Comment la photosynthèse artificielle peut aider à la colonisation de l’espace

L’exploration spatiale a mis en lumière la photosynthèse artificielle. Il est facile de comprendre pourquoi : le maintien de la vie dans l’espace dépend des sources d’oxygène, d’eau et d’énergie, et ce processus ancien pourrait résoudre ces problèmes. Les recherches menées depuis des décennies pour découvrir les clés qui rendent la photosynthèse naturelle très efficace ont inspiré les technologies artificielles et semi-artificielles. in vitro. L’un d’eux, découvert il y a cinquante-cinq ans, a inspiré des matériaux et des technologies axés sur la production d’oxygène et d’hydrogène moléculaires. Il s’agit de la photolyse de l’eau, c’est-à-dire de l’oxydation de l’eau par la lumière du soleil.

La photosynthèse est née il y a entre 3 400 et 2 900 millions d’années. Par la suite, la diversification rapide des cyanobactéries, ainsi que les processus d’endosymbiose, l’ont propagée de manière spectaculaire. La photosynthèse oxygénée est la principale source d’oxygène dans l’atmosphère et dans la biomasse, mais l’oxygène libéré dans l’environnement n’est qu’un sous-produit de ses étapes initiales. Celle-ci est libérée par l’oxydation de l’eau induite par la lumière, une réaction qui se produit dans la membrane thylakoïde, caractéristique des cyanobactéries, des diatomées et des plantes. Type de sac qui, chez les plantes, fait partie des chloroplastes, les organites de la cellule végétale responsable de la photosynthèse.

En 1969, Pierre Joliot a découvert que l’oxygène libéré lors des premières étapes de la photosynthèse se produit après une période de quatre clignote de lumière dans la lumière de la membrane thylakoïde. Un an plus tard, Bessel Kok (1970) décrypte le mécanisme et donne une explication à cet événement : l’oxygène est libéré après un cycle de quatre pas activés par la lumière, comme les quatre quarts d’une horloge. Dans chacune de ces quatre étapes, des espèces chimiques aux propriétés oxydantes sont générées. Kok les appelait « États S ».

Aujourd’hui, nous connaissons ce mécanisme comme Modèle Kok-Joliot. Cette découverte a constitué une étape importante, réfutant l’idée initiale selon laquelle l’oxygène provenait du dioxyde de carbone présent dans les organismes verts. Le modèle Kok-Joliot a constitué un changement de paradigme crucial dans la compréhension du mécanisme d’oxydation biologique de l’eau qui produit des équivalents moléculaires d’oxygène et d’hydrogène, ce qui pourrait conduire à la production d’hydrogène.

Il a fallu attendre 2006 pour le savoir la nature des « états S » du modèle de Kok-Joliot. On sait aujourd’hui qu’ils sont associés aux états d’oxydation du manganèse (Mn), un composant métallique du complexe manganèse-calcium lié au thylakoïde – dans le photosystème II – où se déroule ce processus photosynthétique.

Le complexe manganèse-calcium fonctionne comme un catalyseur : il active la dégradation (oxydation) des molécules d’eau. Sa structure tridimensionnelle a été résolue par cristallographie aux rayons X en 2011.. En 2022, grâce au développement de techniques avancées de spectroscopie des rayons X, nous avons appris la composition et la structure au niveau atomique des quatre « états S » (So, S1, S2, S3, S4).

Le mécanisme de la réaction qui libère de l’oxygène lors de la photosynthèse a été résolu.

La course à la photosynthèse artificielle

Parallèlement à ces progrès, ce qui était un sujet d’intérêt réservé aux biochimistes et aux biophysiciens a commencé à intéresser d’autres disciplines en raison de ses applications. Les résultats ont déclenché une course pour créer des dispositifs photosynthétiques artificiels qui tentent d’imiter les composants et les processus qui se déroulent dans les thylakoïdes des cellules des organismes verts.

Depuis cinq décennies, ce sujet est débattu et des systèmes multicomposants et des catalyseurs bioinspirés ont été développés. Les premières études ont porté principalement sur le développement de systèmes combinés de photosensibilisateurs et de catalyseurs en solution. Des complexes de métalloporphyrines et de dendrimères métalliques ont été étudiés comme photosensibilisateurs, catalyseurs à base de complexes métalliques et médiateurs électroniques à base de complexes de cobalt ou de cuivre.

L’utilisation d’anions persulfate comme accepteurs d’électrons a également été étudiée, ainsi que des systèmes non agrégés et auto-assemblés. Au cours de la dernière décennie, d’autres stratégies ont émergé, telles que l’utilisation d’hydrogels au lieu d’une solution aqueuse et d’un solvant pour imiter la structure interne des chloroplastes végétaux, qui colocalisent les composants moléculaires de l’oxydation de l’eau dans les plantes. Pour cela, des catalyseurs à base de nickel et d’autres complexes organométalliques ont été proposés. Les équipements et dispositifs sont conçus avec des composants améliorés, et leur stabilité et leur efficacité sont testées dans différentes conditions de température, de pression et de gravité.

Pouvons-nous développer une technologie spatiale produisant de l’oxygène ?

Le manque d’oxygène et les limitations de carburant dans l’espace limitent la durée des missions à long terme et la future présence humaine permanente sur la Lune et sur Mars. Actuellement, ces limitations favorisent une concurrence passionnante pour développer des technologies spatiales pour la production d’oxygène et l’approvisionnement sûr en carburant dans l’espace.

En ce sens, ils proposent des dispositifs basés sur la photosynthèse artificielle comme solution. Bien qu’il existe des technologies pour produire de l’oxygène – l’électrolyse est la réaction chimique la plus largement utilisée pour produire de l’oxygène à partir de l’eau – elles nécessitent de l’électricité comme source d’énergie. Au contraire, les systèmes bioinspirés efficaces basés sur la photosynthèse naturelle ne nécessitent pas de source d’électricité : cette technologie s’en passe.

Des dispositifs alternatifs produisant de l’oxygène et de l’hydrogène à partir de l’eau et de la lumière à l’aide de matériaux semi-conducteurs recouverts de catalyseurs métalliques sont actuellement conçus et étudiés. Grâce à eux et à l’utilisation du rayonnement solaire, les astronautes pourraient respirer de l’oxygène sans limitation lors des missions spatiales et il n’y aurait pas besoin de se réapprovisionner depuis la Terre.

Les recherches de l’Agence spatiale européenne (ESA) suggèrent que, compte tenu des conditions sur la Lune, cette stratégie pourrait fonctionner. Même sur Mars, où la lumière du soleil est moins intense. Dans des conditions d’éclairage limitées, ces appareils pourraient fonctionner en utilisant des miroirs solaires pour concentrer la lumière solaire reçue. Il est avancé que la photosynthèse artificielle pourrait fonctionner à température ambiante et aux pressions observées sur la Lune et sur Mars, et que les différentes conditions de gravité ne constitueraient pas une limitation. Ainsi, ce type de technologie pourrait présenter des avantages dans ces habitats utilisant l’eau comme ressource principale.

Sur la Lune, il a été détecté la présence généralisée d’eau glacéequi constituerait une ressource précieuse pour produire de l’oxygène et de l’hydrogène et fournir un soutien vital et énergétique aux astronautes en visite.

Il est donc passionnant de voir comment deux axes de recherche initialement non liés l’un à l’autre, biologique et technologique, finissent par se rejoindre dans un objectif commun : avoir la possibilité d’un approvisionnement stable en oxygène et en carburant sur la Lune à partir de l’eau. trouvé là-bas.