This PhD thesis focuses on the convergence of two main research domains – industrial ecology (IE) and life support systems (LSS) –, a convergence that is further examined in the context of development of artificial closed ecosystems (ACE). An ACE is a simplified and miniaturised ecosystem operating in closed-loop. It uses biological organisms (bacteria, microalgae, plants, animals, etc.) to regenerate air, water and food with the objective of complete self-sufficiency. An ACE replicates and shortens some of Earth’s biogeochemical cycles and accelerates nutrient and resource recycling loops that occur in the terrestrial environment. In this research, integrated LSS are considered as ‘crewed’ ACE – that is ACE with humans – designed to ensure health, safety and minimal comfort in extreme environments so that humans can survive in autonomy in confined and isolated habitats over prolonged periods of time. The succession of LSS compartments (e.g. bioreactors, plant growth chambers) are combined to meet the human needs and achieve an uninterrupted conversion and regeneration of organic wastes such as exhaled carbon dioxide, urine, feces and non-edible parts of plants into breathable atmosphere, potable water and edible biomass. Advanced LSS or space ACE are required for long-term manned space missions or habitations, when terrestrial resupply is logistically not possible or too costly. Space ACE are designed to ensure the required environment for humans to sustain life in outer space habitats over prolonged periods of time.
The first part of this thesis attempts to clarify the potential, relevance and interest of ACE research in order to consolidate the conceptual foundations of IE. Key concepts for ACE analysis in the perspective of IE are proposed, concepts that encompass interactions on artificially predefined symbioses in circular systems, as well as cycling, biodiversity, compartmentalisation, reproduction and evolution. By leveraging the study of integral recycling loops in the context of an expanding society and a world of finite resources, ACE are considered as relevant tools for the maturation of industrial ecosystems. When operating under the radical conditions of the space context, a space ACE can be envisioned as a model for industrial ecosystems under extreme constraints. All in all, this study demonstrates that ACE development represents an excellent compromise and has an untapped potential for developing further the theoretical basis of IE.
The second part focuses on the possible ways to cross-fertilise the terrestrial and space dimensions of LSS development. The performed research covers the conceptualisation of R&D synergies within the Oïkosmos programme and the exploitation of an ACE ground demonstrator as a technology platform for the study of ACE. It shows how such full-scale crewed demonstrator for preparing manned planetary exploration in the most realistic conditions can leverage and intensify LSS development by providing research synergies at the interface of its terrestrial and space dimensions. In particular, this thesis provides various case studies related to European Space Agency’s MELiSSA project on circular systems, as well as to the Swiss-based start-up Earth Space Technical Ecosystem Enterprises SA which develops ACE-related components, prototypes and applications.
The third part of this work tackles the contributions of ACE development to the operationalisation of IE. This dissertation analyses the potential of ACE for the technological empowerment of self-sufficient habitat on Earth and for the implementation of terrestrial sustainability. The examined Earth-based applications of ACE include decentralised waste valorisation and resource recovery combined to on-site food production, measurement of exposures (including food, drugs, micropollutants, etc.) and analysis of their effects on the health and on the environment, e.g. indoor air quality control (biological and chemical risks), at-home health monitoring and remote assistance, and maintaining of the quality of life and well-being of habitat occupants. In the context of the emergence of New Space, this thesis also highlights that the next frontier for sustainability is space and considers the possible ways to envisage sustainability (in the human life perspective) at cosmic scale.
ACE and LSS are eye-openers to the benefits of bioinspiration. They open up new avenues for the control and regulation of ecosystems leading to new facets of interpreting nature and the improvement of health in general within a closed habitat. It can be deduced from this work that the realisation of the promises of ACE development will depend on an open and constructive dialogue between medicine, biology, humanities and environmental sciences, enabled by engineering and digitalisation capacities.
Even if manned long-duration and remote space missions would not be carried out, research for hyper- efficient space ACE is worth doing anyway not only due to the growing constraints on Earth, but to their potential for the sustainable resource management on Earth. This research anticipates that ACE components will be developed in any case for their relevance for terrestrial sustainability, and their market applicability into everyday life.
As evidenced by this thesis, research on ACE and LSS is an excellent instrument to forge a sustainable future, by elaborating more closed industrial ecosystems, more sustainable in the face of decreasing supplies of raw materials and increasing problems of waste and pollution. Therefore, synergies of terrestrial and space R&D on ACE and LSS can act as drivers for implementing sustainability, in the perspective of IE.
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Cette thèse de doctorat se concentre sur la convergence de deux domaines de recherche principaux – l’écologie industrielle (EI) et les systèmes de support-vie (SSV) –, une convergence qui est examinée plus précisément dans le contexte du développement des écosystèmes clos artificiels (ECA). Un ECA est un écosystème simplifié et miniaturisé fonctionnant en circuit fermé. Il utilise des organismes biologiques (bactéries, microalgues, plantes, animaux, etc.) pour régénérer l’air, l’eau et la nourriture afin d’atteindre une autosuffisance complète. Un ECA reproduit et raccourcit certains des cycles biogéochimiques de la Terre, et accélère les boucles de recyclage des nutriments et des ressources qui surviennent dans l’environnement terrestre. Dans cette recherche, les SSV intégrés sont considérés comme des ECA avec équipage, conçus pour assurer à ses habitants la santé, la sécurité et le confort minimal dans des environnements extrêmes pour qu’ils puissent survivre en autonomie dans des habitats confinés et isolés durant des périodes prolongées. La succession des compartiments de support-vie (bioréacteurs, chambres de croissance de plantes, etc.) est combinée pour répondre aux besoins de l’homme et réaliser une conversion et une régénération ininterrompues des déchets organiques tels que le dioxyde de carbone expiré, l’urine, les excréments et les parties non comestibles des plantes, respectivement en atmosphère respirable, eau potable et biomasse comestible. Les SSV avancés ou ECA spatiaux sont nécessaires pour réaliser des missions spatiales habitées de longue durée, dont le réapprovisionnement terrestre n’est logistiquement plus possible ou devient trop coûteux, et sont conçus pour assurer l’environnement nécessaire et maintenir en vie des humains au sein d’habitats spatiaux.
