Avez-vous déjà pensé comment les technologies innovantes utilisées dans l’industrie spatiale peuvent nous profiter sur Terre ? Vous pourriez être surpris d’apprendre que les applications non-spatiales des programmes spatiaux sont extensibles. Depuis 1976, la NASA (National Aeronautics and Space Administration) a développé plus de 2000 technologies spin-off (NASA 2019), ESA (Agence Européenne Spatiale) en a développé approximativement 150 ces 10 dernières années (European Space Agency (ESA) n.d.), alors que ISRO (Organisation Indienne de Recherche Spatiale) a transféré plus de 300 technologies à des entreprises indiennes (Indian Space Research Organisation n.d.). Depuis le développement des ‘lunettes intelligentes’ pour améliorer la concentration, et la création d’une app pour tester et recalibrer la motricité fine, jusqu’à un logiciel qui peut surveiller la sante des patients, les possibilités et avantages sont sans fin (NASA 2021). 

En plus de ces innovation spin-off high tech, nous ne devrions pas oublier les nombreuses possibilités offertes par les images satellites. Souvent commandées pour le renseignement militaire et des domaines à but lucratif, les images de nombreux satellites sont réutilisées pour le bien de l’humanité. Des organisations comme Earthrise et Digital Earth Africa, parmi tant d’autres, aident les gens à accéder à ces images pour contrôler les minages illégaux, optimiser l’utilisation agricole de l’eau, identifier des petites surfaces d’eau, et évaluer les changements d'utilisation des sols au fil du temps, en aidant les citoyens à se prendre en charge et à prendre des décisions éclairées sur le terrain (NASA 2021). 

Les images satellitaires offrent de nombreuses applications liées à l’eau, tout comme les technologies spin-off, avec le défi très pressant d’accéder à de l’eau propre dans l’espace ayant été aubiane pour le secteur de l’eau sur Terre. De l'analyse de l'eau à sa filtration, le tableau 1 présente quelques-unes des applications spin-off liées à l'eau, avec des exemples d'innovations et de technologies. 

Tableau 1 : Technologies liées à l’eau et applications aléatoire
Application Technologie initiale Technologie spin-off
Analyse d’eau  Suite de surveillance de l’eau ; Scanner Laser Ultraviolet (UV)  Kit testeur mWater; Scanner laser UV 
Optimisation du traitement de l’eau  Logiciel de la langue européenne de simulation (ESL pour European Simulation Language en anglais)  Logiciel de la langue européenne de simulation (ESL) 
Traitement de l’eau  Système d’administration d’un biocide à base d’ions d’argent ; Protéine du canal d’eau des aquaporines ; Cartouches NanoCeram ; Système de recuperation d’eau ECLSS ; MELiSSA ; Allotropes du carbone  Ions d’argent ; aquaporines ; cartouches NanoCeram ; technologies multiples ; allotropes de carbone 
Accès à l’eau  Radar avance pour le sondage de la surface et de l’ionosphère (MARSIS) et radar à faible profondeur (SHARAD)  Technologie de sondage radar 

 

Analyse de l'eau 

La qualité de l'eau est tout aussi importante, sinon plus, que sa quantité. Les sources d'eau de mauvaise qualité exposent les utilisateurs à une pléthore de maladies telles que le choléra, la typhoïde et la dysenterie. Il est donc essentiel de pouvoir tester l'eau avant de l'utiliser. Dans les pays à revenu élevé, la qualité de l'eau est généralement considérée comme allant de soi et est prise en charge par les compagnies des eaux dans les usines de traitement, mais dans les situations où les gens collectent de l'eau pour eux-mêmes, la possibilité de tester l'eau peut leur sauver la vie. La NASA a mis au point la Water Monitoring Suite (figure 1) pour surveiller les microbes, la silice et les matières organiques dans l'eau de la Station spatiale internationale (ISS). Cette technologie a donné naissance à mWater, une organisation créée par un ancien ingénieur de la NASA, qui utilise des kits d'analyse de l'eau peu coûteux (5 $ par kit), que les citoyens peuvent utiliser pour analyser l'eau afin de détecter principalement les bactéries coliformes, les nitrates et le chlore. Les résultats des tests peuvent ensuite être téléchargés sur une application - fournissant une base de données ouverte sur les emplacements des sources d'eau et leur statut de sécurité, permettant aux citoyens de prendre des décisions plus éclairées sur l'utilisation de l'eau (Jnimon 2013).  

