- Les systèmes actuels perdent en efficacité en apesanteur : les bulles de gaz perturbent leurs membranes.
- AQUA-CYCLE utilise des membranes céramiques rigides qui évacuent les bulles et se nettoient seules.
- Testé un an sur une plateforme orbitale, il dépasse l'exigence de 98 % du programme ARTEMIS-9.
Une implantation martienne sans ravitaillement impose de recycler plus de 98 % de l'eau à bord, un seuil jamais tenu durablement en apesanteur. Les systèmes actuels, fondés sur des membranes polymères et une séparation gaz-liquide qui dépend de la gravité, voient leur rendement baisser de 2 à 4 points au fil des mois. Nous présentons AQUA-CYCLE, un procédé qui associe osmose inverse, bioréacteur, oxydation électrochimique et une membrane céramique nanoporeuse auto-nettoyante. Testé 360 jours sur la plateforme orbitale ORBIS-2 de l'IFRAS, dont 180 jours en apesanteur puis 180 jours à 0,38 g dans une centrifugeuse embarquée, il récupère 99,6 ± 0,08 % de l'eau, pour 3,2 Wh par litre, soit 30 % de moins que le système de référence. L'eau produite respecte en permanence la norme de potabilité de bord.
01Dans l'espace, chaque goutte compte
Un astronaute utilise environ 3,4 litres d'eau par jour : 2,0 pour boire, 0,7 pour l'hygiène, 0,5 pour les repas et 0,2 pour les soins et les expériences. Pour un module de quatre personnes et 900 jours, le temps du transit vers Mars puis des deux premières années d'installation, avant que la colonie ne tire sa propre eau du sous-sol, cela fait 12 240 litres, soit plus de 12 tonnes à lancer.
Le recyclage change complètement l'équation. Tout ce qui n'est pas récupéré doit être emporté au départ : la réserve nécessaire dépend directement du taux de récupération.
02Comment fonctionne un cycle fermé
À bord, toute l'eau est collectée : l'urine (environ 1,5 L par personne et par jour), l'humidité de l'air, qui vient de la respiration et de la transpiration (1,3 L), et les eaux de lavage. Elle traverse ensuite plusieurs étapes qui éliminent chacune une famille de contaminants, avant de revenir au réservoir d'eau potable.
Pourquoi l'apesanteur complique tout
Sur Terre, les bulles de gaz remontent et se séparent seules de l'eau. En apesanteur, elles restent en suspension. Dans les systèmes actuels, elles viennent se coller aux polymères souples, bouchent une partie des pores et perturbent la pression de part et d'autre. Le rendement baisse de mois en mois.
Membrane polymère
Débit : 100 %
Membrane céramique AQUA-CYCLE
Débit : 100 %
03AQUA-CYCLE : deux idées clés
Une membrane céramique qui se nettoie seule
La première innovation remplace la membrane polymère de finition par un tube céramique d'alumine et de dioxyde de titane, percé de pores de 2 nanomètres. Rigide, il ne se déforme pas sous l'effet des bulles. Sa surface interne est couverte d'une couche de dioxyde de titane de 200 nm qui, éclairée en ultraviolet, détruit les dépôts organiques par : la membrane ne s'encrasse pas.
Faire cohabiter microbes et électrochimie
La seconde innovation associe un et une cellule d'oxydation électrochimique. Les tensions nécessaires pour détruire les polluants tenaces (1,8 à 2,4 V) tuent les bactéries : les deux modules sont donc séparés, et un contrôleur répartit l'eau. Les flux peu chargés, comme l'humidité condensée, vont au bioréacteur ; les flux concentrés, issus de l'urine, vont à l'oxydation. Les deux se rejoignent avant la membrane céramique.
Système de référence
- Membranes polymères qui s'encrassent en apesanteur
- Séparation gaz-liquide qui dépend de la gravité
- Changement des cartouches tous les 30 à 45 jours
- 4,6 Wh par litre traité
AQUA-CYCLE
- Membrane céramique rigide et auto-nettoyante
- Bulles évacuées par capillarité, sans gravité
- Aucune intervention de l'équipage en 360 jours
- 3,2 Wh par litre traité (−30 %)
04Un an sur une plateforme orbitale
Seule l'orbite permet de tester un système complet en vraie apesanteur pendant des mois. Trois modules AQUA-CYCLE ont fonctionné en parallèle sur la plateforme orbitale ORBIS-2 de l'IFRAS : 180 jours en apesanteur, puis 180 jours à 0,38 g, la gravité de Mars, dans la centrifugeuse embarquée GRAV-360. Deux systèmes de référence ont suivi le même programme.
Où passe l'eau perdue ? Nous avons mesuré chaque fuite de la boucle. Dans les systèmes de référence, l'essentiel part avec les issues de l'urine. AQUA-CYCLE réduit chacune des pertes, au prix d'une nouvelle, faible : les boues du bioréacteur.
| Paramètre | Norme | AQUA-CYCLE | Position dans la norme |
|---|---|---|---|
| < 0,50 mg/L | 0,08 ± 0,02 | ||
| Nitrates | < 44 mg/L | 2,1 ± 0,4 | |
| Ammonium | < 0,50 mg/L | 0,04 ± 0,01 | |
| Conductivité | < 500 µS/cm | 18 ± 3 | |
| Micro-organismes | < 50 /100 mL | < 1 | |
| pH | 6,0 – 8,5 | 7,2 ± 0,1 | |
| Iode résiduel | 0,2 – 0,5 mg/L | 0,31 ± 0,04 |
05Discussion et suite
Passer de 95 % à 99,6 % de récupération divise par plus de douze la réserve d'eau d'une mission martienne : de 610 à 49 litres pour quatre personnes et 900 jours. C'est aussi la première fois qu'un système tient l'exigence de 98 % en apesanteur pendant une durée comparable à un transit vers Mars.
LimitesLe prototype traite 10 L par jour, assez pour trois personnes. Pour un équipage de quatre (13,6 L par jour), il faudra 1,4 fois plus de modules, validés au sol mais pas encore en orbite. Le comportement des bactéries du bioréacteur (Nitrosomonas ureae et Nitrobacter winogradskyi) au-delà d'un an reste à vérifier, tout comme la durée de vie des membranes, en cours de test par vieillissement accéléré à 70 °C.
Une version 2 ajoutera la récupération de l'eau contenue dans les déchets solides, par séchage sous vide à 180 °C, soit environ 0,3 L par personne et par jour. Elle sera testée lors de la mission analogue LDS-1 : 120 jours d'isolement pour quatre personnes, dans les Pyrénées, en 2027.
- 360 jours en orbite99,6 % de récupération, sans intervention.
- VieillissementDurée de vie des membranes à 70 °C.
- Mission LDS-1Version 2, 4 personnes, 120 jours.
