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La distribuzione dei nutrienti e il substrato

L’idroponica (dal greco ύδωρ, acqua, + πόνος, lavoro) comprende tutte quelle tecniche di coltivazione fuori suolo, ovvero condotte in un mezzo diverso dal terreno, che trovano impiego pressoché esclusivo nella coltivazione di piante da frutto, ortaggi e fiori.

Gli impianti idroponici possono essere, inoltre, suddivisi in sistemi “aperti” o “chiusi”, nei primi la soluzione nutritiva è “a perdere”, mentre nei secondi è “riciclata”, cioè recuperata e rimessa in circolo dopo le opportune integrazioni.

Tutti i sistemi idroponici si basano sull’erogazione di una soluzione contenente gli elementi nutritivi necessari alla vita delle piante. Per la preparazione del substrato di coltivazione, che agisce come sostituto del terreno naturale, possono essere utilizzati diversi tipi di materiali scelti in base a considerazioni economiche e tecniche. In particolare, i substrati devono possedere alcune importanti caratteristiche fisico-meccaniche in modo da garantire un’adeguata capacità di trattenere la soluzione nutritiva e rilasciarla alle radici in funzione dei ritmi di assorbimento delle piante. Il substrato o, nel caso di coltura liquida, la soluzione nutritiva devono anche contenere aria per evitare fenomeni di anossia radicale.

L’idroponica non è una tecnica nuova, infatti, era già utilizzata dagli antichi Egizi e dai Babilonesi, basti pensare ai giardini pensili di Babilonia. Altri esempi di idroponica sono i giardini galleggianti degli Aztechi e degli antichi Cinesi. Tuttavia, fu solo intorno al 1860 che furono stabiliti i principi scientifici delle colture idroponiche a opera di due studiosi tedeschi, J. Sach (1859) e da J. Knop (1860), considerati a ragione i “padri” della moderna idroponica.

substrato

L’idroponica fu impiegata per applicazioni sperimentali nel campo della biologia vegetale fino agli anni ‘20 del XX secolo, quando per la prima volta in California fu utilizzata per la coltivazione commerciale di ortaggi in serra. La diffusione dell’idroponica su larga scala, però, fu resa possibile dall’avvento della plastica, che ha consentito la realizzazione di impianti più leggeri e meno costosi rispetto a quelli impiegati originariamente.

A partire dalle prime applicazioni commerciali, sono stati sviluppati diversi sistemi idroponici che possono essere classificati in base all’impiego o meno di un substrato, di natura organica (torba, fibra di cocco, vinacce) o inorganica (lana di roccia, perlite, poliuretano, argilla espansa, pomice) e al tipo di erogazione della soluzione nutritiva.

Per la produzione di ortaggi e di fiori recisi, s’impiegano soprattutto substrati artificiali in contenitore con erogazione della soluzione nutritiva attraverso impianti di micro-irrigazione (“a goccia” e similari), mentre per le piante ornamentali, coltivate in vaso su substrato, si vanno sempre più diffondendo gli impianti cosiddetti “a flusso e riflusso” (in inglese “ebb and flow”) in cui la soluzione nutritiva viene somministrata in maniera discontinua per sub-irrigazione (dal basso) e raggiunge le radici delle piante attraverso i fori di drenaggio dei vasi. Le colture liquide, cioè senza substrato, come la Nutrient Film Technique (NFT) e il Floating System (letteralmente, sistema galleggiante), sono utilizzate per lo più per coltivare ortaggi da foglia, cioè piante di taglia ridotta e a ciclo breve, come le lattughe.

Nel sistema NFT, un sottile film di soluzione nutritiva viene fatto ricircolare all’interno di apposite canaline di plastica dove sono sistemate le piante; non è prevista la presenza del substrato che viene utilizzato in piccola quantità solo per la preparazione delle piantine. La soluzione nutritiva viene pompata dal serbatoio alle canaline dove scorre bagnando le radici, per poi venire recuperata, reintegrata e rimessa in circolo.

Nel Floating System, pannelli o vassoi di polistirolo in cui sono alloggiate le piante galleggiano in vasche contenenti la soluzione nutritiva che viene areata e ciclicamente reintegrata dei nutrienti assorbiti dalle piante.

I sistemi descritti, ovviamente, non funzionano in condizioni di gravità ridotta o in assenza di gravità, poiché nel primo l’acqua si accumulerebbe all’uscita della pompa senza fluire nelle canaline, lasciando le radici delle piante asciutte, mentre nel secondo la soluzione non rimarrebbe nella vasca ma fluttuerebbe nella cabina.

Pertanto nello Spazio è necessario sviluppare nuove tecniche di distribuzione della soluzione nutritiva, in grado di utilizzare forze attive anche in assenza di gravità come i fenomeni capillari. L’utilizzo di un substrato poroso consente, ad esempio, di trattenere e distribuire la soluzione nutritiva alle radici sfruttando proprio queste forze.

