Le chemin vers la fusion thermonucléaire est long et semé d’embûches. Une des nombreuses étapes a récemment été franchie dans le plus grand tokamak chinois, EAST, où la limite de densité de plasma qui était observée jusque-là a été dépassée.

Dans un tokamak (un type de machine expérimentale conçue pour exploiter l'énergie de la fusion), le plasma est le milieu où se produisent les réactions de fusion nucléaire. Plus celui-ci est dense, plus les atomes se rencontrent et ont de chance de fusionner et de libérer de l’énergie. L’expérience récente a produit des densités de 30 % à 65 % plus élevées que celles normalement atteintes dans cette machine, sans déclencher les instabilités perturbatrices qui se produisent généralement lorsque la limite de densité du plasma est dépassée.

Cette étude, co-dirigée par Ping Zhu et Ning Yan, que j’ai contribuée à interpréter, a été publiée début janvier dans la revue Science Advances et reprise par la revue Nature. Un point particulièrement prometteur est que cette avancée a une base théorique, que j’avais développée et publiée avec d’autres collègues quatre ans auparavant. En confirmant plusieurs de ses prédictions, l’expérience soutient la théorie, ce qui ouvre la voie à d’autres améliorations.

Pourquoi cette avancée est importante

Le réchauffement climatique, la pollution de l’air, la géopolitique de l’énergie et le caractère intermittent des énergies renouvelables rendent urgent le développement de nouvelles centrales électriques à fonctionnement continu. Dans ce cadre, les atouts majeurs de la fusion thermonucléaire sont le fait que ses cendres et son combustible sont non radioactifs, ainsi que la vaste répartition mondiale de ce dernier et l’absence de risque d’accident nucléaire. Et c’est pourquoi, la communauté scientifique travaille depuis des décennies dans un esprit de collaboration à l’échelle mondiale (remarquablement, malgré la guerre en Ukraine, la Russie participe toujours au projet ITER).

Les recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée ont connu récemment une forte accélération grâce au projet de réacteur international de démonstration ITER – et aussi parce que davantage d’argent privé que public est investi dans ce type de recherche au niveau mondial depuis 2023.

Comme on l’a vu, une des contraintes ralentissant cette entreprise est l’existence d’une limite de densité du plasma dans les expériences réalisées jusqu’à présent : avec des densités de plasma trop faibles, les réactions nucléaires ont lieu trop peu souvent pour générer de l’énergie en quantité importante.

À cause de ce problème, les réacteurs tokamaks en projet sont gigantesques : ceci permet aux ions du plasma d’avoir plus de temps pour entrer en collision avant de s’échapper. ITER, par exemple, fait 23 000 tonnes pour 29 mètres de haut et 28 mètres de diamètre. Aussi, aujourd’hui, un des grands défis de la fusion thermonucléaire est de réaliser un réacteur plus petit, qui soit donc moins cher et plus robuste. Or, jusqu’à présent, nous étions coincés, car nous n’arrivions pas à dépasser expérimentalement une densité, apparemment limite, du plasma.

En 2021, mes collègues Fabio Sattin, Paolo Zanca et moi-même avions proposé une base théorique prédisant deux régimes d’auto-organisation plasma-paroi : le régime habituel où la densité de plasma est limitée et un autre régime sans limite de densité. Nous expliquions que ce régime pourrait être atteint en diminuant la quantité d’impuretés projetées par les parois, dues à leur bombardement par les ions du plasma. Nous suggérions à cette fin de démarrer le plasma en utilisant la stratégie utilisée pour le démarrage d’un autre type d’installation destinée à faire de la fusion thermonucléaire, les « stellarators ».

Cette stratégie a été appliquée avec succès dans EAST, où le régime sans limite de densité a été atteint, confirmant ainsi les résultats expérimentaux obtenus au sein du tokamak chinois J-TEXT annoncés en 2023 à la Fusion Energy Conference de l’AIEA à Londres (Royaume-uni).

