La Cina sta superando gli Stati Uniti nella corsa per l’esplorazione spaziale a lungo termine, investendo in sistemi di supporto vitale biorigenerativo (BLiSS) che la NASA aveva precedentemente abbandonato.
Questo divario tecnologico, creato da tagli ai finanziamenti e interruzioni di programmi, pone a rischio la leadership americana e rende urgenti nuovi investimenti e una maggiore cooperazione internazionale per sviluppare tecnologie cruciali per un’abitazione sostenibile su Luna e Marte.
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Esplorazione spaziale: rischio strategico per la leadership americana
L’esplorazione spaziale con equipaggio sta vivendo una nuova fase di intensa competizione, con la Cina e gli Stati Uniti che hanno entrambi rilasciato piani pubblici per missioni di lunga durata sulla Luna. Un’analisi approfondita di questi progetti rivela un rischio strategico per la leadership americana: la mancanza di investimenti e di capacità nei sistemi di supporto vitale biorigenerativo (BLiSS). Un articolo prospettico, intitolato “Critical investments in bioregenerative life support systems for bioastronautics and sustainable lunar exploration,” mette in guardia sulle conseguenze di questo divario.
Lo studio, condotto da un team di ricercatori provenienti da istituzioni accademiche di prestigio come la Purdue University, la Northeastern University, la Utah State University e la University of Utah, insieme a esperti del Kennedy Space Center e dell’Ames Research Center della NASA, fornisce un’analisi dettagliata. Il coautore principale, D. Marshall Porterfield, professore di ingegneria agraria e biologica alla Purdue University, ha ricoperto il ruolo di direttore della Divisione Space Life and Physical Sciences presso la sede centrale della NASA dal 2012 al 2016. La sua esperienza offre un’autorità unica a queste conclusioni. Il documento sostiene che la triade di costi logistici, limiti tecnologici e rischi per la salute e la sicurezza umana impone restrizioni intrinseche alle missioni che si affidano esclusivamente ai metodi di supporto vitale fisico-chimici.
L’attuale strategia statunitense, che dipende dal rifornimento di cibo, acqua e altri materiali di consumo richiesti per i sistemi di supporto vitale ambientale a circuito chiuso (ECLSS), non è più sostenibile per missioni prolungate.
Al contrario, la Cina ha strategicamente colmato il vuoto lasciato dalla NASA, abbracciando e sviluppando le stesse tecnologie che gli Stati Uniti avevano scartato quasi due decenni fa. Questo approccio biorigenerativo, che si allinea con le storiche iniziative di autosostenibilità logistica come il Project Horizon (1959), è stato il fondamento del programma Controlled Ecological Life Support Systems (CELSS) della NASA.
Le radici storiche di un’opportunità mancata
L’idea di creare ecosistemi di supporto vitale autonomi non è un concetto moderno, ma affonda le sue radici nei primordi dell’era spaziale. Già l’ingegnere russo Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), considerato un pioniere dell’astronautica, aveva teorizzato l’uso di approcci agricoli per sostenere l’esplorazione e l’abitazione spaziale. Le sue intuizioni, che spaziavano dai propulsori a razzo ai sistemi biorigenerativi a circuito chiuso, anticipavano le sfide logistiche che avrebbero reso il rifornimento in luoghi remoti proibitivo. I successivi programmi russi, in particolare le strutture BIOS-3 (risalenti agli anni ’60), hanno condotto studi fondamentali sul campo, dimostrando con successo esperimenti con equipaggio umano per periodi prolungati. La NASA, pur avendo supportato una quantità maggiore di ricerca biorigenerativa nel corso degli anni, non ha mai raggiunto un sistema di test integrato come il BIOS-3.
Dal CELSS al bio-plex: ascesa e stop della Nasa
La NASA ha avviato una ricerca estesa sui sistemi biorigenerativi negli anni ’80 con la creazione del programma Controlled Ecological Life Support Systems (CELSS). Questo programma, inteso come fondamento dell’Advanced Life Support (ALS) program della NASA (1989-2004), non si limitava a una ricerca accademica, ma mirava a un processo di maturazione tecnologica (TRL) che partiva dalla ricerca di base in ambito universitario e arrivava a test di integrazione con esseri umani. Le innovazioni che ne derivarono furono rivoluzionarie.