Man mano che le piante assorbono acqua e nutrienti, come avviene anche sulla Terra, i substrati si impoveriscono di soluzione nutritiva che dovrà essere opportunamente reintegrata. A questo scopo sono state messe a punto alcune tecniche, sperimentate con successo nelle recenti missioni spaziali, distinte in sistemi di controllo attivo e sistemi passivi. I sistemi di controllo attivo si basano sull’iniezione di soluzione nutritiva nel substrato grazie ad una pompa. I sistemi passivi permettono, invece, di controllare il flusso di soluzione nutritiva al substrato utilizzando materiali idrofilici microporosi che richiamano liquido dal serbatoio man mano che questo viene assorbito dalle piante.

S. De Pascale – Università di Napoli “Federico II”

R. Fortezza, D. Castagnolo – Telespazio

substrato 2

I sistemi biorigenerativi

18/09/2015

La gestione dell’aria in un “modulo serra” per applicazioni spaziali

Nell’ambito dello sviluppo di sistemi di tipo bio-rigenerativo, un “modulo serra” risulta una parte fondamentale all’interno di qualsiasi concetto di base stabile e indipendente per le future missioni spaziali. Infatti all’interno di una serra è possibile (ri)generare tutte le risorse necessarie agli esseri umani, attraverso la chiusura dei cicli vitali di un habitat: il riciclo dell’acqua, la rimozione di anidride carbonica e la produzione di ossigeno e di cibo. In questo contesto si colloca il seguente studio di fattibilità coordinato dal centro aerospaziale tedesco DLR e condotto nell’ambito del programma MELiSSA dei progetti di ricerca ESA. L’obiettivo principale di questa attività è la definizione di un “modulo serra” per una base lunare. Tutte le principali parti che costituiscono il modulo serra vengono investigate: la scelta delle piante ed il loro posizionamento, l’estensione della parte coltivata, la fornitura di nutrimento alle piante, il tipo di illuminazione, la gestione dell’aria, la richiesta globale di energia e la struttura del modulo. In questo articolo ci soffermeremo in particolar modo sul sistema che gestisce l’aria all’interno della serra. La struttura finale del modulo serra, sviluppato al termine dello studio, è costituita da un nucleo centrale rigido e da quattro camere gonfiabili chiamati “petali” (nella figura in basso). Due corridoi sono destinati al collegamento tra il modulo e la base lunare. Il nucleo centrale contiene la maggior parte dei componenti necessari al funzionamento della serra (impianti e macchinari), mentre i petali costituiscono la zona di coltivazione delle piante. Per garantire un microclima che sia adeguato alla crescita di ciascun tipo di pianta, le coltivazioni vengono differenziate per petalo. Ogni petalo conterrà quindi una diversa specie di pianta ed avrà caratteristiche specifiche di luce, temperatura, umidità e composizione dell’aria.  Le piante selezionate per la coltivazione sono il grano duro, il grano tenero, la soia, barbabietola e lattuga (queste ultime due possono essere coltivate insieme). Struttura del modulo serra Per quanto riguarda il sistema di gestione dell’aria, esso viene realizzato con i seguenti obiettivi:
  • Controllare la temperatura, la pressione, l’umidità e la composizione dell’aria all’interno di ciascun petalo
  • Riciclare l’acqua che traspira dalle piante attraverso la condensazione del vapore acqueo in eccesso
  • Rimuovere dall’aria i possibili agenti contaminanti di tipo chimico o biologico
I principali componenti che costituiscono il sistema di gestione dell’aria sono: ventole, sterilizzatori con lampade UV, umidificatori, scambiatori di calore, filtri per le particelle solide e per la rimozione di specifici contaminanti chimici, sensori per l’analisi della temperatura, pressione e composizione dell’aria. Particolare attenzione viene dedicata alla caratterizzazione ingegneristica dei componenti, selezionandoli in base alle loro caratteristiche tecniche. Per ciascun componente vengono inoltre considerati gli aspetti legati alla massa (per il trasporto terra-luna), alle dimensioni (per la valutazione dell’ingombro) e al consumo energetico (sostenibilità energetica del modulo). sistema di gestione dell'aria - modulo serra La maggior parte dei componenti selezionati sono posizionati nel nucleo che ha una struttura rigida. I canali per la distribuzione/raccolta dell’aria sono invece posizionati nei petali (nella figura in qui sopra). Durante il funzionamento standard del modulo, l’aria viene completamente ricircolata separatamente per ciascun petalo. L’aria viene trattata all’interno del nucleo dove assume le caratteristiche desiderate (temperatura, pressione, umidità e composizione). In seguito essa va ad alimentare il petalo passando attraverso delle griglie di distribuzione poste sotto il pavimento. Un singolo canale, collocato nella parte alta del petalo, raccoglie l’aria di scarto che viene poi avviata verso il nucleo per essere nuovamente trattata. Per la gestione dei livelli di ossigeno e di anidride carbonica all’interno dei petali vengono definiti due tipi di funzionamento (nella figura in basso):
  • “Nominal mode”. Durante questa modalità (funzionamento standard) ciascun petalo ricircola l’aria e nessuno scambio avviene con la base lunare . In questa fase l’ossigeno prodotto per fotosintesi dalle piante viene accumulato all’interno del petalo. I sensori presenti in ciascun petalo danno un immediato riscontro sulle condizioni climatiche presenti e permettono di raggiungere lo stato desiderato in termini di temperatura, pressione ed umidità.
  • “Breathing mode”. In questa modalità si attiva un collegamento diretto tra l’aria presente nel petalo e quella presente nella base. In questo modo l’aria ricca di ossigeno presente nei petali può fluire verso la base e, viceversa, l’aria carica di anidride carbonica può entrare nel petalo.
funzionamento sistema gestione aria - modulo serra La modalità “Nominal mode” costituisce il funzionamento standard del sistema di gestione dell’aria. L’attivazione occasionale della modalità “Breathing mode” consente di mantenere i livelli di ossigeno e di anidride carbonica in un intervallo di valori prestabiliti e permette di fornire l’ossigeno prodotto dalle piante agli abitanti della base. A conclusione del progetto sono state condotte alcune analisi termo-fluidodinamiche su un modello tridimensionale del petalo per controllare le prestazioni del sistema di distribuzione dell’aria. Queste analisi hanno permesso di calcolare la pressione, la temperatura e l’umidità locali dell’aria all’interno dei petali in condizioni di regime. In questo modo alcune raccomandazioni ed osservazioni sulla struttura del modulo e sui componenti del sistema di distribuzione dell’aria sono state raccolte per un futuro sviluppo progettuale.   L. Buccheri – Engisoft

