Spazio e sostenibilità: come le lezioni di Biosphere 2 hanno ispirato SAM²

Spazio e sostenibilità: come le lezioni di Biosphere 2 hanno ispirato SAM²

Molto è stato detto, scritto e documentato sul famoso esperimento noto come “Biosfera 2” (B2). Per tutti coloro i cui anni formativi hanno coinciso con i primi anni ’90, questo nome probabilmente suona familiare. Da quando il progetto è stato lanciato nel 1991, è stato pesantemente pubblicizzato, criticato, ed è stato anche il soggetto di un documentario – intitolato “Astronave Terra” – che ha debuttato nel maggio del 2020.

Ad ascoltare alcune delle cose che sono state dette sulla B2 (anche dopo 30 anni), si potrebbe avere l’impressione che sia stato un fallimento che ha dimostrato che gli esseri umani non possono vivere insieme in un ambiente sigillato per lunghi periodi di tempo. Ma in verità, è stata un’esperienza formidabile di apprendimento, i cui risultati continuano a informare il volo spaziale umano e la ricerca sugli ecosistemi oggi. In un’era di rinnovata esplorazione interplanetaria, queste lezioni sono più vitali che mai.

Questo è lo scopo del Analogo spaziale per la Luna e Marte (SAM²), un nuovo esperimento analogico guidato da Kai Staats e John Adams. Insieme a un team internazionale di specialisti, esperti dell’Università dell’Arizona e il supporto fornito dalla NASA, il Società Nazionale Geograficae partner commerciali, SAM² convaliderà i sistemi e le tecnologie che un giorno permetteranno di creare colonie sulla Luna, su Marte e oltre.

Come notato, l’esperimento B2 ha condotto una ricerca scientifica vitale e ha raggiunto alcune imprese impressionanti nel processo. Per cominciare, ha stabilito record mondiali per sistemi ecologici e biologici chiusi, produzione agricola, nutrizione e dinamiche atmosferiche. Durante il suo secondo periodo (da marzo a settembre del 1994), l’esperimento ha raggiunto la totale autosufficienza in termini di produzione di cibo e ossigeno.

Come Matt Wolf, direttore del documentario B2, “Astronave Terra,” riassunto:

“La vedo come una storia sull’ambizione umana, le sue possibilità e i suoi limiti. Penso che l’esperimento abbia rivelato che gli esseri umani sono l’elemento più instabile di un sistema chiuso… I media possono essere molto sprezzanti delle persone che provano cose nuove. Tanto che la gente esita a provare per paura delle critiche o del fallimento. Se tutti temessero il fallimento, non proverebbero mai cose nuove e ambiziose”.

Oggi, con le missioni con equipaggio sulla Luna e su Marte all’orizzonte, la necessità di esperimenti di ecosistemi chiusi è assolutamente necessaria. Soprattutto se si considera che nessun esperimento di questo tipo è stato condotto dalla metà degli anni ’90.

Fortunatamente, Kai Staats – uno scienziato indipendente con progetti e posizioni alla Northwestern/LIGO, all’Arizona State e all’Università dell’Arizona – e John Adams (il vicedirettore dell’esperimento B2), si sono riuniti con un team internazionale per lanciare tale impresa. Utilizzando le stesse basi di B2, SAM2 sarà un’estensione della ricerca originale di B2.

Mentre l’umanità si imbarca in una nuova era di esplorazione spaziale che include piani per creare habitat sulla Luna e su Marte, le lezioni fornite da B2 e SAM² forniranno dati vitali che potrebbero benissimo fare la differenza tra successo e fallimento – o nel contesto dell’esplorazione dello spazio profondo, tra vita e morte.

Rendering d’artista di un’astronave che decolla da una base lunare. Credito: SpaceX

Secondo John Adams, le lezioni di B2 sono indispensabili per rendere l’umanità una “specie interplanetaria”, così come per affrontare il cambiamento climatico. Come ha detto a Universe Today via e-mail:

“Il più grande risultato è quanto poco comprendiamo i sistemi terrestri e le loro complessità. La ricerca al B2 ha sviluppato una comprensione meccanicistica di come l’atmosfera è influenzata dai paesaggi e cosa significa per il clima futuro, le dinamiche del tempo, e il destino delle nostre risorse idriche, e le complesse influenze (non lineari) di tutti questi cambiamenti sui sistemi biologici.

“Nessuna struttura esiste attualmente che fornisca questo livello di controllo sperimentale e di integrazione su una gamma di scale spaziali, combinato con la vicinanza a un laboratorio naturale finanziato e un team interdisciplinare organizzato per affrontare le questioni geologiche, chimiche e ambientali.l, aspetti biologici e atmosferici del sistema terra”.