La ricerca della NASA, per esempio, ha contribuito in modo determinante allo sviluppo dell’agricoltura in ambiente controllato (CEA). Nel 1990, il concetto di utilizzare i diodi a emissione di luce (LED) come fonte di illuminazione per le piante è stato brevettato a seguito di una ricerca finanziata dalla NASA presso l’Università del Wisconsin. Successivamente, il Kennedy Space Center della NASA ha condotto test con i LED, portando a significativi progressi nello sviluppo di sistemi di illuminazione per la crescita delle piante.
Un’altra pietra miliare fu il Biomass Production Chamber della NASA, che, a partire dal 1987, impiegava un sistema multi-livello di vassoi idroponici e banchi di luce elettrica, una tecnica che si può considerare il precursore delle moderne fattorie verticali. Questi successi culminarono nel programma Bioregenerative Planetary Life Support Systems Test Complex (BIO-Plex), un ambizioso progetto volto a creare un habitat funzionale per la produzione di cibo, l’ossigenazione e la purificazione dell’acqua. Il BIO-Plex doveva rispondere a domande scientifiche fondamentali sulla vita in avamposti planetari o lunari, con sistemi progettati per funzionare in condizioni di microgravità (per il transito) e ipogravità (per la superficie).
Eppure, questa promessa non è mai stata mantenuta. Nel 2004, a seguito dell’Exploration Systems Architecture Study (ESAS), i programmi CELSS/BIO-Plex furono progressivamente eliminati, le strutture smantellate e non sono stati pianificati attuali sforzi di riabilitazione. Questa interruzione ha creato una lacuna critica nelle capacità della NASA, una lacuna che la Cina ha prontamente sfruttato.
La Cina al timone della bioastronautica moderna
Mentre la NASA reindirizzava le sue priorità verso il sistema di trasporto SLS/Orion, la China National Space Administration (CNSA) ha intrapreso un percorso divergente. Negli ultimi due decenni, ha adottato e portato avanti proprio quei programmi di supporto vitale biorigenerativo che gli Stati Uniti avevano abbandonato. Sfruttando i piani di ricerca della NASA resi disponibili al pubblico, combinati con la ricerca internazionale e la propria innovazione, la Cina ha sviluppato la tecnologia BLiSS che ha trovato la sua massima espressione nel “Beijing Lunar Palace”.
Questo programma ha dimostrato con successo operazioni a circuito chiuso, sostenendo un equipaggio di quattro “taikonauti” per un intero anno, fornendo atmosfera respirabile, acqua e cibo nutriente. Sebbene non sia riuscito a chiudere completamente il ciclo del riciclaggio dei rifiuti, questo esperimento ha posto le basi per l’imminente avamposto lunare cinese. I piani pubblicati dalla CNSA prevedono l’inizio della costruzione della International Lunar Research Station (ILRS) negli anni 2030, preceduta da missioni dimostrative, inclusa la stampa 3D di mattoni per l’habitat utilizzando la regolite lunare.
Il programma cinese si basa su un approccio scientificamente robusto e strategicamente finanziato, che beneficia di decenni di ricerca russa nel campo. La Stazione Spaziale Tiangong (TSS) funge da piattaforma di ricerca avanzata, con capacità di produzione di colture e biotecnologie comparabili a quelle terrestri. La Cina ha già compiuto “prime volte” storiche, come il primo sviluppo di embrioni di mammiferi nello spazio e la prima germinazione di semi e crescita di piante sulla superficie lunare. Questi successi hanno solidificato la posizione della Cina come leader indiscusso nello sviluppo di habitat a supporto vitale avanzato per le operazioni nello spazio profondo.
L’attuale programma statunitense, al contrario, non ha piani per ricostruire le strutture e le infrastrutture necessarie, affrontando una sfida pluriennale per riacquisire le capacità perdute.