I sistemi biorigenerativi

16/09/2015

Serre planetarie

Negli ultimi anni lo “sviluppo sostenibile” è diventato un argomento di discussione sempre più comune e una necessità sempre più impellente. Addirittura alcuni potrebbero affermare che qualsiasi sviluppo ulteriore non sia sostenibile dal nostro bel pianeta, e che si debba imparare a vivere con meno, riducendo gli enormi sprechi che governano la nostra vita quotidiana.

Un invito accolto da un crescente numero di comunità locali è quello al consumo di frutta e verdura di stagione, preferendo prodotti provenienti dai territori limitrofi a quelli trasportati dai capi opposti del globo, avvicinandosi al consumo così detto a “chilometro zero”. Dopotutto i prodotti a km 0 costano meno (si risparmia sul trasporto e spesso anche sull’imballo), aiutano l’ambiente (si produce meno CO2, si spreca meno acqua, energia, plastica e cartone), e sono più freschi (quindi con meno conservanti).

Tuttavia, il rimpicciolirsi delle aree agricole vicino ai grandi centri urbani ostacola questo percorso di sostenibilità. Per ovviare a tale, al momento inevitabile, impoverimento della nostra capacità di provvedere efficientemente ai nostri bisogni basilari, sono ormai in crescente diffusione le coltivazioni urbane fuori suolo, ovvero degli orti che sfruttano la tecnologia idroponica per produrre frutta, verdura e piante ornamentali che possono essere ricavati in capannoni e aree industriali in disuso. Un esempio sono le serre verticali, che permettono coltivazioni su più livelli, facendo buon uso di una superficie ridotta, e spesso permettendo di fare uso efficiente di acqua e pesticidi.

serre planetarie 1La necessità di queste tecnologie diventa invece quasi inderogabile quando le condizioni ambientali sono avverse alla coltivazione e la logistica di rifornimento è proibitiva, come già avviene ad esempio in aree desertiche o polari, e, perché no, nelle basi planetarie del futuro (ad esempio su Marte!). Non per altro, ogni scenario di esplorazione dello spazio prevede ad un certo punto lo sviluppo della capacità di produrre cibo con coltivazioni fuori suolo.

La produzione a “chilometro zero” diventa infatti sempre più conveniente tanto più aumentano le dimensioni dell’equipaggio, la durata della missione e le difficoltà di rifornimento (come nel caso di Marte, posto ad una distanza dalla Terra sempre superiore a metà della distanza Terra-Sole). Gli studi per sviluppare la tecnologia necessaria coinvolgono conoscenze da ogni parte del mondo, e l’Europa è sicuramente in prima linea. L’Agenzia Spaziale Europea (ESA) da anni promuove queste attività attraverso il progetto MELiSSA. Ad esempio, è recentemente terminato GreenMOSS, uno studio di fattibilità coordinato da Thales Alenia Space Italia, il quale aveva l’obiettivo di progettare una serra sulla superficie del polo sud lunare, basata sull’architettura MELiSSA, e capace di fare un uso efficiente della luce solare disponibile quasi continuamente, nonché di identificare i necessari sviluppi tecnologici critici.