Plus précisément, les expériences sur EAST ont combiné le contrôle de la pression initiale du gaz combustible avec un chauffage par résonance cyclotronique électronique pendant la phase de démarrage (ces deux facteurs combinés correspondent aux décharges stellarators), permettant une efficace diminution des interactions plasma-paroi dès le début de la décharge. Grâce à cette approche, l’accumulation d’impuretés et les pertes d’énergie ont été considérablement réduites, et le plasma atteint une densité élevée à la fin du démarrage. De plus, décharge après décharge, une diminution de la quantité d’impuretés a accompagné l’augmentation de la limite. Malheureusement, l’allocation maximale de temps expérimental n’a pas permis de voir jusqu’où pouvait aller cette nette amélioration… mais on peut donc espérer qu’elle se poursuive dans de futures expériences.

Quelles sont les suites de ces travaux ?

L’équipe de recherche d’EAST prévoit donc d’appliquer à nouveau cette méthode lors de la prochaine campagne expérimentale, avec l’idée d’accéder au régime sans limite de densité dans des conditions de plasma à haute performance.

Les physiciens travaillant sur d’autres tokamaks ont également été alertés, et pourraient être intéressés par l’utilisation du même scénario de démarrage pour repousser la limite de densité. Une proposition d’expérience a même déjà été faite pour le nouveau tokamak japonais JT60-SA.

Tout savoir en trois minutes sur des résultats récents de recherches, commentés et contextualisés par les chercheuses et les chercheurs qui les ont menées, c’est le principe de nos « Research Briefs ». Un format à retrouver ici.

Dominique Escande ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

Aller sur Mars représente un voyage de plus de mille jours. Comment rendre autonome un équipage pendant autant de temps ? Découvrez le projet MELiSSA qui vise à recycler le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote grâce aux bactéries en recréant le fonctionnement d’un écosystème terrestre à l’intérieur d’une fusée.

Les voyages habités vers la Planète rouge ne sont plus de la fiction. La Nasa prévoit même les premiers dans les années 2030, autrement dit demain. Pourtant, les défis techniques, scientifiques et humains à relever sont encore immenses avant de parcourir les 225 millions de kilomètres qui nous séparent de Mars, à l’aller comme au retour. L’équipage devra résister pendant des mois à l’effet des radiations, de la microgravité, du confinement, de l’isolement, etc., et à l’absence de biodiversité. C’est pourtant d’elle qu’il sera question ici pour régler un autre défi, celui de l’autonomie.

Des ressources pour un voyage au long cours

Dans l’espace, un homme ou une femme a besoin toutes les 24 heures d’un kilo de nourriture, d’un kilo d’oxygène, de trois litres d’eau potable et de 20 litres supplémentaires pour l’hygiène corporelle. De sorte qu’un voyage de mille jours aller-retour vers Mars obligerait à décoller avec 25 tonnes de ressources par personne.

En admettant que ce soit possible avec un des lanceurs super lourds qui emportent 130 à 150 tonnes, il faudrait ajouter la quantité de ressources quotidiennes nécessaire une fois sur Mars et pouvoir redécoller avec un emport suffisant pour le retour. L’autonomie de l’équipage sur le long terme est donc un vrai défi.

L’idée serait de tout produire et recycler en cours de route et sur place, de manière durable. Tel est l’objectif du projet MELiSSA pour l’alimentation. L’acronyme signifie système de support de vie micro-écologique alternatif, qui se base sur deux composantes de la biodiversité, les bactéries et l’écosystème. Ce dispositif bio-inspiré est développé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et ses partenaires. Pour l’hygiène corporelle, le recyclage de l’eau fait partie d’un processus à part.

