Scienza e tecnologia vegetale e microbica come pilastri dei sistemi di supporto vitale biorigenerativo nello spazio

Jul 29, 2023

npj Microgravity volume 9, numero articolo: 69 (2023) Citare questo articolo

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Le missioni di esplorazione spaziale umana a lungo termine richiedono controllo ambientale e sistemi chiusi di supporto vitale (LSS) in grado di produrre e riciclare risorse, soddisfacendo così tutti i bisogni metabolici essenziali per la sopravvivenza umana in ambienti spaziali difficili, sia durante i viaggi che su stazioni orbitali/planetarie. Ciò diventerà sempre più necessario man mano che le missioni si allontaneranno dalla Terra, limitando così la fattibilità tecnica ed economica del rifornimento di risorse dalla Terra. È necessaria un’ulteriore incorporazione di elementi biologici in LSS all’avanguardia (per lo più abiotici), che portino a LSS biorigenerativi (BLSS), per ulteriori soluzioni di recupero delle risorse, produzione alimentare e trattamento dei rifiuti e per consentire missioni più autosostenibili alla Luna e a Marte. Esiste un'intera serie di funzioni cruciali per sostenere la presenza umana nell'orbita terrestre bassa (LEO) e l'insediamento di successo sulla Luna o su Marte, come il controllo ambientale, la rigenerazione dell'aria, la gestione dei rifiuti, l'approvvigionamento idrico, la produzione alimentare, la pressurizzazione di cabine/habitat, la protezione dalle radiazioni. , fornitura di energia e mezzi di trasporto, comunicazione e ricreazione. In questo documento ci concentreremo sulla produzione di aria, acqua e cibo, sulla gestione dei rifiuti e affronteremo alcuni aspetti della radioprotezione e delle attività ricreative. Discutiamo brevemente le conoscenze esistenti, evidenziamo le lacune aperte e proponiamo possibili esperimenti futuri a breve, medio e lungo termine per raggiungere gli obiettivi dell'esplorazione spaziale con equipaggio che portino anche possibili benefici sulla Terra.

Il concetto di sistemi di supporto vitale biorigenerativo (BLSS), chiamati anche sistemi di supporto vitale ecologico chiusi (o controllati) (CELSS), è stato esplorato fin dall'inizio dell'era dell'esplorazione spaziale umana negli anni '601. Un BLSS a circuito chiuso e semichiuso si basa sul concetto di reti ecologiche in cui diversi livelli di connessioni trofiche garantiscono il ciclo della biomassa nelle reti alimentari. Pertanto, un BLSS è costituito da diversi compartimenti interconnessi basati su organismi i cui rifiuti rappresentano le risorse vitali per gli altri compartimenti (Fig. 1). Questi sistemi comprendono tre tipi principali di compartimenti: "produttori" biologici (ad esempio piante, microalghe, batteri fotosintetici), "consumatori" (ad esempio l'equipaggio) e "degradatori e riciclatori" dei rifiuti (ad esempio batteri fermentativi e nitrificanti). Nel corso degli anni sono stati proposti diversi elementi biologici alternativi2. Ad esempio, è stato proposto che i compartimenti animali (ad esempio insetti e pesci) forniscano proteine ​​aggiuntive3. Diversi dimostratori a terra su larga scala hanno testato BLSS a circuito chiuso con esseri umani nel circuito, come BIOS-1, 2, 3 e 3 M in Russia, Biosphere 2 negli Stati Uniti, Closed Ecology Experiment Facility (CEEF) in Giappone e Lunar Palace 1 in Cina. Altre strutture in Antartide hanno testato funzioni BLSS indipendenti come il riciclaggio delle acque grigie presso la stazione Concordia o la produzione alimentare all’interno dell’EDEN ISS (Stazione Spaziale Internazionale) Mobile Test Facility presso la Stazione Neumayer III. Inoltre, nell’ambito del progetto di test del sistema di supporto vitale Lunar-Mars della NASA, una camera di crescita ha contribuito alla rivitalizzazione dell’aria e al fabbisogno alimentare di un equipaggio di quattro persone per 91 giorni4. Altre strutture hanno consentito missioni analogiche testando compartimenti o parti di essi con vari livelli di complessità, come MARS500 e SIRIUS in Russia, HERA e LMLSTP presso il JSC della NASA, la Camera di produzione di biomassa del KSC, MDRS nello Utah e HI-SEAS alle Hawaii, USA4, 5,6. Questi dimostratori a terra sono stati utilizzati per testare tecnologie specifiche per camere di coltivazione controllata, sistemi di produzione alimentare e gestione dei rifiuti biologici. Alcune di queste strutture di prova sono state utilizzate anche per valutare l'impatto del confinamento su equipaggi isolati in termini di problemi fisiologici e psicologici, nonché per valutare il possibile effetto di mitigazione della presenza di piante (ad esempio, accesso a cibo fresco, giardinaggio per ricreazione)7,8.