Proprio nella sua ultima fase lo studio ha evidenziato poi la necessità di utilizzare la stazione spaziale internazionale (ISS) come piattaforma di sviluppo tecnologico, dando il via a PFPU, un nuovo studio tutto italiano, sempre in ambito MELiSSA, atto a progettare un precursore di un’unità per produzione di tuberi in orbita attraverso il test in laboratorio di alcuni prototipi chiave. Un altro progetto molto interessante, che permette di osservare a volte in diretta gli esperimenti in corso, riguarda lo sviluppo di un prototipo di serra lunare (chiamata LGH), portato avanti a cura dell’Università dell’Arizona (UA-CEAC) e sponsorizzato dalla NASA.serre planetarie 2

L’esplorazione dello Spazio conferma quello che gli esploratori di ogni tempo hanno sempre saputo. Si può vivere con molto meno, e liberandosi del superfluo e degli sprechi si possono raggiungere grandi obiettivi. Non aspettiamo di percorrere le 1.5 Unità Astronomiche, che ci separano in media da Marte, per affidarci ai prodotti km 0!

Per maggiori approfondimenti sul progetto MELiSSA, vai al sito. G. Boscheri – Thales Alenia Space Italia   [Immagine di copertina: credits NASA]  

I sistemi biorigenerativi

15/09/2015

La scelta delle specie

Quale parte della immensa variabilità vegetale porteremo con noi nei sistemi biorigenerativi per viaggi di lunga durata o per le basi sulla Luna o su Marte? Possiamo mangiare migliaia di specie vegetali e centinaia sono usate nell’agricoltura dei diversi climi e paesi del mondo. La biodiversità vegetale è un serbatoio ricco a cui l’uomo ha sempre attinto e a cui dovrà attingere in futuro per una alimentazione sana e sostenibile. Sulla terra, la diversità degli ambienti in cui coltivare i nostri alimenti ci stimola a scegliere le specie più adatte e a diversificare le coltivazioni e i prodotti. La scelta delle specie da coltivare nello spazio, deve combinare molte esigenze e vincoli (nella foto in basso, un piccolo esempio della variabilità del germoplasma orticolo. Credit: Gregorio Sgrigna IBAF–CNR, 2015).

scelta della specie 1

E’ più facile pensare a piante di piccola taglia che ad alberi. La produzione di parti mangiabili deve essere alta rispetto ai residui da riciclare, e i cicli di produzione dovranno essere veloci. Una ciotola di rosse ciliegie farebbe di certo piacere agli astronauti, ma un cestino di fragole si può ottenere in minor tempo e spazio e con meno residui. Dovrà essere agevole riprodurre le specie che si coltivano, senza doverne controllare i sistemi riproduttivi. Le specie scelte dovranno crescere bene in condizioni ambientali facili da riprodurre e mantenere, senza competere fra di loro, per convivere in sistemi multi-colturali. Le piante spaziali dovranno avere fotosintesi e traspirazione efficienti e capaci di acclimatare a variazioni di luce, temperatura e umidità dell’aria. Così, controllando accuratamente l’ambiente di crescita, non otterremo solo cibo, ma anche la fissazione della CO2, la produzione di O2 e di vapore d’acqua, un modo naturale di purificare l’aria e l’acqua usate dagli astronauti. Il cibo dovrà essere facilmente utilizzabile, con minime esigenze di lavorazione, cottura, trasformazione e conservazione, ma sarà utile avere piante ricche di più elementi nutritivi che aiutino ad avere una dieta equilibrata. Negli esperimenti fin qui condotti sono state studiate principalmente le specie che sulla terra forniscono la base energetica all’umanità, come frumento, riso, patata e soia dalle quali avremo carboidrati proteine e grassi.

scelta della specie foto 2Sono state studiate anche specie, come ad esempio insalata, rucola, spinacio e fragole, che ci forniscono altre componenti di una dieta ricca e diversificata, come vitamine, sali minerali, fibre, antiossidanti e molecole nutraceutiche. Il controllo delle condizioni di crescita dovrà sfruttare queste doti delle piante massimizzando la produzione di componenti ad alto valore nutrizionale e nutraceutico dei vegetali. Presso l’Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale del Consiglio Nazionale delle Ricerche in collaborazione con il Dipartimento di scienze e tecnologie per l’Agricoltura, le Foreste, la Natura e l’Energia (DAFNE) dell’Università della Tuscia, svolgiamo da tempo esperimenti sulla risposta di piante orticole all’ambiente spaziale, per ottimizzarne la qualità nutritiva (nella foto a destra l’estrazione in presenza di azoto liquido garantisce il blocco del metabolismo e facilita la triturazione dei tessuti. Credit: Gregorio Sgrigna IBAF–CNR, 2015)

Ottimizzando le condizioni ambientali come temperatura luce e concentrazione di CO2 ad esempio, si possono avere spinaci con aumentata vitamina C. Nello spazio dovremo prevenire l’insorgenza di malattie delle piante, così il cibo vegetale sarà esente da residui di antiparassitari. Con la stessa attenzione dovremo evitare che le piante accumulino fattori anti-nutrizionali, perché si sa, le piante sono buone, ma con l’evoluzione hanno imparato a difendersi dai predatori e possono produrre composti tossici che non vogliamo nel piatto degli astronauti. Infine coltivare dovrà essere divertente e l’orto spaziale dovrà essere bello, rigoglioso, colorato, fornendo così agli astronauti anche motivo di svago e un ambiente gradevole e naturale dove trascorre parte del loro tempo. Gli astronauti verosimilmente non potranno sdraiarsi su un prato per la tintarella, ma possiamo immaginarli seduti a leggere un libro, o magari a passeggiare e colloquiare in un nuovo EDEN ricco di forme colori e profumi per momenti di pausa terrestre.