Water monitoring suite
Figure 1: Water Monitoring Suite – Microbial Monitoring System (WMS – MMS) (NASA n.d.)

 

À plus grande échelle, les scanners laser UV peuvent être utilisés pour identifier et mesurer les contaminants dans les stations d'épuration. De petits spectromètres peu coûteux (appareils qui utilisent la lumière pour déterminer la composition d'un échantillon) dans la gamme des UV profonds sont suffisamment sensibles pour détecter les bactéries. Les travaux ont été lancés dans le but de développer des instruments pour la science planétaire et l'astrobiologie. Avec un tel laser à bord de Perseverance pour la première fois, il a été possible de repérer des indices jusqu'alors invisibles dans le cadre de la recherche de signes de vie passée sur Mars. Cette technologie est désormais largement utilisée dans les secteurs pharmaceutique, agroalimentaire et du traitement des eaux usées. Les UV profonds permettent d'identifier et de mesurer certains composés à des concentrations beaucoup plus faibles que toute autre méthode, offrant ainsi une précision sans précédent en matière de contrôle de la qualité (NASA 2021). 

Une fois que les spectromètres UV profonds ont identifié les contaminants, les opérateurs peuvent adapter les processus de traitement, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent sur des processus tels que l'infusion d'ozone et l'aération.  

Le logiciel ESL (European Simulation Language) constitue une autre innovation pratique pour l'optimisation du traitement de l'eau. Développé pour l'ESA afin de modéliser des systèmes très complexes, ce programme est désormais utilisé par les compagnies des eaux pour modéliser le processus de filtration afin d'optimiser le fonctionnement des stations d'épuration, de manière à réduire le risque de contamination, notamment par le Cryptosporidium (Brisson et Rootes 2001) (figure 2). 

Cryptosporidium
Figure 2: parasite Cryptosporidium (Health Jade n.d.)

 

Ces techniques d'analyse et d'optimisation du traitement de l'eau sont utilisées dans le monde entier pour améliorer l'efficacité et la sécurité. Des innovations créées au profit de l'industrie spatiale, tant à l'intérieur de l'ISS qu'à la surface des planètes, sont nées ces spin-off très utiles qui nous permettent de boire une eau plus propre, réduisant ainsi l'incidence des maladies et améliorant la santé sur Terre. 

Purification de l'eau  

Maintenant que nous avons exploré les moyens de tester la qualité de l'eau et d'optimiser le traitement de l'eau, qu'en est-il du processus de filtrage et de purification de l'eau contaminée ? 

Il s'agit d'un domaine où les technologies dérivées abondent. Au fil des ans, d'innombrables innovations ont permis de réaliser de grandes avancées dans le domaine de la filtration de l'eau, en raison du besoin d'eau propre dans l'espace, ajouté au poids et à l'encombrement de ces ressources. La crise mondiale de l'eau ne faisant que s'aggraver, la recherche sur la filtration de l'eau est d'une importance capitale pour qu'une plus grande partie de l'eau utilisée puisse être recyclée en vue d'une réutilisation, dans le cadre d'une approche d'économie circulaire.  

Par exemple, l'argent est utilisé depuis des siècles pour purifier l'eau. Lorsque des ions d'argent chargés positivement se dissolvent dans l'eau, ils se lient à des ions chargés négativement et les perturbent. Ils se lient aux membranes cellulaires chargées négativement des bactéries et autres micro-organismes, les perturbent, les pénètrent et les tuent. La technologie des ions d'argent est supérieure au traitement traditionnel de l'eau par l'iode, l'iode devant être éliminé avant la consommation de cette dernière. La technologie des biocides à base d'ions d'argent a été mise au point pour désinfecter l'eau lors de son stockage et de sa distribution. La technologie développée distribue les ions d'argent beaucoup plus efficacement que les systèmes précédents et on la retrouve non seulement dans les missions Apollo, mais aussi de plus en plus dans les systèmes de filtration des robinets, des piscines, des chaudières, des spas et des hôpitaux sur Terre (NASA 2021).  