Des bactéries fonctionnant comme dans un écosystème terrestre

Le préfixe « éco » du terme écosystème provient du grec ancien Oikos qui se traduit par la métaphore de la maison et ses habitant·es. Mais une maison a besoin de lumière, de CO₂ et d’eau pour créer un phénomène crucial pour la vie sur Terre, la photosynthèse oxygénique.

À partir de lumière, de CO₂ et d’eau, les cyanobactéries, c’est-à-dire les bactéries photosynthétiques, les algues et les plantes se mettent à fabriquer des molécules carbonées (sucres et lipides), en libérant de l’oxygène. Ce sont les producteurs primaires à la base des principaux écosystèmes, de la pyramide des consommateurs et des réseaux trophiques. Ce type de réseau se définit comme l’ensemble des interactions alimentaires. Mais les producteurs primaires ont besoin de minéraux. Une partie provient de la décomposition de la matière organique et des excréments assurée par les bactéries et les champignons.

C’est ce fonctionnement circulaire dans le milieu terrestre qui a inspiré les scientifiques du projet MELiSSA en le simplifiant pour mieux le contrôler. Le dispositif est ingénieux et comporte cinq compartiments interconnectés. L’objectif est de produire les ressources nécessaires à l’équipage par des plantes cultivées en hydroponie, ou culture hors sol, et des cyanobactéries, puis décomposer les déchets par des consortiums bactériens artificiels.

Les déchets sont un mélange d’au moins 70 % de végétaux non consommés et d’un maximum de 30 % d’excréments. La décomposition se fait en absence d’oxygène et à 55 °C par un consortium dominé par les bacilles Thermocaproicibacter et Thermoanaerobacterium. Dans ce four, les bactéries thermophiles atteignent leur optimum de croissance, tandis que les pathogènes opportunistes meurent, ce qui fait partie aussi de l’objectif. La décomposition libère des acides gras volatiles, du CO₂, de l’ammoniac et de l’hydrogène qui vont alimenter les autres compartiments.

Les acides gras sont transférés dans le compartiment n°2 contenant une seule espèce de bactéries, Rhodospirillum rubrum. La majorité des cellules sont spiralées et possèdent sept flagelles à chaque pôle. Certaines peuvent atteindre entre 10 et 60 µm de long dans certains milieux. Ces bactéries, de couleur rose en absence d’oxygène, sont multitâches, capables de faire la photosynthèse mais sans produire d’oxygène, de fixer l’azote et de libérer de l’ammoniac. Ce n’est pourtant pas ces caractéristiques qui intéressent MELiSSA, mais leur capacité à pousser plus loin la conversion des acides gras en CO₂. Celui-ci passe alors directement dans le compartiment n°4 pour entretenir la photosynthèse par les plantes et par les cyanobactéries.

Le compartiment suivant, n°3, contient deux autres espèces de bactéries, typiques d’une étape fondamentale du cycle de l’azote, la nitrification. Il s’agit de réactions chimiques en chaîne très complexes. Tout commence par les bactéries appartenant au genre Nitrosomonas qui fixent des atomes d’oxygène à l’ammonium en produisant des nitrites ou NO₂. L’oxygène nécessaire émane du compartiment n°4 tandis que l’ammoniac provient principalement de l’urine de l’équipage. Les nitrites sont ensuite oxydés à leur tour par les bactéries du genre Nitrobacter en nitrates ou NO₃. Les nitrates passent alors dans le compartiment n°4 comme source d’azote pour les plantes et les cyanobactéries.

Un dispositif de production et de recyclage en constante amélioration

La biomasse produite, mais aussi l’oxygène et l’eau sont consommés par l’équipage dans le compartiment n°5. Les déchets vont dans le compartiment n°1, le CO₂ dans le n°4, et le cycle recommence. Tous les éléments, à savoir le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote, sont recyclés.