Un progetto ambizioso

L’esperimento B2 è stato originariamente concepito dal miliardario e filantropo texano Ed Bass ed ecologista e inventore John P. Allen. Negli anni ’70, i due si sono incontrati a Synergia Ranch, una comunità di innovazione fondata da Allen nel 1969 vicino a Santa Fe, New Mexico. Mentre erano lì, i due discussero l’idea di biosfere, sistemi ecologici chiusi, e il concetto di “Spaceship Earth”.

Una camera di serra lunare, un prototipo di sistema di supporto vitale biorigenerativo, presso il Centro di Agricoltura in Ambiente Controllato dell’Università dell’Arizona. Credito: Università dell’Arizona

Questo concetto è stato originariamente proposto dal famoso architetto, designer e teorico dei sistemi Buckminster Fuller. Nel suo libro seminale, Manuale operativo per l’astronave Terra (1969), ha dichiarato che:

“[W]e possiamo fare il successo di tutta l’umanità attraverso l’evoluzione industriale della scienza che inghiotte il mondo, a condizione che non siamo così sciocchi da continuare ad esaurire in una frazione di secondo della storia astronomica il risparmio energetico ordinato di miliardi di anni di conservazione dell’energia a bordo della nostra Astronave Terra. Questi risparmi energetici sono stati messi nel conto bancario della nostra Astronave, che garantisce la rigenerazione della vita, per essere utilizzati solo nelle funzioni di auto-avviamento”.

La struttura ha anche incorporato il progetto brevettato di Buckminster Fuller per le cupole poliedriche geodetiche per creare i “Polmoni” della B2 – le strutture artificiali che si espandono e si contraggono per neutralizzare le differenze di pressione e mantenere la struttura ermetica. Nel 1984, Bass e Allen acquistarono la proprietà nel deserto dell’Arizona, dove sarebbe stato costruito il B2.

La costruzione fu effettuata tra il 1987 e il 1991 e fu supervisionata da Space Biosphere Ventures, un’impresa comune fondata da Bass e Allen, insieme a diversi loro colleghi del Synergia Ranch.

Essi comprendevano l’artista e imprenditore Marie Harding, cofondatore di Istituto di Ecotecnica e; Margaret Augustine, CEO di B2 e capo architetto di molti progetti correlati; Dr. Mark Nelson, un ingegnere ecologico e co-fondatore del Istituto di Ecotecnica (IoE); Abigail Kingsley Alling, fondatrice e presidente del Fondazione della Biosfera; e William F. Dempster, presidente della IoE (1983-86) e direttore di Ocean Expeditions (1987-1993).

Il primo esperimento iniziò nell’autunno del 1991, quando otto esploratori furono collocati in una struttura da 150 milioni di dollari fuori Oracle, Arizona. La struttura consisteva di circa 670.000 m² di spazio interno sotto vetro sigillato, che era diviso in sette biomi distribuiti su 3,14 acri di terreno. Ognuno di questi biomi è stato progettato per imitare un ambiente diverso qui sulla Terra, che consisteva in un:

  • 1.900 m² (20.000 ft²) di foresta pluviale
  • 850 m² di oceano con una barriera corallina
  • 450 m² di zone umide di mangrovie
  • 1,300 m² (14,000 ft²) prateria della savana
  • 1.400 m² di deserto di nebbia e due biomi antropici
  • 2.500 m² di sistema agricolo
  • habitat umano con abitazioni, laboratori, uffici, aule e laboratori

Questi ambienti analogici erano rappresentazioni quasi perfette delle loro controparti della vita reale, con flora e fauna indigene e condizioni di temperatura e umidità ambientale impostate correttamente. L’area del seminterrato, conosciuta come la “Tecnosfera”, ospitava tutti i sistemi elettrici, idraulici e meccanici per l’esperimento.

Questo includeva i 26 dispositivi di trattamento dell’aria (AH) che avrebbero riscaldato e raffreddato l’aria, rimosso il particolato, controllato l’umidità, condensato l’acqua per la pioggia, la nebbia e il rifornimento dell’oceano. Ulteriore riscaldamento e raffreddamento erano forniti dall’input solare passivo attraverso i pannelli di vetro che coprivano la maggior parte della struttura, più un sistema di tubature indipendente che faceva circolare l’acqua in tutto l’edificio. L’energia elettrica era fornita da un centro energetico a gas naturale in loco.

Il layout architettonico della struttura Biosphere 2 in Arizona. Credito: Università dell’Arizona

L’esperimento Biosfera 2 è stato usato come bioma sigillato solo due volte, una volta dal 1991 al 1993, e la seconda volta da marzo a settembre 1994. Il primo esperimento si è imbattuto in seri problemi che sono stati pesantemente pubblicizzati, che includevano una rottura nella dinamica del gruppo, una lotta interna per il potere, problemi di gestione e un picco nei livelli di CO². Sono stati adottati diversi miglioramenti per evitare che questo problema si ripeta.

