→ Gli esperimenti di Futura

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.

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

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). 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). 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.

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

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.

La 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.

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]  

La permanenza umana nello spazio è concessa da un fragile equilibrio di fattori tecnologici e ambientali, la cui interazione definisce l’abitabilità degli ambienti. Nutrizione, respirazione, gestione degli scarti, sono funzioni essenziali al buon corso di ogni attività.

Missioni sempre più lunghe e popolate e prospettive di insediamento a lungo termine in ambienti extra-terrestri richiedono elaborati sistemi di supporto alla vita, nei quali la componente biologica gioca un ruolo decisivo. In questo ambito, si svolge un’intensa attività di ricerca scientifica e tecnologica, ma la sperimentazione è resa difficoltosa dall’accessibilità limitata agli ambienti in microgravità. Effettuare esperimenti nello spazio è costoso ed è possibile in periodi limitati, di conseguenza possono essere testate solo alcune tra le tecnologie impiegabili. Per far fronte a questa problematica e sviluppare sistemi che supportino la permanenza umana nello spazio in modo sempre più affidabile e completo, si rende necessario lo sviluppo di modelli terrestri, con i quali simulare ciò che avviene nello spazio.

Data l’assenza di risorse biologiche al di fuori del nostro pianeta, la sperimentazione di queste soluzioni avviene spesso a partire da ambienti difficili, dove la sopravvivenza umana è garantita solo parzialmente. Gli ambienti di prova, chiamati anche “testbed”, possono essere forniti da condizioni naturali avverse, come nel caso dei deserti o dell’Antartide, o provocati artificialmente, come nel caso dei territori compromessi dall’inquinamento o da un eccessivo consumo del suolo. Luoghi di questo tipo, che in termini terrestri presentano condizioni estreme, presentano condizioni in realtà ben più ospitali degli ambienti in microgravità, semplificando la logistica degli esperimenti e offrendo risultati più rapidamente.

Le soluzioni messe a punto sulla Terra, oltre a sostenere direttamente la vita delle persone coinvolte e a offrire risultati scientifici promettenti per lo Spazio, possono contribuire all’ambiente circostante, innescando processi di miglioramento ecologico. Tali risultati richiedono una profonda collaborazione tra discipline, coinvolgendo dai biologi, ai medici, ai bioingegneri, ai progettisti. Queste figure lavorano insieme per sviluppare ecosistemi controllati, integrando componenti biologiche e tecnologiche per la sopravvivenza umana.

Un progetto che si basa su questa collaborazione per innescare un trasferimento tecnologico bidirezionale, dalla Terra allo Spazio e dallo Spazio alla Terra, è AstartE, un ecosistema artificiale terrestre intelligente, capace di adattarsi all’ambiente in cui si trova per produrre aria pulita, cibo sicuro (vegetali) e acqua potabile in condizioni ambientali sfavorevoli, come nelle periferie urbane degradate.

L’ecosistema è contenuto in un involucro gonfiabile, diviso in una parte terrestre e una acquatica, in contatto tra loro, e in aree micro-climatiche differenziate. Questo si appoggia a una struttura in stampa 3D, che viene dimensionata sulla base delle caratteristiche del luogo di utilizzo e che filtra l’acqua e i nutrienti che l’ambiente esterno può offrire.

I processi biologici che avvengono al suo interno derivano dai sistemi di supporto alla vita bio-rigenerativi a ciclo chiuso (BLSS), già impiegati in orbita terrestre. Come questi ultimi, sono in grado di sostenersi in autonomia, raggiungendo spontaneamente condizioni di crescita ottimale. Queste condizioni vengono mantenute con il supporto di una centralina a intelligenza artificiale (rete neurale), che gestisce in modo dinamico e interdipendente gli apporti di acqua, luce, calore e nutrienti, rispondendo alla varietà di fabbisogni delle forme di vita presenti al suo interno e alla mutevolezza del contesto. L’efficienza del sistema così configurato consente il sostegno alla vita umana e un contributo pro-attivo alla salute dell’ambiente circostante, oltre a supportare la sperimentazione delle tecnologie che potranno essere portate in orbita.

