, le gravier, les crevettes, la gorgone et les algues.
BIOS-1, BIOS-2 et BIOS-3
L'Institut de biophysique de Krasnoïarsk en Russie a consacré des décennies à la création d'un système écologique fermé. Au cours de ce processus, ils ont créé BIOS-1 et BIOS-2. Ceux-ci les ont aidés à développer leur projet actuel, BIOS-3. Ils ont commencé la construction en 1965 et le projet a été achevé en 1972. Le BIOS-3 est une structure métallique souterraine pouvant accueillir jusqu'à trois personnes. Il a été créé à l'origine comme un système écologique fermé pouvant soutenir la vie humaine. La structure est divisée en quatre compartiments, dont l'un est une zone réservée à l'équipage qui contient trois cabines simples, une salle de contrôle, une galerie et des toilettes.
Un autre des compartiments était un cultivateur d'algues. Les deux autres compartiments, appelés phytrons, étaient utilisés pour faire pousser du blé ou des légumes. Plus tard, le cultivateur d'algues a été converti en un troisième phytron. Chacun des quatre compartiments était alimenté par des lampes au xénon qui donnaient un niveau de lumière comparable à celui du soleil. Pour recycler l'air respiré par les humains, des algues chlorella ont été utilisées pour absorber le dioxyde de carbone et reconstituer les compartiments avec de l'oxygène en utilisant la photosynthèse. L'eau et les nutriments étaient stockés à l'avance et ont été recyclés tout au long du processus. En recyclant l’eau, l’efficacité du système s’était améliorée de 85% en 1968. À cette époque, l’urine et les matières fécales n’étaient pas recyclées, elles étaient séchées et stockées. La viande séchée a été importée dans l'installation.
Entre sa création et 1984, BIOS-3 a été utilisé pour une variété de tests, y compris 10 expériences de fermeture avec équipage comprenant entre une et trois personnes dans l’équipage. La plus longue expérience a eu lieu entre 1972 et 1973, quand un équipage de trois hommes a participé à une expérience de 180 jours. L'installation a été intégrée au Centre international des écosystèmes fermés en 1991 dans le cadre de la subdivision de l'Institut de biophysique de la Branche Sibérienne de l'Académie des sciences de Russie. En 2005, les expériences ont repris en collaboration avec l'Agence spatiale européenne, mais l'accent a été mis sur la culture des plantes et le recyclage des déchets.
Biosphère 2
Selon BritannicaBiosphere 2 est un centre de recherche scientifique conçu pour imiter l’environnement terrestre situé à Oracle, en Arizona. Cette installation est utilisée pour étudier la capacité de l'homme à construire et à vivre dans des colonies autonomes situées dans l'espace extra-atmosphérique. La conception a été conçue pour la première fois par John P. Allen, un ingénieur américain, dans les années 1980. Allen était le directeur de Space Biospheres Ventures, qui a acheté la propriété où se trouve l’installation en 1989 et la construction était terminée en 1989.
La biosphère 2 est constituée de trois structures .; une zone désignée pour l'habitation humaine, une zone de technologie souterraine et une zone hors-sol fermée de verre et étanche à l'air. La partie de la structure qui est au-dessus du sol est en verre scellé qui est soutenu par des cadres en acier. Au sein de cette structure, cinq écosystèmes reproduisent différents environnements sur Terre. Ceux-ci incluent un désert de brouillard côtier, une forêt tropicale humide, un océan avec un récif corallien, une prairie de savane et une zone humide de mangrove. Cette installation est surtout célèbre pour ses deux expériences majeures qui ont eu lieu dans les années 1990. Huffington Post décrit une de ces expériences. Huit scientifiques sont entrés dans Biosphere 2 en 1991, puis ont vécu dans l’installation pendant deux ans. Quatre hommes et quatre femmes ont pris part au projet, qui visait à donner aux scientifiques l'occasion d'en apprendre davantage sur la Terre en prenant la biosphère à l'échelle planétaire et en la réduisant en termes de complexité et de taille.
Avant d'entrer dans les installations du système écologique fermé, l'équipe de scientifiques avait entrepris une année de formation peu orthodoxe dans l'outback australien, où ils vivaient avec des Aborigènes. Ils sont ensuite entrés dans Biosphere 2 pour deux ans. Tous les scientifiques ont dû travailler dur pendant leur séjour dans Biosphere 2 pour gérer efficacement leur propre planète. Cela impliquait de cultiver leurs propres cultures pour manger et de recycler leur air et leur eau.
Ce projet a attiré beaucoup d'attention des médias car le concept de biosphère était inconnu à cette époque. Malgré l'intérêt suscité par le projet, l'expérience a également suscité des critiques. Certaines personnes ont décrit l’expérience comme étant du New Age drivel et non de la vraie science. Les scientifiques ont également été accusés de faire partie d'un culte. D'autres scientifiques ont ensuite été blessés et ont quitté l'établissement pour se faire soigner avant leur retour.