Sfortunatamente, il secondo esperimento ebbe dei problemi che culminarono con lo scioglimento di Space Biosphere Ventures (la società di gestione) nel 1994. Un anno dopo, la Columbia University è intervenuta e ha assunto la gestione della struttura. Ha continuato a condurvi esperimenti fino al 2003. Nel 2007, l’Università dell’Arizona ha preso in consegna gli esperimenti e ha assunto la piena proprietà della struttura nel 2011.

Oggi, B2 è attualmente il più grande centro di ricerca ecologica al coperto del mondo con una vasta gamma di esperimenti. Dal 1991, è stato visitato da non meno di 3 milioni di clienti, mezzo milione dei quali erano studenti K-12. Da allora la struttura è diventata una fonte di rinnovato interesse grazie in parte a un rinnovato interesse per l’esplorazione umana dello spazio.

Le lezioni che ha offerto hanno anche informato esperimenti come quello della NASA Hawaii Space Exploration Analogue & missione di simulazione su Marte (Hi-SEAS), l’esperimento analogo a Marte all’aperto situato sulla cima di Mauna Loa alle Hawaii. Un totale di sei studi finanziati dalla NASA hanno avuto luogo in questa struttura dal 2013, che coinvolgono gli equipaggi che vivono in un habitat marziano sigillato e conducono ricerche all’aperto in finte tute spaziali per un massimo di un anno.

La Società Mars gestisce anche due ambienti analoghi all’aperto, che includono la Flashline Mars Arctic Research Station (su Devon Island nel Territorio del Nunavut, Canada) e la Mars Desert Research Station nello Utah. Entrambi i luoghi sono in funzione dai primi anni 2000 e simulano le condizioni su Marte – uno è molto freddo, l’altro molto secco.

Poi c’è la China’s Yuegong-1 (“Lunar Palace 1”), un 160 m2 (1700 ft²) laboratorio autonomo a Pechino progettato dal Università di Aeronautica e Astronautica di Pechino (BUAA) per simulare un habitat lunare.

Tra febbraio e maggio 2014, un team di tre ricercatori è stato sigillato all’interno di questo “sistema di supporto vitale biorigenerativo” (BLSS), dove hanno sussistito con una dieta di colture selezionate e vermi della farina. Questo è stato seguito da un record esperimento lungo un anno dove otto volontari sono rimasti dentro dal 10 maggio 2017 al 15 maggio 2018.

Nel 2018, la Cina ha iniziato a sviluppare il C-Space Progetto Marte sulle colline della provincia di Gansu. Attualmente, la struttura è destinata ai turisti per addestrarli a vivere su Marte. Tuttavia, l’obiettivo a lungo termine è quello di convertire la struttura in un centro di addestramento per astronauti per future missioni su Marte.

L’Agenzia Spaziale Europea (ESA) mantiene una stazione di ricerca in Antartide nota come Concordia. La struttura, che è gestita dall’Istituto Polare Francese (IPEV) e dal Programma Antartico Italiano (PNRA), si trova a più di 1000 km (620 mi) dalle stazioni sulla costa ed è stata utilizzata per condurre studi di psicologia, fisiologia e medicina, che a volte durano per un intero inverno.

La NASA mantiene anche un habitat artificiale all’aperto, a tre piani, chiamato Human Exploration Research Analog (HERA) al Johnson Space Center. Dal 2014, HERA è servito come ambiente analogico per addestrare gli astronauti su come affrontare scenari di isolamento, confinamento e lontananza durante le missioni di esplorazione.

Lo Human Exploration Research Analog (HERA) al Johnson Space Center della NASA. Credito: NASA

C’è anche il Operazioni di missione in ambienti estremi della NASA (NEEMO), che coinvolge astronauti, ingegneri e scienziati che trascorrono fino a tre settimane alla volta in Aquarius. Situato nel Florida Keys National Marine Sanctuary, Aquarius è una delle sole tre stazioni di ricerca sottomarina attive al mondo. L’habitat dell’Aquarius e i suoi dintorni forniscono un ambiente analogico ad alta fedeltà che permette alla NASA di testare strumenti e tecniche.

Tra il 1965 e il 1972, l’Accademia russa delle scienze (RAS) ha costruito il Sistema di supporto vitale chiuso BIOlogical (BIOS-3) struttura di ricerca a Krasnoyarsk, in Siberia. La struttura consisteva in un habitat di 315 m³ (3390 ft³) che poteva sostenere un equipaggio di tre persone. Era diviso in quattro compartimenti, composti da un’area per l’equipaggio e tre “fitotroni” per la coltivazione di grano e verdure.

La qualità dell’aria era mantenuta in parte dalla fotosintesi, dove le alghe clorella coltivate e impilate sotto la luce artificiale rimuovevano il CO² e aggiungevano gas ossigeno al sistema di aria riciclata. Un altro processo che prevedeva il riscaldamento di composti organici a 600 °C (~1100 °F) in presenza di un catalizzatore era usato per purificare l’acqua, e anche l’aria e i nutrienti venivano riciclati. Nel 1968, BIOS-3 ha raggiunto un’efficienza del sistema del 99% in termini di riciclo dell’aria, dell’85% in termini di riciclo dell’acqua e di circa il 50% per il riciclo di cibo e nutrienti.

