Ciência e tecnologia vegetal e microbiana como pilares para sistemas biorregenerativos de suporte à vida no espaço

npj Microgravidade volume 9, Número do artigo: 69 (2023) Citar este artigo

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As missões de exploração espacial humana de longo prazo requerem controlo ambiental e sistemas fechados de suporte de vida (LSS) capazes de produzir e reciclar recursos, satisfazendo assim todas as necessidades metabólicas essenciais para a sobrevivência humana em ambientes espaciais adversos, tanto durante viagens como em estações orbitais/planetárias. Isto tornar-se-á cada vez mais necessário à medida que as missões se afastam da Terra, limitando assim a viabilidade técnica e económica do reabastecimento de recursos a partir da Terra. É necessária uma maior incorporação de elementos biológicos em LSS de última geração (principalmente abióticos), levando a LSS bioregenerativo (BLSS), para recuperação adicional de recursos, produção de alimentos e soluções de tratamento de resíduos, e para permitir missões mais autossustentáveis para a Lua e Marte. Há todo um conjunto de funções cruciais para sustentar a presença humana na Órbita Terrestre Baixa (LEO) e a colonização bem-sucedida na Lua ou em Marte, como controle ambiental, regeneração do ar, gestão de resíduos, abastecimento de água, produção de alimentos, pressurização de cabine/habitat, proteção contra radiação. , fornecimento de energia e meios de transporte, comunicação e recreação. Neste artigo, nos concentramos na produção de ar, água e alimentos, e na gestão de resíduos, e abordamos alguns aspectos da proteção contra radiações e recreação. Discutimos brevemente o conhecimento existente, destacamos as lacunas abertas e propomos possíveis experiências futuras a curto, médio e longo prazo para atingir as metas da exploração espacial tripulada, levando também a possíveis benefícios na Terra.

O conceito de Sistemas Bioregenerativos de Suporte à Vida (BLSS), também chamados de Sistemas Ecológicos de Suporte à Vida Fechados (ou Controlados) (CELSS), tem sido explorado desde o início da era da exploração espacial humana na década de 19601. Um BLSS de circuito fechado e semifechado é baseado no conceito de redes ecológicas onde vários níveis de conexões tróficas garantem a ciclagem de biomassa nas teias alimentares. Assim, um BLSS é composto por vários compartimentos interligados baseados em organismos cujos resíduos representam os recursos vitais para os demais compartimentos (Fig. 1). Esses sistemas compreendem três tipos principais de compartimentos: 'produtores' biológicos (por exemplo, plantas, microalgas, bactérias fotossintéticas), 'consumidores' (ou seja, tripulação) e 'degradadores e recicladores' de resíduos (por exemplo, bactérias fermentativas e nitrificantes). Vários elementos biológicos alternativos foram propostos ao longo dos anos2. Por exemplo, foram propostos compartimentos animais (por exemplo, com insectos, peixes) para fornecer proteínas adicionais3. Vários demonstradores terrestres em grande escala testaram BLSS de circuito fechado com humanos no circuito, como BIOS-1, 2, 3 e 3 M na Rússia, Biosfera 2 nos EUA, o Closed Ecology Experiment Facility (CEEF) no Japão e Lunar Palace 1 na China. Outras instalações na Antártida testaram funções independentes do BLSS, como a reciclagem de água cinzenta na estação Concordia ou a produção de alimentos na instalação de testes móveis da EDEN ISS (Estação Espacial Internacional) na Estação Neumayer III. Além disso, no âmbito do Projecto de Teste do Sistema de Apoio à Vida Lunar-Marte da NASA, uma câmara de crescimento contribuiu para a revitalização do ar e as necessidades alimentares de uma tripulação de quatro pessoas durante 91 dias4. Outras instalações permitiram missões analógicas testando compartimentos ou partes deles com vários níveis de complexidade, como MARS500 e SIRIUS na Rússia, HERA e LMLSTP no JSC da NASA, Câmara de Produção de Biomassa do KSC, MDRS em Utah e HI-SEAS no Havaí, EUA4, 5,6. Esses demonstradores terrestres têm sido usados ​​para testar tecnologias específicas para câmaras de cultivo controladas, sistemas de produção de alimentos e gestão de resíduos biológicos. Algumas destas instalações de teste também foram utilizadas para avaliar o impacto do confinamento em tripulações isoladas em termos de questões fisiológicas e psicológicas, bem como para avaliar o possível efeito de mitigação da presença de plantas (por exemplo, acesso a alimentos frescos, jardinagem para recreação)7,8.