La première partie de cette thèse vise à clarifier le potentiel, la pertinence et l’intérêt de la recherche sur les ECA afin de consolider les fondements conceptuels de l’EI. Des concepts clés pour l’analyse de l’ECA dans la perspective de l’EI sont proposés, ceux-ci englobant les interactions basées sur des symbioses prédéfinies artificiellement au sein de systèmes circulaires, ainsi que les concepts de cyclisation, de biodiversité, de compartimentation, de reproduction et d’évolution. En s’appuyant sur l’étude des boucles de recyclage intégral dans une société en expansion et un monde où certaines ressources sont devenues limitées, les ECA sont considérés comme des outils pertinents pour la maturation des écosystèmes industriels. Lorsqu’il fonctionne dans les conditions radicales de l’espace, un ECA spatial peut être envisagé comme un modèle d’écosystèmes industriels soumis à des contraintes extrêmes. Dans l’ensemble, cette étude démontre que le développement d’ECA représente un excellent compromis et offre un potentiel inexploité pour développer davantage la base théorique de l’EI.
La deuxième partie se concentre sur les moyens possibles de fertilisation croisée des dimensions terrestres et spatiales du développement des SSV. La recherche effectuée couvre la conceptualisation des synergies de R&D dans le cadre du programme Oïkosmos et l’exploitation d’un démonstrateur au sol d’ECA comme plateforme technologique pour l’étude des ECA. Elle montre comment un tel démonstrateur grandeur nature, doté d’un équipage et destiné à préparer l’exploration planétaire habitée dans les conditions les plus réalistes, peut avoir un effet de levier et intensifier le développement de SSV en établissant des synergies de recherche à l’interface de ses dimensions terrestres et spatiales. En particulier, cette thèse fournit diverses études de cas liées au projet MELiSSA de l’Agence spatiale européenne sur les systèmes circulaires, et à la start-up suisse Earth Space Technical Ecosystem Enterprises SA (ESTEE) qui développe des composants, prototypes et applications basés sur les ECA.
La troisième partie de ce travail aborde les contributions du développement des ECA à l’opérationnalisation de l’EI. Elle analyse le potentiel des ECA pour le développement technologique d’habitats autosuffisants sur Terre et pour la mise en œuvre de la durabilité terrestre. Les applications terrestres relatives aux ECA examinées comprennent la valorisation décentralisée des déchets et la récupération des ressources combinées à la production alimentaire sur site, la mesure des expositions (y compris les aliments, les médicaments, les micropolluants, etc.) et l’analyse de leurs effets sur la santé et l’environnement, par exemple pour le contrôle de la qualité de l’air intérieur (risques biologiques et chimiques), la surveillance de la santé à domicile et la téléassistance, ainsi que le maintien de la qualité de vie et du bien-être des occupants d’un habitat. Dans le contexte de l’émergence du New Space, cette thèse met également en lumière que la prochaine frontière pour la durabilité est l’espace et considère les moyens possibles d’envisager la durabilité à l’échelle cosmique.
Les ECA et SSV sont des révélateurs des bénéfices de la bioinspiration. Ils ouvrent de nouvelles voies pour le contrôle et la régulation des écosystèmes débouchant sur de nouvelles facettes d’interprétation de la nature, et pour l’amélioration de la santé au sein d’habitat clos. On peut déduire de ce travail que la réalisation des ambitions liées au développement d’ECA dépendra du dialogue ouvert et constructif entre la médecine, la biologie, les sciences humaines et environnementales, facilité par l’ingénierie et la digitalisation.
Même si des missions spatiales habitées de longue durée et distance ne devaient pas être réalisées, la recherche sur les ECA spatiaux hyper efficients vaut la peine d’être menée, non seulement en raison des contraintes croissantes sur Terre, mais aussi du fait de leur potentiel pour la gestion durable des ressources sur Terre. Cette recherche anticipe que les composants d’ECA seront développés dans tous les cas pour leur pertinence en termes de durabilité terrestre, et leur application commerciale dans la vie quotidienne.
Comme le démontre cette thèse, la recherche sur les ECA et les SSV offre un excellent instrument pour forger un avenir durable, en élaborant des écosystèmes industriels davantage fermés, et plus durables face à la diminution des approvisionnements en matières premières et aux problèmes croissants liés à la gestion des déchets et à la pollution. Par conséquent, les synergies de la R&D terrestre et spatiale sur les ECA et les SSV peuvent agir comme des catalyseurs de la mise en œuvre de la durabilité, dans la perspective de l’EI.