La RAS ha anche condotto esperimenti tra il 2007 e il 2011 utilizzando il suo Mars-500 ambiente analogico. In collaborazione con l’ESA, il RAS Institute of Biomedical Problems (IBMP) ha messo un equipaggio multinazionale di sei persone in questo habitat per una missione simulata di 520 giorni su Marte per imparare di più sulle implicazioni psicologiche del volo spaziale di lunga durata.

Vista rialzata della struttura dell’IBMP dove si sono svolte tutte le missioni analogiche SIRIUS. Crediti: IBMP

C’è anche la ricerca scientifica internazionale nella stazione unica terrestre (SIRIUS), esperimenti condotti dal Istituto di problemi biomedici (IBMP) a Mosca, Russia. Con il supporto fornito dal NASA Human Research Program (HRP), questi studiano gli effetti dell’isolamento e dei voli simulati sulla Luna.

Nel 2017 e di nuovo nel 2019, sono stati condotti esperimenti in cui sei volontari hanno vissuto e lavorato in un veicolo spaziale simulato e in una stazione spaziale lunare (il Lunar Gateway) – che sono durati rispettivamente 17 e 122 giorni. Nel 2021, SIRIUS condurrà un esperimento di otto mesi con la partecipazione dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA).

In tutti i casi, lo scopo degli studi analogici è stato quello di imparare tutto il possibile sugli esseri umani che vivono insieme in ambienti chiusi, dove saranno dipendenti da una quantità fissa di risorse e da ciò che possono produrre per se stessi. Inoltre, tutti questi esperimenti hanno sfruttato ciò che sappiamo sui sistemi complessi e interdipendenti da cui dipendiamo qui sulla Terra per la nostra sopravvivenza.

Applicazioni per lo spazio e la Terra

Fin dal suo inizio, l’esperimento B2 ha riconosciuto la connessione tra la vita nello spazio e la vita qui sulla Terra. Comprendendo la complessità dei sistemi ecologici, il team B2 sperava che gli esseri umani potessero imparare ciò di cui avevano bisogno per vivere su altri pianeti e allo stesso tempo vivere in modo sostenibile qui a casa. Questo non è diverso da quello di James Lovelock Ipotesi Gaia, che vede la Terra come un unico organismo autosufficiente.

Lovelock formulò questa ipotesi mentre lavorava al Jet Propulsion Laboratory della NASA, dove stava sviluppando modelli climatici che avrebbero aiutato nella ricerca della vita su Marte. Il nome è stato ispirato dal fatto che i suoi creatori stavano cercando di simulare la biosfera terrestre. In altre parole, l’esperimento era Biosfera 2 perché la Terra è Biosfera 1.

L’astronauta della NASA Tracy Caldwell Dyson, ingegnere di volo della Expedition 24 nel 2010, mentre si gode una vista impareggiabile della Terra dalla Cupola della Stazione Spaziale Internazionale. Crediti: NASA

Come Robert “Rio” Hanh, membro della Royal Geographical Society e direttore del marketing e delle comunicazioni per B2, ha spiegato:

“C’erano tre obiettivi principali per Biosfera 2. Il primo era quello di approfondire la nostra comprensione del funzionamento di Biosfera 1. Questa è la biosfera in cui viviamo tutti. Il secondo obiettivo era quello di sviluppare le tecnologie che ci avrebbero permesso di fare viaggi spaziali a lungo termine e stabilire abitazioni su altri pianeti. Il terzo obiettivo di Biosfera 2 era l’educazione del pubblico su ciò che è una biosfera, che noi come esseri umani viviamo all’interno di una biosfera”.

Il Dr. Nelson, che ha servito come direttore delle applicazioni terrestri e spaziali di B2 dal 1991 al 1994, da allora ha scritto e co-autore di diversi libri che descrivono l’esperienza e le preziose lezioni che ha fornito. Questi includono Il giardiniere delle acque reflue: Preservare il pianeta uno sciacquone alla volta (2014) e Spingendo i nostri limiti: Insights from Biosphere 2 (2018), e La vita sotto vetro: The Inside Story of Biosphere – che ha co-scritto con sua moglie e compagna “Biospheriana” Abigail Alling.

Come Dr. Nelson lo ha descritto, l’esperimento B2 era un “sistema di supporto vitale materialmente chiuso, energeticamente aperto (con luce solare e fonti di energia), e informaticamente aperto”:

“All’interno di Biosfera 2, tutto aveva un senso. Ogni cosa che facevi, potevi vederne l’impatto. Nessuna azione anonima. Era come se il mio corpo avesse improvvisamente ricevuto il messaggio: ogni volta che respiri, queste piante stanno aspettando la tua CO2. Sono il tuo terzo polmone. Ho pensato, ‘Mio Dio, questo mi sta tenendo in vita! Sono assolutamente collegato metabolicamente alla vita qui'”.