Mais ce dispositif est sans cesse en développement pour être optimal. Par exemple les scientifiques de MELiSSA essaient de remplacer R. rubrum par des biopiles où un consortium bactérien contenant le genre Geobacter est associé à l’anode, l’une des deux électrodes, pour convertir les acides gras en CO₂ en créant un courant électrique. Sur le plan énergétique, celui-ci est encore marginal, certes.

Les scientifiques testent par ailleurs des plantes, comme la laitue, la tomate, le chou ou le riz et un genre de cyanobactérie, Limnospira connu sous le nom de spiruline. Si les cyanobactéries représentent aujourd’hui seulement 30 % de la biomasse, leur contribution est appelée à croître, car leur système photosynthétique leur donne la capacité de réagir de manière quasi instantanée au changement de flux lumineux. Par ailleurs, la spiruline est très riche en protéines et contient des vitamines et des acides gras de type oméga 6.

Le projet MELiSSA montre que la connaissance des bactéries et la compréhension du fonctionnement des écosystèmes terrestres sont une des clés pour rendre possible l’autonomie alimentaire des vols habités vers la planète Mars. Mais l’autonomie ne sera pas atteinte d’ici les années 2030, ni même le recyclage global de l'eau. A priori, il en serait de même côté américain pour la Nasa, et la question reste posée pour les approches russes et chinoises. Quoi qu’il en soit, l’idée de l’ESA est aussi de valoriser plus rapidement le dispositif sur Terre pour contribuer au développement de l’économie circulaire.

Retrouvez notre vidéo basée sur cet article

Ce texte n’aurait pas été possible sans la relecture de Chloé Audas, directrice du projet MELiSSA, Brigitte Lamaze, ingénieure à l’ESA, et Claude-Gilles Dussap, directeur de la Fondation MELiSSA. L’auteur les remercie vivement.

Laurent Palka est membre du CESCO, Centre d'Ecologie et des Sciences de la Conservation et de l'association Chercheurs Toujours.

Derrière chaque piqûre se cache une mécanique précise : en suivant des moustiques à la trace, une équipe de chercheurs a mis au jour les lois qui gouvernent leur comportement.

« Quatre minutes, c’est trop long ».

Voici le message que m’a envoyé Chris Zuo, étudiant de premier cycle, accompagné de photos montrant d’innombrables piqûres de moustiques sur sa peau nue. Ce massacre sur l’ensemble du corps n’était pas le résultat d’un camping qui aurait mal tourné. Il avait passé ce laps de temps limité dans une pièce contenant 100 moustiques affamés, vêtu uniquement d’une combinaison en mesh que nous pensions capable de le protéger.

C’est ainsi qu’a débuté notre enquête de trois ans pour comprendre le comportement d’un insecte d’une simplicité trompeuse : le moustique. Cela peut ressembler au plan sadique d’un professeur, mais en réalité, nous avons respecté toutes les procédures. Le comité d’éthique de notre université a approuvé le protocole, en s’assurant que Chris était en sécurité et qu’il n’était soumis à aucune pression. Les moustiques étaient exempts de maladies et provenaient de notre État, la Géorgie. Et cette séance a donné lieu aux premières — et dernières — piqûres reçues par qui que ce soit dans le cadre de l’étude.

En plus de mon rôle de tortionnaire pour étudiants, je suis auteur et professeur à Georgia Tech, avec plus de 20 ans d’expérience dans l’étude des déplacements des animaux.

Les moustiques sont l’animal le plus dangereux au monde. Les maladies qu’ils transmettent, du paludisme à la dengue, provoquent plus de 700 000 décès par an. Les moustiques ont causé plus de morts que les guerres.

Le monde dépense 19 milliards d’euros par an en milliards de litres d’insecticides, en millions de kilos de larvicides et en millions de moustiquaires imprégnées d’insecticide – le tout pour lutter contre un insecte minuscule qui pèse dix fois moins qu’un grain de riz et ne possède que 200 000 neurones.

