Les voyages spatiaux constituent une entreprise complexe. Fondamentalement, toute vie sur Terre a évolué en fonction des conditions spécifiques de notre planète. Naturellement, emmener la vie au-delà de notre « petite planète bleue » pose une multitude de défis. L’alimentation représente une préoccupation particulièrement urgente pour les voyageurs spaciaux.
Bien que le coût de l’envoi d’un kilogramme de fret en orbite terrestre basse ait chuté de manière spectaculaire au cours des dix dernières années1, il reste clairement irréalisable d’envoyer des fermes traditionnelles et du bétail dans l’espace. Les aliments emballés ne constituent pas non plus une solution à long terme. On sait que les produits frais ont une valeur nutritive supérieure à celle des versions transformées, et on estime qu’une mission de ravitaillement vers Mars nécessiterait des produits ayant une durée de conservation d’au moins trois ans2. La culture d’aliments frais à bord supprime cette limite et apporte un avantage supplémentaire à un système durable et circulaire qui exploite les ressources in situ pour réduire la dépendance vis-à-vis du ravitaillement depuis la Terre3.
La course au développement de technologies de culture alimentaire dans l’espace offre d’importantes opportunités d’innovation et de commercialisation. Les agences gouvernementales, les entreprises spatiales privées, les entreprises d’agritech, les organismes spécialisés dans la science des matériaux et les jeunes entreprises issues de la recherche universitaires investissent tous dans des technologies susceptibles de soutenir des missions de longue durée et de futures colonies extraterrestres.
Alors que les organisations consacrent des ressources considérables à la résolution de ces défis techniques complexes, l’obtention d’une protection par brevet peut s’avérer essentielle pour préserver la recherche et attirer des financements. Il est important de noter que de nombreuses innovations développées pour la production alimentaire spatiale présentent un potentiel considérable d’adoption dans l’agriculture terrestre, l’agriculture en milieu contrôlé et les systèmes alimentaires économes en ressources. Cet article met en avant plusieurs domaines susceptibles d’offrir des opportunités particulièrement intéressantes en matière de protection par brevet et de transfert de technologie.
Sélection et optimisation des cultures
Choisir la bonne culture est une science en soi. La NASA évalue les cultures candidates selon quatre critères : le rendement total, l’indice de récolte, l’efficacité de croissance et la facilité d’entretien2. Une bonne culture spatiale fournit beaucoup de calories pour très peu d’eau, de lumière et de main-d’œuvre. Les cultures présentent une grande variété d’avantages et d’inconvénients pour les voyages spatiaux de longue durée. Les cultures courantes, telles que la laitue, le blé, les pommes de terre, le soja, les microalgues (par exemple la Chlorella) et les radis, donnent un aperçu des choix possibles, allant des cultures à croissance rapide à celles riches en protéines mais à croissance lente3.
Les photobioréacteurs à algues et les systèmes de production de protéines microbiennes (par exemple, les bactéries hydrogénotrophes) s’avèrent être les aliments les plus efficaces en termes de besoins en lumière par calorie, tout en présentant une croissance rapide. Cependant, la recherche souligne également qu’il existe un avantage physiologique lié à la consommation de plantes fraîches plus reconnaissables, telles que la laitue. Par conséquent, les méthodes visant à optimiser la croissance des aliments traditionnels resteront d’une grande importance.
Les avancées dans ce domaine pourraient inclure la sélection de nouvelles variétés végétales mieux adaptées aux stress et la mise au point d’appareils permettant d’optimiser l’apport en eau et en lumière aux plantes.
Au-delà de la plante elle-même, la graine constitue un champ d’innovation à part entière. Avant qu’une graine n’atteigne une chambre de culture, elle est traitée ou enrobée d’une formulation chimique ou biologique destinée à améliorer sa germination et sa croissance. Sur Terre, les technologies de prétraitement et d’enrobage des graines couvrent déjà un large éventail de produits chimiques. Parmi celles-ci figurent les agents osmotiques et d’hydro-prétraitement qui conditionnent l’absorption d’eau par la graine, les traitements antioxydants et les régulateurs de croissance végétale qui accélèrent la germination, ainsi que le bioprétraitement à l’aide de micro-organismes bénéfiques qui établissent une relation protectrice et symbiotique avec le plant dès sa germination7.
Ces formulations revêtent une importance accrue loin de la Terre. Les graines sèches et non semées constituent le stade le plus résistant au stress du cycle de vie d’une plante. Cependant, des enrobages de graines avancés devront protéger et soutenir davantage les graines sèches et les jeunes plants afin qu’ils puissent tolérer des doses de rayonnements ionisants bien plus élevées que celles rencontrées sur Terre5.
Les enrobages devront peut-être intégrer des composés protecteurs contre les rayonnements, des cofacteurs de réparation de l’ADN ou des piégeurs de radicaux libres sans présenter de toxicité pour les plantes. De plus, les agents protecteurs devraient, dans l’idéal, étendre leurs effets plus loin dans les phases de germination précoce et d’établissement des jeunes plants que les enrobages traditionnels, car c’est au stade de jeune plant qu’une plante est la plus vulnérable aux rayonnements élevés et à la gravité modifiée.
