Envoyer des humains sur la Lune, puis sur Mars, et qui sait où encore, est loin d'être une mince affaire. Rendre la vie et la subsistance possibles dans des environnements aussi hostiles représente bien plus qu'un simple défi. Prenons l'exemple du ravitaillement des explorateurs spatiaux si loin de la Terre. Si l'on considère Mars, une fusée de ravitaillement mettrait 210 jours pour l'atteindre, ce qui est loin d'être optimal. L'agriculture spatiale fait partie intégrante de ce rêve, et nous nous souvenons tous du cylindre d'O'Neill, conçu par le physicien de Princeton Gerard K. O'Neill, qui publia en 1974 dans Physic Today un article intitulé « La colonisation de l'espace ». Cet article et les recherches d'O'Neill ont inspiré de nombreux films de science-fiction mettant en scène cet immense cylindre rotatif, abritant des fermes et éclairé par un soleil artificiel (Figure 1). Nous n'en sommes pas encore là, mais en s'appuyant sur ce concept, les premiers humains à habiter Mars pourraient être considérés comme des agriculteurs, et non comme des astronautes. Alors, comment l'électronique de puissance contribuera-t-elle à faire de ce rêve une réalité ?
De l'agriculture verticale sur Terre à l'espace :
nourrir 10 milliards d'êtres humains.
Commençons par le commencement. Selon les dernières estimations, la population mondiale devrait atteindre 10 milliards d'habitants d'ici 2050. Parallèlement, nous sommes confrontés à des changements climatiques susceptibles d'affecter l'ensemble de l'écosystème alimentaire et d'exiger une transformation profonde de nos modes de production et de consommation.
En tenant compte de tous les paramètres et de l'exigence de produire des aliments dans le plus grand respect de l'environnement, le Dr Dickson Despommier et ses étudiants ont développé en 1999 le concept d'agriculture verticale moderne, redonnant vie au terme inventé en 1915 par le géologue américain Gilbert Ellis Bailey. Nous en avons tous entendu parler et avons lu de nombreux articles sur la conversion de bâtiments industriels en fermes verticales. Or, depuis les débuts de l'éclairage fluorescent ou halogène jusqu'à l'éclairage à semi-conducteurs (SSL), un nombre impressionnant d'innovations technologiques ont permis d'optimiser l'énergie fournie aux plantes pour une croissance optimale, multipliant ainsi les avantages de l'agriculture verticale. En termes d'utilisation de l'espace, on pourrait produire 100 fois plus d'aliments par mètre carré qu'en agriculture conventionnelle, tout en réduisant la consommation d'eau de 90 % et en éliminant les produits chimiques dangereux. L'agriculture verticale est très attrayante, mais pour être véritablement efficace, elle requiert un système d'éclairage très performant (Figure 02).
Tous les légumes ne peuvent pas pousser dans un sol et avec des nutriments limités par l'imprégnation, mais pour ceux qui s'y prêtent, les résultats sont impressionnants et le deviennent encore plus lorsque des technologies d'éclairage modernes contrôlées par ordinateur sont utilisées, ce qui représente un domaine très intéressant à explorer pour les concepteurs énergétiques, combinant électronique de puissance avancée et agriculture moderne, avec une approche logicielle à l'esprit.
Depuis leur apparition, les ingénieurs spécialisés dans la culture en intérieur ont mené des recherches pour déterminer le spectre lumineux et les besoins énergétiques des différentes plantes afin d'optimiser leur croissance. Des lampes fluorescentes et halogènes à large spectre aux lampes à spectre plus étroit, l'industrie de l'éclairage conventionnel a considérablement innové, mais cette technologie manque de flexibilité et d'efficacité pour répondre à la demande actuelle.
