L’obiettivo principale dell’agricoltura spaziale è quello di supportare la vita umana nello spazio. Per raggiungere tale scopo, è essenziale analizzare e comprendere a fondo le sfide biologiche e tecnologiche che ciò comporta, sia per gli esseri umani che per le piante. Queste sfide ambientali variano in tipologia e intensità, da quelle presenti nello spazio profondo, oltre l’atmosfera terrestre, fino alla superficie di corpi celesti come asteroidi, satelliti e pianeti. In ciascuno di tali contesti sarà necessario creare ambienti chiusi capaci di simulare le condizioni idonee per la vita. Gli esperimenti condotti sulla Stazione Spaziale Internazionale (Iss) e in altre missioni spaziali hanno dimostrato la fattibilità della coltivazione delle piante, fornendo informazioni scientifiche preziose sulla risposta delle piante e per l’ottimizzazione dei sistemi di coltivazione, come i substrati capillari e le tecniche di irrigazione e nutrizione adatte alla microgravità. Gli ortaggi da foglia come le insalate hanno dimostrato una buona adattabilità alle condizioni di microgravità e sono coltivati con successo a bordo dell’ISS nelle salad machines. Ma anche i cereali, i pomodori nani, le barbabietole, i ravanelli e numerose altre piante utilizzate a scopo alimentare sono state coltivate in ambiente spaziale. Ora emergono nuovi obiettivi importanti e passi da compiere nella ricerca e nello sviluppo delle tecnologie abilitanti.
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I prossimi passi
Tre i punti prioritari su cui la comunità scientifica sta concentrando i propri sforzi. Il primo: produrre ortaggi freschi a bordo di piattaforme orbitanti (oggi l’Iss, domani il Lunar Gateway) o di navicelle spaziali dirette verso nuove destinazioni, in quantità e qualità tali da integrare efficacemente composti nutraceutici specifici per le esigenze fisiologiche, dietetiche e psicologiche degli astronauti. Il secondo: coltivare specie più energetiche, come cereali, leguminose e patate, in vista di missioni spaziali più lunghe. Il terzo ma non ultimo in termini di importanza: sviluppare piante per il Bioregenerative Life Support System (Blss), destinato a garantire la sopravvivenza dell’equipaggio nelle future basi lunari e marziane, dove le piante avranno il ruolo chiave nella rigenerazione di risorse ambientali, principalmente aria e acqua, utilizzando anche parzialmente le risorse locali.
Parola d’ordine: rigenerare
La possibilità di realizzare missioni spaziali di lungo periodo e la lunga permanenza umana a bordo di piattaforme spaziali orbitanti o in colonie spaziali su corpi celesti come la Luna o Marte, infatti, dipende dalla capacità di rigenerare risorse ambientali e produrre cibo in situ. Rigenerare è quindi la chiave! Le piante, che dominano la biosfera terrestre e supportano la vita dell’uomo sulla Terra, saranno centrali nei BLSS. L’obiettivo è progettare l’ambiente adatto affinché le piante possano espletare al meglio le funzioni fondamentali al supporto della vita dell’uomo nello spazio. L’efficienza produttiva delle piante, le caratteristiche nutrizionali dei loro prodotti, la velocità di cattura dell’anidride carbonica (CO2), di produzione di ossigeno (O2) attraverso la fotosintesi e di acqua pura con la traspirazione, possono essere modulate controllando le condizioni di crescita. Variabili target sono l’intensità, lo spettro e il fotoperiodo della luce, le pressioni parziali di O2, CO2 e acqua (H2O) nell’atmosfera, insieme alla temperatura di crescita, strumenti eccezionali per modulare il metabolismo delle piante e i flussi rigenerativi nei BLSS. Sebbene l’agricoltura spaziale non riguardi solo la nutrizione, l’alimentazione gioca un ruolo cruciale nel benessere e la salute degli astronauti. Per esempio, con il sostegno dell’Agenzia Spaziale Italiana (Asi), è stata ottimizzata la produzione di acido ascorbico (la vitamina C, potente antiossidante ma instabile, quindi inadatta al trasporto in lunghi viaggi spaziali) da vegetali freschi prodotti a bordo dell’Iss. Poco più di mezzo metro quadrato di superficie coltivata con micro-ortaggi garantisce la quantità di acido ascorbico necessaria giornalmente per un astronauta. Variabili come specie, mix luminoso, temperatura dell’aria e pressione parziale della CO2 sono tra le più influenti in questo senso.
Lo stesso approccio è stato seguito per ottimizzare la produzione di altri composti fitochimici, antiossidanti o prebiotici, importanti per il benessere psicofisico degli astronauti. I prebiotici sono molecole che permettono di nutrire il microbioma intestinale in modo che produca effetti benefici sulla saluta umana. La cicoria si è dimostrata adatta a crescere in condizioni di completo controllo ambientale e le sue radici ricche di fruttani, riconosciuti prebiotici, hanno ridotto la perdita di capacità cognitive di topi stressati artificialmente. In questo caso le superfici necessarie a produrre il fabbisogno giornaliero per un astronauta sono maggiori ma ulteriori ricerche sono in corso per migliorare la produttività anche di questi fondamentali composti vegetali. I sistemi spaziali capaci di svolgere queste funzioni saranno complessi e integreranno le potenzialità dell’intelligenza artificiale (AI). Un sistema di AI può essere addestrato per monitorare e modulare in tempo reale le funzioni delle piante e dell’intero Blss, allineando le prestazioni alle esigenze mutevoli degli astronauti. La progettazione dei BLSS sarà guidata da questo nuovo paradigma e dovrà essere in grado di sostenere il controllo delle variabili ambientali, delle prestazioni delle piante e dei flussi biorigenerativi. Questi nuovi approcci all’agricoltura spaziale potranno essere applicati anche all’agricoltura terrestre per migliorarne la produttività e la sostenibilità.