La prospettiva indicata da AstartE è quella di una progettazione multidisciplinare e collaborativa, che tragga risultati scientifici dal confronto di ambienti diversi e rinforzi la cooperazione tra i diversi ambienti della ricerca sugli ecosistemi, unificandone le informazioni e configurando sistemi ad elevata intelligenza biologica, capaci di far fronte a una varietà di situazioni, proprio come già fa la natura sul nostro pianeta.

D. Martini, I. Loddo – Università di Venezia

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).

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.

Sono 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.

 

La Ferrari Farm ha investito in un nuovo progetto realizzando un impianto di coltivazione idroponica in serre sterili ed ermetiche; una soluzione di nuova generazione ed alta tecnologia che consente la coltivazione in condizioni di assoluta sterilità prescindendo dall’ambiente esterno alle serre. Un mix innovativo di cultura contadina, elettronica, ricerca ed innovazione che unisce le moderne tecnologie con la filosofia artigianale e “contadina” dei processi produttivi agricoli e degli alimenti.

L’impianto è stato completamente progettato e realizzato dalla Ferrari Farm che si è dotata di tutti gli strumenti tecnologici necessari per ottenere produzioni agricole di alta qualità. L’idea iniziale è stata di standardizzare le serre in modo tale che tutti gli impianti siano dimensionati per funzionare indistintamente con le 3 maggiori tecniche di coltivazione idroponica: Drip Irrigation, NFT ed Ebb&Flow, lavorando in “Closed Water Loop”.

L’impianto è costituito da tre serre sterili completamente ermetiche senza scambio alcuno con l’ambiente esterno. Una di queste è un Fitotrone che, isolato dall’ambiente esterno con pannelli sandwich, non utilizza luce solare, ma la luce necessaria alla crescita vegetale è prodotta utilizzando dispositivi basati su tecnologia LED, che operano sulle lunghezze d’onda proprie della fotosintesi.

Le serre, invece, sono state costruite con una chiusura basata su un sandwich di vetri con particolari trattamenti superficiali tali da garantire isolamento termico, trasparenza per la luce utile ed abbattimento della radiazione IR. Sia il fitotrone che le serre, oltre ad essere “chiuse” verso l’ambiente esterno, sono decontaminate mediante l’utilizzo di macchine di trattamento aria dotate di filtri assoluti e dispositivi per il controllo batterico, in modo tale che l’ambiente interno sia totalmente controllabile ed indipendente dall’ambiente esterno.

Peculiarità degli impianti idroponici della Ferrari Farm è la creazione e gestione di una “Ricetta di Coltivazione” elettronica che codifica, comanda e controlla in automatico, per la specie di interesse, tutti i parametri climatici e nutrizionali: in ogni istante, tutti i giorni e per tutta la vita del vegetale che si intende produrre, il sistema computerizzato automatico comanda e controlla sia il clima che le irrigazioni in accordo con la Ricetta di Coltivazione.

È stato quindi definito come far crescere vegetali in tecnologia idroponica in ambiente totalmente decontaminato, con comando e controllo di tutti i parametri. Eventuali malfunzionamenti o deviazioni dai parametri previsti sono segnalati real-time agli addetti. Per queste serre di nuova concezione l’accesso da parte dell’uomo è condizionato da apposita procedura di vestizione al fine di impedire contaminazione. I risultati ottenuti con la coltivazione di pomodoro e basilico hanno dimostrato l’efficacia del sistema. La ricetta computerizzata codificata in termini di soluzione nutritiva e di parametri climatici ha mostrato il reale funzionamento automatico delle serre in accordo con la “ricetta” prestabilita e codificata.

Questo nuovo impianto idroponico ermetico e sterile consente di coltivare in tutto il mondo dall’equatore al polo, mentre l’esperienza del fitotrone con illuminazione artificiale suggerisce la possibilità di coltivare anche senza Sole in ambienti confinati, anche nell’ottica di future missioni spaziali. Per questo ultimo obiettivo è importante il concetto di sistemi biorigenerativi a ciclo chiuso per la produzione di cibo nello spazio in modo ecologico ed autosufficiente. I sistemi biorigenerativi, infatti, partono dal presupposto di utilizzare le piante per scope molteplici: sono infatti un rifornimento di cibo per gli equipaggi, rilasciano ossigeno per gli astronauti, aiutano a purificare l’aria rimuovendo l’eccesso di diossido di carbonio ed a purificare l’acqua. Il fattore comune quindi fra le tecnologie per applicazioni terrestri e quelle per applicazioni spaziali è di offrire indubbi vantaggi nell’ottica di sostenere la vita umana nello spazio.

