Cibo Spaziale – Come Nutriremo la Prossima Ondata di Pionieri dell’Umanità?

Un Nuovo Tipo di Esplorazione Spaziale

Dopo diversi decenni di stagnazione dopo l’atterraggio sulla Luna, una nuova corsa allo spazio si sta intensificando. Il fattore scatenante è stato l’eccezionale successo di SpaceX (SPCX ) nella creazione di un razzo riutilizzabile, che ha ridotto il costo di lancio in orbita di un ordine di grandezza. Con il più recente veicolo di lancio, Starship, in fase di test, i costi dovrebbero diminuire ulteriormente.

Fonte: Visual Capitalist

SpaceX può essere l’azienda spaziale più impressionante, ma molte altre le stanno seguendo – incluse varie aziende cinesi di razzi, sia private che statali.

Nel contempo, la NASA e i suoi partner pianificano di tornare sulla Luna e di stabilire una base permanente lì; anche Cina e Russia hanno ambizioni simili. Nel prossimo decennio, SpaceX intende vedere i primi uomini camminare su Marte.

Quindi, è quasi certo che vedremo molti più astronauti nei prossimi decenni rispetto all’età d’oro dell’esplorazione spaziale. Contrariamente agli anni ’60, vivranno nello spazio in habitat distanti, non solo viaggiando per pochi giorni sulla Luna o soggiornando in stazioni spaziali in orbita terrestre bassa.

Ciò significa più persone, più lontano, e nel caso di Marte, mesi di viaggio. Tutto ciò comporta la necessità di fornire loro consumabili costosi. Questo inclina l’economia della fornitura degli astronauti verso la produzione di ciò di cui hanno bisogno in loco. La stampa 3D giocherà probabilmente un ruolo importante nel fornire parti di ricambio. E il cibo dovrà essere almeno parzialmente coltivato in loco.

Oltre ai costi, coltivare cibo fresco in loco aiuterà anche a mantenere gli astronauti in buona salute fornendo vitamine C di alta qualità e alimenti ricchi di antiossidanti utili a ridurre il pericolo delle radiazioni dei raggi cosmici e delle tempeste solari.

Prototipi di Cibo Spaziale

Non è un concetto nuovo, e la NASA e altre agenzie spaziali hanno investigato queste idee per diversi decenni. Tuttavia, la mancanza di spazio sulla ISS significa che, per ora, solo il progetto pilota e il prototipo sono stati testati, e non ci sono piani attuali per produrre una quantità significativa di cibo nello spazio.

Concetto Testato #1: Coltivazione di Piante in Aeroponica

Coltivando piante senza suolo o acqua, l’aeroponica è un metodo che sembra particolarmente adatto alle condizioni di assenza di peso come le stazioni spaziali, dove liquidi e polvere sono problemi seri che possono causare cortocircuiti e incendi. Puoi leggere di più su come funziona l’aeroponica e come è già utilizzata sulla Terra nel nostro articolo “Aeroponica – Tutto quello che devi sapere“.

L’aeroponica è particolarmente efficiente nel coltivare prodotti freschi in tempi record e con spazio limitato, rendendola ideale per le condizioni anguste di una navicella verso Marte o di una stazione spaziale in orbita.

Può anche coltivare colture radicali ad alta densità energetica, come le patate, che sono facili da mangiare senza una cottura troppo complessa, a differenza dei cereali.

Un prototipo è già stato testato sulla ISS nell’ambito del programma dimostrativo tecnologico eXposed Root On-Orbit Test System (XROOTS).

Fonte: NASA

Sistemi simili potrebbero coltivare prodotti freschi per gli astronauti durante viaggi lunghi, come i 6-18 mesi verso Marte (a seconda del sistema di propulsione). Questi potrebbero includere il già testato Veggie (Sistema di Produzione Vegetale), Veggie PONDS e Plant Habitat-04 (PH-04), che ha coltivato con successo una varietà di piante, tra cui tre tipi di lattuga, cavolo cinese, senape mizuna, cavolo riccio russo rosso, fiori di zinnia, grano e peperoni.

Concetto Testato #2: Microrganismi in Contenitori

Il programma Biological Research in Canisters (BRIC) era un’iniziativa per studiare gli effetti dello spazio su organismi abbastanza piccoli da crescere in piastre di Petri, come lievito e microbi. Ma tale metodo di crescita sottrarrebbe substrati ricchi di energia dalla Terra per trasformarli in qualcosa di commestibile.