Étant donné que le stock de semences représente une « masse embarquée » fixe et limitée en ressources, qui ne peut pas être facilement réapprovisionnée lors d’une mission pluriannuelle, l’utilisation d’enrobages améliorant l’uniformité de la germination et le taux de réussite réduit directement le poids de la charge utile associée au stock de semences.
Ce raisonnement s’étend au soutien du cycle de reproduction des plantes lui-même, afin de préserver les générations successives de cultures tout au long d’une mission de longue durée5.
D’un point de vue commercial, les innovations qui améliorent la productivité des cultures tout en réduisant la consommation de ressources pourraient trouver des applications bien au-delà du secteur spatial. L’agriculture en environnement contrôlé, l’agriculture verticale et les initiatives en matière de sécurité alimentaire sont confrontées à bon nombre des mêmes contraintes liées à l’eau, à l’énergie et à l’utilisation des sols. Les technologies développées pour les missions spatiales pourraient donc générer de la valeur sur de multiples marchés, renforçant ainsi la rentabilité des investissements et la protection par brevet.
Systèmes d’éclairage LED à haut rendement
Les plantes ont besoin de lumière pour pousser. Loin de la Terre, il est difficile d’obtenir les conditions d’éclairage adéquates pour optimiser la croissance des plantes sans le recours à des lampes LED d’appoint.
La lumière représente également l’un des principaux coûts énergétiques liés à l’exploitation d’une ferme spatiale. En particulier à bord d’un vaisseau spatial, il faut tenir compte à la fois de la demande en énergie et de la chaleur perdue générée. Un éclairage à haut rendement a été identifié comme un besoin essentiel pour tout système alimentaire adapté à Mars3. Des chercheurs ont testé la croissance des plantes sous différentes combinaisons de lumière rouge et bleue en conditions de gravité réduite afin de déterminer quelles longueurs d’onde sont les plus optimales4. La mise en place de conditions de culture idéales pour chaque plante pourrait se traduire par des améliorations majeures de l’efficacité des missions.
Les composés chimiques qui génèrent la lumière nécessitent également des innovations et des adaptations pour les voyages spatiaux. Les composés OLED sont très prisés sur Terre car ils permettent de produire des longueurs d’onde uniformes et hautement modulables, imitant ainsi la lumière solaire naturelle.
Les OLED fonctionnent en excitant des électrons au sein de composés organiques. Lorsque les électrons reviennent à leur état fondamental, de la lumière est émise. Le problème est que ces structures chimiques sont sensibles aux dommages et à la dégradation causés par les rayonnements ionisants. Malheureusement, en dehors du champ magnétique protecteur de la Terre, les voyages interplanétaires entraînent une exposition accrue aux rayonnements solaires de haute énergie.
L’adaptation et l’innovation concernant les composés OLED actuels, afin d’améliorer leur durée de vie et leur résistance aux rayonnements tout en conservant le spectre d’émission approprié, constituent donc un problème clé à résoudre en matière de croissance des plantes loin de la Terre. Ce défi peut trouver différentes solutions selon les technologies OLED (fluorescence, phosphorescence et fluorescence retardée).
De plus, les contrôleurs adaptatifs de réglage spectral ou les nouvelles architectures de LED qui améliorent le rendement constituent clairement un domaine de solutions matérielles.
Les innovations permettant de produire davantage de lumière utilisable pour une même puissance d’entrée, ou d’ajuster plus efficacement le spectre requis pour une croissance optimale des plantes, contribueraient donc à résoudre un problème qui touche tous les autres éléments du système interconnecté au sein d’un vaisseau spatial.
Croissance racinaire adaptée à la microgravité
Les systèmes racinaires se comportent de manière fondamentalement différente hors de la Terre. Surtout, les racines ne savent pas quelle direction correspond au « haut » dans l’espace. Sur Terre, les plantes ont développé des racines qui fonctionnent en fonction de l’apport naturel en eau et en air du sol, sous l’effet de la gravité terrestre. La microgravité lors des voyages spatiaux, ainsi qu’une gravité plus forte ou plus faible sur d’autres planètes, modifie les conditions autour de la zone racinaire de la plante. Cela affecte l’hydrodynamique du système sol-racine, entraîne une modification de l’écoulement capillaire et peut entraîner l’apparition de zones racinaires hypoxiques ainsi qu’une altération de l’absorption des nutriments3.
Les cultures spatiales expérimentales actuelles sont cultivées dans des matériaux spécialisés, notamment des gels, des tapis et des granulés, qui permettent de guider et de maintenir les racines dans une configuration optimale. Ces supports de culture peuvent acheminer l’eau et l’air vers les racines de manière à reproduire les conditions naturellement présentes sur Terre.