Les aquaporines sont une autre technologie remarquable de traitement de l'eau. Membranes contenant les mêmes protéines naturelles qui transportent l'eau à travers les membranes des cellules vivantes, les aquaporines peuvent transporter des molécules individuelles à travers les membranes cellulaires, ce qui leur permet de rejeter les contaminants (Aquaporin 2020). Les membranes peuvent fonctionner en osmose directe, extrayant l'eau douce et ne laissant que les déchets de l'autre côté. Utilisées dans un système de filtration sous l'évier lors de leur première utilisation commerciale, elles sont maintenant testées dans des stations d'épuration et donnent des résultats prometteurs. Un projet pilote de traitement des eaux grises de la base de durabilité du centre de recherche d'Ames nécessite moins d'énergie et d'entretien que le précédent système de traitement du bâtiment (NASA 2021) (figure 3).  

Aquaporins
Figure 3 : Modules d'osmose directe Aquaporin HFFO14 (à gauche) et ancien système de traitement (à droite) dans le système de récupération des eaux grises de la base de durabilité du centre de recherche d'Ames (Aquaporin 2020).

 

Le NanoCeram est une autre innovation en matière de filtration de l'eau (figure 4). Chargée de développer une technologie de purification de l'eau pour l'espace, une entreprise de nanomatériaux a mis au point le NanoCeram, un filtre composé de fibres d'alumine microscopiques. Il peut éliminer pratiquement tous les contaminants et ses pores sont plus grands que ceux des autres filtres, ce qui permet d'augmenter le débit et d'accélérer le processus de filtration. Les fibres produisent une charge positive lorsque l'eau les traverse, piégeant les bactéries, les virus, les parasites et autres impuretés qui portent généralement de légères charges négatives, qui sont ainsi absorbées par l'alumine (NASA 2009). Les filtres ont été utilisés dans des bouteilles d'eau, des unités humanitaires portables, la purification de l'eau industrielle et même dans une douche à recirculation. Cette douche nouvellement développée démarre avec moins d'un gallon d'eau et circule à raison de 3-5 gallons / minutes, en utilisant le filtre NanoCeram et la lumière UV pour purifier l'eau en vue de sa réutilisation (NASA 2021).   

NanoCeram
Figure 4 : cartouches NanCeram (NASA 2009)

 

Au-delà des ions d'argent, des aquaporines et des fibres d'alumine, deux projets différents : ECLSS et MELiSSA ont débouché sur de vastes applications terrestres. 

Pour purifier l'air et les eaux usées en eau potable à bord de l'ISS, le système ECLSS (Environment Control and Life Support System) a été mis au point au Marshall Space Flight Centre de la NASA. Le système de purification se compose d'un ensemble de traitement de l'urine (UPA), d'un système de récupération de l'eau (WRS), d'un système de génération d'oxygène (OGS), d'un ensemble d'élimination du dioxyde de carbone (CDRA) et d'un ensemble de réacteur Sabatier (SRA). Le WRS purifie et filtre l'eau, dont une valve de contrôle microbienne (MCV) - une résine iodée - est un composant principal (Bazley 2011) (Figure 5). 

Les recherches menées dans le cadre de l'ECLSS ont été reprises par une ONG travaillant en Irak, qui a utilisé la résine iodée dans un réservoir d'eau de 2 000 litres pour fournir de l'eau fraîche dans le cadre de l'un de ses projets. L'iode contrôle non seulement la croissance microbienne, mais favorise aussi le bon fonctionnement du cerveau et maintient les niveaux d'hormones corporelles. Cette résine fournit également de l'iode aux utilisateurs dans les endroits où il y a une carence en iode. Cette technologie de traitement de l'eau a depuis été déployée dans d'innombrables systèmes de filtration et usines de récupération des eaux usées, en particulier dans les pays à revenu moyen inférieur (PRFM), les camps de réfugiés et les situations de post-catastrophe (NASA et al. 2015).

Water recovery system
Figure 5 : Installation de développement de systèmes de récupération d'eau (AWRSDF) (NASA n.d.) 