G. Pontetti – Ferrari Farm

La luce è la sorgente di energia utilizzata dalla piante per la fotosintesi clorofilliana, ovvero il processo che consente alla pianta di “nutrirsi” e crescere, producendo al contempo ossigeno che viene liberato nell’aria. Le piante per vivere hanno quindi bisogno di luce e questo è vero sulla Terra come nello Spazio. La differenza fondamentale della crescita di piante nello Spazio sta nel fatto che la luce solare non è immediatamente fruibile come sulla Terra, o perché è eccessiva, come nei sistemi orbitali dove è quella diretta proveniente dal Sole (che è circa tre volte superiore alla massima che colpisce il suolo alle nostre latitudini), o perché non disponibile (come potrebbe essere nell’ambiente all’interno di navicelle spaziali o in serre planetarie schermate contro le radiazioni), o perché è molto ridotta a causa della maggiore distanza dal Sole e delle diverse condizioni ambientali presenti sugli altri pianeti.

Basta pensare ai diversi cicli giorno/notte (sulla Luna le notti durano circa 2 settimane), alle grandi tempeste di sabbia su Marte (che schermano la luce e la cui di durata non è prevedibile), all’assenza di un atmosfera come quella terrestre, che filtra o attenua le componenti dannose della luce solare. Tutto ciò fa sì che le piante non ricevano la luce nel modo in cui sono “abituate” sulla Terra, rendendo molto complicato, se non impossibile, la loro crescita.

Attualmente sono in fase di studio diversi sistemi che utilizzano la luce solare per illuminare le serre spaziali. Tali sistemi, più o meno complessi, utilizzano degli specchi parabolici, o altre tipo di ottiche, che concentrano i flussi luminosi in fibre ottiche che portano e distribuiscono la luce all’interno delle serre (Fig.1 e Fig.2). Tuttavia, per quanto detto, le prestazioni di tali sistemi sono direttamente legate alle condizioni ambientali e non risolvono completamente i problemi descritti precedentemente. L’indisponibilità totale o ridotta di luce naturale porta quindi alla necessità di progettare e realizzare degli impianti di illuminazione artificiale che siano complementari o alternativi a quelli che sfruttano la luce del sole, in grado di rispettare il ciclo biologico selezionato delle piante coltivate (che potrebbe anche essere diverso dal ciclo giorno-notte naturale) e di fornire la giusta quantità (e qualità) di luce per garantire una corretta crescita delle stesse. Tali sistemi devono garantire:

·         Un’elevata efficienza di conversione tra energia elettrica e radiazione luminosa necessaria per la fotosintesi clorofilliana.

·         Flessibilità per quello che riguarda la qualità della luce (cioè la possibilità di modificare la composizione dello spettro luminoso).

·         Flessibilità per quello che riguarda l’intensità (cioè la possibilità di programmare la quantità di luce che raggiunge le piante) in maniera da garantire corretti cicli giorno/notte.

·         Basso carico termico (parte dell’energia elettrica si trasforma in calore che può creare problemi nel controllo termico delle camere di crescita).

·         Peso e volume ridotti delle sorgenti luminose e dei sistemi ad esse associati (in una missione spaziale è obbligatorio risparmiare peso al lancio).

·         Durata e affidabilità delle sorgenti luminose (per limitare le attività di manutenzione e gli eventi di sostituzione).

Per le caratteristiche del loro spettro luminoso e per l’alta intensità di luce emessa, le lampade che potrebbero essere prese in considerazione per una serra spaziale sono quelle ai vapori di sodio (HPS), quelle agli ioduri metallici (MH) o le lampade a fluorescenza.

Le lampade ai Vapori di Sodio (HPS) hanno uno spettro luminoso paragonabile a quella del Sole in estate e sono ricche delle componenti nel rosso e arancione. Le lampade HPS standard mancano della parte blu dello spettro luminoso. Per ovviare a questo problema da alcuni anni esistono in commercio lampade HPS ad ampio spettro dotate della capacità di emettere anche luce nel blu. Queste ultime danno la possibilità di impiegare un solo tipo di lampada per tutto il ciclo di vita della pianta, sia per la crescita vegetativa (fase di crescita della pianta prima della fioritura) che per la fase riproduttiva (fioritura e fruttificazione).