A cura di Alberto Battistelli – CNR

Il team

Alberto Battistelli, Stefano Moscatello, Simona Proietti, Walter Stefanoni, Guglielmo Santi – Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale – Consiglio Nazionale delle Ricerche (IBAF –CNR).

Giuseppe Colla – Dipartimento di Scienze e Tecnologie per l’Agricoltura, le Foreste, la Natura e l’Energia (DAFNE) dell’Università della Tuscia.

 

I sistemi biorigenerativi

10/09/2015

Radicarsi nello spazio

I progressi della ricerca agronomica, come la coltura “fuori suolo” (idroponica), consentono di allevare piante in luoghi e spazi un tempo ritenuti impossibili. Uno dei luoghi più estremi che si possano immaginare per la coltivazione di piante è certamente la Stazione Spaziale Internazionale, un laboratorio multidisciplinare in cui la ricerca è attiva anche per individuare le condizioni ideali per poter realizzare il riciclo di risorse vitali (tecnologie bio-rigenerative).

Nel quadro del progetto “BIOxTREME” finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana, il Laboratorio Biotecnologie dell’ENEA sta esplorando il potenziale delle piante per utilizzarle non solo come fonte di integratori alimentari antiossidanti, ma anche come sorgente di sostanze antimicrobiche. Questo al fine rendere più salubre sia l’ambiente nelle stazioni spaziali che la vita degli astronauti, rafforzandone le difese nei confronti della comunità microbica “importata” dalla terra che, nell’ambiente confinato dei veicoli spaziali, può rappresentare un grave pericolo per uomini e strutture.

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Piante “tuttofare” dunque, che innescano un ciclo bio-rigenerativo di risorse vitali, come acqua e ossigeno, eliminando anidride carbonica, favorendo così la sostenibilità degli habitat delle stazioni orbitanti e costituendo allo stesso tempo un alimento ricco di molecole ad alto valore aggiunto.

Con questi obiettivi l’ENEA dedica la ricerca ad un tipo di pomodoro, il MICROTOM, nato come cultivar ornamentale, ma che, per portamento e caratteristiche intrinseche, ben si adatta ad un orto spaziale. Si cercherà quindi di costruire un “ideotipo” resistente alle condizioni estreme nello spazio come: assenza di gravità, radiazioni cosmiche, campi elettromagnetici. Una combinazione genetica per produrre piante in grado di accumulare grandi quantità di sostanze antiossidanti come le antocianine, le famose molecole antidoto contro l’invecchiamento, che sono contenute in grandi quantità nei frutti di colore scuro.

Ma le piante e le loro radici possono anche essere fonte di diversi tipi di proteine con riconosciuta attività farmacologica. Infatti, sono allo studio colture di radici che funzionano come bioreattori naturali in grado di sintetizzare molecole ad altissimo valore aggiunto (anticorpi, peptidi, immunostimolanti) a partire da tessuti che si accrescono grazie a zucchero, semplici sali e vitamine.

Queste radici risultano resistenti ad alte dosi di radiazioni gamma e protoni (dell’ordine di 10 gray) e proliferano anche dopo dosi di irraggiamento che sarebbero letali per molti altri tipi di cellule.

Un bell’esempio di come ci si può attrezzare per “mettere radici” nello spazio.

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18/05/2015

Acqua: elemento essenziale nel ciclo vitale, anche nello spazio

L’acqua che bevono Samantha Cristoforetti e il resto dell’equipaggio della Stazione Spaziale Internazionale è anche italiana: nasce e parte da Torino, e viene trasportata sulla ISS con il modulo automatico ATV. L’Agenzia spaziale russa ha scelto acqua di falda, estratta dalla Societa` Metropolitana Acque Torino (SMAT) presso la Centrale “Regina Margherita” come la più indicata per i cosmonauti, soprattutto per il suo contenuto di sali. E la vuole addizionata di fluoro, per la salute dei denti. Al contrario, gli astronauti statunitensi preferiscono un’acqua decisamente più “light”, proveniente dalle sorgenti montane del Pian della Mussa, e quindi meno mineralizzata. Non solo gusti e obiettivi nutrizionali diversi, ma anche metodi diversi di disinfezione a garanzia del controllo microbiologico: argento colloidale per i russi, iodio per gli americani. E di conseguenza diverse precauzioni per la produzione, l’immagazzinamento e la certificazione di qualità, sicurezza e stabilità nel tempo.

