Cuisine martienne

Serre martienne (low res)

Dans tout vol piloté vers Mars—deux ans et demi aller-retour selon les scénarios les plus en vue—l’alimentation de l’équipage occupera une place importante. Nous avons vu dans un autre dossier l’approvisionnement en eau. Pour ce qui est de la nourriture, c’est 1,5 kg d’aliments secs (déshydratés) qu’il faut embarquer par astronaute et par jour, soit environ 7 tonnes de vivres pour un équipage de 5 astronautes sur une mission de 900 jours. Hormis l’aspect quantitatif, se posent des considérations d’ordre nutritionnel et psychologique. Enfin, l’installation d’une serre sur Mars est à l’étude, afin d’assurer une fraction non négligeable de cette alimentation.


Pour les premiers vols dans l’espace, au cours des années 1960, les repas étaient sous forme de pâtes en tube, le souci étant d’éviter les miettes et autres particules en suspension dans un environnement zéro-g, susceptibles d’être inspirés. Lors des vols Apollo vers la Lune, les astronautes sont passés à des repas lyophilisés, réhydratés à l’eau chaude dans des poches en plastique. Mais ce sont les vols de longue durée en station orbitale qui ont vu exploser l’industrie culinaire spatiale, avec des repas à la carte, réchauffables en four microonde.

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Les repas spatiaux sont élaborés avec soin, comme ici au centre une boîte d’espadon à la provençale élaboré par le lycée hôtelier de Souillac pour l’astronaute Jean-Loup Chrétien (Cité de l’Espace, Toulouse).

Le repas idéal
L’alimentation dans l’espace n’est pas un détail anodin. Les besoins énergétiques sont importants pour la bonne forme physique, mais aussi mentale de l’astronaute. C’est d’autant plus important que la micropesanteur taxe l’organisme avec notamment la perte de calcium, potassium et sodium. L’absence d’exposition de la peau au soleil empêche d’autre part la synthèse de vitamine D. Enfin, l’apesanteur affaiblit le sens du goût, et donc le plaisir de manger. On s’aperçoit de fait que les astronautes de la Station Spatiale Internationale n’absorbent que 80 % de leurs besoins quotidiens en nourriture, ce qui se traduit par une perte de 5 % en poids au bout d’une mission standard de 6 mois, soit 3,5 kg pour un astronaute de 75 kg. Et cela malgré les efforts des nutritionnistes : avant leur vol, les astronautes peuvent en effet composer leur menu à partir d’une liste de plats préparés (3 repas par jour, plus des « snacks »), la séquence choisie se répétant au bout de 8 jours.
D’un point de vue nutritionnel, on s’attache à ventiler la ration calorifique quotidienne de l’astronaute sous forme de 20 % de protides, 30 % de lipides et 50 % de glucides, avec des compliments alimentaires (notamment de la vitamine D, ainsi que des antioxydants pour combattre les dommages des rayons cosmiques et d’une atmosphère en cabine généralement enrichie en oxygène). On a soin dans les plats et les compléments de contrecarrer la perte en calcium, mais pas trop la perte en sodium (élément qui a des effets pervers en impesanteur sur la décalcification osseuse), et on limite aussi la dose de fer, la réduction de globules rouges en micropesanteur ne permettant plus au sang d’en fixer autant qu’un organisme au sol.
Enfin on ne saurait trop souligner l’importance du facteur psychologique, le plaisir primaire de manger étant source d’équilibre pour l’individu, tout comme son rôle social : le repas est un moment de détente et de communication. Dans les simulations de missions martiennes que j’ai moi-même conduites en Arctique et dans le désert de l’Utah (bases de la Mars Society), nous avons instauré la cuisine à tour de rôle par un ou deux membres de l’équipage pour tout le groupe, ce qui est un facteur de cohésion sociale et aide à briser la routine.