Oggi, i ricercatori e gli ingegneri sono impegnati in ricerche lucrative, sviluppando le tecnologie che permetteranno missioni di lunga durata sulla Luna, su Marte e oltre. Molto del loro lavoro è stato informato in larga misura da B2 e da ricerche simili in sistemi ecologici chiusi.

Vista aerea che mostra il layout della B2. Credito: Pechurkin, N.S. (et al.)

Il prossimo passo

Sfruttando le lezioni e le tecniche dimostrate da B2, Staats e un team di colleghi provenienti da Stati Uniti, Canada, Russia e Italia si sono riuniti per creare SAM². Con l’aiuto di esperti di piante dell’UofA e il supporto aggiuntivo della NASA, Nat Geo e altri, SAM² sarà una stazione di ricerca analogica il più possibile simile a quella reale.

L’esperimento SAM² si trova nello stesso campus di Biosphere 2 (vicino a Oracle, Arizona) e utilizzerà la Modulo di prova B2. Durante la costruzione del B2 alla fine degli anni ’80, il Test Module (TM) era il luogo in cui venivano effettuate prove di chiusura su piccola scala, come una sorta di prova generale per l’esperimento principale. In totale, tre test di chiusura sono stati condotti con il TM, dove un singolo abitante è stato sigillato all’interno per un mese.

Per ogni test, è stata mantenuta un’atmosfera interna sana e un’area agricola, e tutta l’acqua e i rifiuti umani sono stati riciclati. Questi test hanno convalidato una serie di sistemi e processi che erano vitali per l’esperimento B2. Questi includevano la generazione di acqua potabile, la sigillatura atmosferica, l’attenuazione dell’espansione e della contrazione termica, e il comportamento degli agenti in un sistema ecologico chiuso.

“Una delle più grandi incognite è l’influenza e lo sviluppo del microbioma”, ha detto John Adams. “Sappiamo che è un fattore chiave, ma non capiamo come viene guidato il suo sviluppo/evoluzione. Speriamo di usare SAM² in parte per capire lo sviluppo del microbioma da un ambiente sterile a un ambiente dove le squadre vanno e vengono”.

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Schema del modulo di prova originale, che sarà la serra per il nuovo SAM2 L’analogo dell’habitat e il suo “polmone”. Credito: Taber McCallum

Come il suo predecessore, SAM² sarà una stazione di ricerca ermeticamente sigillata con un’atmosfera interna sana, dove la temperatura, l’umidità e i livelli di anidride carbonica sono tutti controllati. Complessivamente, SAM² includerà le seguenti strutture:

  • Una serra costruita dall’iconico modulo di prova Biosphere 2
  • Un alloggio per l’equipaggio bermato di 8′ x 8′ x 40′ e un enorme cortile marziano di 1/2 acro
  • Una camera di compensazione completamente funzionale e bidirezionale
  • Supporto ECLSS per l’equipaggio di 4 persone
  • Tute a pressione per l’ingresso, l’uscita e le EVA reali, funzionanti a 1,0 psi sopra la temperatura ambiente
  • Letti di coltura regolith simulati (basalto frantumato) e idroponica
  • Supporto per biologia, ecologia, robotica, fattori umani, e altro ancora …
  • Supporto per decine di esperimenti simultanei
  • Controllo completo del clima interno
  • Consegna dati WiFi ritardata, monitoraggio e controllo remoto
  • Alloggi in loco per l’equipaggio di supporto e centro di controllo della missione attrezzato
  • Accesso al laboratorio di biologia adiacente per stabilizzare i campioni e condurre analisi di base

Avrà anche una posizione ideale accanto al “Mars Yard” di ½ acro, che sarà utilizzato per condurre prove di tuta a pressione e EVA, così come valutazioni di strumenti e rover. Come per altri analoghi (come quelli menzionati sopra), gli equipaggi proporranno progetti di ricerca da svolgere durante l’esperimento. Questi includeranno studi nel campo della biologia, fisiologia delle piante, ecologia del suolo, chimica del regolith e coltivazione di cibo, psicologia personale, uso degli strumenti e studi di abitabilità.

A causa della loro importanza per le missioni future, saranno effettuate anche ricerche sull’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico, la robotica, l’aptica e altre tecnologie avanzate. Una volta accettate, le squadre di quattro persone potranno vivere all’interno di SAM² mentre l’equipaggio aggiuntivo potrà rimanere nel campus B2. Il personale di SAM² sarà a disposizione per installare e configurare gli esperimenti a distanza e fornire un monitoraggio remoto continuo, la raccolta e la trasmissione dei dati.

