Applicazioni microbiche per l'esplorazione spaziale sostenibile oltre l'orbita terrestre bassa

npj Microgravity volume 9, numero articolo: 47 (2023) Citare questo articolo

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Con la costruzione della Stazione Spaziale Internazionale, gli esseri umani vivono e lavorano nello spazio ininterrottamente da 22 anni. Studi microbici nello spazio e in altri ambienti estremi sulla Terra hanno dimostrato la capacità di batteri e funghi di adattarsi e cambiare rispetto alle condizioni “normali”. Alcuni di questi cambiamenti, come la formazione di biofilm, possono avere un impatto negativo sulla salute degli astronauti e sull’integrità del veicolo spaziale, mentre altri, come la propensione al degrado della plastica, possono promuovere l’autosufficienza e la sostenibilità nello spazio. Con la prossima era dell’esplorazione spaziale alle porte, che vedrà missioni con equipaggio sulla Luna e su Marte nei prossimi 10 anni, incorporare la ricerca microbiologica nella pianificazione, nel processo decisionale e nella progettazione della missione sarà fondamentale per garantire il successo di queste missioni di lunga durata. missioni. Questi possono includere studi sul microbioma degli astronauti per proteggersi da infezioni, disfunzione del sistema immunitario e deterioramento osseo, o studi sull’utilizzo delle risorse biologiche in situ (bISRU) che incorporano microbi per agire come scudi contro le radiazioni, creare elettricità e creare robusti habitat vegetali per cibo fresco e riciclaggio di materiali vegetali. sciupare. In questa recensione, verranno presentate informazioni sull'uso benefico dei microbi nei sistemi di supporto vitale biorigenerativo, sulla loro applicabilità al bISRU e sulla loro capacità di essere ingegnerizzati geneticamente per applicazioni spaziali biotecnologiche. Inoltre, discutiamo degli effetti negativi che i microbi e le comunità microbiche potrebbero avere sui viaggi spaziali di lunga durata e forniamo strategie di mitigazione per ridurre il loro impatto. Sfruttare i benefici dei microbi, pur comprendendone i limiti, ci aiuterà a esplorare più a fondo lo spazio e a sviluppare habitat umani sostenibili sulla Luna, su Marte e oltre.

La National Aeronautics and Space Administration (NASA) si è impegnata a riportare gli esseri umani sulla Luna nei prossimi due anni e a far sbarcare i primi esseri umani su Marte entro il 2033. Il viaggio oltre l’orbita terrestre bassa (LEO) espanderà la civiltà umana e consentirà futuri insediamenti spaziali. , fornire conoscenze scientifiche sull'evoluzione del nostro pianeta e del sistema solare e creare partenariati globali nella ricerca di ulteriori esplorazioni spaziali1,2. Secondo il piano Artemis, un sorvolo lunare con equipaggio è previsto per il 2024 (Artemis II), seguito da un atterraggio lunare nel 2025 (Artemis III), il primo dalla fine dell’era Apollo nel 1972, e infine una presenza lunare sostenibile da parte del pianeta. fine di questo decennio3. Fondamentale per il successo del programma Artemis sarà Gateway, una piattaforma orbitante dove gli astronauti vivranno e condurranno ricerche, fornendo al contempo supporto per lunghe spedizioni sulla superficie lunare. Il programma Artemis stabilirà un campo base al polo sud lunare che fungerà da trampolino di lancio per le missioni umane su Marte. La ricerca e lo sviluppo presso la base lunare fungeranno da prototipi per queste future missioni su Marte, in cui la NASA potrà stabilire le migliori pratiche per l'esplorazione umana a lungo termine in questi ambienti extraterrestri avversi4.

A differenza del funzionamento della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), che viene regolarmente rifornita dalla Terra entro poche ore dal lancio, le missioni nello spazio profondo richiederanno autosufficienza e sostenibilità indipendenti dalla Terra. Ciò comporterà l’utilizzo di risorse rinnovabili, il riciclaggio dei rifiuti, la produzione di energia e una fornitura continua di cibo, acqua e ossigeno per un periodo prolungato/indefinito. La Luna è la distanza più breve oltre LEO con un ambiente spaziale profondo che offre opportunità di ricerca uniche da condurre nell’ambito del programma Artemis. Il Gateway dell'orbiter lunare funzionerà in modo simile alla ISS utilizzando un elemento di energia e propulsione che utilizzerà l'energia solare per spingere e alimentare il veicolo spaziale, un avamposto abitativo e logistico che fungerà da alloggio e spazio di lavoro di ricerca e porti di attracco per veicoli spaziali come come Orion, che sarà il primo del suo genere a trasportare gli astronauti da e verso lo spazio profondo5,6. La ISS e i satelliti in orbita terrestre sfruttano l'energia solare come risorsa rinnovabile per produrre energia, tuttavia negli avamposti più distanti come Marte, altri fattori come la distanza dal sole, l'angolazione e le condizioni meteorologiche (ad esempio, tempeste di polvere) influenzano l'efficienza dell'energia. forniti dai pannelli solari7. Questo è stato il caso della missione Insight della NASA, dove una recente tempesta di polvere marziana ha portato ad un accumulo di polvere sui pannelli solari impedendo ad un'adeguata luce solare di raggiungerli, costringendo il lander in “modalità sicura” di risparmio della batteria8. Simili problemi di copertura della polvere si sono verificati durante le missioni Apollo a causa della polvere lunare caricata elettricamente che aderisce ai pannelli solari sul lander9,10. I carichi di rifornimento, come quelli che vengono spesso inviati alla ISS, sono costosi e potrebbero non essere fattibili per le missioni spaziali di lunga durata (ci vogliono circa 7 mesi per arrivare su Marte). Pertanto, l’autosostenibilità nella produzione di cibo e ossigeno negli avamposti extraterrestri, come sulla Luna e su Marte, è cruciale11. Inoltre, i ritardi di comunicazione tra la Terra e Marte possono variare da 5 a 20 minuti a seconda della posizione dei pianeti12. La mancanza di missioni di rifornimento del carico e i ritardi nelle comunicazioni possono essere dannosi per le emergenze legate alla salute umana, rendendo imperativo che i membri dell’equipaggio siano autosufficienti nella prevenzione e nel trattamento dei rischi per la salute. Pertanto, prima delle missioni di esplorazione di Artemis e Marte, è necessario stabilire soluzioni per affrontare le risorse limitate e i rischi per la salute umana che possano essere implementate in modo fattibile nello spazio profondo. Ciò potrebbe essere ottenuto attraverso lo sfruttamento e l’ingegnerizzazione di microbi importanti per la salute umana13,14,15,16, l’agricoltura17, la produzione alimentare18,19,20, l’ecosistema21,22,23,24,25 e l’ambiente edificato26,27. La Figura 1 fornisce una panoramica dei vari ruoli che i microbi potrebbero svolgere nell’esplorazione dello spazio profondo.