melissa: ¿el futuro de la exploración espacial?
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TRABAJO DE INVESTIGACIÓN IES MONTSERRAT 5 DE NOVIEMBRE DEL 2014
AUTOR: TOMÁS HUDSON VERGARA DIRIGIDO POR: ERNEST TOMÁS Y MARTA ESPINÓS
MELiSSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN
ESPACIAL?
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
1
ÍNDICE
0. Preámbulo……………………………………………………………………….3
1. Qué es un Environmental Control and Life Support System..4
2. Problemas que deben resolver los ECLSS…………………….…4
2.1. Comida……………………………………………………………….............4
2.2. Agua…………………………………………………………………………...7
2.3. Aire…………………………………………………………………………….8
2.4. Temperatura y presión……………………………………………………...10
2.5. Peligros exteriores…………………………………………………………..12
3. Proyecto MELiSSA……………………………………………….………...14
3.1. Proyecto MELiSSA………………………………………………………….14
3.2. Concepto MELiSSA…………………………………………………………14
3.3. Proyecto Piloto……………………………………………………………….15
3.4. Descripción detallada del Proyecto Piloto………………………………...15
3.4.1. Compartimento I………………………………………………………15
3.4.2. Compartimento II……………………………………………………..16
3.4.3. Compartimento III…………………………………………………….17
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
2
3.4.4. Compartimento IV……………………………………………………17
3.4.5. Compartimento V……………………………………………………..19
3.5. Preparación del proyecto piloto……………………………………………20
4. Cálculo de la viabilidad del proyecto MELiSSA…………………23
4.1. Cálculos Ratas/Humanos…………………………………………………..23
4.2. Resolución de la hipótesis………………………………………………….25
4.2.1. O2………………………………………………………………………26
4.2.2. Comida………………………………………………………………...30
4.2.3. Agua……………………………………………………………………32
5. Cuestionario……………………………………………………………….…33
6. Conclusión…………………………………………………………………….33
7. Infografía..……………………………………………………………………..35
8. Referencias bibliográficas y webgrafía……………………………40
9. Lista de acrónimos…………………………………………………………42
10. Agradecimientos………………………………………………………...44
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
3
0. Preámbulo
Durante mi etapa final de estudios secundarios, me han propuesto realizar un
trabajo de investigación sobre un tema a escoger libremente. Debido a que mi
madre ha estado asesorando en un proyecto, Micro-Ecological Life Support
System Alternative) (MELISSA), que tiene como objetivo hacer viables los
viajes de larga duración en el espacio mediante un ecosistema regenerativo
emulando al de un lago, he decidido investigar sobre el asunto, ya que opino
que un viaje a otro planeta podría ser uno de los avances tecnológicos más
grandes que yo pueda presenciar en mi vida.
Por eso, durante los siguientes 6 meses elaboraré un trabajo de investigación
donde intentaré comprobar si los viajes de larga duración en el espacio son
viables y si la respuesta está realmente en el proyecto MELiSSA.
Durante los últimos 15 años, varias agencias espaciales como la NASA
(National Aeronautics and Space Administration), la ESA (European Space
Agency) la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), la RSA (Russian
Space Agency) o la CSA (Canadian Space Agency) han estado investigando
como mejorar el sistema de soporte vital de sus naves. El mayor problema que
tienen las agencias espaciales en cuanto a viajes espaciales es reducir la
masa de consumibles metabólicos (agua, comida, oxígeno, etc.), ya que
supondría una carga de 33000 kg por año para una tripulación de 3
astronautas.
Todos coinciden en que el sistema ideal sería un sistema regenerativo, es
decir, uno que utilice los desechos naturales que produzca para generar los
consumibles metabólicos que consuma, recreando, por tanto, el ciclo de la vida
en la biosfera terrestre. El objetivo final de estos estudios es diseñar sistemas
cerrados (es decir, donde se reciclen completamente los de gases, líquidos y
sólidos.
En este trabajo he investigado sobre el proyecto más puntero en este campo: el
proyecto MELiSSA, coordinado por la ESA y llevado a cabo en la Escuela
Técnica Superior de Ingeniería (ETSE) en la Universidad Autónoma de
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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Barcelona (UAB). Esta investigación ha incluido una visita a las instalaciones y
hablar con sus responsables.
En cuanto a la parte práctica del trabajo, he realizado unos cálculos de la
efectividad del sistema, los detalles de los cuales se mencionan más adelante
en el trabajo.
Este trabajo me ha servido para aprender sobre los sistemas de soporte vital y
todo lo que comporta, además de conocer mejor cómo funciona el ciclo del
agua, del aire y de la comida en nuestro paneta.