Rendering d’artista del “cortile di Marte” all’esterno del SAM. Credito: Bryan Versteeg

Sotto tutti questi aspetti, il progetto SAM² prenderà ciò che è iniziato con B2 e andrà oltre, in modo che possiamo imparare tutto il possibile sugli esseri umani che vivono in sistemi a circuito chiuso oltre la Terra. Questo è particolarmente cruciale considerando che, come specie, ci troviamo in un periodo di rinnovata esplorazione spaziale. Come ha spiegato Staats, non c’è posto migliore per farlo che sullo storico terreno del B2:

“SAM2 è incredibilmente fortunato ad essere costruito intorno allo storico Modulo di Prova dove sono stati condotti i primi esperimenti di Biosfera 2 nella biorigenerazione sigillata, umana nel ciclo di aria, acqua e cibo. Non c’è posto migliore, non c’è eredità migliore per portare avanti la ricerca in questo campo di studio. Abbiamo a nostra disposizione membri dello staff che hanno lavorato a Biosfera 2 per trent’anni, la loro comprensione del funzionamento interno di un’infrastruttura complessa è imperativa per il nostro successo.

“Inoltre, guadagneremo dalla ricca eredità della scienza condotta alla Biosfera 2 dalla sua transizione in un centro di ricerca aperto (cioè non più sigillato), il più grande del suo genere nel mondo. Quando ci muoveremo per installare sensori, monitor e strumenti, avremo guadagnato da ciò che ha funzionato e ciò che avrebbe potuto essere migliorato nell’esperimento originale della Biosfera 2, e poi beneficeremo dei venti anni di scienza condotta lì da allora.

“Infine, abbiamo nel nostro gruppo di lavoro il sostegno di Jane Poynter e Taber MacCallum, due dei biosferiani originali. Taber e William Dempster sono stati i progettisti originali del Modulo di Test attorno al quale stiamo costruendo SAM.”

Kai Staats e Trent Tresch iniziano la costruzione di SAM2 il 22 gennaio 2021. Credito: SAM2

A differenza di MDRS, Hi-SEAS, Concordia, e altri ambienti analogici remoti, SAM² sarà accessibile al pubblico e alla comunità scientifica. Per cominciare, l’esperimento sarà in vista diretta di tutte le persone che visiteranno Biosfera 2 (a discrezione del team in visita, naturalmente), e i visitatori saranno in grado di osservare la ricerca e gli esperimenti che vengono condotti tramite media digitali misti.

Dove applicabile, avranno anche la possibilità di interagire con l’equipaggio di supporto e gli scienziati in visita. Questo fornirà un’opportunità senza precedenti per la divulgazione scientifica e l’educazione nelle STEM, per non parlare delle opportunità lucrative per i cittadini scienziati e ricercatori. Come indicato sul loro sito web, gli obiettivi del SAM² sono cinque:

  1. Transizione da sistemi di controllo ambientale e di supporto alla vita (ECLSS) fisico-chimici (meccanici) a biorigenerativi (basati sulle piante).
  2. Trasformazione di regoliti simulati (basalto frantumato) in terreno fertile.
  3. Uso di tute pressurizzate per tutte le attività EVA, compreso l’uso di strumenti, la costruzione e la riparazione, la raccolta di dati e la comunicazione.
  4. Studiare l’evoluzione della comunità microbica di uno spazio di transizione, ermeticamente sigillato, occupato da esseri umani e piante.
  5. Sviluppo di modelli informatici che descrivano accuratamente un ECLSS ibrido funzionale, sostenibile e di lunga durata.

SAM² è stato progettato di concerto con il personale senior della B2 (come il vicedirettore John Adams), esperti di impianti dell’Università dell’Arizona Centro di agricoltura in ambiente controllato dell’Arizona (CEAC), il Paragon Space Development Corporation (SCD), e la NASA.

Simulare la vita su Marte

Una volta completato, SAM² sarà l’analogo di Marte e il centro di ricerca più fedele al mondo, permettendo agli scienziati di studiare la transizione dall’arrivo del primo equipaggio con supporto vitale meccanico alla biorigenerazione pluriennale. I dati accumulati dall’esperimento SAM² saranno una parte fondamentale dello sforzo di ricerca più ampio per creare soluzioni di vita sostenibili per la Luna e/o Marte.

Impressione artistica di una serra all’interno dell’esperimento SAM². Credito: Bryan Versteeg

Allo stesso tempo, ha detto Adams, le lezioni apprese avranno applicazioni qui a casa, dove si sta cercando la sostenibilità per affrontare i problemi del cambiamento climatico:

“Come Biosfera 2, il modulo di prova fornirà una grande comprensione dei processi fondamentali che legano insieme i sistemi terrestri. Il programma scientifico associato a questa struttura è trasformativo. Affronteremo il problema del cambiamento climatico concentrandoci su tre grandi sfide nella scienza: l’integrazione di più discipline (per esempio, idrologia, ecologia, geologia, chimica, scienze atmosferiche), l’applicazione della calibrazione strumentale ai sistemi biologici su larga scala e adattabili, e lo sviluppo di una comprensione di come i processi del sistema terra scalano nel tempo e nello spazio (per esempio, dalle cellule agli organismi, comunità, paesaggi e il globo).”