Le sfide per le missioni nello spazio profondo e il ruolo dei BLiSS
L’ambizione di esplorare lo spazio profondo, al di là dello scudo protettivo dell’orbita terrestre bassa (LEO), introduce sfide di natura esistenziale, tra cui l’esposizione alle radiazioni spaziali. Mentre gli astronauti della ISS in LEO sono parzialmente protetti dalle fasce di Van Allen e dal campo magnetico terrestre, i futuri esploratori diretti alla Luna o a Marte affronteranno livelli di radiazioni molto più elevati. I dati sulla salute umana al di fuori della LEO sono estremamente limitati, il che significa che si sa ancora molto poco sui veri effetti delle radiazioni nello spazio profondo. Questo rimane una delle principali fonti di incertezza.
I BLiSS giocano un ruolo cruciale in questo contesto. Non solo riducono la necessità di rifornimenti logistici, ma i componenti biologici stessi dell’habitat possono offrire una protezione aggiuntiva. Le strutture di un habitat lunare dovranno fornire una schermatura sostanziale per proteggere le piante e gli altri elementi biologici dall’esposizione alle radiazioni, poiché la loro integrità è fondamentale per il funzionamento del sistema. La ricerca su come le piante si comportano nell’ambiente lunare è di vitale importanza, in quanto può fornire intuizioni sulla salute umana e sui meccanismi di resilienza, come la produzione di antiossidanti nutrizionali (vitamine E e C) che altrimenti si degraderebbero rapidamente nello spazio. La NASA, con il suo payload Lunar Effects on Agricultural Flora, sta compiendo un primo passo in questa direzione con la missione Artemis 3, ma il percorso è ancora lungo.
La necessità di un approccio biorigenerativo è anche una questione di pura logistica. Le vaste distanze tra la Terra e la Luna rendono i rifornimenti di aria, cibo e acqua estremamente costosi e complessi, limitando la durata delle missioni. I sistemi BLiSS, ingegnerizzati ecologicamente, sono la soluzione più efficace per riciclare le risorse e permettere la creazione di un avamposto operativo a lungo termine. Questa nuova era di “endurance class” nell’esplorazione spaziale richiede un’integrazione di agricoltura in ambiente controllato (CEA), ingegneria dei bioprocessi spaziali e medicina personalizzata, sfruttando tecnologie emergenti come le “omics”.
Raccomandazioni e il futuro della collaborazione spaziale
Per affrontare queste lacune, gli autori avanzano quattro raccomandazioni principali, che sono in linea con il Decadal Review della NASEM del 2023, la strategia della NASA per la microgravità in LEO e il suo piano Moon-to-Mars.
- Sviluppo di un habitat prototipo. È necessario costruire e operare strutture di test a terra che integrino i sistemi biorigenerativi con le attuali capacità di supporto vitale fisico-chimico (ECLSS). Questo habitat dovrebbe essere funzionale per almeno un anno prima di una missione lunare e mirare a un’operatività di 4-8 anni per raggiungere una piena maturità tecnologica (TRL). Il riciclaggio completo dei rifiuti rappresenta la sfida tecnica più significativa, un’area che può avere dirette ricadute positive sulla sostenibilità terrestre.
- Ricerca biofisica BLiSS e piattaforme di test. La ricerca deve concentrarsi sulla comprensione degli effetti delle radiazioni e della microgravità sui sistemi biologici, con esperimenti controllati che utilizzino la simulazione di gravità parziale (1g). È fondamentale ripristinare la piena utilizzazione scientifica della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) o di future stazioni spaziali commerciali per condurre questa ricerca.
- Integrazione dei sistemi “omics”. L’uso di moderne tecnologie “omics” (genomica, proteomica, metabolomica) è cruciale per monitorare e regolare le prestazioni dei sistemi di supporto vitale. Questo approccio fonde l’agricoltura di precisione, l’ingegneria dei sistemi microbici e la medicina personalizzata, superando le critiche che in passato hanno definito i sistemi biorigenerativi come “scatole nere” difficili da controllare.