Una versione aggiornata, BRIC-LED, è l’ultima versione, che utilizza diodi a emissione luminosa (LED) aggiunti per supportare la biologia, come piante, muschi, alghe e cianobatteri che hanno bisogno di luce per produrre il loro cibo. Pannelli solari o reattori nucleari potrebbero alimentare tali lampade LED (simili a quelle usate nell’aeroponica) e consentire la coltivazione di cibo in loco.

Concetto Testato #3: Serre Spaziali Gonfiabili

La NASA ha anche sviluppato il concetto di serre idroponiche gonfiabili, con un prototipo lungo 18 piedi, largo 7 piedi e diametro di 3 pollici testato dal Controlled Environment Agriculture Center dell’Università dell’Arizona.

Fonte: Inside Hook

Il funzionamento della serra gonfiabile segue il principio dell’idroponica, qualcosa che puoi apprendere nel nostro articolo dedicato “Idroponica – Tutto quello che devi sapere“.

Per i primi passi della colonia, serre pieghevoli o gonfiabili sarebbero probabilmente una buona opzione per risparmiare massa e spazio nelle navi di trasporto.

Sistemi Futuri di Cibo Spaziale

È necessario distinguere la questione della coltivazione di cibo nello spazio a seconda dell’ambiente, con le 3 principali situazioni possibili che sono stazioni/spaziali, basi lunari e basi marziane.

Ciò crea vincoli unici che modelleranno la possibilità di sistemi alimentari in ciascun ambiente in modo diverso.

Orbita e Spazio Profondo

A causa dello spazio, ma anche dei vincoli di peso (una nave più pesante sprecherebbe carburante), le navicelle e le stazioni spaziali difficilmente coltiveranno tutto il loro cibo. È più probabile che l’equipaggio si rifornisca quando è in orbita terrestre. Tuttavia, potrebbero coltivare una quantità limitata di cibo fresco come verdure a foglia o microalghe.

Le microalghe sarebbero particolarmente interessanti se si scopre che il modo migliore per proteggere l’equipaggio di una nave in viaggio verso Marte è uno spesso strato d’acqua (alcune stime valutano che sarebbe necessario uno strato d’acqua di 1 metro di profondità per proteggere l’equipaggio dalle radiazioni cosmiche e dalle temporanee tempeste solari).

Quindi potremmo vedere ogni navicella e stazione spaziale in orbita intorno a Marte dotata di una stanza rifugio contro le radiazioni che utilizza molta acqua. Sarebbe quindi sensato usare quell’acqua anche per coltivare cibo.

Tali sistemi sono già ben compresi e utilizzati per esperimenti di laboratorio, e progetti come BRIC-LED mostrano come adattarli allo spazio e all’assenza di peso.

Fonte: MDPI

Come bonus, l’aria limitata disponibile richiede anche un ampio riciclo, a cui le piante o le alghe produttrici di ossigeno potrebbero contribuire.

Basi Lunari

Grazie alla possibilità di portare moduli prefabbricati o materiale per la stampa 3D dalla Terra vicina, lo spazio è molto meno un problema. Si prevede inoltre che la Luna abbia a disposizione dell’acqua in loco, quindi la coltivazione non richiederebbe di trasportare tonnellate di liquidi pesanti oltre ai fertilizzanti per avviare la coltivazione in orbita.

Ciò rende l’idea di una base lunare completamente autonoma, almeno finché la popolazione è nell’ordine delle centinaia o migliaia, fattibile.

Questo sarebbe anche un ottimo banco di prova per tutti i metodi di produzione alimentare successivamente richiesti su Marte. Se, in qualche modo, un’intera coltura fallisse, ottenere rifornimenti alimentari di emergenza dalla Terra a 3 giorni di distanza non sarebbe un problema.

Tuttavia, la Luna è unica in alcuni aspetti. La notte può durare molto a lungo, rendendo impossibile l’idea di serre a cupola che si affidano alla luce naturale. Per lo stesso motivo, i reattori nucleari probabilmente dovranno fornire energia al posto dei pannelli solari.

Non ha inoltre alcuna atmosfera, riducendo la possibilità di ottenere CO2 gratuito e bilanciare l’ossigeno in eccesso. Quindi, ogni sistema alimentare lunare dovrà essere un ciclo perfettamente chiuso.

Tuttavia, la Luna ha gravità (1/6 di quella terrestre), rendendo l’idroponica o anche l’acquaponica un’opzione valida per fornire colture e persino carne agli astronauti in modo meno laborioso rispetto all’aeroponica. Puoi leggere come l’acquaponica può mescolare acquacoltura e idroponica nello stesso sistema nel nostro articolo “Acquaponica – Tutto quello che devi sapere“.