Ils sont souvent associés à des granulés d’engrais à libération lente spécialement formulés pour remédier aux problèmes d’absorption des nutriments5. La conception de nouveaux matériaux de culture et d’engrais spécialisés, capables d’atténuer les effets négatifs des voyages spatiaux, revêtira une importance cruciale pour les futures missions spatiales.
Sols
À plus long terme, les agences spatiales souhaiteront cultiver des aliments directement dans du régolite martien ou lunaire traité afin de réduire la masse du fret et d’exploiter les ressources extraterrestres disponibles5. Ces sols présentent plusieurs problèmes connus qui rendent la culture des plantes difficile ; parmi ceux-ci figurent une granulométrie trop fine (entraînant un manque de structure), une faible capacité de rétention d’eau et une mauvaise aération des racines8.
Ces sols sont également biologiquement inertes, dépourvus des communautés microbiennes complexes que l’on trouve sur Terre. Des expériences menées sur Terre ont consisté à ajouter de la matière organique et du fumier pour réduire le stress des plantes dans un sol martien synthétique. Cependant, en l’absence de matière organique en quantité suffisante, d’autres solutions à ces problèmes seront nécessaires. Des traitements et des additifs seront nécessaires pour améliorer les conditions de culture des sols extraterrestres, idéalement des solutions simples et efficaces à mettre en œuvre avec des ressources limitées6. Il est clair que ce domaine technique présente un fort potentiel d’innovation et de protection par brevet.
Tant en microgravité que dans des sols non terrestres, des développements matériels pourraient également s’avérer nécessaires pour créer des bacs de culture capables de gérer correctement l’eau, l’air et le drainage – il s’agit là aussi d’un domaine présentant un potentiel d’innovation considérable.
Conclusions
Les défis liés à la culture alimentaire dans l’espace représentent une opportunité majeure en matière d’innovation, de collaboration et de développement commercial. Si ces avancées sont essentielles pour réduire la dépendance vis-à-vis des missions de ravitaillement terrestres et permettre une exploration spatiale plus autonome, leur impact ne devrait pas se limiter au secteur aérospatial.
Bon nombre des technologies développées aujourd’hui, qu’il s’agisse de systèmes d’éclairage avancés, de traitements novateurs des semences, de substrats de culture alternatifs ou de méthodes de culture économes en ressources, présentent un potentiel évident pour relever les défis agricoles urgents sur Terre.
En mettant en œuvre une stratégie de propriété intellectuelle dès les premières étapes, les innovateurs peuvent protéger leurs produits et acquérir un avantage concurrentiel, attirer des investissements, faciliter les partenariats et créer des opportunités pour de futures concessions de licence et commercialisations.
Références
1 : Terzi et al., « From Sputnik to Starship : Estimating the experience curve of space launch technology », PNAS Nexus, volume 5, numéro 7, juillet 2026.
2 : Perchonok MH, Cooper MR, Catauro PM. « Mission vers Mars : production et transformation alimentaires pour la dernière frontière ». Annu Rev Food Sci Technol. 2012 ; 3(1) : 311–330.
3 : Asif Raihan, « Vers une vie durable dans l’espace : une revue des technologies de contrôle environnemental et des systèmes de survie », Space Habitation, volume 2, numéro 1, 2026
4 : Valbuena MA, Manzano A, Vandenbrink JP, et al. Les effets combinés de la microgravité réelle ou simulée et de la photoactivation par la lumière rouge sur les cellules méristématiques des racines des plantes. Planta. 2018 ; 248(3) : 691–704
5 : De Micco V, Amitrano C, Mastroleo F, et al. La science et la technologie végétales et microbiennes, pierres angulaires des systèmes de survie biorégénératifs dans l’espace. Npj Microgravity. 2023 ; 9(1) : 69.
6 : Pooja Kasiviswanathan et al., L’agriculture sur Mars : le traitement du régolite basaltique et de simulants d’eau saumâtre favorise la croissance des plantes, PLoS ONE 17(8) : e0272209. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0272209
7 : K.K. Sharma et al., Traitements des semences pour une agriculture durable – Une revue, Journal of Applied and Natural Science 7 (1) : 521 – 539 (2015)
8 : Jinghang Ding, Yuxuan Xu, Jungang Tan, Hong Zhang, Xin Xiong, Chuang Mei, Mingjie Li, Gengxin Xie, Comment rendre le sol lunaire propice à la culture ? – Une revue, Science of The Total Environment, volume 948, 2024.
Cet article a été rédigé par le conseil en brevets Louis Campbell
Vous trouverez ci-dessous d’autres articles de notre série consacrée à la Semaine mondiale de l’espace : Pour plus d’informations, contactez notre équipe Transport, Aérospatiale et Défense.
- Les brevets au-delà de la Terre : l’espace est-il un no man’s land ? Partie 1
- Les brevets au-delà de la Terre : avons-nous besoin d’un office des brevets martien ? Partie 2
- Technologies durables dans l’espace : protéger l’innovation pour une frontière plus verte
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