 Le lampade agli Ioduri Metallici (MH) hanno uno spettro luminoso con una maggiore presenza delle componenti nel blu e nel violetto rispetto alle lampade HPS, pertanto sono indicate soprattutto nella fase di crescita vegetativa. Anche in questo caso esistono dei prodotti specifici per l’utilizzo in serra, che offrono migliori prestazioni rispetto alle lampade standard.

Le lampade a fluorescenza hanno una resa minore rispetto a quelle agli ioduri metallici ma possono essere una valida alternativa nelle fasi iniziali del ciclo di sviluppo delle piante visto i costi ridotti d’acquisto e di gestione. Inoltre, hanno il vantaggio di produrre meno calore e interferiscono meno con i sistemi di controllo della temperatura in serra. La loro evoluzione ha portato sul mercato lampade a fluorescenza compatte con prestazione maggiori e consumi contenuti.

Tuttavia, le lampade descritte non risolvono alcuni dei problemi indicati sopra. In particolare non hanno lunga durata e quindi sarebbe necessario un gran numero di lampade di riserva con conseguente aumento del carico da trasportare e delle attività di manutenzione richieste. Inoltre sono delicate e potrebbero non resistere alle sollecitazioni al lancio. Infine, richiedono una grande potenza che potrebbe non essere disponibile nei luoghi di installazione delle serre.

Da questo punto di vista i pannelli a LED (Light Emitting Diode) sembrano la soluzione ideale per serre da costruire nello spazio, per camere di crescita a bordo di stazioni spaziali orbitanti o navicelle spaziali. I LED hanno una durata molto maggiore delle lampade descritte (100.000 ore rispetto alle 24.000 ore delle lampade a vapori di sodio), sono dotati di ampia flessibilità in termini di composizione dello spettro luminoso di emissione (nei sistemi a LED  è possibile combinare le diverse componenti di coloro) che di intensità luminosa (cosa che li rende molto facili da  utilizzare in sistemi automatici), non hanno bisogno di una grande potenza di alimentazione e non generano molto calore. Per questi motivo gli apparati per gli esperimenti di crescita delle piante a bordo della ISS implementano questa soluzione. Un esempio è camera di crescita VEGGIE (immagine di copertina), installata a bordo della ISS nell’estate del 2014.

Ovviamente le lampade, di qualsiasi tipo siano, richiedono energia elettrica per essere alimentate, e questo pone un altro problema. Come si genera l’energia necessaria ad alimentare i sistemi di illuminazione (ma più in generale per tutti i sistemi che caratterizzano un struttura spaziale)?

La risposta è semplice. E’ ancora il Sole e la possibilità di trasformare la sua energia luminosa attraverso i pannelli fotovoltaici. Tutti i satelliti, non appena arrivano in orbita dispiegano i loro pannelli fotovoltaici per iniziare a generare l’energica elettrica che serve al funzionamento dei vari sistemi. La stessa ISS è dotata di quattro coppie di pannelli, ognuna delle quali misura 73 metri da un’estremità all’altra. Tutte le sonde e i rover mandati su altri pianeti sono dotati di analoghi pannelli fotovoltaici. Una serra su un altro pianeta, piuttosto che a bordo di qualsiasi piattaforma spaziale, non potrà fare a meno di utilizzare questa tecnologia per avere energia elettrica disponibile.

Antonio Ceriello, Giuseppe De Chiara – Telespazio

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.

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.

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

Le condizioni di microgravità a bordo delle stazioni spaziali orbitanti o di gravità ridotta su piattaforme planetarie possono essere percepite come fonte di stress dalle piante.