Scenari di Agricoltura Lunare

I prodotti freschi saranno probabilmente coltivati localmente per fornire una spinta di vitamine e morale agli astronauti.

Non è ancora chiaro quale sarà la maggior parte delle calorie (proteine e carboidrati). In definitiva, l’economia deciderà se solo una parte o tutto il cibo dei residenti lunari sarà prodotto in loco.

• Se è più economico portarlo dalla Terra in grandi quantità piuttosto che costruire strutture di coltivazione massive, solo i prodotti freschi saranno coltivati sulla Luna.
• In alternativa, se si rivela proibitivamente costoso, fattorie semi-automatizzate di aeroponica con patate, fagioli e cereali potrebbero essere la soluzione per ridurre i costi operativi delle basi lunari.

Basi Marziane

Marte è estremamente lontano dalla Terra. Produrre cibo localmente sarà sia una necessità economica sia una soluzione al rischio di sicurezza.

Questo è stato brillantemente illustrato in il libro di Andy Weir The Martian, successivamente adattato in un film con Matt Damon, dove un astronauta bloccato ricorre a una coltivazione improvvisata di patate per sopravvivere. E il pericolo più grande che affronta non è la radiazione, la mancanza d’aria o il freddo, ma la fame.

Fonte: Modern Farmer

L’obiettivo delle basi marziane è anche diverso da quello della Luna. L’obiettivo finale è una colonizzazione a tutti gli effetti. Quindi, se una popolazione di qualche decina o centinaio di astronauti potesse essere sostenuta a grande costo dalla Terra, decine di migliaia o milioni non potrebbero mai esserlo.

Ciò significa che Marte dovrà essere completamente autonomo nella produzione di cibo.

Gli stessi tipi di coltivazione della Luna sono possibili: idroponica o acquaponica su larga scala. Ma poiché Marte ha un’atmosfera e un giorno che dura quasi esattamente 24 ore, è anche possibile costruire serre di superficie e raccogliere la CO2 di cui le piante hanno bisogno dall’atmosfera sottile mentre si estrae ghiaccio per l’acqua.

È anche molto probabile che Marte abbia, come la Terra, depositi locali di fosforo, azoto e potassio che possono essere estratti e sono necessari per l’agricoltura intensiva.

Queste serre devono essere riscaldate, fertilizzate e ermetiche, ma forniranno un metodo di coltivazione molto più efficiente, resiliente e meno dispendioso in termini di energia.

Rendere Marte Fertile

Potrebbe anche favorire l’agricoltura marziana coltivare direttamente nel suolo, richiedendo meno macchinari rispetto all’idroponica. Questo libererebbe attrezzature, manodopera e risorse per altri usi.

Un problema da risolvere è che il suolo marziano (regolite) è ricco di perossido di idrogeno (H2O2). Questa sostanza altamente ossidante può uccidere piante e batteri, specialmente alle concentrazioni trovate su Marte.

Fortunatamente, il perossido può anche essere usato per produrre ossigeno. Questo è stato dimostrato grazie al Esperimento di Utilizzo delle Risorse In Situ dell’Ossigeno di Marte (MOXIE) testato sul rover Perseverance. Quindi possiamo facilmente immaginare future missioni che “estraggono” regolite per creare ossigeno per gli astronauti, così come per essere usato come carburante per razzi.

E poi, usando questa regolite trattata, priva di perossido, si trasforma in suolo fertile per le serre.

Un’altra opzione potrebbe creare stagni artificiali, magari sopra piccoli crateri, dove alghe, conchiglie d’acqua dolce e pesci potrebbero crescere “in libertà” con manutenzione minima, semplicemente mantenendo le cupole delle serre calde ed ermetiche.

Altre Tecnologie di Cibo Spaziale

Finora, abbiamo principalmente discusso della coltivazione di cibo tramite aeroponica, idroponica e acquaponica, così come serre sigillate. Ma altre opzioni potrebbero essere esplorate. Una di queste è il cibo sintetico.

Nel 2021, scienziati cinesi hanno sviluppato il primo metodo per la sintesi artificiale, senza cellule, di amido (C6H10O5) dal CO2. Considerando che l’amido è il principale componente calorico di cereali come riso, mais e frumento, questo merita attenzione. E, a proposito, l’atmosfera di Marte è al 95% CO2.

Fonte: Science.org

Il sistema ha utilizzato un catalizzatore a base di zirconio e ha raggiunto un tasso di sintesi circa 8,5 volte superiore rispetto alla sintesi di amido nel mais.

