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I Sistemi Biorigenerativi di Supporto alla Vita nello Spazio (Bioregenerative Life Support Systems, BLSSs) sono ecosistemi artificiali basati sulle interazioni tra uomo, microorganismi e piante superiori, in cui ciascuno utilizza come risorsa i prodotti di scarto del metabolismo dell’altro.

All’interno dei BLSSs, il ruolo delle piante è rigenerare l’aria assorbendo anidride carbonica ed emettendo ossigeno attraverso la fotosintesi, purificare l’acqua mediante la traspirazione, e produrre cibo fresco utilizzando scarti dell’equipaggio e luce come fonte di energia. Tuttavia, affinché le piante possano assolvere a queste funzioni è necessario che siano allevate in opportune condizioni climatiche e colturali. Per questo motivo, negli esperimenti sulla Terra finalizzati alla progettazione di BLSSs per lo Spazio, la creazione di camere di crescita, equipaggiate per un preciso controllo ambientale, è di fondamentale importanza.

In particolare, scopo delle camere di crescita è riprodurre i livelli di intensità luminosa, temperatura, umidità relativa e concentrazione di anidride carbonica ottimali per le diverse colture. Tali parametri si ritengono ottimali quando sono in grado di determinare le migliori performances delle piante in termini di accrescimento, durata del ciclo produttivo e soprattutto resa (prodotto utile per unità di superficie impiegata), anche intesa come proporzione tra la componente edibile, cioè commestibile (semi, bacche, foglie o tuberi), e la biomassa di scarto (radici, fusti, ecc.).

Il rapporto tra frazione edibile e biomassa totale delle piante, definito indice di raccolto, dipende dalla specie e, nell’ambito di questa, dalla varietà ma può, entro certi limiti, essere migliorata impiegando idonee tecniche di coltivazione. L’indice di raccolta rappresenta un requisito importante nella scelta delle specie candidate all’utilizzo nello Spazio, a causa del ridotto volume disponibile alla coltivazione e alla conservazione e trasformazione degli scarti vegetali nei moduli spaziali.

Le ricerche finalizzate alla realizzazione di BLSSs sono condotte utilizzando impianti di coltivazione sofisticati, comunemente indicati come “senza suolo” o “fuori suolo” o “idroponici”. Con tali termini sono definite coltivazioni condotte in assenza di terreno naturale in cui le piante, collocate in substrati solidi per l’ancoraggio delle radici o opportunamente sorrette in contenitori vuoti, sono alimentate con soluzioni nutritive diluite, complete in elementi minerali.

La tecnica, ideata da fisiologi vegetali per condurre in laboratorio studi sulla nutrizione, ha origini molto antiche, con testimonianze risalenti già alla metà del 1800. Collaudata ormai da numerose esperienze sulla terraferma, l’idroponica fu utilizzata dagli Americani durante la Seconda Guerra Mondiale nelle stive delle navi, munite di impianti di illuminazione artificiale, per fornire alle truppe ortaggi freschi nei lunghi tempi di permanenza in mare.

Tra le diverse varianti di sistemi idroponici, la prevalenza delle ricerche spaziali realizzate sulla Terra utilizza substrati in contenitore o la tecnica del film nutritivo (Nutrient Film Technique o NFT). Nel primo caso, sono impiegati materiali fisicamente e chimicamente inerti (es. lana di roccia), allo scopo di minimizzare l’influenza del substrato in termini di ritenzione idrica e scambio ionico, consentendo un dosaggio preciso di acqua e nutrienti. La somministrazione delle soluzioni nutritive (fertirrigazione) è effettuata con sistemi a piccola portata di erogazione (microirrigazione), e gli interventi hanno frequenza e durata variabile in funzione del substrato, della coltura e dello stadio di sviluppo (accrescimento vegetativo, fioritura, formazione di bacche, tuberi, semi), che determinano il ritmo di consumo idrico e minerale delle piante per assorbimento e per perdita attraverso la traspirazione.

Nei sistemi NFT, invece, le piante sono collocate in canaline vuote, leggermente inclinate, in cui le radici sono lambite da un sottile film di soluzione nutritiva, che scorre per gravità ed è raccolta in un serbatoio da cui è nuovamente erogata alle piante da una pompa sommersa. In entrambi i casi, il ricircolo della soluzione drenata impone la correzione di alterazioni (es. volume, conducibilità elettrica e pH) determinate dall’assorbimento di acqua e ioni minerali da parte del sistema radicale.