 

Par ailleurs, MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) est le projet européen de systèmes de survie circulaires, créé pour étudier la production de nourriture, d'eau et d'oxygène à partir de déchets de mission (CO2 et minéraux) par des micro-organismes, en utilisant la lumière comme source d'énergie. Le projet a permis de créer des membranes organiques et céramiques dont les trous sont 700 fois plus fins qu'une mèche de cheveux, capables de filtrer les composés indésirables. MELiSSA cherche à mettre au point un système de survie autonome qui pourrait être embarqué dans l'espace à l'avenir et qui fournirait aux astronautes toute la nourriture, l'eau et l'oxygène dont ils ont besoin (Fondation MELiSSA, s.d.).  

Depuis son lancement en 1987, MELiSSA a donné naissance à de nombreuses entreprises et technologies dérivées pour des applications terrestres, afin de maintenir le financement de la recherche et d'assurer la validation technique (tableau 2).

Firmus Concordia
Figure 6 : FGWRS (Firmus Grey Water Recycling System) à la station de recherche Concordia, Antarctique (Firmus n.d.)

 

Tableau 2 : Exemples des technologies spin-off de MELiSSA
Innovation Description
Filtration de l’eau pour le traitement des eaux souterraines polluées au Maroc  Technologie de filtration de l’eau développe via MELiSSA utilisée par l’université de Kenitra, Maroc, pour produire de l’eau potable propre pour 1 200 étudiants. S’intégrant dans un conteneur maritime et fonctionnant à l'énergie renouvelable, l’installation filtre les nitrates des eaux souterraines, apportant une source essentielle d’eau ou l’eau fraiche est à court d’approvisionnement (ESA, 2009)
Traitement de eaux grises et recyclage en Antarctique (figure 6)  Les technologies de recyclage des eaux grises, appelées FGWRS, ont été développées pour purifier les eaux usées, recyclant jusqu'à 85%. Ce système, utilise à bord de la station de recherche du Concordia en Antarctique, a une capacite de 2 800 L/jour (équivalent de la production d’eaux grises pour 25 personnes) et est capable de produire de l’eau potable (Firmus n.d.)  
Centres d’assainissements (figure 7)  Des modules d’assainissement sanitaire, incluant les toilettes, les installations de nettoyages et les douches, ont été développés. Ces unités comprennent un traitement et une filtration biologiques développés par MELiSSA pour nettoyer et traiter l’urine, les eaux grises et noires en eau potable, nutriments et biogaz. Ce système est mobile et autonome, promouvant une bonne hygiène et l’assainissement (Semilla sanitation n.d.) 

 

Sanitation hub
Figure 7 : Hub sanitaire conçu par Semilla sanitation, utilisant la technologie développée dans le cadre du projet MELiSSA (Semilla sanitation n.d.)

 

Enfin, les avis sur la désalinisation sont partagés. La désalinisation est un processus qui permet d'éliminer les sels de l'eau. Elle offre des possibilités sans précédent pour contribuer à résoudre la crise mondiale de l'eau. Étant donné qu'environ 97 % des ressources mondiales en eau se trouvent dans les océans, la capacité d'extraire le sel de l'eau est extrêmement utile. Toutefois, le processus est très énergivore, coûteux et plus polluant que les méthodes de traitement traditionnelles. Le centre de recherche Langley de la NASA a mis au point des méthodes innovantes pour la préparation en vrac d'allotropes de carbone (par exemple, les nanotubes et le graphène) (figure 8). Les nouvelles méthodes génèrent des matériaux présentant une plus grande surface accessible, de meilleures performances électrochimiques et de meilleures propriétés de transport moléculaire à travers la surface, tout en éliminant le besoin de catalyseurs et de solvants. Les matériaux en carbone devraient avoir des applications dans de nombreuses industries, notamment dans le domaine du dessalement, de l'administration de médicaments, du stockage de l'énergie et de la thermoélectricité. Cette nouvelle technologie est dans le collimateur de la NASA, qui estime qu'elle a un grand potentiel pour devenir un futur succès en matière de retombées (NASA 2021).

