Le CO2, facteur clé du climat terrestre

De tous les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère, le dioxyde de carbone est celui qui a le plus d'influence sur le climat de la Terre indiquent des chercheurs. Bien que l'effet de serre dû au gaz carbonique soit connu depuis plus d'un siècle, son rôle déterminant dans le réchauffement climatique n'est pas encore reconnu par tous.


La vapeur d'
eau, par exemple, est un puissant gaz à effet de serre encore plus abondant dans l'atmosphère. Mais elle se condense et tombe de l'atmosphère, jouant ainsi un rôle différent du dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre ne se condensant pas tels que l'ozone, le méthane et les chlorofluorocarbones.

Andrew Lacis, du NASA Goddard Institute for Space Studies à New York, et ses collègues ont mené une série d'expériences de modélisations climatiques dans lesquelles la composition des divers gaz à effet de serre était modifiée pour illustrer leur rôle dans la température de l'air. Les résultats confirment que le dioxyde de carbone est le plus influent des gaz à effet de serre et que son abondance détermine combien de vapeur d'eau contient l'atmosphère.

Sans gaz carbonique, la Terre serait gelée rapportent les chercheurs, mais son augmentation croissante dans l'atmosphère est aussi préoccupante. Et ils précisent que "ceci fait que la réduction et de la maîtrise du CO2 atmosphérique est un enjeu important et urgent qui mérite toute notre attention".





Source: Science, AAAS & EurekAlert

La NASA se tourne aussi vers les nanotechnologies

Le 29 septembre dernier se tenait à Houston un Nanotechnology Forum organisé par le Johnson Space Center (JSC) de la NASA, Rice University et le Consortium for Nanomaterials for Aerospace Commerce and Technology (CONTACT). Les responsables des différentes divisions du JSC ont présenté les problématiques auxquelles ils sont confrontés pour développer les programmes d'exploration spatiale humaine. Au centre des préoccupations: le développement de nouveaux matériaux multifonctionnels.

Les nanotubes de carbones sont une des voies de recherche en nanotechnologie
 

Les problématiques de l'exploration spatiale humaine:

Envoyer et maintenir en vie des hommes dans un milieu aussi inhospitalier que l'espace nécessite de relever deux défis. Le premier consiste à mettre au point des structures (navettes, modules d'habitation ou combinaisons spatiales) capables d'isoler et de protéger les hommes de leur environnement extérieur. Le second est de maintenir en permanence au sein de ces structures un environnement vivable.

Il faut protéger les hommes des radiations (particules du vent solaire,
photons de haute énergie, rayons cosmiques galactiques) et du froid avec une structure capable de résister aux impacts des micrométéorites. Il faut maintenir dans les structures une atmosphère respirable et saine, sans éléments toxiques ou poussières. Il faut gérer le traitement et le recyclage des déchets, de l'eau et de l'air afin d'utiliser au mieux les ressources. Il faut enfin être en mesure de fournir aux structures des sources d'énergie efficaces et fiables sans risques de déclencher un incendie.

A l'heure actuelle, il est possible techniquement de relever ces défis et de réaliser les structures nécessaires pour envoyer un équipage sur Mars par exemple. Cependant, une telle structure aurait une
masse si importante que le coût de son envoi dans l'espace est prohibitif. La solution: développer des structures plus légères assurant les mêmes conditions de protection et de sécurité.

Le graal pour les ingénieurs du JSC, se sont les nouveaux matériaux. Pas forcément plus légers ou plus résistants, mais multifonctionnels. A l'heure actuelle, chaque matériau répond à une fonction donnée. Les combinaisons ou les modules spatiaux sont ainsi constituées d'une multitude de couches de différents matériaux. Pouvoir développer des matériaux qui vont répondre à plusieurs besoins simultanément, c'est supprimer des couches et de la masse.