Ilaria Locantore, chimico progettista presso l’Area Tecnologica “Recyclab” di Thales Alenia Space Italia, proprio a Torino, racconta: “Con 4 missioni di ATV abbiamo portato sulla stazione quasi 2 tonnellate di acqua russa! Abbiamo studiato a lungo, raccolto dati per mesi, e alla fine abbiamo definito un processo affidabile e condiviso dai nostri clienti, per il mantenimento della qualita` dell’acqua durante tutto il ciclo vita: pre-trattamento dei serbatoi utilizzati per raccogliere e trasferire l’acqua a terra, caricamento e controllo periodico della qualità dell’acqua, dalla produzione al lancio”.

Prodotta a Torino e lanciata da Kourou, in Guyana Francese, l’acqua potabile arriva agli astronauti per mantenere a bordo le necessarie scorte idriche, e per compensare la quota che non si riesce a rigenerare a bordo.  Sulla ISS infatti, l’acqua si risparmia e si ricicla.  Il consumo pro-capite da parte degli astronauti e` di circa 2 litri per bere e reidratare il cibo disidratato, e di mezzo litro per lavarsi con semplici panni umidi. Niente sprechi quindi: il risultato e` un consumo di acqua davvero minimo, se confrontato con i 200 litri circa al giorno del cittadino medio italiano!  Ma l’astronauta non si limita ad un uso moderato e razionale di questa preziosa risorsa: tramite processi chimico-fisici di rigenerazione e purificazione presenti a bordo, il ciclo dell’acqua può essere chiuso quasi del tutto, recuperandone il 95% circa, a partire dall’urina e dall’umidità dell’aria di cabina condensata nei sistemi di condizionamento.

Quali sono le criticità attese per progettare i futuri viaggi verso Marte o altre destinazioni non facilmente rifornibili da Terra? Ilaria ci dice: “Grazie all’esperienza maturata, ora sappiamo quali sono gli aspetti critici riguardanti la rigenerazione, la conservazione e disinfezione a lungo termine, e come affrontarli. Sappiamo quanto è necessario sfruttare le risorse disponibili, per risparmiare massa, volume ed energia. Attraverso le nostre ricerche puntiamo a nuovi serbatoi flessibili, riutilizzabili e multi-funzionali: per esempio l’acqua e` un buon materiale per schermare dalle radiazioni cosmiche, quindi perche` non utilizzare “cuscini” d’acqua per proteggere gli astronauti?  La disinfezione fara` minore ricorso a prodotti chimici, impiegando ad esempio la luce UV prodotta da LED a basso consumo, e materiali con rivestimenti antimicrobici a base di argento”.

Un giorno anche il ciclo biologico della coltivazione delle piante potrà venirci in aiuto.  Per l’esplorazione planetaria la distanza ostacolerà il rifornimento da Terra, e gli astronauti dovranno essere in grado di produrre da sé almeno una parte del cibo. Proprio come nella biosfera terrestre, le piante, oltre a generare ossigeno e rimuovere anidride carbonica, ci aiuteranno a depurare l’acqua. Assumendo dalle radici i reflui usati per l’irrigazione, tratterranno le sostanze nutritive e ci restituiranno acqua più pura attraverso la traspirazione fogliare. Insieme a quella recuperata dagli altri processi, l’acqua verrà raccolta in serbatoi, disinfettata e resa disponibile al bisogno. Impariamo a farlo nei nostri laboratori e a sperimentarlo sulla ISS oggi, per garantirlo durante le missioni di lunga durata domani.  E se sfruttiamo il ciclo biologico, come nei cosiddetti sistemi bio-rigenerativi descritti in queste pagine di Avamposto 42, potremo avvicinarci alla “chiusura” dei cicli che caratterizzano le risorse vitali.

L’acqua è essenziale per la vita, la cerchiamo sugli altri pianeti, sulle Lune e le comete per comprenderne l’origine e il viaggio nel cosmo. Si nasconde nei crateri da impatto, in un mantello ghiacciato. Forse un giorno nei viaggi planetari saremo anche in grado di estrarla, utilizzarla, preservarla e riciclarla… sempre senza alcuno spreco.

Cesare Lobascio  (Thales Alenia Space – Italia)

Per saperne di più:

The ESA Automated Transfer Vehicle ATV Integrated Cargo Carrier http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/ATV/ATV_Integrated_Cargo_Carrier

Thales Alenia Space for ATV https://www.thalesgroup.com/en/worldwide/space/case-study/atv-5-bows-out

Recyclab http://www.lastampa.it/2013/03/22/scienza/il-laboratorio-torinese-che-studia-il-riciclo-spaziale-8DUm5fZQWTMIakuZXp2ecI/pagina.html

Gli esperimenti di Futura | I sistemi biorigenerativi

30/04/2015

Effetti delle radiazioni ionizzanti sulla crescita delle piante

Nello Spazio, tutti gli organismi sono esposti a forti livelli di radiazioni ionizzanti, ossia radiazioni dotate di un’energia tale da poter ionizzare gli atomi e le molecole con cui interagiscono. Le radiazioni ionizzanti comprendono radiazioni ultraviolette ad alta frequenza, raggi X, raggi g, neutroni, elettroni ed altri tipi di particelle.