La gravità ridotta non impedisce il completamento dei cicli vitali delle piante: nello Spazio i semi germinano e le piante possono crescere, fiorire e formare frutti contenenti semi a loro volta capaci di germinare. In altre parole, anche in microgravità le piante possono completare il ciclo vitale “da seme a seme”. Anche nello Spazio è quindi possibile coltivare le piante a scopo alimentare per produrre cibo fresco nelle varie forme: foglie e germogli per le insalate, frutti e semi. Tuttavia, la microgravità può provocare alterazioni in alcuni processi e fenomeni biologici che innescano alterazioni nella struttura e nella funzionalità dei diversi organi. Queste modifiche, anche quando non sono tali da mettere a rischio la sopravvivenza, potrebbero comunque determinare alterazioni delle principali funzioni svolte dalle piante nello Spazio e variazioni della quantità e qualità delle parti da utilizzare come cibo fresco.

La maggior parte delle informazioni disponibili sull’effetto della microgravità sulle piante deriva da esperimenti svolti o a bordo delle piattaforme spaziali dove, di fatto, la microgravità agisce insieme ad altri fattori “spaziali” (per esempio le radiazioni ionizzanti), oppure sulla Terra dove “l’assenza di gravità” si può simulare con vari apparecchi tra cui i clinostati, che annullano gli effetti dell’azione unidirezionale della forza di gravità sull’organismo facendolo ruotare continuamente.

L’effetto della microgravità è stato studiato principalmente su alcuni processi nel corso dello sviluppo delle piante ed in particolare su: capacità di germinazione dei semi e sviluppo morfologico, gravitropismo (crescita delle radici guidata dall’attrazione gravitazionale), sviluppo del sistema vascolare e fenomeni di formazione delle pareti cellulari (fondamentali per il trasporto dell’acqua nel sistema vegetale e per il sostegno strutturale), traslocazione di sostanze di riserva (per esempio l’amido), accumulo di sostanze fenoliche (sostanze antiossidanti prodotte generalmente a seguito di stress), capacità di riproduzione, efficienza degli scambi gassosi (fotosintesi e traspirazione), attività del nucleo e cicli cellulari.

Numerosi esperimenti a bordo di satelliti e stazioni spaziali hanno dimostrato che la microgravità pur non impedendo la realizzazione della maggior parte dei processi vitali, può alterarne il normale svolgimento. La microgravità è ritenuta responsabile sia di effetti diretti su alcuni processi biologici, sia di effetti indiretti dovuti all’alterazione di fenomeni fisici come la dinamica dei fluidi. Tali alterazioni possono provocare fenomeni di asfissia a livello delle radici, riduzione della traspirazione ed accumulo di etilene, un ormone normalmente prodotto dalle piante in alcuni momenti del ciclo vitale che, alle giuste concentrazioni, può stimolare alcuni processi, mentre in concentrazioni eccessive può ostacolarli.

Molte delle alterazioni della crescita (per es. ridotta germinazione, assenza di impollinazione per la mancata schiusura delle antere) sono state imputate alla microgravità nei primi esperimenti condotti nello Spazio, per essere poi nel tempo attribuite proprio ad anomalie della dinamica dei fluidi che hanno determinato fenomeni di accumulo di etilene, eccesso di umidità o limitate concentrazioni di anidride carbonica. Fenomeni di crescita ridotta e rallentata, riscontrati in piante cresciute in condizioni di microgravità, sono stati talvolta imputati proprio a condizioni di asfissia dovute all’assenza di moti convettivi che normalmente permettono gli scambi tra i fluidi.

Indipendentemente dall’effetto diretto o indiretto della microgravità sulle piante, è un dato di fatto che le parti commestibili delle piante coltivate nello Spazio possono avere struttura e composizione nutrizionale diverse da quelle coltivate sulla Terra. Ad esempio, alterazioni delle caratteristiche delle pareti cellulari possono comportare variazioni nella consistenza del cibo fresco. Allo stesso tempo, modifiche nel funzionamento delle vie metaboliche si riflettono in alterazioni della composizione di macronutrienti e micronutrienti degli organi vegetali con immediate conseguenze sulla loro qualità nutrizionale.

Capire l’effetto della gravità alterata sulla crescita delle piante diventa quindi importante non solo dal punto di vista scientifico, per meglio comprendere alcuni processi di sviluppo delle piante sulla Terra (utilizzando quindi lo Spazio come uno speciale laboratorio), ma anche dal punto di vista pratico al fine di valutare le possibili conseguenze sul gradimento e sulle proprietà nutrizionali ed anti-nutrizionali degli alimenti vegetali freschi prodotti nello Spazio.

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

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