Suite à des expériences menées au Japon entre 2005 et 2008, des chercheurs en agronomie ont étudié différentes méthodes d'éclairage afin d'ajuster le spectre et l'énergie lumineux aux besoins spécifiques de certaines plantes. Ils ont conclu que le spectre lumineux optimal pour la croissance des plantes et des légumes s'étend généralement de 450 nm (lumière bleue) à 730 nm (rouge lointain) (Figure 3). La densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD) requise varie de 50 micromoles (µmol) pour les champignons à 2 000 micromoles pour des plantes comme les tomates et certaines fleurs qui s'épanouissent en plein soleil estival (Figure 4).
Les experts agricoles indiquent que, pour des résultats optimaux, différentes espèces végétales peuvent nécessiter des spectres lumineux différents, ainsi que des équilibres et des intensités lumineuses différents entre les stades de la germination et de la récolte. Par conséquent, l'éclairage artificiel doit souvent comporter plusieurs canaux spectraux dont l'intensité est réglable individuellement. Certains procédés de culture combinent différentes sources lumineuses, notamment l'utilisation de flashs UV pour prévenir le développement des ravageurs, ce qui requiert une alimentation capable de commuter entre une tension constante et un courant constant dans une plage allant de presque zéro à son maximum (Figure 5).
Ces spécifications pour une alimentation électrique sont très similaires à celles qui seront nécessaires pour l'agriculture spatiale, avec une architecture d'électronique de puissance capable de lutter contre les effets des radiations spatiales.
L'agriculture terrestre transposée dans l'espace :
Alors que la NASA planifie des missions de longue durée vers la Lune et Mars, un facteur clé est de déterminer comment nourrir les équipages pendant leurs séjours de plusieurs semaines, mois, voire années dans l'espace. La nourriture destinée aux équipages de la Station spatiale internationale (ISS) est principalement préparée sur Terre et nécessite des ravitaillements réguliers. Si l'ISS peut être ravitaillée par des vaisseaux cargo, l'opération est nettement plus complexe et coûteuse lorsqu'elle se trouve sur Mars, à une distance moyenne de 220 millions de kilomètres, soit plus de 200 jours de voyage.
En 2015, la NASA, en partenariat avec les jardins botaniques Fairchild de Miami, a lancé le projet « Cultiver au-delà de la Terre » afin de déterminer quelles plantes seraient adaptées à l'agriculture spatiale autonome. Après une série d'expériences et en tenant compte de l'ensemble du cycle de développement, diverses plantes, dont la laitue, des variétés de moutarde et des radis, ont été sélectionnées. Ces plantes ont d'abord été cultivées en laboratoire sur Terre, puis à bord de l'ISS, afin d'étudier l'influence de la microgravité et d'autres facteurs sur leur développement (figure 6).
Le projet « Veggie » a englobé un large éventail de facteurs expérimentaux, tels que « Productivité, valeur nutritionnelle et acceptabilité des salades prêtes à consommer pour compléter le système alimentaire de l’ISS (Veg-04A) », qui comprenait des recherches sur les conditions d’éclairage optimales pour la culture des plantes. À bord de l’ISS, deux traitements lumineux avec des ratios rouge/bleu différents ont été testés pour chaque série de cultures afin de définir les couleurs et les niveaux de lumière, ainsi que les meilleures pratiques horticoles pour obtenir des rendements élevés de légumes-feuilles et de tomates sains et nutritifs, destinés à compléter l’alimentation spatiale composée d’aliments préemballés, et ultérieurement à l’agriculture sur la Lune ou sur Mars. Plusieurs rapports ont été publiés, dont « Production de cultures à grande échelle pour la Lune et Mars : lacunes actuelles et perspectives d’avenir », paru en février dans « Frontiers in Astronomy and Space Sciences », qui résume sept années d’expérimentation sur Terre et à bord de l’ISS (figure 07).