I sistemi idroponici sono ampiamente diffusi in tutto il mondo nella coltivazione in serra di numerose specie, soprattutto orticole e floricole. Nell’ottica dell’utilizzo in BLSSs, tuttavia, soluzioni tecniche compatibili con le restrizioni delle missioni nello Spazio (es. limitazioni di volume/peso del materiale trasportabile nei veicoli spaziali) sono tuttora allo studio. Analogamente, specifiche tecnologie idonee alla distribuzione della soluzione nutritiva in ambiente spaziale, dove i flussi idrici non possono essere guidati dalla forza di gravità ma dipendono esclusivamente da altri meccanismi (es. capillarità), sono oggetto di ricerca.

Università di Napoli / Roberta Paradiso & Stefania De Pascale

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

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).

Sulla 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: https://www.dipartimentodiagraria.unina.it/

La Stazione Spaziale Internazionale ISS è un laboratorio davvero unico nel suo genere, abitazione con tanto di finestre, luogo di lavoro, palestra… Non manca proprio nulla.  È davvero così? Abbiamo provato a chiederlo a Giorgio Boscheri, Project Engineer a Torino presso Thales Alenia Space Italia, l’azienda che ha contribuito alla costruzione di circa la metà di questa abitazione orbitante. La risposta ci ha sorpreso: “Manca un orto”.

In effetti, diversi esperimenti per studiare la crescita delle piante in assenza di peso hanno volato sulla ISS, sullo Space Shuttle e la stazione MIR.  Ma la capacità di produrre cibo fresco e sicuro in orbita non è ancora realtà. Serve quindi darsi da fare: un orto spaziale porterebbe diversi vantaggi. Oltre a fornire cibo fresco, le piante attraverso la fotosintesi producono ossigeno e consumano l’anidride carbonica espirata dagli astronauti. Contribuiscono alla rigenerazione dell’acqua tramite l’assorbimento da parte delle radici e la traspirazione dalle foglie.  E consentono di portare un po’ di Terra nello spazio, con benefici psicologici per l’equipaggio.

Giorgio ci mostra l’area tecnologica “Recyclab”, dedicata interamente alla sostenibilità degli habitat spaziali, dove si sviluppano tecnologie per la generazione e il riciclo delle risorse vitali, quali l’acqua e l’aria.  ”Presso il Recyclab stiamo sviluppando da alcuni anni un prototipo di sistema protetto per coltivare le piante nello spazio, che porta un nome evocativo:  EDEN.  E` grande quanto un frigorifero, e ha l’obiettivo di produrre il necessario supplemento nutritivo fresco per gli astronauti. Il piccolo orto è illuminato da luci LED rosse e blu che gli conferiscono un aspetto psichedelico, trae anidride carbonica dall’ambiente circostante e impiega acqua ottenuta condensando l’umidità dell’aria di cabina.”

Nel suo impegnativo percorso di sviluppo verso la ISS, EDEN farà tappa anche in Antartide, ambiente estremo che permetterà di replicare a terra condizioni operative per alcuni aspetti simili  a quelle spaziali.  E` questo l’obiettivo del nuovo progetto EDEN-ISS, finanziato dalla Commissione Europea, che vede una nutrita partecipazione Italiana sia industriale che scientifica, con il  coordinamento dell’Agenzia Spaziale Tedesca DLR di Brema.

Aggiunge Matteo Lamantea, responsabile dell’unità “Life Support & Habitat”: “Con l’obiettivo di portare EDEN sulla ISS, abbiamo capito che la base in Antartide ci permetterà di ricostruire fedelmente l’ambiente biologico isolato e a stretto contatto con l’uomo, tipico di una stazione spaziale, verificando così la capacità di produrre cibo di qualità in condizioni limite.  Potremo anche studiare e affrontare inconvenienti e difficoltà di gestione, come ad esempio il controllo della pulizia.” Dopotutto possiamo facilmente immaginare che l’orto, anche se nello spazio e coltivato “fuori-suolo” non sarà certo un ambiente sterile: bisognerà riuscire a conciliarne la praticità d’uso con gli alti standard di sicurezza richiesti nei sistemi spaziali.

Ma quali sono i “ritorni” da queste ricerche avanzate per la coltivazione in ambienti estremi? Molteplici: verso la produzione di cibo nutriente, sicuro e di qualità, con efficiente impiego dell’energia in serra e minimo consumo di acqua.  Perché lo spazio ci costringe a pensare che ogni grammo è prezioso, nulla va sprecato, e noi progettiamo sempre con quell’obiettivo.  La Green Economy per la Terra passa quindi anche per lo Spazio.