Quindi, potremmo immaginare un modulo integrato e automatizzato che sintetizza amido continuamente, letteralmente dall’aria. Questo potrebbe fornire la maggior parte delle calorie necessarie per mangimi animali o alimenti di base umani, con l’agricoltura tradizionale che si concentra solo su cibi di alta qualità e ricchi di vitamine.

In ogni caso, possiamo immaginare tali sistemi operare autonomamente prima che qualsiasi astronauta atterri su Marte, per creare in loco e prima di un atterraggio una grande scorta di calorie per evitare uno scenario come in The Martian.

Esistono anche altre opzioni, in particolare altri tipi di cibo sintetico, inclusi proteine (vedi sotto Solein di Solar Foods), o carne coltivata in laboratorio, o sostituti della carne come una carne a base di funghi testata sulla ISS nel 2022, prodotta dall’azienda Nature’s Fynd.

Aziende di Cibo Spaziale

1. Aleph Farms

Aleph Farm ha realizzato la crescita del primo esperimento di carne coltivata (bistecca) in microgravità a bordo della ISS durante la Missione Rakia. Poiché qualsiasi forma di allevamento potrebbe essere impossibile nelle fasi iniziali della colonizzazione spaziale, la carne sarà probabilmente prodotta solo tramite questo tipo di metodo.

Avendo già testato il processo in microgravità, Aleph Farms è in vantaggio rispetto alla maggior parte delle altre aziende di carne coltivata nel mercato del cibo spaziale. Israele ha approvato i suoi prodotti di carne per la commercializzazione nel 2024.

L’azienda sta anche lavorando alla produzione di collagene senza risate, un ingrediente chiave in molti prodotti alimentari, cosmetici e medici.

2. Solar Foods

Questa azienda mira a “produrre cibo dall’aria”. Ha raccolto 8 milioni di euro alla fine del 2023 per perseguire questo obiettivo.

Il concetto è utilizzare l’elettricità per scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno e impiegare l’idrogeno, insieme al CO2 atmosferico e ai nutrienti minerali, per nutrire microrganismi che produrranno una polvere secca composta al 70% da proteine.

Commercializzata sotto il marchio Solein, questa fonte proteica contenente tutti i 9 aminoacidi essenziali può essere incorporata in altri ingredienti per creare una fonte nutrizionale molto densa.

Fonte: Solar Foods

L’azienda mira esplicitamente al mercato dell’esplorazione spaziale. Tuttavia, prevede anche che a lungo termine potrebbe rivoluzionare la produzione alimentare sulla Terra, poiché offre una fonte proteica che converte energia in proteine in modo molto efficiente.

“Nutriamo il microbo come nutriremmo una pianta, ma invece di innaffiarlo e fertilizzarlo, usiamo solo aria ed elettricità. Con il nostro processo attuale, è 20 volte più efficiente della fotosintesi (e 200 volte più della carne).”

Solar Foods ha ricevuto la prima approvazione normativa per alimenti novel per Solein dall’Agenzia Alimentare di Singapore (SFA) nel settembre 2022.

Adattare per il Cibo Spaziale

Nel corso della storia, la coltivazione del cibo e la nutrizione sono state costrette ad adattarsi al loro ambiente. Questo è stato vero per gli agricoltori che coltivavano riso su terrazze in Asia e per i popoli Inuit che dipendono quasi esclusivamente da una dieta a base di carne.

Lo spazio non sarà diverso, sebbene avrà la caratteristica unica di non avere assolutamente fertilità naturale o ecosistemi selvaggi. Ciò significa che qualsiasi produzione alimentare basata nello spazio dipenderà interamente da macchine o ecosistemi progettati da zero dagli esseri umani.

Sistemi altamente compatti ed efficienti come il cibo sintetico o l’aeroponica probabilmente domineranno negli ambienti più ostili, come nelle navicelle o sulla Luna priva d’aria.

Su pianeti come Marte, qualcosa di più simile all’agricoltura tradizionale potrebbe essere possibile. La luce solare naturale lavorerebbe insieme alle luci LED e a sistemi agricoli ultra efficienti all’interno di serre ermetiche e riscaldate.

Come spesso accade con le tecnologie spaziali, questo concetto potrebbe avere anche un impatto enorme sulla Terra. Le nostre vite quotidiane utilizzano già tecnologie inizialmente sviluppate per lo spazio, come filtri d’acqua, microchip, utensili senza fili, lenti antigraffio o rilevatori di fumo.

È possibile che tra qualche decennio, amido e proteine sintetici, fattorie aeroponiche automatizzate e serre ultra efficienti da impiegare in regioni desertiche e nell’Artico saranno aggiunti a questa lista.