Compte tenu de la diversité des plantes à cultiver, des distances à parcourir et des coûts, les systèmes d'alimentation électrique pour l'agriculture spatiale devront s'adapter à différents profils de puissance, combinant courant constant ou tension constante, puissance de crête, efficacité énergétique et compacité. À cela s'ajoutent les contraintes spécifiques au milieu spatial en matière d'immunité aux radiations, de température de fonctionnement, de chocs et de vibrations.
L'optimisation de la charge utile, du poids et de la taille est un enjeu majeur pour les applications spatiales, et des satellites en orbite terrestre basse à l'exploration au-delà de l'espace, des alimentations électriques dotées de technologies de pointe ont été développées pour les rendre plus petites et plus économes en énergie.
Les semi-conducteurs à large bande utilisés dans les applications spatiales ont fait l'objet de nombreux projets de recherche, notamment le rapport de la NASA de 2018 présenté à la conférence RADECS de Göteborg, intitulé « Rayonnement et ses effets sur les composants et les systèmes ». Ce rapport a identifié les points forts et les points faibles des semi-conducteurs à large bande (SLB) exposés aux rayonnements. Par ailleurs, le département de la Défense des États-Unis a récemment annoncé le financement d'une nouvelle collaboration nationale, menée par l'université Penn State, visant à mieux prédire et atténuer les dommages induits par les rayonnements sur les semi-conducteurs SLB. L'équipe a reçu une subvention de 7,5 millions de dollars sur cinq ans, dans le cadre de l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire de la Défense. Ceci démontre clairement l'importance cruciale des SLB dans les applications spatiales et leur contribution à la prochaine étape de l'exploration spatiale.
Parallèlement, l'industrie des semi-conducteurs progresse, comme en témoignent la nouvelle division et les produits destinés aux applications spatiales lancés par Efficient Power Conversion (EPC). Pour les concepteurs de systèmes d'alimentation, l'accès à du GaN COTS renforcé pour les applications spatiales permettra de réduire les délais et les coûts de développement (Figure 08).
Conclusions :
Si l’un des principaux défis de l’agriculture spatiale consiste à obtenir suffisamment d’eau et de nutriments, puis à les recycler le plus efficacement possible, de nombreux autres obstacles, non encore surmontés sur Terre et qu’il faudra également prendre en compte, demeurent. Parmi ceux-ci figurent le rayonnement cosmique, l’absence d’atmosphère et la faible luminosité. Le projet « Cultiver au-delà de la Terre » (2015-2022) a permis de réaliser des progrès considérables, contribuant à une meilleure compréhension de l’agriculture spatiale et de l’électronique de puissance. Nous sommes à l’aube d’une nouvelle ère où les semi-conducteurs à large bande joueront un rôle prépondérant dans l’électronique de puissance.
C'est une période passionnante pour les concepteurs énergétiques, n'est-ce pas ?
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Références :
Powerbox (PRBX) :
https://www.prbx.com/
La colonisation de l'espace - Gerard K. O'Neill, Physics Today, 1974
https://space.nss.org/the-colonization-of-space-gerard-ko-neill-physics-today-1974/
Jardin botanique Fairchild
https://fairchildgarden.org/gbe/
Cultiver des plantes au-delà de la Terre
https://www.nasa.gov/feature/students-help-nasa-researchers-decide-what-plants-to-grow-in-space
NASA / RADEC 2018
Jean-Marie Lauenstein - NASA GSFC, Greenbelt, MD, États-Unis
Semiconducteurs à large bande dans l'espace : apprécier les avantages, mais comprendre les risques
Frontiers of Astronomy and Space Sciences
: Production agricole à grande échelle sur la Lune et Mars : lacunes actuelles et perspectives d'avenir.
Publié le 4 février 2022 / doi : 10.3389/fspas.2021.733944
Conversion énergétique efficace (EPC)
https://epc-co.com/epc
Conférence sur l'électronique de puissance appliquée (APEC)
https://apec-conf.org/
AUTEUR : PATRICK LE-FEVRE, POWERBOX
