MatISS, traquer la contamination

Expérience Matiss-2 à bord de la Station spatiale internationale — Expérience MatISS-2 à bord de la Station spatiale internationale © NASA

Concept

L’expérience MatISS vise à collecter et étudier la biocontamination des surfaces à l’intérieur de l’ISS, plus particulièrement dans le module européen Colombus. La biocontamination par les bioaérosols (petites cellules de la peau, gouttelettes issues d’éternuements ou de postillons, mais aussi bactéries…) est inévitable. Le nettoyage de certaines surfaces est donc nécessaire. Cependant, dans le cas de zones difficilement accessibles, cela peut devenir fastidieux et coûteux en temps pour les astronautes… une vraie problématique, à l’heure où les séjours des astronautes dans l’ISS s’allongent. « La question de maintenir un environnement sain lors de ces séjours, voire de voyages plus lointains, est cruciale », insiste Laurence Lemelle, directrice de recherche au laboratoire de géologie de l’École normale supérieure de Lyon (CNRS) et à l’initiative de cette expérience.

L’expérience MatISS vise à étudier la biocontamination dans le module Colombus, où les surfaces sont plus ou moins simples à nettoyer ! MatISS se trouve au fond du module, à gauche, en bas… © NASA/ESA

Principe de fonctionnement

L’expérience se présente sous la forme d’un boîtier, de la taille d’un téléphone portable, dans lequel se trouvent des lamelles de verre, visibles à travers un capot en polymère incassable. Au début de l’expérience, l’astronaute retire un adhésif, libérant une très fine fente de 2 mm, qui laisse entrer l’air (et donc les aérosols, les biocontaminants…) à l’intérieur du boîtier. Celle-ci reste ouverte le temps de l’expérience (trois, six, huit voire douze mois selon le protocole).

À la fin, l’astronaute referme la fente, rendant le boîtier hermétique. Ainsi scellé, il est redescendu sur Terre puis analysé par imagerie en microscopie optique en laboratoire, à travers le dispositif, sans que le boîtier ne soit ouvert. Cela garantit que les objets observés proviennent sans ambiguïté de l’ISS.

Ces analyses permettent d’étudier la biocontamination et de comprendre comment celle-ci se dépose et se développe sur différentes surfaces.

Le saviez-vous ?

La sécurité avant tout, même le plus petit objet de l’ISS, à savoir une petite clé Allen, ne devait pas pouvoir passer dans la fente du boîtier dont la taille a donc été limitée à 2 mm. Pour éviter tout risque de bris des lames de verre, elles-mêmes ont été renforcées par un film pour éviter la dispersion de petits morceaux en cas de casse. Deux précautions valent mieux qu’une pour avoir le droit d’embarquer dans l’ISS !

Une expérience évolutive

L’expérience MatISS est évolutive. Montée à bord de l’ISS en 2015, MatISS-1 avait fonction de démonstrateur, pour s’assurer que le dispositif fonctionne.

Pour MatISS-2 et Mat-ISS-3 (dans l’ISS en 2019 et 2020), les lames de verre avaient subi des traitements de surface différents, sur une infime épaisseur (de l’ordre du nanomètre), pour mieux comprendre les micro mécanismes de la contamination. « Des traitements facilement reproductibles en laboratoire, explique la scientifique, donc industrialisables. Par exemple, sur l’une des lames, nous avons déposé une très fine couche de molécules dont la tête se fixe sur la silice du verre, et la queue de la molécule, riche en fluor, repousse l’eau. »

MatISS-4, un nouveau design

Dans le cadre de la mission Epsilon (2026), l’architecture de l’expérience a été complément repensée. En effet, les analyses en laboratoires des premières versions avaient montré leurs limites : les boîtiers étaient trop volumineux pour être analysés dans des instruments de très hautes résolution et sensibilité.

MatISS-4 est ainsi constitué de quatre petits boîtiers miniaturisés appelés micro-MatISS, équipés d’une membrane en silicium très fine et de fenêtres en diamant. Le dispositif permet d’exposer chaque membrane à l’air, donc de collecter et d’y confiner les particules de l’ISS. Une fois redescendus sur Terre, chaque micro-MatISS est extrait du dispositif et intégré dans un instrument de nano-imagerie X du synchrotron européen de Grenoble. L’instrument étudie ainsi de manière beaucoup plus poussée la forme et la composition des particules sur la membrane de silicium.

MatISS-4 : un portoir permettant d’intégrer 4 µ-MatISS, 4 dispositifs expérimentaux qui seront analysés par un instrument de nano-imagerie après la collecte de « l’air ambiant » dans l’ISS © CNES/ENS de Lyon

Résultats et applications

La biocontamination dans l’habitacle de l’ISS est un phénomène très difficile à modéliser, car il existe de très nombreuses variables (le nombre d’astronautes, la durée des séjours…) et paramètres (tailles des aérosols, vitesses de déplacement, géométries des gouttes…). Une modélisation expérimentale pour identifier les sources et les voies de biocontamination est donc irréaliste, mais MatISS a ainsi permis d’étudier in-situ la biocontamination. Plusieurs enseignements :

Les systèmes de la Station spatiale, pour limiter cette contamination, sont très performants. « Après plusieurs mois d’exposition, les niveaux de contamination restent très faibles, estimés à quelques bactéries par millimètre carré, détaille Laurence Lemelle. Cependant, même de telles valeurs peuvent devenir significatives pour la fiabilité et le bon fonctionnement des équipements lors de missions de longue durée. »
Parmi les surfaces testées, les plus hydrophobes présentent les réductions de biocontamination les plus marquées.

La biocontamination par les aérosols touche toute la société. La crise du Covid-19 en a été la preuve. Les applications terrestres possibles, dérivées de MatISS, sont donc nombreuses. Laurence Lemelle travaille ainsi avec un éleveur qui souhaiterait utiliser des matériaux plus résistants aux contaminations pour in fine limiter la prise d’antibiotiques à ses animaux.

D’autres applications sont aussi envisagées dans les sous-marins, les hôpitaux, les transports en commun, etc.

Enfin, MatISS ouvre la voie à de nouveaux outils d’échantillonnage ((collecte, confinement sur place) pour de petites particules comme les poussières ou les aérosols. Ces outils pourraient notamment servir dans différentes situations de recherche comme lors d’incendies.

Le saviez-vous ?

MatISS et MultISS, dans le cadre de la mission εpsilon, une autre expérience vise à imager et analyser la biocontamination dans l’ISS, sur de larges surfaces. MultISS est ainsi complémentaire à MatISS qui étudie ce phénomène à l’échelle de la bactérie.