In generale, le piante sono molto più resistenti alle radiazioni ionizzanti rispetto agli organismi animali: dosi letali per gli animali possono infatti avere un effetto positivo o nullo sulle piante.

L’effetto delle radiazioni ionizzanti sulle piante segue uno dei principi fondamentali della tossicologia: come enunciato da Paracelso (Theophrastus Bombastus von Hohenheim) all’inizio del 1500, “Omnia venenum sunt: nec sine veneno quicquam existit. Dosis sola facit, ut venenum non fit” (i.e. “Ogni cosa è veleno, non esiste cosa che non lo sia. Solo la dose fa sì che una sostanza non divenga veleno”). Questa idea, rifiutata per molto tempo, è ora comunemente accettata: è infatti riconosciuto che alcune sostanze possono avere effetti tossici ad alte concentrazioni, mentre a basse dosi possono indurre risposte positive. Tale fenomeno, noto come ormesi, è stato riscontrato anche per quanto riguarda l’interazione tra la radiazione ionizzante e la pianta: l’esposizione ad alte dosi può avere effetti da molto tossici a letali, mentre dosi moderate o basse possono addirittura stimolare la crescita. La soglia di radiazione per cui si può generare danno o ormesi è diversa per ogni pianta e dipende principalmente dalle caratteristiche genetiche e fisiologiche della specie.

Figura Art Radiazioni

Gli effetti delle radiazioni ionizzanti sulle piante variano in funzione del tipo di radiazione, del tipo di esposizione (acuta o cronica), delle dosi, e delle caratteristiche dell’organismo: specie, cultivar (la varietà), stato fisiologico e nutrizionale, ciclo vitale (stadio fenologico) in cui si trova la pianta al momento dell’irraggiamento.

Quando le radiazioni ionizzanti colpiscono la pianta, possono agire a differenti scale: cellula, tessuto, organo, intero organismo. Le radiazioni ionizzanti possono provocare alterazioni geniche (mutazioni) che poi si traducono in modifiche nello sviluppo, nella morfologia e nel metabolismo della pianta. Possono anche provocare danni diretti ai tessuti ed agli organi oppure determinare danni dovuti alla produzione di radicali liberi (ROS – Reactive Oxygen Species). Questi ultimi sono molecole instabili ed estremamente reattive che possono danneggiare macromolecole strutturali e funzionali quali lipidi, proteine e acidi nucleici. La resistenza delle piante alle radiazioni ionizzanti è in alcuni casi dovuta alla presenza di più copie nel genoma di uno stesso gene (poliploidia) per cui se una copia di un gene è danneggiata, ne esiste una di riserva (back-up) che ne garantisce comunque l’espressione. Le cellule vegetali sono inoltre capaci di mettere in atto meccanismi cellulari molto complessi per riparare il DNA danneggiato o per rimuovere i radicali liberi.

Elevate dosi di radiazioni possono agire negativamente sugli organismi vegetali riducendo la capacità di germinazione, ostacolando il completamento dei cicli riproduttivi e prevenendo quindi la produzione di frutti e semi. Il nanismo della pianta, generalmente considerato un effetto di crescita negativo per un individuo, è tuttavia da valutare come effetto positivo per la crescita delle piante nello Spazio dove ci sono limitazioni nei volumi a disposizione per la coltivazione. Basse dosi di radiazione possono determinare effetti positivi tra cui si annoverano l’aumento della produzione di frutti e semi, una migliore capacità delle piante di resistere agli stress ambientali (per es. deficit idrico) e l’aumento del contenuto di sostanze antiossidanti in alcuni tessuti che può avere importanti conseguenze sul valore nutrizionale delle parti commestibili delle piante coltivate nello Spazio.

In conclusione, le radiazioni ionizzanti, tanto pericolose per l’uomo e per gli organismi animali in genere, potrebbero essere addirittura utilizzate nello spazio come strumento per aumentare la quantità e la qualità delle parti delle piante da utilizzare come cibo fresco prodotto direttamente a bordo.

Università di Napoli/Veronica De Micco, Carmen Arena & Giovanna Aronne

http://www.dipartimentodiagraria.unina.it/

I sistemi biorigenerativi

08/04/2015

Il ruolo delle piante superiori nei sistemi biorigenerativi di supporto alla vita nello Spazio

Allo stato attuale, le risorse necessarie per missioni spaziali brevi sono interamente trasportate dalla Terra, tuttavia questo non sarà possibile per missioni di lunga durata, per motivi di natura tecnica ed economica. Infatti, è calcolato che ciascun astronauta necessita di circa 30 kg al giorno di risorse (cibo, acqua, ossigeno), pertanto, considerando una permanenza nello Spazio di 2 anni (tempo minimo per una missione su Marte con gli attuali sistemi di propulsione), il fabbisogno sarebbe di circa 22 t per astronauta. In questa prospettiva, il rifornimento periodico dalla Terra, e il parallelo smaltimento dei rifiuti prodotti dall’equipaggio, risulterebbe logisticamente difficile ed economicamente dispendioso.