Les conditions de vie dans Biosphere 2 ont commencé à se détériorer en 1992 lorsque les niveaux de CO2 ont commencé à fluctuer énormément, de nombreux insectes pollinisateurs sont morts et les scientifiques ont été contraints de manger des fournitures d'urgence importées plutôt que de vivre de la nourriture qu'ils avaient reçue. grandi. Malgré ces problèmes, les scientifiques ont poursuivi leur mission et n'ont quitté Biosphere 2 que le 23 septembre 1993.
Mélisse
Un autre système écologique fermé bien connu est celui de l’Agence spatiale européenne. Projet MELiSSA. L'objectif est de créer des systèmes durables d'assistance à la vie destinés à être utilisés sur la Lune ou sur Mars, et ce, sur une durée plus longue que celle atteinte jusqu'à présent. Ce projet a débuté au début des années 1980, alors que l'on souhaitait faciliter l'exploration du système solaire. Parallèlement à cela, le projet visait à résoudre certains des problèmes rencontrés à l'échelle mondiale, tels que l'approvisionnement en eau, la production alimentaire et le recyclage des déchets. L’écosystème MELiSSA «Boucle fermée» comprend quatre compartiments principaux qui nécessitent chacun de multiples domaines d’expertise disciplinaires.
L'usine pilote MELiSSA est basée à Barcelone, en Espagne. Elle a été inaugurée à la UAB School of Engineering en 2009. Le premier groupe d'équipes d'essais comprenait des animaux, y compris des rats, à des fins de sécurité et de coût. Parallèlement à la boucle MELiSSA, d’autres technologies de maintien de la vie en cours sont en développement. L'unité de traitement des eaux grises de la station Concordia en Antarctique en est un exemple. Là, ils tentent de recréer la simulation la plus proche de l’espace sur Terre. Un autre projet porte sur la technologie des eaux usées. Cela a produit le système de filtration d'eau Biostyr. Cela combine un bioréacteur avec un filtre physique dans un système en boucle fermée qui élimine la pollution, telle que les composés particulaires, la pollution azotée et la pollution organique. Cette technologie est déjà utilisée dans 100 villes au Royaume-Uni, en France, au Danemark et en Suisse.
Quels sont les défis de la création de systèmes écologiques fermés?
Les scientifiques doivent encore relever certains défis pour créer avec succès des systèmes écologiques fermés, dit l'industrie Tap. L'un d'entre eux est la comptabilisation de chaque animal ou organisme, car leurs besoins sont différents. Pour qu'une biosphère réussisse à long terme, elle doit prendre en compte ces besoins différents. Un autre problème est la collecte et le suivi des données pendant la recherche. Pour que les projets réussissent à long terme, les chercheurs doivent suivre de nombreuses variables clés, notamment les schémas de croissance, la teneur en vapeur, les niveaux d'énergie et la teneur en air.
Cependant, le principal défi consiste à créer un écosystème capable de maintenir la vie à long terme. Bien que les scientifiques aient connu divers succès à court terme, il est probable qu'il reste encore beaucoup à faire avant de trouver des solutions permanentes pour résoudre les problèmes environnementaux ou pour vivre dans l'espace extra-atmosphérique. Pour ce faire, les scientifiques ont besoin à la fois de temps et d’argent, deux obstacles supplémentaires à la réussite. Il faut d’importantes sommes d’argent pour financer ces projets car les coûts liés à la technologie et aux investissements en personnel sont énormes. En termes de temps, il est impossible de tester si un système fonctionnera à long terme sans le tester sur une longue période.
Les systèmes écologiques fermés peuvent-ils changer l'avenir?
Les scientifiques ont parcouru un long chemin pour comprendre la biosphère de la Terre et la recréer à l’aide de systèmes écologiques fermés. De nombreuses équipes de scientifiques ont connu un succès à court terme dans le maintien de la vie en utilisant leurs systèmes. Cependant, ils doivent encore faire face à de nombreux défis avant que cela devienne une option réaliste pour maintenir la vie à long terme. En dépit de ces difficultés, certains projets semblent indiquer qu'il est possible d'atteindre cet objectif à l'avenir, bien qu'aucun délai n'ait été prévu pour déterminer quand cela sera possible. Si les scientifiques parviennent à ce succès à long terme, des systèmes écologiques fermés pourraient apporter une solution aux problèmes environnementaux de la Terre et la possibilité de maintenir la vie sur la Lune ou sur Mars. D'un autre côté, certains pensent qu'il est trop tard pour tenter de remédier au changement climatique, et les scientifiques devront peut-être y faire face et l'accepter.