“Come con tutti gli analoghi, anche quelli condotti dalla NASA negli anni ’60, stiamo praticando tecniche, testando procedure e conducendo esperimenti per informare ulteriormente le lacune note nella tassonomia dei viaggi umani nello spazio”, ha aggiunto Staats. “La NASA riassume questo processo nel suo Programma di ricerca umana (HRP) con un’analisi dei rischi, la determinazione delle lacune e la valutazione basata sulle prove di come ridurre i rischi e colmare le lacune. Stiamo lavorando per fare proprio questo, per aiutare ad avvicinare la nostra specie alla realtà dell’abitazione a lungo termine di un altro corpo planetario nel nostro sistema solare”.

Staats e i suoi colleghi hanno anche sviluppato uno strumento software noto come SIMOC, che sta per Modello scalabile e interattivo di una comunità fuori dal mondo. Questa simulazione al computer ad alta fedeltà è stata lanciata con Nat Geo nel giugno del 2020 con l’obiettivo a lungo termine di collegarsi all’esperimento SAM² per la cattura dei dati in tempo reale. Alla fine, si spera che SIMOC porterà alla gestione del sistema AI-driven di SAM².

Fondamentalmente, SIMOC permette agli utenti di creare il proprio habitat virtuale su Marte e insegna come il successo in un sistema chiuso è tutta una questione di comprensione dell’attento equilibrio dei sistemi viventi e non viventi. Come ha spiegato Staats:

“SIMOC è un modello per la ricerca con un’interfaccia web educativa. È ben accolto per il suo nucleo di scienza autentica e l’interfaccia esperta per i cittadini scienziati – progettare un habitat e metterlo in moto per imparare quali combinazioni di alloggi per l’equipaggio, ECLSS, serra e piante, fotovoltaico solare e batterie funzionano, e quali falliscono.

“Il modello si basa su dati pubblicati derivati dal supporto vitale e dalla ricerca sugli ecosistemi chiusi presso la NASA e le università di tutto il mondo. Gli utenti sono invitati a progettare un habitat che sostenga la vita umana attraverso una combinazione di sistemi fisico-chimici (meccanici) e biorigenerativi (piante viventi), selezionando varie combinazioni di alloggi per l’equipaggio, serra, cibo e piante, generazione e stoccaggio di energia e durata della missione.”

Passi coraggiosi in corso d’opera

Più di quarant’anni di dati della NASA sono andati nella creazione di SIMOC, così come la guida e l’input fornito dal Paragon Space Development Corp, l’Università dell’Arizona e l’Arizona State University. Staats e i suoi colleghi hanno anche avuto l’onore di vedere il SIMOC incorporato nella Mars City Design 2020 Competition.

Ogni anno, da quando è stato creato nel 2016, la fondatrice di Mars City Design Vera Mulyania e i suoi colleghi hanno ospitato un evento annuale “Marschitecture”. Queste competizioni sono dedicate a riunire team di studenti e professionisti di tutto il mondo con esperti del settore per proporre soluzioni innovative per vivere su Marte.

Queste soluzioni riguardano la progettazione architettonica, la tecnologia avanzata, l’utilizzo delle risorse in situ (ISRU), l’ecologia e la sostenibilità per garantire che gli esseri umani possano vivere e prosperare sul Pianeta Rosso un giorno. Come ha riferito Staat:

“Se vogliamo arrivare alle abitazioni su larga scala previste da Vera e dal progetto Mars City Design, dobbiamo prima affrontare la funzione rudimentale dell’atmosfera, dell’acqua e del riciclaggio dei rifiuti; e imparare a bilanciare il supporto vitale meccanico e biorigenerativo per le missioni di lunga durata”.

L’11 dicembre, Staats e i suoi colleghi hanno anche ospitato la seconda edizione del SAM2 Simposio. Mentre il Simposio dell’anno scorso ha visto circa due dozzine di partecipanti all’Università dell’Arizona (o online) per discutere il SAM2 Il concetto, il Simposio di quest’anno consisteva in dodici presentatori e più di cento persone che guardavano l’evento virtualmente. Oltre a Staats e Adams, i presentatori di quest’anno includevano:

  • Il Dr. Joaquin Ruiz, il direttore esecutivo di B2
  • Taber MacCallum, uno dei membri originali di B2 e fondatore di Prospettiva spaziale
  • Ewan Reid, CEO di Servizi spaziali di controllo delle missioni
  • Trent Tresch e il dottor Cameron Smith di Smith Aerospace Garments
  • Ezio Melotti, sviluppatore capo di SIMOC
  • Anastasiya Stepanova, ingegnere presso l’IBP e SIRIUS
  • Dr. Shannon Rupert, direttore del MDRS per la Mars Society
  • Bryan Versteeg, rinomato designer concettuale di habitat spaziali

Il Dr. Ruiz ha evidenziato come le lezioni della B2 faciliterebbero l’esperimento SAM², prestando molta attenzione a quanto sia tempestivo un tale esperimento in questo momento. Come ha detto:

“Biosphere 2 è iniziato con una duplice idea, una delle quali era quella di capire se si poteva trovare un modo per misurare quella che all’epoca era una teoria molto importante, ovvero l’ipotesi Gaia. Ma la seconda, ovviamente, era se la biosfera potesse creare le proprietà intellettuali per andare su altri pianeti.