Le concept d'une serre martienne est à l'étude, notamment dans l'Arctique (serre Arthur C. Clarke) du Haughton Mars Project (C. Frankel/HMP)
Le concept d’une serre martienne est à l’étude, notamment dans l’Arctique : serre Arthur C. Clarke du Haughton Mars Project (C. Frankel/HMP)

La serre : un sacré défi
On peut tout naturellement penser qu’installer une serre sur Mars, plantée en fruits et légumes, pourrait subvenir à l’alimentation sur place de l’équipage (durant le vol, c’est moins faisable en raison de la petite taille du vaisseau spatial). Agences spatiales et universités se sont penchées sur le problème, la conclusion étant que pour atteindre l’autosuffisance alimentaire, 30 m2 de cultures intensives sont nécessaires par personne, soit 150 m2 pour notre équipage de 5 martionautes, arrondis à 200 m2 pour avoir une marge de sécurité et de l’espace pour circuler. Cela représente tout de même la surface d’un court de tennis. Pour réduire la surface, une première solution consiste à rassembler les cultures sur plusieurs niveaux superposés—disons trois—pour diminuer la surface au sol : on tombe ainsi à 70 m2, soit 12 m x 6 m environ.
Dans une serre martienne, on ne peut pas compter sur la lumière naturelle pour faire pousser les plantes, car les matériaux à l’étude pour les parois (notamment si elles sont gonflables) ne permettent pas une grande transparence. En outre, l’insolation sur Mars ne vaut au mieux que 52 % de l’insolation sur Terre, et tombe à 37 % au point le plus distant de l’orbite martienne par rapport au soleil (l’aphélie). Il faut donc assurer un éclairage électrique (12 heures par jour pour un cycle végétal normal, ou 24 heures par jour pour certaines cultures comme le blé à haut rendement). Dans les serres terrestres, on table généralement sur un kilowatt d’illumination par mètre carré. On peut économiser en utilisant des ampoules LED ne projetant que de la lumière bleu et rouge (le vert ne sert pas à la photosynthèse, d’où la couleur verte de la végétation, qui est celle de la fraction de la lumière solaire réfléchie par la plante) : la consommation électrique peut alors être abaissée à 0,5 kW/m2, soit 100 kW pour notre serre de 200 m2.
C’est une importante puissance électrique à délivrer. L’énergie photovoltaïque par panneaux solaires n’est pas une solution très prometteuse : même en récoltant 100 watts par mètre carré sur Mars, il faudrait 1000 mètres carrés de panneaux solaires pour fournir 100 kW, soit 15 fois la surface de la serre, et un tel système ne produirait de l’électricité que le jour, et très peu en période de tempête de poussière. La solution serait donc un réacteur nucléaire de poche, 100 à 150 kW étant justement la puissance pressentie pour ces générateurs dans les premières bases martiennes. Un tel réacteur aurait une masse d’environ 5 tonnes, qu’il faut ajouter au poids de la serre : si on se rappelle que la masse d’aliments à emporter pour une mission est de l’ordre de 7 tonnes (dont 4 pour le séjour sur Mars), on voit qu’on n’est pas gagnant en remplaçant le stock de vivres par une serre—en tout cas dans le cadre d’une seule mission. Il y a une économie d’échelle, en revanche, si la serre sert pour plusieurs séjours de martionautes.
L’autre facteur rédhibitoire est le temps passé par les astronautes à faire fonctionner cette serre. Les études font état de 30 heures-homme d’entretien par jour, soit 6 heures pour chacun des 5 astronautes, ce qui ne leur laisserait que 8 heures par jour pour s’occuper de la mission elle-même (en admettant qu’ils travaillent 14 heures par jour). Pour réduire ce handicap, il convient d’automatiser le plus possible la serre, avec des robots assurant l’essentiel des manipulations, de façon à réduire au moins par deux le temps passé par les astronautes.

L'automatisation de la serre est un facteur important (ici la serre Arthur C. Clarke du HMP en arctique) pour diminuer le temps de manutention que devront lui accorder les martionautes? (C. Frankel/HMP)
L’automatisation de la serre est un facteur important (ici la serre Arthur C. Clarke du HMP en Arctique) pour diminuer le temps de manutention que devront lui accorder les martionautes. (C. Frankel/HMP)

