Mise à l'échelle d'un modèle de croissance des plantes supérieures, du niveau de la feuille à celui de la canopée, en gravité réduite

Scaling up a model for higher plant growth from leaf to canopy in lo w e rgravity

• Auteur / Autrice : Louise Fleischer
• Direction : Jean pierre Fontaine
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GePEB - Génie des Procédés, Energétique et Biosystèmes

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation et simulation

Espace

Plantes

Canopée

Gravité

Croissance

Model and simulation

Plants

Gravity

Space

Growth

Canopy

Résumé

L'exploration spatiale à long terme, comme l'exploration de la Lune ou de Mars, nécessite le développement d'un système de support de vie (LSS) efficace et robuste pour recycler l'atmosphère, l'eau et les déchets afin de garantir la survie de l'équipage. Selon certains plans de la NASA, au moins 15 % de la nourriture devrait être produite à bord pour des voyages prolongés. L'Agence Spatiale Européenne (ESA) développe le projet MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) depuis plus de 35 ans. Ce projet concerne la culture de plantes supérieures, fortement influencée par les conditions environnementales (g, p, T, HR, flux d'air, pression partielle d'O2 ou de CO2). Des conditions de croissance optimales exigent un niveau élevé de contrôle et de gestion, nécessitant une compréhension approfondie des phénomènes clés et de leurs interactions avec l'environnement (comme la transpiration ou le transfert de masse). Le but de cette étude est d'améliorer et de valider le modèle physique mécaniste en cours de développement à l'Institut Pascal (département GePEB) pour prédire l'effet de la microgravité ou d'un environnement de gravité réduite sur la croissance des plantes à différents niveaux : morphologique, physico-chimique et biochimique. En effet, pendant la croissance, les phénomènes limitants sont principalement : (i) le transfert évapo-transpiratoire au niveau des feuilles, associé à la régulation de la température de surface des feuilles ; (ii) la migration de l'eau dans la plante (provenant du sol ou du milieu hydroponique après absorption par les racines) ; et (iii) les échanges de CO2/O2 produits lors de la photosynthèse. Ainsi, une approche mécaniste, multicouche et multiscalaire (en termes d'espace et de temps) est étudiée. Actuellement, le modèle MELiSSA pour les plantes supérieures est basé sur des bilans de masse et d'énergie au niveau d'une feuille unique, dans le but d'estimer les coefficients d'échange gazeux de transpiration KLa pour les conditions environnementales d'un habitat spatial. L'influence de la gravité a été introduite par L. Poulet (thèse CNES-CNRS 2018), prenant en compte les échanges gazeux altérés dus à l'absence ou à la faible convection libre en gravité réduite. Il en résulte une production de biomasse réduite attendue. La tendance générale du modèle s'est avérée cohérente avec certaines données expérimentales obtenues lors de vols paraboliques (Kitaya et al. 2001, 2006), mais une validation plus large est nécessaire. J. Kuzma (thèse CNES-ESA en cours) a développé un système de réplique de feuille spécifique pour la campagne parabolique VP175 (CNES, octobre 2023) afin de caractériser le flux évaporatif en phases transitoires et de valider le modèle. Plusieurs intensités de vitesse d'air sont étudiées, ainsi que l'inclinaison de la réplique par rapport au flux principal. Les répliques de feuilles sont étudiées pour mener des expériences purement physiques d'évaporation, afin d'éviter les problèmes biochimiques/biologiques concomitants ou les variations génétiques qui se développent pendant la croissance. L'objectif de cette thèse est de faire passer l'échelle du modèle du niveau de la feuille à celui de la canopée, pour développer une description basée sur les échanges de masse, de chaleur et d'énergie, plutôt que sur des modèles empiriques (qui ne sont pas développés pour des environnements fermés ou spatiaux). Les échanges de masse (carbone, gaz) et de chaleur dépendent fortement de l'épaisseur de la couche limite de la feuille et de la canopée, laquelle dépend des mouvements d'air, et donc de la convection forcée et libre, qui résulte des forces de flottabilité et donc de la gravité. Pour ce passage à l'échelle, il sera fondamental de déterminer les interactions avec l'environnement, car il ne s'agit généralement pas d'une simple somme des interactions individuelles des feuilles, mais d'une intégration non linéaire. Par exemple, chaque feuille affecte significativement son environnement en modifiant localement la vitesse du vent, l'irradiance ou l'humidité relative locale. L'accent sera mis sur le changement d'échelle d'un ordre de grandeur en taille de notre système de réplique, passant d'une feuille carrée de 5 cm à une canopée carrée de 50 cm dans un environnement contrôlé. Plusieurs formes de feuilles doivent être étudiées : carré, triangle ou cercle. Deux ''couches de feuilles'' pourraient être envisagées pour étudier l'interaction entre le sous-étage et la canopée, et différents angles (-30 à +30 degrés, cf Kuzma 2023). Le flux d'air devra être varié de 0 à 1,5 m/s dans des conditions standards : température ambiante de 20°C et humidité moyenne de 70 %. L'objectif initial sera de développer un modèle CFD pour simuler le transfert de chaleur et de masse couplé, basé sur la résolution des équations 3D de Navier-Stokes et de l'énergie avec le logiciel Phoenics. Le niveau d'humidité pourrait être représenté par l'ajout d'une équation de conservation de la concentration en eau, pour représenter la modification du niveau local d'HR par une feuille individuelle et le profil d'HR dans la canopée. Le flux évaporatif sera simulé comme un terme source sur la face inférieure des feuilles, car les stomates (pores de 50 μm pour la transpiration des plantes) sont principalement situés en dessous. La simulation se concentrera sur des cas spécifiques et limites, comme (i) la gravité 0-g (ou 1/6 g, pour la Lune), 1-g ; (ii) l'intensité du flux d'air ; (iii) la configuration géométrique de la canopée. Le second objectif sera de développer un banc d'essai correspondant aux cas optimaux et de les tester lors de campagnes de vols paraboliques pour valider les résultats numériques.