- Finanziamento convergente e cooperazione internazionale. Data la natura interdisciplinare e i benefici che si estendono oltre l’esplorazione spaziale, i programmi BLiSS richiedono finanziamenti da una vasta gamma di enti, inclusi il NIH, l’USDA, l’EPA e il Dipartimento della Difesa. Inoltre, la cooperazione internazionale tra i firmatari degli Artemis Accords (AA) e altri partner è indispensabile per accelerare il progresso scientifico e tecnologico. La storia ha dimostrato che le collaborazioni su larga scala, come quelle per la ISS o il telescopio James Webb, sono potenti motori di innovazione.
L’investimento in queste tecnologie non solo assicurerà la leadership americana nelle future missioni lunari, ma avrà anche un impatto immediato sulla Terra. I progressi nella CEA, negli ambienti costruiti per l’uomo e nella medicina di precisione possono essere applicati per risolvere le sfide globali legate alla sostenibilità, all’agricoltura e alla gestione delle risorse. Sviluppare sistemi che supportino gli astronauti su Luna e Marte può contribuire a pratiche sostenibili che affrontano gli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite (SDGs). La prossima grande sfida per l’umanità non è solo raggiungere la Luna, ma imparare a viverci in modo sostenibile, e i BLiSS sono il catalizzatore di questa innovazione.
Cooperazione internazionale e benefici per la Terra
Le recenti alleanze spaziali, come l’International Lunar Research Station (ILRS) guidata dalla Cina e dalla Russia, e gli Artemis Accords (AA), guidati dagli Stati Uniti, sollevano preoccupazioni su un paesaggio geopolitico spaziale sempre più complesso e diviso. L’ILRS è in una posizione strategica per sfruttare l’esperienza russa e l’aumento dei finanziamenti cinesi per il suo programma spaziale. Il budget spaziale della Cina per il 2024 è stato stimato a 19,89 miliardi di dollari, con un aumento del 40,57% rispetto all’anno precedente. Tuttavia, il programma spaziale cinese è integrato con il suo settore della difesa nazionale, rendendo i numeri effettivi non del tutto trasparenti. La spesa totale del governo statunitense per il programma spaziale nel 2024 è stata stimata a 79,68 miliardi di dollari, ma i tagli proposti per il budget della NASA nel 2026 metterebbero a rischio l’esecuzione dei piani strategici del programma Artemis.
Nonostante queste tensioni geopolitiche, l’articolo sottolinea che la comunità spaziale internazionale rimane fortemente orientata alla cooperazione. La collaborazione ha storicamente guidato il progresso scientifico e tecnologico. I programmi di supporto vitale biorigenerativo sono un campo maturo per la cooperazione internazionale. Ad esempio, l’Agenzia spaziale canadese (CSA) e l’Agenzia spaziale europea (ESA) stanno già contribuendo con componenti principali per la bioproduzione agricola per il programma Artemis. La NASA, in quanto agenzia spaziale leader a livello mondiale, dovrebbe assumere un ruolo guida in questi sviluppi, ma la collaborazione internazionale può accelerare notevolmente il ritmo scientifico.
I benefici dei BLISS oltre le missioni spaziali
I benefici dei BLiSS si estendono ben oltre le missioni spaziali. La loro promozione contribuisce ad affrontare le sfide ambientali globali e a sviluppare pratiche sostenibili. L’articolo evidenzia come lo sviluppo di queste tecnologie sia un importante contributo alla risoluzione dei problemi globali degli ecosistemi e si allinei con i 17 obiettivi di sviluppo sostenibile (SDGs) delle Nazioni Unite, adottati anche dall’USAID. Investendo nella ricerca biorigenerativa, in particolare attraverso il programma Moon-to-Mars della NASA, gli Stati Uniti hanno l’opportunità non solo di supportare gli astronauti in ambienti estremi, ma anche di contribuire a pratiche sostenibili sulla Terra. Questo duplice obiettivo garantisce che la nostra ricerca di conoscenza e scoperta nello spazio sia in armonia con la nostra responsabilità di proteggere e migliorare la qualità della vita sul nostro pianeta d’origine. La NASA, che in passato ha catalizzato l’innovazione a beneficio dell’umanità con i programmi Apollo, Shuttle e ISS, ha ora l’opportunità di assicurare la leadership americana nel futuro dell’esplorazione spaziale con un progetto cooperativo per costruire un avamposto umano permanente sulla Luna.