Le rôle des nanotechnologies:

Les nanotechnologies portent les espoirs pour mettre au point de tels matériaux multifonctionnels mais aussi résoudre les problèmes de production, stockage et récupération d'énergie ou encore de recyclage des déchets. Le symposium permettait aux ingénieurs du JSC de présenter leurs problématiques dans ces domaines aux chercheurs de la Rice University.

En ce qui concerne la protection contre les radiations galactiques par exemple, l'hydrogène est l'élément chimique le plus efficace. Il est aussi le plus léger, ce qui présente un avantage considérable. Cependant, il ne se présente que sous une forme gazeuse ou
liquide. Il s'agit alors de développer des matériaux ou des structures capables de le contenir pour obtenir un bouclier protecteur.

La mise au point de nouveaux textiles est aussi cruciale. En plus de l'habillement, ils sont utilisés dans l'ameublement, l'emballage, les structures, les combinaisons, etc. Les fibres naturelles comme le coton vieillissent en libérant des composants chimiques toxiques. Les colorants utilisés peuvent aussi se révéler dangereux. Il faut s'assurer que les textiles sont ininflammables, résistants, hygiéniques ou encore qu'ils ne retiennent pas les poussières, notamment dans le cas des combinaisons. Il faut ajouter à cela de nouvelles fonctionnalités comme la possibilité d'introduire des
capteurs pouvant contrôler les fonctions vitales.

D'une manière générale, le développement de capteurs est un défi. Ils sont essentiels pour contrôler en permanence la qualité de l'environnement de survie créé au sein des structures: toxicité de l'air, température, résistance des structures, niveaux de
radiation, etc. Pour cela, le développement de micro- et nano-capteurs autoalimentés et intégrables au sein des matériaux offre certainement de larges perspectives. Les recherches menées dans le cadre de la décontamination de l'eau et de l'air à l'aide de nanoparticules peuvent aussi entrainer des applications directes dans le cadre des missions spatiales habitées.

Pour ce qui est de créer des structures résistantes, notamment aux impacts de micrométéorites, l'objectif n'est pas d'obtenir des matériaux très résistants mais plutôt des matériaux qui peuvent supporter des dégâts et qui peuvent assurer leur auto réparation. La recherche dans le domaine des polymères pourraient apporter des solutions.


Les problématiques techniques posées par la mise au point de vols spatiaux habités sont variées et touchent à de nombreux domaines: énergie, matériaux, toxicologie. Il semble qu'une révolution technologique générale s'impose pour pouvoir résoudre l'ensemble de ces difficultés. Les nanotechnologies portent en elles la promesse d'une telle révolution mais il s'agit encore de la faire advenir.


Le rêve de l'homme de dépasser l'orbite lunaire est pour le moment compromis par les contraintes budgétaires qui excluent l'envoi dans l'espace des structures actuelles qui pourraient assurer sa survie. L'exploration spatiale humaine, au-delà des contraintes physiologiques et psychologiques liées aux séjours prolongés dans l'espace, ne pourra se poursuivre qu'après la mise au point de nouveaux matériaux multifonctionnels permettant de construire des structures légères assurant une sécurité optimale pour leurs occupants.

Source: BE Etats-Unis numéro 222 (15/10/2010) - Ambassade de France aux Etats-Unis / 
Illustration: Photothèque-CNRS

Les réseaux électriques des bactéries

Quand les conditions deviennent trop difficiles, des bactéries tissent entre elles des nanoconducteurs qui leur servent à transporter des électrons, c'est-à-dire, sans doute, à respirer. Un nouveau champ d'investigation s'ouvre pour les microbiologistes...
 