Et pourtant, les humains sont en train de perdre la guerre contre les moustiques. Ces insectes évoluent pour prospérer en milieu urbain et propagent les maladies plus rapidement avec le changement climatique. Comment des animaux aussi simples peuvent-ils nous repérer avec une telle facilité ?

Les scientifiques savent que les moustiques ont une très mauvaise vue et qu’ils dépendent de signaux chimiques pour compenser. Mais savoir ce qui attire un moustique ne suffit pas à prédire son comportement. On peut savoir qu’un missile à guidage thermique est attiré par la chaleur sans pour autant comprendre comment il fonctionne.

C’est là qu’intervient Chris et son sacrifice dans la pièce infestée de moustiques. En suivant les trajectoires de nombreux moustiques autour de lui, nous espérions déterminer comment ils adaptent leurs décisions à sa présence. Comprendre la manière dont les moustiques réagissent aux humains constitue une première étape pour mieux les contrôler.

Comment les moustiques repèrent leur repas

Sur les 3 500 espèces de moustiques, plus de 100 sont dites anthropophiles, c’est-à-dire qu’elles préfèrent les humains comme source de nourriture. Certaines espèces sont capables de repérer une seule personne au milieu d’un troupeau entier de bovins pour aller lui sucer le sang.

C’est une prouesse, étant donné que les moustiques ne volent pas bien. Ils cessent de voler dès qu’il y a une légère brise de 3 à 5 km/h, soit une vitesse d’air comparable à celle générée par le balancement de la queue d’un cheval. Dans des conditions plus calmes, les moustiques utilisent leur cerveau minuscule pour suivre la chaleur, l’humidité et les odeurs humaines transportées par le vent.

Le dioxyde de carbone, sous-produit de la respiration de tous les êtres vivants, est particulièrement attractif. Les moustiques le détectent aussi facilement que vous percevez l’odeur d’une benne à ordures pleine, jusqu’à environ 9 mètres de leur hôte, là où les concentrations chutent à quelques parties par million, soit l’équivalent de quelques tasses de colorant dans une piscine olympique.

La vision des moustiques ne leur est pas très utile pour partir à la recherche de leur prochain repas. Leurs deux yeux comptent plusieurs centaines de petites lentilles individuelles appelées ommatidies, chacune large comme un cheveu humain. Elles produisent une image en mosaïque, légèrement floue, comme pixelisée. En raison des lois de l’optique, les moustiques ne peuvent distinguer un humain adulte qu’à quelques mètres de distance. Avec la seule vue, ils sont incapables de différencier un humain d’un petit arbre. Ils examinent donc chaque objet sombre.

Collecter des données sur les trajectoires de vol

La difficulté lorsqu’on étudie le vol des moustiques, c’est que, comme des enfants surexcités, la plupart de leurs mouvements n'ont pas vraiment de sens. Dans une pièce vide, les moustiques modifient très souvent leur vitesse et leur direction de façon complètement aléatoire. Il nous fallait donc de nombreuses trajectoires de vol pour faire émerger un signal au milieu de ce bruit.

L’un de nos collaborateurs, le biologiste de l’université de Californie à Riverside Ring Cardé, nous a expliqué que dans les années 1980, les scientifiques menaient des « études de piqûres » en se mettant en sous-vêtements et en écrasant les moustiques qui se posaient sur leur peau nue. Selon lui, la nudité permettait d’éviter des variables parasites, comme la couleur du tissu d’une chemise.

Chris et moi nous sommes regardés. S’asseoir nu et attendre de servir de proie aux moustiques ? Non… Nous avons plutôt conçu la combinaison en mesh que Chris portait initialement dans la pièce infestée. Mais après avoir vu ses piqûres, il nous fallait une meilleure solution.

À la place, Chris a choisi des vêtements à manches longues, qu'il a lavés avec une lessive sans parfum, et a enfilé gants et masque. Entièrement protégé, il n’avait plus qu’à rester debout et attendre, tandis qu’un nuage de moustiques tourbillonnait autour de lui.

