Mars est la prochaine frontière de l’exploration spatiale habitée, la NASA, la Chine et SpaceX prévoyant toutes d’y envoyer des missions avec équipage dans les décennies à venir. Dans chaque cas, les plans consistent à établir des habitats en surface qui permettront des missions de retour, des recherches de pointe et peut-être même un jour des établissements permanents. Bien que l’idée de poser des bottes sur le sol martien soit passionnante, de nombreux défis doivent être relevés longtemps à l’avance. La nécessité de localiser les sources d’eau, qui sont en grande partie constituées de dépôts souterrains de glace d’eau, n’est pas la moindre d’entre elles.
Là réside un autre défi majeur : les dépôts de glace martiens sont contaminés par des perchlorates toxiques, de puissants oxydants qui provoquent la corrosion des équipements et sont dangereux pour la santé humaine (même à faibles concentrations). À cette fin, les missions avec équipage doivent apporter un équipement spécial pour éliminer les perchlorates de l’eau sur Mars si elles ont l’intention de l’utiliser pour la boisson, l’irrigation et la fabrication de propulseur. C’est le but de Mars détoxifiantun concept proposé sélectionné par le programme NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) pour le développement de la phase I.
Le principal développeur de ce concept est Lynn Rothschild, chercheuse scientifique principale au Ames Research Center (ARC) de la NASA et responsable de la recherche et de la technologie à la Direction des missions scientifiques et technologiques (STMD) au siège de la NASA. Comme elle et ses collègues l’ont noté dans leur proposition, « l’ampleur de la demande en eau prévue sur Mars met en évidence les lacunes des approches traditionnelles de purification de l’eau, qui nécessitent soit de grandes quantités de matériaux consommables, soit une consommation électrique élevée, soit un prétraitement de l’eau ».
Les perchlorates (ClO4-) sont des composés chimiques qui contiennent l’ion perchlorate, qui se forme lorsque les composés chlorés s’oxydent. Les sels de perchlorate sont cinétiquement stables, très solubles, ont une faible température eutectique (la température la plus basse possible qu’ils peuvent atteindre avant la congélation) et deviennent très réactifs à haute température. Les sels de chlorate (ClO3-) sont similaires, bien qu’ils soient moins stables cinétiquement que les perchlorates. Les perchlorates ont été détectés pour la première fois sur Mars par l’instrument du Wet Chemistry Laboratory (WCL) de la mission Phoenix, qui a atterri dans la région nord de Vastitas Borealis en mai 2008.
Avec des concentrations d’environ 0,5 % trouvées dans ces sols des plaines du nord, les scientifiques ont compris pourquoi les tentatives précédentes visant à trouver des molécules organiques dans le sol martien avaient échoué. En bref, le perchlorate a empêché les spectromètres de masse du Phoenix et des célèbres atterrisseurs Viking 1 et 2 (qui ont exploré Mars entre 1976 et 1980) de détecter quoi que ce soit. Cette découverte a suscité un regain d’intérêt pour la recherche d’études organiques et d’astrobiologie sur Mars, conduisant aux rovers Curiosity et Perseverance. Depuis lors, des concentrations de perchlorate (et probablement de chlorate) ont été détectées par plusieurs missions depuis la surface et l’orbite.
Ici sur Terre, les perchlorates sont naturellement réduits par les bactéries présentes dans les sols hypersalins, qui ont des applications pour la décontamination de l’eau. Malheureusement, ces mêmes bactéries ne conviennent pas à une utilisation hors du monde car elles n’ont pas fait leurs preuves en vol spatial. Au lieu de cela, Rothschild et son équipe envisagent un bioréacteur qui exploite la biologie synthétique pour tirer parti (et améliorer) de ce processus naturel de réduction des perchlorates. Plus précisément, leur méthode repose sur deux gènes clés trouvés dans les bactéries terrestres réductrices de perchlorate (pcrAB et cld).
Ces gènes sont ensuite intégrés dans la souche bactérienne Bacillus subtilis 168 éprouvée en vol spatial, qui convertira naturellement le chlorate (ClO-3) et le perchlorate (ClO4-) en chlorure (Cl-) et en oxygène gazeux (O2). L’oxygène gazeux serait immédiatement utilisable dans les habitats martiens ou stocké dans des réservoirs pour les activités extra-véhiculaires (EVA), tandis que le chlorure pourrait être utilisé à diverses fins, notamment la nutrition. Le processus est hautement durable, évolutif et (contrairement aux systèmes de filtrage conventionnels) élimine le besoin de déverser les déchets de perchlorate et de chlorate ailleurs.
Une fois le financement de la phase I assuré, Rothschild et ses collègues prévoient de tester la faisabilité d’envoyer un bioréacteur sur Mars. La première étape consistera à modifier les gènes PcrAB et cld dans des souches de B. subtilis 168 et à tester leurs capacités de réduction des perchlorates. Ils prévoient également de mener une étude commerciale pour comparer les performances de leur procédé par rapport aux approches d’ingénierie traditionnelles, notamment en termes de masse, de puissance et de temps nécessaire pour terminer le processus. La dernière étape consistera pour Rothschild et son équipe à créer un plan pour intégrer la technologie dans l’architecture d’une mission avec équipage vers Mars.
« Le système sera lancé sous forme de spores inertes et séchées, stables à température ambiante pendant des années », déclarent-ils. « À leur arrivée sur Mars, les spores seront réhydratées et cultivées dans un bioréacteur répondant aux normes de protection planétaire. L’eau martienne sera traitée par le bioréacteur pour réduire les perchlorates. L’eau traitée pourra ensuite être utilisée ou purifiée davantage selon les besoins. »
Comme ils l’indiquent également dans leur proposition, la technologie aura des implications pour les systèmes de décontamination de l’eau et la restauration de l’environnement ici sur Terre :
« Le développement de notre biotechnologie de détoxification conduira également à des solutions plus efficaces à la contamination terrestre naturelle et particulièrement industrielle par les perchlorates terrestres. Il mettra également en lumière le potentiel d’utiliser la vie plutôt que les seules solutions industrielles pour résoudre nos problèmes environnementaux, ce qui pourrait inciter d’autres innovations pour d’autres défis environnementaux terrestres tels que le changement climatique.