Holey Carbon Allotropes
Figure 8 : Images de nanotubes de carbone et de graphène troués obtenues par microscopie électronique (Tech Briefs 2018)

 

Accès à l’eau 

Outre le traitement de l'eau dont nous disposons, la recherche de nouvelles sources d'eau est également d'une importance capitale. La technologie du sondage radar permet de sonder les surfaces dans l'espoir de détecter de l'eau. Le Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding (MARSIS) et le Shallow Radar (SHARAD) sondent respectivement les sédiments souterrains et les calottes polaires de Mars jusqu'à 3 km, et recherchent de l'eau liquide ou gelée dans les premières centaines de pieds de la croûte martienne. Les deux instruments ont trouvé des preuves de la présence de glace dans le sous-sol martien (NASA 2011), tandis que MARSIS a récemment découvert trois nouveaux lacs souterrains contenant de l'eau liquide près du pôle Sud (Rincon 2020). 

Cette technologie de sondage radar a été utilisée pour créer des cartes à haute résolution des aquifères d'eau douce sous le Koweït : il s'agit de la première utilisation d'un radar de sondage aéroporté pour la cartographie des aquifères (figure 9). Le radar, fixé à un hélicoptère, a survolé deux aquifères d'eau douce bien connus, sondant le sous-sol à des profondeurs de 65 m. Ce travail a démontré que le radar pouvait être utilisé pour localiser les aquifères souterrains, sonder les variations de profondeur de la nappe phréatique et identifier les points d'entrée et de sortie des aquifères, contribuant ainsi à améliorer la précision des forages et à quantifier les processus liés aux eaux souterraines. Cela pourrait contribuer à notre compréhension du changement climatique en permettant de comparer les aquifères dans le temps, en mettant en évidence les variations dans le stockage des eaux souterraines et les conditions climatiques associées (NASA 2011). 

Aquifer mapping
Figure 9 : Coupe transversale d'un radiogramme à haute résolution d'un aquifère au Koweït montrant la profondeur variable de la nappe phréatique, créée à partir d'un prototype de sondage radar, qui a sondé le sous-sol du désert (NASA 2011). 

 

Conclusion 

L'économie spatiale mondiale aurait atteint 423,8 milliards de dollars en 2020 (Sheetz 2020), dont la majeure partie est axée sur les communications par satellite. Avec plus de 80 agences spatiales dans le monde, l'industrie semble en plein essor. Grâce aux innombrables technologies dérivées développées au cours des dernières décennies, l'investissement dans l'exploration spatiale entraîne des répercussions non seulement sur des terres lointaines, mais aussi sur la nôtre. Grâce à l'innovation et à l'expertise constantes des chercheurs, ingénieurs, scientifiques et autres, les technologies dérivées améliorent considérablement notre vie. Qu'il s'agisse de filtrer les eaux usées pour les rendre potables ou de détecter les aquifères souterrains, ces innovations constituent des bouées de sauvetage face à la crise de l'eau qui ne cesse de s'aggraver. 

Sources

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Bazley, J. 2011. “ISS Regenerative Life Support: Challenges and Success in the Quest for Long-Term Habitability in Space.” In IAC Flight Operations Virtual Forum.

Brisson, P, and J Rootes. 2001. “Down to Earth.”

European Space Agency (ESA). n.d. “Spin-off Technologies.” Space Science. Accessed May 25, 2021. http://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Spin-off_technolog….

ESA. 2019. “Treatment of Highly Polluted Groundwater in Morocco.” You Benefit. 2019. http://youbenefit.spaceflight.esa.int/treatment-of-highly-polluted-grou….

Firmus. n.d. “Greywater Treatment.” Accessed May 25, 2021. https://www.firmus.net/en/grey-water-treatment/.

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Jnimon. 2013. “A Marriage of Minds Meets Earth and Space Clean Water Needs.” A Lab Aloft (International Space Station Research). 2013. https://blogs.nasa.gov/ISS_Science_Blog/2013/08/20/a-marriage-of-minds-….

MELiSSA Foundation. n.d. “MELiSSA Foundation.” Accessed May 25, 2021. https://www.melissafoundation.org/.

NASA. n.d. “Advanced Water Recovery Systems.” JSC Partnerships. Accessed May 25, 2021a. https://www.nasa.gov/centers/johnson/partnerships/hhpsc/lss/advanced-wa….

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