Les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) des États-Unis nous ont fait découvrir le Photonic Sentry, une caméra capable de suivre simultanément des centaines d’insectes en vol dans une pièce. Elle enregistre 100 images par seconde avec une résolution de 5 mm, dans un espace de la taille d’un grand studio. En seulement quelques heures, Chris et un autre doctorant, Soohwan Kim, ont produit plus de données sur le vol des moustiques que tout ce qui avait été mesuré auparavant dans l’histoire humaine.

Pour les mathématiciens, comme nos collaborateurs Jörn Dunkel, Chenyi Fei et Alex Cohen du MIT, la géométrie du corps de Chris reste trop complexe pour étudier les réactions des moustiques. Les mathématiciens excellent dans l’art de ramener les problèmes complexes à leur essence. Chenyi a donc suggéré d’épargner Chris : pourquoi ne pas le remplacer par un simple mannequin, une boule noire en polystyrène fixée sur un support, associée à une source de dioxyde de carbone ?

Au cours des deux années suivantes, Chris a filmé sans relâche les moustiques tournoyant autour de ces mannequins en polystyrène. Puis il les aspirait à l’aide d’un aspirateur, en essayant de ne pas se faire piquer.

Décrypter les trajectoires

Un moustique vole comme on pilote un avion : il tourne à gauche ou à droite, accélère ou freine. Nous avons d’abord caractérisé son comportement de vol en fonction de sa vitesse, de sa position et de sa direction par rapport à la cible, première étape pour construire notre modèle.

Notre confiance dans ces règles de comportement s’est renforcée à mesure que nous analysions davantage de trajectoires, jusqu’à exploiter 20 millions de données concernant les positions et les vitesses des moustiques. Cette idée consistant à intégrer des observations pour étayer une hypothèse mathématique remonte à 200 ans et porte le nom d’inférence bayésienne. Nous avons ensuite illustré le comportement des moustiques observé à l’aide d’une application web.

Grâce à notre modèle, nous avons montré que différents types de cibles modifient le vol des moustiques. Les cibles visuelles provoquent des survols, où les moustiques passent à proximité avant de continuer leur route. Le dioxyde de carbone entraîne des hésitations, les moustiques ralentissant à proximité de la cible. La combinaison d’un signal visuel et de dioxyde de carbone génère des trajectoires orbitales à grande vitesse.

Jusqu’à présent, nous avions uniquement utilisé des expériences avec des sphères en polystyrène pour entraîner notre modèle. Le véritable test consistait à voir s’il pouvait prédire le vol des moustiques autour d’un humain. Chris est retourné dans la chambre, cette fois vêtu de blanc et coiffé d’un chapeau noir, se transformant en véritable cible. Notre modèle a correctement prédit la répartition des moustiques autour de lui. Nous avons ainsi identifié des zones à risque, où la probabilité de voir des moustiques tournoyer autour de lui était élevée.

Prédire le comportement des moustiques constitue une première étape pour les déjouer. Dans les zones infestées, on conçoit par exemple des maisons dotées de dispositifs empêchant les moustiques de suivre les signaux humains et d’entrer. De même, les pièges à moustiques aspirent les insectes lorsqu’ils s’approchent trop près, mais laissent encore s’échapper entre 50 % et 90 % d’entre eux. Beaucoup de ces dispositifs reposent encore sur des essais empiriques. Nous espérons que notre étude fournira un outil plus précis pour concevoir des méthodes de capture ou de dissuasion.

Lorsque la mère de Chris a assisté à sa soutenance de master, je lui ai demandé ce qu’elle pensait du fait que son fils se soit proposé comme appât pour les moustiques. Elle m’a répondu qu’elle en était très fière. Moi aussi — et pas seulement parce que je suis soulagé que Chris ne m’ait jamais demandé de prendre sa place dans la chambre infestée de moustiques.

David Hu ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.