Les bienfaits de la serre
On peut aussi dimensionner la serre de façon à ce qu’elle n’intervienne qu’en complément de l’alimentation des astronautes, plutôt que de devoir assurer sa totalité. Car avant de l’écarter, il faut souligner que les bienfaits d’une serre ne sont pas négligeables. Elle fournit en effet des denrées hautement qualitatives : des produits frais, riches en vitamines, hauts en couleur et en texture, qui apportent une plus-value importante aux repas d’un point de vue psychologique.
Parmi les fruits et légumes préconisés pour leur apport nutritionnel, leur rendement et leur facilité de culture, arrivent en tête de liste (dans le désordre) : laitues, épinards, carottes, tomates, oignons, radis, poivrons verts, brocolis, betteraves, fraises, choux, herbes aromatiques, pommes de terre et patates douces, soja, blé, riz, haricots secs, petits pois et arachides. Leur culture sera hydroponique (circulation d’une eau contrôlée en nutriments) plutôt que conduite dans un « sol » martien, et on aura soin de les compartimenter selon les types d’illumination et de température nécessaires à leur rendement maximal. On réservera ainsi au blé une illumination 24 heures sur 24 à une température de 18-20 °C : il s’agira d’une forme naine de blé (50 cm de haut) à haut rendement en graine, venant à maturité en 80 jours seulement. Une seconde section de la serre bénéficiera d’une illumination « régulière » de 12 heures par jour, elle-même divisée en deux sous-ensembles, l’une à température normale (18-20 °C), l’autre plus chaude (22-26 °C) qui sera réservée au riz, soja, patates douces, arachides, haricots, tomates et poivrons.

Les laitues font partie des plantes retenues pour les vols spatiaux, cultivés ici sous cloche à pression de 0,25 atmosphère (NASA)
Les laitues font partie des plantes retenues pour les vols spatiaux, cultivés ici sous cloche à pression de 0,25 atmosphère (NASA)

L’atmosphère de la serre pose de son côté un problème intéressant. D’une part elle n’a pas besoin d’une pression très forte, les plantes pouvant se contenter de 0,25 atmosphère de pression (250 millibars ou hectopascals), voire moins, ce qui réduit les besoins pour la production de cette atmosphère et les contraintes sur le matériau (par exemple gonflable) des parois de la serre. D’autre part, la composition de cette atmosphère peut être essentiellement martienne, à majorité de dioxyde de carbone, puisque c’est de ce gaz dont ont besoin les plantes ! Mieux, les plantes transforment le dioxyde de carbone en oxygène qui peut être récupéré pour les besoins des astronautes. Le calcul nous enseigne que nos cultures intensives produiront 25 grammes d’oxygène par mètre carré et par jour, soit 5 kilogrammes quotidiens pour une serre de 200 m2. Or les besoins en oxygène d’un homme sont environ d’un kilogramme d’oxygène par jour, soit 5 kg pour notre équipage de cinq martionautes. Intéressante coïncidence !
Faire fonctionner la serre sous dioxyde de carbone à pression réduite présente toutefois un petit bémol : les astronautes ne pourront pas y travailler en bras de chemise, respirer les odeurs et toucher les plantes à mains nues.

L'entretien des cultures joue un rôle psychologique non négligeable, comme ici lors d'une mission de simulation martienne dans l'Utah (C. Frankel/Association Planète Mars)
L’entretien des cultures joue un rôle psychologique non négligeable, comme ici lors d’une mission de simulation martienne dans l’Utah (C. Frankel/Association Planète Mars)

Or une serre constitue un lieu privilégié de détente et d’isolation qui serait un formidable avantage psychologique pour l’équipage. Dans la base antarctique de McMurdo, par exemple, il est notoire que les chercheurs se détendent dans la serre, allant même jusqu’à y coucher en hamac. Il faudra donc peser le pour et le contre d’une serre martienne sous atmosphère fine et carbonique ou à composition respirable et à pression assez forte pour offrir aux astronautes un petit coin de paradis terrestre…

2 réflexions sur “ Cuisine martienne ”

  1. Bonjour,
    J’étudie ces process depuis plusieurs années aussi, je vois
    quelques erreurs dans ce discours : les légumes racines sont difficlement cultivables en culture hydroponiques. Pour la production d’oxygène, vous considérez que seuls les astronautes respirent de l’O2 : les plantes et les bactéries aussi. Que faites vous des déchets végétaux ? etc…
    Le problème est que vous ne voyez pas les choses dans leur ensemble et à long terme…

    1. Vos commentaires sont tout à fait pertinents. Pour l’oxygène, une consommation par les plantes est à rajouter à l’équation. Pour les légumes racines, c’est noté : on pourrait concocter un sol qui leur convient (à base de sol martien, mais neutralisé, voire enrichi par des éléments fertilisants). Pour ce qui est des déchets végétaux, il serait judicieux de les recycler: soit les composter pour obtenir du méthane, soit les faire consommer par un élevage parallèle de poissons (des tilapias par exemple). Le problème dans son ensemble est en effet fascinant et fort complexe. À suivre !

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