Come gli astronauti potranno coltivare cibo e piante sulla Luna: serre idroponiche e altre tecnologie NASA

Per trasformare la Luna in una base abitabile permanente dovranno essere concepiti sistemi di produzione di cibo. Attraverso il programma Small Business Innovation Research (SBIR) la NASA sta finanziando startup e piccole imprese per sviluppare tecnologie che permetteranno agli astronauti sulla Luna di essere il più possibile autosufficienti e non dipendere dalla Terra. Mandare cibo e rifornimenti dalla Terra è molto costoso, ma la vera particolarità è nel riuscire ad usare le piante coltivate per produrre ossigeno e riciclare in parte l’anidride carbonica prodotta dagli astronauti.

Negli ultimi anni sono così nate diverse soluzioni per la futura agricoltura lunare: sistemi per distribuire acqua e nutrienti, illuminazione, controllo dell'ambiente, monitoraggio delle piante e camere di coltivazione autonome. La difficoltà è adattare tutti questi sistemi ad un ambiente spaziale a gravità ridotta come quello lunare e renderlo affidabile e operativo a quasi 400 mila chilometri dalla Terra.

Le imprese selezionate dalla NASA per sviluppare sistemi di coltivazione sulla Luna

Partiamo con Space Lab Technologies che sta sviluppando LEAF (Lunar Effects on Agricultural Flora), un piccolo esperimento destinato a studiare direttamente sulla superficie lunare come le piante reagiscono all'ambiente del nostro satellite. LEAF è stato selezionato tra gli esperimenti scientifici per una futura missione Artemis e consiste in una camera di crescita alimentata da pannelli solari, progettata per fornire autonomamente alle piante luce, acqua, nutrienti e atmosfera.

Al suo interno verranno coltivate tre specie: due varietà di Brassica rapa, appartenenti alla famiglia delle Brassicaceae, e una di Arabidopsis thaliana, una pianta molto studiata ed è utilizzata come organismo modello per le scienze vegetali. Le piante cresceranno per circa 3-5 giorni e saranno poi analizzate sulla Terra per studiare gli effetti della gravità lunare e della radiazione sulla fotosintesi e sul loro contenuto nutrizionale.

Dal 2017 Space Lab ha ottenuto 15 contratti NASA (per un valore complessivo di 19 milioni di dollari) sviluppando tecnologie per l'agricoltura spaziale. Tra queste ci sono sistemi per coltivare e raccogliere piante in microgravità e strumenti autonomi per monitorarne lo stato di salute, fino ad arrivare a un progetto preliminare di serra destinato a Marte.

Un approccio differente invece è quello di Interstellar Lab, startup specializzata in sistemi di bio-coltivazione automatizzati e a ciclo chiuso. L'azienda sta sviluppando piccole camere di coltivazione nelle quali temperatura, illuminazione, irrigazione e altre condizioni ambientali possono essere controllate autonomamente. Uno dei suoi progetti, NuCLEUS (Nutritional Closed-Loop Eco-Unit System), è composto da sei camere di crescita modulari e nel 2024 ha vinto il NASA Deep Space Food Challenge, ricevendo il premio finale di 750.000 dollari.

Il concetto alla base di NuCLEUS è particolarmente importante per la Luna: invece di progettare subito una grande serra, si possono utilizzare moduli relativamente piccoli per sperimentare diverse specie vegetali e condizioni di crescita, raccogliendo dati che permettano in seguito di progettare sistemi più grandi e affidabili. L'intelligenza artificiale verrà utilizzata per ottimizzare e controllare autonomamente parametri come temperatura, illuminazione e irrigazione.

L’azienda SafetySpect affronta invece un problema diverso, cioè quello della salute delle piante coltivate in atmosfera protetta. Il sistema utilizza la spettroscopia, analizzando il modo in cui la materia interagisce con la luce per ricavare informazioni sulla sua composizione e individuare specifici biomarcatori. Questi dati vengono poi combinati con algoritmi di machine learning per ricavare modelli e ulteriori dati.

SafetySpect ha sviluppato un dispositivo capace di osservare le piante e identificare segnali precoci di stress, mettendoli in relazione con condizioni ambientali come temperatura, umidità, presenza di patogeni e intensità luminosa. L'azienda sta sviluppando una versione portatile dotata di intelligenza artificiale che permetterà al sistema di funzionare autonomamente grazie a un chip NVIDIA per l'elaborazione dei dati direttamente da remoto, senza bisogno di avere un diretto controllo da parte degli scienziati.

Gli esperimenti per cibo e ossigeno già attivi a bordo dell’ISS

La NASA da diversi anni ha già fatto crescere a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) lattuga, ravanelli, pomodori, senape, cavolo cinese e altre specie. Alcune sono state selezionate proprio perché hanno un ciclo relativamente rapido, possiedono un apparato fogliare e radicale ridotto e possono fornire micronutrienti importanti.

Il Veggie, installato sulla ISS nel 2014, è una camera di coltivazione relativamente compatta che utilizza LED e piccoli supporti contenenti un substrato a base di argilla e fertilizzante. Ogni unità può contenere circa sei piante. L'acqua viene distribuita attraverso il substrato sfruttando l'azione capillare, evitando che in microgravità le radici rimangano completamente sommerse o, al contrario, senza acqua.

La generazione successiva è l'APH (Advanced Plant Habitat), una struttura molto più sofisticata e automatizzata. È la più grande struttura di coltivazione indoor completamente automatizzata e a circuito chiuso presente sulla ISS. Installata nel 2018, praticamente è una vera e propria camera di crescita completamente isolata (cioè può ricreare una particolare condizione atmosferica al suo interno), dotata di illuminazione LED e di un substrato poroso di argilla che fornisce alle radici acqua, nutrienti e ossigeno.

Il sistema possiede oltre 180 sensori e può controllare parametri come temperatura, umidità, concentrazione di CO₂, ossigeno, illuminazione e condizioni della zona radicale. Può inoltre condurre esperimenti della durata di 135 giorni con un intervento minimo dell'equipaggio.

Un sistema ecologico completo per ridurre la dipendenza degli astronauti dalla Terra

Qui entra in gioco anche l'ESA con il programma MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative). Ovvero l'obiettivo è sviluppare un sistema biologico chiuso capace di trasformare rifiuti organici, CO₂ e altri prodotti di scarto in risorse nuovamente utilizzabili, sfruttando batteri, alghe e piante. Nel modello MELiSSA le piante rappresentano uno dei compartimenti fondamentali: possono contribuire alla produzione di cibo e ossigeno e alla purificazione dell'acqua, mentre altri microrganismi trasformano i rifiuti in nutrienti riutilizzabili. È un esempio di come, in futuro, una base spaziale potrebbe avere un sistema di produzione cibo che funzioni anche come sistema di supporto vitale conosciuto come BLSS (Bioregenerative Life Support System), cioè capace di generare ossigeno e riciclareacqua e anidride carbonica.

Il riciclo bio-rigenerativo alla base del progetto MELiSSA è già stato studiato anche in esperimenti sulla ISS, dove l'ESA ha testato sistemi basati sull'alga Arthrospira, conosciuta comunemente come alga spirulina. Questo microrganismo è interessante perché in uno spazio relativamente ridotto di coltivazione può consumare CO₂, produrre ossigeno e, se coltivato correttamente, fornire biomassa commestibile ricca di proteine.

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