“Così, dopo una vita molto complicata che la biosfera ha avuto… siamo tornati a una delle missioni originali di Biosphere 2, e cioè come possiamo effettivamente nutrire gli astronauti se abbiamo davvero intenzione di andare sulla Luna a lungo termine, su Marte a lungo termine… E non potrebbe essere un momento migliore ora.

“Tutto quello che si legge sui giornali, indica davvero una corsa di vari paesi per cercare di mettere gli astronauti sulla Luna. Non mi è del tutto chiaro che qualcuno di loro abbia davvero pensato – oltre alla missilistica e alla sicurezza degli astronauti (per arrivare dalla loro schiena) – a come vivere lì per un lungo periodo.

“Quindi SAM² è chiaramente una soluzione, e Kai è una persona che ho incontrato grazie agli dei della fortuna. E da quando ha iniziato a lavorare con Biosphere 2 e SAM², è stata una gioia vedere il movimento [and] progresso non così veloce come tutti noi vorremmo per un movimento nella giusta direzione… Penso che sarete impressionati da quanto siamo andati avanti”.

Risolvere lo spazio e Terra

Come dice il proverbio, “risolvendo lo spazio si risolve la Terra”. Da nessuna parte questa relazione è più evidente che con l’Ipotesi Gaia di Lovelock o la ricerca ecologica, climatologica e biologica che ha portato alla creazione di Biosfera 2. Questi esperimenti sono stati resi possibili grazie a decenni di Osservazione della Terra, Scienza della Terra, e la ricerca che ha permesso alla NASA di mettere impronte e bandiere sulla Luna.

Illustrazione degli astronauti di Artemis sulla Luna. Crediti: NASA

In breve, andare nello spazio ci ha insegnato praticamente tutto quello che sappiamo sui sistemi planetari – in particolare il nostro. Lo stesso vale per SAM², un esperimento che si sta svolgendo in un’epoca di rinnovata esplorazione spaziale. Ma a differenza della Space Race, le missioni dirette alla Luna in questo decennio (e a Marte nel 2030) prevedono la creazione di infrastrutture permanenti.

Per vivere e lavorare sulla Luna, in orbita e su Marte, gli esseri umani dovranno essere il più possibile autosufficienti. Questo significa sfruttare le risorse locali, coltivare il cibo e creare ambienti a ciclo chiuso che riciclino all’infinito l’acqua e l’aria e siano sostenibili a lungo termine. In altre parole, avranno bisogno di ambienti che siano il più vicino possibile alla Terra e ai sistemi naturali.

Le innovazioni che questa ricerca ispira avranno anche infinite applicazioni qui a casa. Nei prossimi decenni, si prevede che la popolazione globale si gonfierà fino a poco meno di 10 miliardi di personee in un momento in cui il cambiamento climatico sta sconvolgendo gli stessi sistemi da cui dipendiamo per il nostro sostentamento e la nostra sopravvivenza. L’unico modo per vivere abbastanza a lungo da abbracciare il sogno di “andare interplanetario” (e tutti i benefici che questo comporterà) è pensare in termini di sostenibilità e risorse rinnovabili.

Ci sono alcuni che direbbero: “sistemiamo la Terra prima di andare sulla Luna, su Marte e oltre”. Altri insistono che le due cose non si escludono a vicenda. Ma la realtà è che le due cose sono inestricabilmente intrecciate. Non sarebbe nemmeno esagerato dire che non saremo in grado di fare l’uno senza l’altro. Quindi, se speriamo di fare entrambe le cose, dobbiamo assicurarci di accumulare tutti i dati di cui potremmo avere bisogno.

Illustrazione d’artista di un’astronave SpaceX che atterra vicino a una colonia su Marte. Credito: SpaceX

Con tutte le soluzioni a cui queste porteranno, gli esseri umani potrebbero finalmente realizzare il sogno di diventare una specie interplanetaria, assicurando anche la nostra sopravvivenza qui a casa.

Oltre al personale senior di B2, gli esperti dell’Università dell’Arizona Centro per l’agricoltura in ambiente controllato (CEAC), Nat Geo e NASA, un ulteriore supporto per l’esperimento SAM² è stato fornito dal Paragon Space Development Corporation (SCD), Smith Aerospace Garments, LLC, e il Centro scientifico dell’Arizona.

Per ulteriori informazioni e aggiornamenti sui progressi di SAM2 a B2, controlla il loro sito web!

Fonti: