L’exploration de la NASA nécessite des recherches sur comment la lumière affecte à la fois les humains et les plantes: Le premier voyage de John Glenn en orbite terrestre a duré un peu moins de cinq heures, mais aujourd’hui, les astronautes restent régulièrement six mois ou plus sur la Station spatiale internationale.
Connaître plus d’une douzaine de levers et de couchers de soleil chaque jour signifie que l’horloge biologique d’un astronaute a tendance à être dans le mauvais fuseau horaire. Et pour les missions spatiales plus longues, la NASA doit développer des moyens de cultiver de la nourriture sans dépendre de la lumière du soleil.
L’astronaute Andrew Morgan arrose des plantes dans l’expérience Veg-04B sur la station spatiale. Cette recherche sur la botanique spatiale est l’une des nombreuses études sur la façon de fournir de la nourriture fraîche aux équipages lors de missions spatiales à long terme. Crédit image : NASA
La recherche sur l’éclairage de la NASA, cependant, a eu des avantages bien au-delà de l’espace. Il a aidé à développer biologiquement orienté Technologie LED pour la vie quotidienne sur Terre – donner aux gens un meilleur repos et aider les plantes à pousser.
Moments d’ampoule
De 1997 à 2017, le National Space Biomedical Research Institute (NSBRI) a étudié l’impact des vols spatiaux de longue durée sur les personnes, financé par des subventions du Johnson Space Center de la NASA à Houston. L’un des domaines d’intérêt était les sources de lumière et leur incidence sur l’activité cérébrale. Le NSBRI a financé deux professeurs, George Brainard de l’Université Thomas Jefferson et Steven Lockley de la Harvard Medical School, pour en savoir plus.
Conçu pour remplacer les luminaires fluorescents existants, le Solid-State Lighting Assembly (SSLA) a été installé sur la station spatiale en 2016 et a aidé les astronautes à maintenir leurs rythmes circadiens. Crédit image : NASA
Les recherches de Lockley et Brainard ont révélé que l’exposition à un excès de lumière bleue au mauvais moment pouvait perturber l’horloge biologique des gens. Cela s’est produit parce que la production corporelle de mélatonine, une hormone clé pour la gestion des rythmes circadiens, était inhibée lorsque certaines longueurs d’onde de la lumière bleue frappaient les photorécepteurs dans les yeux.
Lorsque les luminaires fluorescents de la station spatiale ont dû être remplacés en 2011, la NASA s’est tournée vers le domaine en plein essor des diodes électroluminescentes (DEL) à semi-conducteurs. L’état solide signifie qu’il n’y a pas de réaction physique créant de la lumière, contrairement à une ampoule à incandescence ou à un plasma fluorescent. Lors de la création d’un nouveau système d’éclairage, les résultats de la recherche du NSBRI ont joué un grand rôle.
« Lorsque la NASA a commencé à étudier [LED fixtures], l’industrie n’avait même pas de normes pour l’éclairage à semi-conducteurs. Ils n’avaient aucune information, certainement pas beaucoup de recherches sur la mise en œuvre à grande échelle de éclairage circadien», a déclaré Toni Clark, responsable des tests pour l’éclairage des engins spatiaux chez Johnson.
Des chercheurs de Johnson et des ingénieurs du Kennedy Space Center de la NASA en Floride ont travaillé ensemble sur le Solid-State Lighting Assembly (SSLA) pour la station spatiale. Le module de lampe a été principalement construit par Bionetics Corporation, qui avait également des laboratoires et des installations de fabrication sur place à Kennedy. Les nouveaux modules d’éclairage, installé en 2016, consommait beaucoup moins d’énergie et émettait beaucoup moins de chaleur que l’ancien éclairage fluorescent de la station. De plus, ils ont changé de couleur, de température et d’intensité dans un cycle de 24 heures, conformément à la recherche sur l’éclairage circadien du NSBRI.
Le changement a payé. Les astronautes ont déclaré se sentir mieux reposés. D’autres modules LED ont contribué aux expériences de croissance des plantes sur la station spatiale, les lumières fournissant les bonnes longueurs d’onde pour la photosynthèse.
Retour à la maison
Les leçons tirées des modules d’éclairage de la station spatiale ont rapidement fait leur chemin sur le marché. Après avoir terminé le système initial, plusieurs membres de l’équipe Bionetics ont rejoint une autre société appelée Lighting Science pour continuer à travailler sur l’éclairage à semi-conducteurs.
Le travail de Lighting Science avec les LED remonte au début des années 2000. Fred Maxik, PDG de la société, avait travaillé dans le cadre d’un accord Space Act chez Bionetics en tant qu’expert des systèmes d’éclairage. La société a développé une large gamme d’ampoules reflétant les recherches de la NASA sur la santé humaine et la croissance des plantes. En 2018, Lighting Science a créé plusieurs sociétés, chacune développant des technologies basées sur les LED circadiennes d’origine.
Healthe (prononcez « sain ») d’Orlando, en Floride, a été l’un des premiers. Le principal marché de l’entreprise est celui des ampoules LED conçues pour contrôler les rythmes circadiens.
Une gamme de produits, les ampoules GoodDay et GoodNight, est basée sur des conceptions plus anciennes conçues à l’origine par Lighting Science, spécialement conçues pour émettre des longueurs d’onde afin d’induire l’éveil et la somnolence. Une autre ligne, appelée SunTrac, peut être couplée à une application ou à un posemètre extérieur qui ajuste automatiquement la lumière tout au long de la journée.
Plus récemment, Healthe a tiré parti des connaissances acquises lors de la conception de LED compatibles avec les UV pour la culture de plantes dans l’espace afin d’aider à la décontamination et à la filtration de l’air. Leurs systèmes, conçus pour s’intégrer dans une grille d’éclairage de plafond standard, utilisent la lumière ultraviolette pour inactiver les agents pathogènes, associés à un ventilateur et à un filtre. Au lieu de baigner une pièce dans la lumière UV, l’air est aspiré par une prise d’air et dans une chambre interne, où il est soufflé de rayons dans la gamme de longueurs d’onde ultraviolettes la plus courte et la plus puissante, connue sous le nom d’UVC. L’air est ensuite filtré avant de sortir dans la pièce. La NASA a exploré similaire technologie pour une utilisation potentielle dans les futurs engins spatiaux. Healthe a installé ses systèmes UV dans des bâtiments qui, depuis le début de la pandémie de COVID-19, cherchent à étendre leurs protocoles de désinfection.
« La majeure partie de notre [decontamination] les ventes aujourd’hui sont destinées aux communautés de personnes âgées », a déclaré Maxik. « Mais nous travaillons avec des immeubles de bureaux, des écoles, partout où peuvent prendre en charge des systèmes d’éclairage à grande échelle. »
Les LED fournissent aux plantes
Un autre spin-off de Lighting Science qui a capitalisé sur l’expérience de cette société en collaboration avec la NASA est VividGro de Chicago, qui vend principalement aux cultivateurs industriels.
La NASA a fait plusieurs expériences avec la culture de plantes en orbite sur la station spatiale. Le système Veggie utilise des LED pour fournir le type de lumière dont les plantes ont besoin. Crédit image : NASA
Cette technologie trouve également ses origines dans l’éclairage LED conçu pour la station spatiale. Comme le réseau d’éclairage de la station spatiale dont il est dérivé, les lampes de VividGro utilisent des longueurs d’onde spécifiques pour induire des réactions biologiques dans les organismes vivants. Au lieu de gérer les biorythmes humains, cependant, ils sont réglés exactement sur les bonnes fréquences pour alimenter le métabolisme des plantes.
Parce que la technologie LED est si efficace, elles utilisent également beaucoup moins d’énergie que les options fluorescentes, consommant près de 50 % moins d’électricité que les lampes à décharge à haute intensité précédemment utilisées dans les serres intérieures.
La ligne FlowerMax de la société est destinée à fournir des plantes à fleurs, tandis que les lampes VegMax sont conçues pour la culture de légumes comme la laitue. En 2021, la société a été acquise par AgTech Holdings, et ses produits sont exclusivement distribués par le agriculture en milieu contrôlé société GroAdvisor.
Même après plus de deux décennies de développement, Maxik pense qu’il y a beaucoup plus à faire avec les LED.
« C’est encore une affaire d’adolescents à mon avis », a déclaré Maxik. « L’économie de watts par unité ne tient pas compte de toutes les autres propriétés que nous pouvons associer à la lumière. Nous pouvons maintenant manipuler cela librement et l’utiliser pour aider les gens.
La NASA a une longue histoire de transfert de technologie au secteur privé. La publication Spinoff de l’agence décrit les technologies de la NASA qui se sont transformées en produits et services commerciaux, démontrant les avantages plus larges de l’investissement américain dans son programme spatial. Spinoff est une publication du programme de transfert de technologie de la direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA.
Pour plus d’informations sur la façon dont la NASA apporte la technologie spatiale sur Terre, visitez : spinoff.nasa.gov
Écrit par Andrew Wagner
La source: Nasa