Cesare Lobascio  (Thales Alenia Space – Italia)

Per saperne di più:

Thales Alenia Space on the ISS https://www.thalesgroup.com/en/worldwide/space/fundamental-role-iss Recyclab https://www.lastampa.it/2013/03/22/scienza/il-laboratorio-torinese-che-studia-il-riciclo-spaziale-8DUm5fZQWTMIakuZXp2ecI/pagina.html DLR – Greenhouse modules in analogue environments www.dlr.de/irs/en/desktopdefault.aspx/tabid-9330/15377_read-39521/ Agrospace Friends https://www.linkedin.com/groups/Agrospace-Friends-4463771/about  

L’esplorazione umana dello spazio profondo e la colonizzazione di altri corpi celesti, come la Luna e Marte, richiederà l’utilizzo di una nuova generazione di moduli spaziali capaci di sostenere per lunghi periodi la vita degli astronauti senza fare ricorso ai rifornimenti da Terra.

I sistemi di supporto alla vita tradizionali sono basati su processi chimico-fisici che garantiscono il controllo dell’atmosfera e dell’aria respirabile, il riciclo dell’acqua, lo smaltimento dei rifiuti. Questi sistemi richiedono per il loro mantenimento un costante apporto di risorse dall’esterno.

Ma se si volesse creare un sistema chiuso completamente auto-rigenerante, cioè in cui le risorse si riciclano in continuazione senza esaurirsi? I sistemi biorigenerativi per il supporto alla vita vogliono rispondere a questa esigenza.

Si tratta di sistemi complessi basati su elementi biologici, come le piante, le alghe e i microorganismi, in grado di generare e mantenere all’interno di un ambiente chiuso un’atmosfera respirabile, di purificare e riciclare l’acqua e l’umidità, di fornire cibo agli astronauti, come ad esempio ortaggi e pomodori, smaltendo al contempo gli scarti, sia vegetali che umani, in un ciclo continuo. In altre parole, l’idea è di ricreare all’interno dei moduli spaziali una biosfera artificiale in grado di mantenere la vita, proprio come la biosfera naturale sulla superficie della Terra.

Un altro vantaggio certo delle piante nello Spazio è che esse avrebbero un ruolo positivo non soltanto sul sostentamento, ma anche sul benessere psicologico degli astronauti. Pionieri su altri mondi e agricoltori spaziali, dunque!

Tuttavia, la coltivazione di piante in ambienti chiusi e in condizioni di gravità diverse da quelle della Terra è estremamente complessa e sono in atto ricerche sia nel campo della biologia sia in quello della tecnologia per far fronte alle numerose domande che questa sfida pone agli scienziati e agli ingegneri.

In campo biologico attualmente gli studi si concentrano sulla scelta delle specie di piante più adatte a essere coltivate in condizioni estreme, come lo sono le condizioni nello Spazio. In altre parole, si cerca di individuare le specie più resistenti alle radiazioni e meno sensibili alle condizioni diverse di gravità e di luce. In campo tecnologico, invece, gli studi si concentrano sulla definizione delle condizioni ottimali di luce, di distribuzione dei nutrienti, di scelta del substrato più adatto per la crescita delle piante e per una produzione di cibo di qualità e sicura per la salute degli astronauti.

Un altro elemento essenziale dei sistemi biorigenerativi sono i microrganismi, come ad esempio i batteri o le alghe unicellulari, che vengono “coltivati” in sistemi detti bioreattori, ambienti compatti i cui parametri ambientali sono controllati finemente per ottimizzare la crescita dei minuscoli ospiti. Sfruttare la grande biodiversità dei microrganismi offre il vantaggio di combinare tra loro diverse funzioni, permettendo la “chiusura” del sistema biorigenerativo, cioè la creazione di catene di comparti in cui i prodotti di base o gli scarti di un modulo alimentano i processi di un altro modulo.

Un esempio di sistema ecologico chiuso è rappresentato dal funzionamento combinato di un bioreattore fotosintetico e di un bioreattore cosiddetto “nitrificante”. Nei bioreattori fotosintetici, micro-alghe o altri microorganismi commestibili, come il cianobatterio Arthrospira, producono ossigeno e cibo, utilizzando la luce come sorgente di energia e i nitrati, cioè composti dell’azoto, come substrato nutritivo. Non tutti sanno che Arthrospira, pur richiedendo per la propria crescita volumi molto ridotti, ha proprietà nutritive paragonabili a quelle del cibo fornito dalle piante.