Les bactéries ont inventé les nanoconducteurs et les réseaux. C'est ce qu'ont découvert les microbiologistes depuis plusieurs années. Lorsqu'elles s'organisent en biofilms, de nombreuses bactéries se dotent de filaments, parfois très longs, qui s'insinuent dans le substratmétabolisme des bactéries. et qui peuvent aussi relier entre elles de multiples cellules. On soupçonne une activité électrique le long de ces minuscules fils et on parle d'ailleurs de « nanoconducteurs bactériens ». Une équipe de l'université de Californie du sud, menée par Mohamed El-Naggar, vient pour la première fois de démontrer sans ambiguïté qu'il s'agit bien de conducteurs électriques, qu'ils font transiter des électrons et que ce courant est lié au
L'équipe s'est penchée sur Shewanella oneidensis MR-1, un micro-organisme connu, objet de l'attention de nombreux microbiologistes qui ont même créé pour lui la Fédération Shewanella

Les bactéries vivent sur une surface parcourue de nanoélectrodes en platine et font croître de longs filaments, qui conduisent effectivement l'électricité. © Mohamed El-Naggar et al. / Pnas

Cette bactérie a la faculté de vivre indifféremment en milieu aérobie (en présence d'oxygène, donc) et en milieu anaérobie. Comme tout organisme, elle respire en donnant des électrons (en « réduisant », au sens chimique du terme) à un atome qui les accepte facilement : de l'oxygène quand il y en a ou bien un métal comme le fer.
En période de disette, Shewanella forme de nombreux filaments, qui se prolongent très loin et sont constitués de protéines. En 2008, l'équipe de Mohamed El-Naggar avait mis en évidence leurs curieuses propriétés électriques. La résistance électrique semblait varier avec la tension à laquelle ils étaient soumis et ce, de manière discontinue, suggérant des mécanismes chimiques. Mais il restait à prouver que ces longs filaments conduisaient effectivement de l'électricité d'un bout à l'autre. 

Échanges électriques:
 
Pour cette nouvelle expérience, les microbiologistes ont fait croître des Shewanella dans un milieu pauvre, provoquant en réaction une forte production de filaments. Ces bactéries hirsutes ont ensuite été placées sur une surface parcourue de nombreuses nanoélectrodes. En plusieurs endroits, des filaments reposaient sur deux de ces petites électrodes. Comme des électriciens mesurant une résistance, les chercheurs ont pu ainsi mesurer finement la conductivité, qui est de l'ordre de celle d'un semi-conducteur. En coupant le filament entre deux nanoélectrodes, les biologistes observent bien une interruption du courant. 

Mieux, les chercheurs ont pu mesurer ces échanges d'électrons en de multiples endroits. « Les flux d'électrons dans les différentes directions sont intimement liés à l'état du métabolisme en différents endroits du biofilm », résume Mohamed El-Naggar. CQFD : ces filaments conduisent bien un courant électrique qui se propage de bactérie à bactérie et ces échanges ont quelque chose à voir avec le métabolisme. 

Pour les auteurs de l'article, paru dans l'édition en ligne des Pnas, ces filaments transmettent des électrons, ce qui constitue une forme de respiration. Les bactéries qui ne trouvent pas autour d'elles d'accepteurs d'électrons peuvent tout de même respirer grâce à ces filaments. « C'est une respiration collective » conclut Mohamed El-Naggar. 

Une telle idée n'est pas nouvelle : au début de 2010, Lars Peter Nielsen et ses collègues découvraient dans la baie d'Aarhus des bactéries vivant enfoncées dans les sédiments jusqu'à une profondeur (plus d'un centimètre) où l'oxygène pénètre mal. Au laboratoire, quand l'eau était brutalement appauvrie en oxygène, les bactéries de surface changeaient rapidement leur métabolisme pour s'adapter à cette nouvelle situation. En profondeur, les bactéries faisaient de même en un temps très court. La réaction était si rapide que les chercheurs danois ont fait l'hypothèse d'une transmission d'information par voie électrique empruntant les filaments reliant les bactéries entre elles dans toute l'épaisseur du sédiment. 

Transmission d'information ou respiration collective : le rôle de ces filaments, qui semblent assez communs dans le monde bactérien, reste mal compris. Mais ces découvertes ouvrent des perspectives scientifiques assez fascinantes pour mieux comprendre les bactéries, décidément surprenantes...

 Par Jean-Luc Goudet, Futura-Sciences
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