Long term space exploration, like the exploration of the Moon or Mars requires the development of an efficient and robust life support system (LSS) to recycle atmosphere, water, and waste for the crew survival According to some NASA's plans at least 15% of the food should be produced on board for long trip s The European Space Agency (ESA) has been developing the MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) project for more than 35 years. It concerns the growth of higher plants, which is strongly influenced by the environmental conditions (g, p, T, RH, air flow, partial pressure of O 2 or CO 2 ). Optimal growth conditions require a high level of control and management, and thus a thorough understanding of the key phenomena and of their interaction s with the environment (like t ranspiration or mass transfer The goal of this study is to improve and validate the mechanistic physical model under development at the Institut Pascal (GePEB department) to predict the effect of microgravity or of a reduced gravity environment on plant growth at its morphological, physicochemical, and biochemical levels . Indeed, during growth the limiting phenomena are primarily the (i) evapo transpiration transfer at the leaf associated with surface temperature regulation of the leaf , (ii) migration of water in the plant (coming from the ground or hydroponic medium after absorption by the roots) and (iii) CO2/O2 exchange produced from the process of photosynthesis. Th u s a mechanistic, multi layer, and multi scale (space and time) approach is being i nvestigat ed. Today the MELiSSA model for higher plants is based on mass and energy balances at a single leaf level , with the objective of estimat ing the transpiration gas exchange coefficients K L a for the environmental conditions of a space habitat The influence of gravity was introduced by L. Poulet (CNES CNRS PhD 2018), considering the altered gas exchanges due to the low or lack of free convection in reduced gravity . As a result, reduced biomass production is expected . The global trend of th e model proved to fit with some experimental data obtained in parabolic f lights by Kitaya et al. 2001 , 2006) but wider validat ion is needed . J. Kuzma (CNES ESA PhD ongoing) developed a specific leaf replica system for the VP175 parabolic campaign (CNES, October parabolic campaign (CNES, October 20232023) ) to characterizeto characterize the the evaporative fluxevaporative flux in transient stagesin transient stages and and to validate the modelto validate the model.. 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The objective of this thesis is to The objective of this thesis is to scale upscale up the model from the model from leaf to canopy levelleaf to canopy levelss toto developdevelop knowledgeknowledge--based description of mass, based description of mass, heat,heat, and energy exchange instead of empirical models and energy exchange instead of empirical models ((not developed for closed or space environmentsnot developed for closed or space environments)).. Mass (carbon, gas)Mass (carbon, gas) and heat exchange and heat exchange areare markedmarkedly dependent on leaf and plant canopy boundary layer thickness,ly dependent on leaf and plant canopy boundary layer thickness, which which dependsdepends onon the the airflow airflow movementsmovements, , and thusand thus on forced and free convectionon forced and free convection——a result of buoyancy forces a result of buoyancy forces anandd therefore on gravitytherefore on gravity.. For the For the scalingscaling up up it it will bewill be fundamental to determine the fundamental to determine the interactions interactions with with the surroundingsthe surroundings, as , as itit isis usually usually not a simple sum of individual leaf intenot a simple sum of individual leaf interactionractionss butbut a nona nonlinearlinear integrationintegration. For example, each leaf significantly. For example, each leaf significantly affects affects itsits surroundingsurroundingss by by modifymodifying ing locally locally wind wind speed, irradiance, or speed, irradiance, or locallocal relative humidity.relative humidity. The focus will be on the scale up of The focus will be on the scale up of one order of magnitude in sizeone order of magnitude in size of our of our replica systemreplica system, from a , from a 5 cm square leaf to a 50 cm square canopy in a controlled environment. Several 5 cm square leaf to a 50 cm square canopy in a controlled environment. 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The initial goal The initial goal will be to develop a CFD model to simulate the will be to develop a CFD model to simulate the coupled heat and mass transfercoupled heat and mass transfer, , based on the resolution of the based on the resolution of the 3D Navier3D Navier--Stokes and energy equationStokes and energy equationss with the Phoenics with the Phoenics software. The humidity level could be represented by thsoftware. The humidity level could be represented by the addition of a conservation equate addition of a conservation equation of ion of water concentrationwater concentration, , toto represent the modification of local RH level by an individual leafrepresent the modification of local RH level by an individual leaf and the and the RH profile in the canopyRH profile in the canopy.. The evaporative flux will be simulated as a source term on the lower side The evaporative flux will be simulated as a source term on the lower side of leaves, as stomata (50 of leaves, as stomata (50 m pores for plant transpiration) are mainly located underneath. The m pores for plant transpiration) are mainly located underneath. The focus for the simulation will be on specific and limit casesfocus for the simulation will be on specific and limit cases, like for (i) gravity, like for (i) gravity 00--gg (or 10(or 10--22), g/6 ), g/6 (Moon), 1(Moon), 1--gg;; (ii) streamflow intensity(ii) streamflow intensity; ; (iii) canopy geometrical configuration(iii) canopy geometrical configuration.. The second goal will be to develop a testbench corresponding to the The second goal will be to develop a testbench corresponding to the optimal cases and to test optimal cases and to test them them in parabolic flight campaignsin parabolic flight campaigns to validate the numerical resuto validate the numerical resultslts..