Da dove ricavare i nitrati di cui Arthrospira ha bisogno per crescere? Ecco che entra in gioco il bioreattore nitrificante, in cui una specie diversa di batteri produce a partire dalle acque di scarto i nitrati di cui si nutrono le alghe fotosintetiche. Questo processo, chiamato nitrificazione, consente al contempo di purificare l’acqua rendendola nuovamente potabile e utilizzabile dall’equipaggio. A chiudere il ciclo, è l’ossigeno prodotto dalla fotosintesi delle alghe nel primo bioreattore ad alimentare il processo di nitrificazione nel secondo. Ecco allora come i due reattori combinati fra loro si alimentano a vicenda con i propri prodotti di scarto e al contempo generano risorse preziose, come cibo, acqua e ossigeno, per il sostentamento degli astronauti.

Il progetto MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative), dell’Agenzia Spaziale Europea, si propone di sviluppare uno di questi sistemi. MELiSSA si basa su cicli di carbonio, azoto e acqua, in cui batteri, alghe e piante vengono usate per produrre risorse vitali e mantenere l’ambiente dentro un modulo chiuso abitabile e in condizioni di equilibrio. Il sistema è suddiviso in cinque compartimenti, in cui il cibo per gli astronauti, le sostanze nutritive per le piante, l’acqua e l’ossigeno vengono prodotti a partire dai rifiuti organici dell’uomo, dai prodotti di scarto delle piante, dall’anidride carbonica. Altri progetti, come EDEN ISS, finanziato dalla Commissione Europea, GreenMOSS dell’ESA, Lunar Greenhouse della NASA, si concentrano sullo sviluppo di tecnologie per l’agricoltura in ambiente Spaziale.

Il tema dei sistemi di controllo ambientale, o in altri termini di supporto alla vita, di tipo biorigenerativo, è presente nell’agenda del programma dell’Unione Europea per il finanziamento della ricerca (H2020) e nella Global Exploration Roadmap, il cammino della Esplorazione Spaziale tracciato dall’ISECG (International Space Exploration Coordination Group), il gruppo di studio internazionale per l’esplorazione umana dello Spazio, a cui partecipano tutte le maggiori agenzie del mondo.

E’ dunque evidente come le tecnologie biorigenerative costituiscano un area di ricerca di fondamentale importanza per lo sviluppo di moduli abitati a zero consumo di risorse per l’esplorazione e la colonizzazione del Sistema Solare. Ma quali sono le possibili applicazioni a terra? Sono molteplici. Basti pensare allo sviluppo di tecnologie per l’agricoltura in ambienti confinati ed estremi, come i deserti o i poli ghiacciati, o al possibile contributo alla soluzione di questioni vitali quali la sostenibilità ambientale, il risparmio delle risorse, l’efficienza energetica.

L’Agenzia Spaziale Italiana, forte delle competenze nazionali nel settore, ha avviato un programma di attività che ha lo scopo di stimolare e incoraggiare iniziative di ricerca, di sviluppo tecnologico e commerciali sul tema. E’ questo l’obiettivo del Gruppo di Lavoro nazionale sui sistemi biorigenerativi IBIS (Italian BIoregenerative Systems) che, coordinato dall’ASI, raccoglie il contributo delle migliori competenze scientifiche e industriali nazionali.

E visto che il tema della Missione Futura di Samantha è la nutrizione, il Gruppo di Lavoro IBIS, non poteva non dare il suo contributo. Quello che avete letto è il primo di una serie di articoli sui sistemi biorigenerativi e sulla coltivazione di cibo nello Spazio che saranno pubblicati su Avamposto 42 e che cercheranno di rispondere alle domande “Quale cibo?, “Come produrlo nello Spazio?”, “Con quali tecnologie?”, “Cosa si sta facendo sulla Terra?”; conducendoci alla scoperta di un affascinante tema di ricerca scientifica e tecnologica e di una sfida per il futuro.

Salvatore Pignataro, ASI, Direttore Missione Futura e Coordinatore GdL IBIS

Sara Piccirillo, ASI, Biologa dell’Unità Volo Umano

Francesca Ferranti, ASI, Biotecnologa dell’Unità Volo Umano

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