La corretta nutrizione e il benessere degli astronauti è una condizione fondamentale per la riuscita delle missioni spaziali. La preparazione del cibo e il confezionamento rappresentano aspetti critici: l’alimento deve essere compatto, per evitare che in condizioni di ridotta gravità eventuali frammenti possano disperdersi nell’ambiente ed essere inalati o danneggiare strumenti, e avere un ridotto contenuto di umidità per rallentare il deterioramento e prevenire lo sviluppo di odori sgradevoli. L’uso di alluminio, a esempio, garantisce una buona durata ma non consente il riscaldamento in microonde e aumenta il peso delle confezioni rispetto alla plastica. Nel corso della conservazione, inoltre, le caratteristiche organolettiche (sapore, colore, consistenza) e nutrizionali (es. contenuto vitaminico) subiscono alterazioni che possono rendono l’alimento meno appetibile e sano, imponendo il ricorso a integratori chimici.

L’esigenza di una corretta alimentazione appare anche più importante se si considera che le condizioni di vita nello Spazio (es.  ridotta gravità) possono predisporre all’insorgenza di diverse patologie (es. osteoporosi, atrofia muscolare), il cui rischio può essere ridotto dall’assunzione di composti funzionali presenti nel cibo (es. antiossidanti del pomodoro, proteine della soia).

Figura Art BLSSSulla base di tali presupposti, è evidente che la realizzazione di missioni di lunga durata è subordinata alla messa a punto di sistemi in grado di rigenerare le risorse (aria e acqua), integrare la dieta dell’equipaggio e riciclare i rifiuti del metabolismo umano. Tale concetto è alla base dei Sistemi Biorigenerativi di Supporto alla Vita (Bioregenerative Life Support Systems, BLSSs), ecosistemi artificiali basati sullo scambio di materiali ed energia tra compartimenti, destinati all’uomo e a componenti biologiche diverse, in un ciclo ideale in cui ciascun compartimento utilizza prodotti di scarto dell’altro.

Numerosi organismi (microalghe, batteri, pesci, piante superiori) sono stati proposti come componenti biologiche, tuttavia ad oggi le piante rappresentano i rigeneratori più promettenti, grazie alla loro relazione “complementare” con l’uomo. Infatti, semplificando, le piante sono in grado di rigenerare l’aria assorbendo anidride carbonica ed emettendo ossigeno attraverso la fotosintesi, purificare l’acqua mediante la traspirazione, e produrre cibo fresco impiegando scarti dell’equipaggio (feci, urine). Nell’ottica di lunghe permanenze nello Spazio, inoltre, è stato dimostrato che la presenza di piante mitiga lo stress psicologico della missione e delle condizioni di isolamento, creando un ambiente più simile a quello terrestre e offrendo l’opportunità di un’attività ricreativa.

Allo stato attuale, i BLSSs non sono ancora impiegati nello Spazio, a causa del consumo energetico e di peso e volume elevati, e nel prossimo futuro la coltivazione in orbita sarà probabilmente limitata a moduli di dimensione ridotta per studi sulla fisiologia e la produttività delle piante e per la produzione di modeste quantità di cibo fresco. In un futuro non lontano, tuttavia, è ipotizzabile che stazioni orbitanti e piattaforme planetarie ospiteranno BLSSs di larga scala, in grado di garantire una parziale autonomia alle colonie spaziali. In questa ottica, le basi planetarie potrebbero anche sfruttare risorse disponibili localmente (es. “regolite” lunare come substrato di coltivazione) superando le attuali limitazioni al trasporto di materiali e la presenza di gravità, sebbene ridotta rispetto a quella terrestre (1/6 g sulla Luna e 1/3 g su Marte), consentirebbe di  risolvere i problemi legati all’assenza di gravità delle stazioni orbitanti e l’adozione di tecnologie di coltivazione simili a quelle comunemente adottate sulla Terra.

Diverse specie vegetali, con requisiti nutrizionali adatti a soddisfare i fabbisogni alimentari dell’equipaggio, sono studiate come candidate per i BLSSs (grano tenero e grano duro, patata, soia, pomodoro, ecc.). Nell’ottica di una produzione di cibo elevata e costante, tuttavia, un’intensa attività di ricerca è ancora necessaria per definire protocolli di coltivazione in grado di ottimizzare la produttività e la qualità del cibo, minimizzando gli scarti.

Roberta Paradiso, Roberta Buonomo & Stefania De Pascale (Università di Napoli)

Per saperne di più: http://www.dipartimentodiagraria.unina.it/

I sistemi biorigenerativi

19/02/2015