1. Qué es un Environmental Control and Life
Support System (ECLSS)
Una parte esencial para que el ser humano pueda algún día llegar a pisar otro
planeta es poder reproducir las condiciones a las que estamos sometidos en la
Tierra, primero en la nave y posteriormente en el planeta destino. Para ello se
necesita un sistema que proporcione comida, agua, aire para respirar, una
temperatura corporal adecuada, una presión correcta sobre el cuerpo y que
proteja de peligros exteriores como la radiación o los micrometeroides. La
NASA y muchas otras compañías de vuelo espacial privadas usan el acrónimo
ECLSS (Environmental Control and Life Support System) para describir estos
sistemas, pese que también se puede usar la variante en español: Sistemas de
Soporte vital o SSV.
2. Problemas que deben resolver los ECLSS
Estos sistemas tienen que proporcionar todos los elementos que permiten la
vida y así han de contemplar los siguientes componentes:
2.1 Comida
Una parte necesaria para mantener vivos y en un estado saludable a los
astronautas de futuras misiones de larga duración es mantenerles bien
nutridos. Sin una tripulación bien alimentada no se pueden llevar a cabo ni
experimentos científicos ni trabajos de mantenimiento de la nave.
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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El problema de alimentar bien a la tripulación de un viaje largo ha existido
desde que los humanos han hecho viajes más largos que lo que perduran los
alimentos frescos.
El principal problema que tenían los piratas y navegantes del pasado era el
escorbuto, una enfermedad que se da por falta de vitamina C, ya que en esa
época era común que los marineros subsistiesen con dietas en las que no
figuraban frutas frescas ni hortalizas (reemplazando estas con granos secos y
carne salada). Esto causaba la pérdida de dientes, hemorragias internas, la
mala cicatrización de heridas, y la muerte. Esta enfermedad ha estado
documentada en marineros y soldados desde el año 450 AC hasta finales del
siglo XX, y ha sido la mayor causa de muerte entre los hombres de estas
profesiones, a parte de la muerte en combate.
Es improbable que esto pase ahora con nuestros astronautas pese a que
hagan largas travesías espaciales, ya que existen suplementos vitamínicos que
pueden contrarrestar la falta de vitaminas en la comida de la tripulación de la
nave.
Pese a esto, un estudio conjunto reciente de la NASA y la Universidad de
Berkeley (1) nos muestra que, los astronautas que tripulan misiones de una
duración larga (128-190 días) sufren pérdidas de masa ósea, una deficiencia
de vitamina D por la falta de contacto con la luz solar, una disminución en la
concentración del magnesio y el fósforo en la orina, una deficiencia de
aproximadamente un 20% en cuanto a la energía en la ingesta recomendada
(según los parámetros de la OMS [Organización Mundial de la Salud]) y estrés
oxidativo en los huesos.
En cuanto a la pérdida de masa ósea, se debe, al menos en parte, a la falta de
vitamina D, que es la que nos permite absorber el calcio de los alimentos y
mantener unos niveles de densidad ósea normales. También se debe a la falta
de ejercicio en las piernas, ya que los astronautas están flotando cuando están
en órbita. Esto es un grave problema frente a un futuro aterrizaje en otro
planeta, ya que la atrofia muscular podría significar la inmovilidad en un campo
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gravitatorio donde flotar es imposible, como sería el de Marte, que es de 3.7
m/s2 es decir, 38% de la gravedad terrestre y el doble que la gravedad lunar.
Por suerte, el estudio muestra también que tras retomar el ejercicio en las
extremidades inferiores (andar, correr, saltar, etc.) la formación ósea mejora
con rapidez.
La ausencia de la luz solar y la disminución en la ingesta de carbohidratos son
las causas de la falta de vitamina D. Por eso los astronautas reportan un uso
de suplementos vitamínicos de 5.7±4 veces por semana. Esta falta de vitamina
D pese al uso de suplementos es algo que se tendría que resolver de cara
futuras misiones.
La disminución de magnesio y fósforo en la orina es algo que preocupa a las
agencias espaciales, ya que el magnesio es muy necesario en la prevención de
la formación de piedras en el riñón. Esto podría ocasionar un problema muy
grave, ya que si un miembro de la tripulación de una nave interplanetaria sufre
de piedras en el riñón durante el viaje no habrá manera de ayudarle y tendrá
que soportar el dolor, lo cual le haría inservible. Esto podría solucionarse
diseñando una dieta con más magnesio y fósforo, o con el uso de más
suplementos.
Finalmente, preocupa mucho el incremento de estrés oxidativo en los
astronautas de la Estación Espacial Internacional (International Space Station,
ISS) que están ahí durante más de dos meses. La radiación y la hiperoxia son
los causantes de este estrés. Al estar en un ambiente con un aire con una
concentración de oxígeno superior al de la Tierra, el cuerpo sufre mucho más
del efecto oxidante del aire, lo cual causa daño a nivel celular, que en
consecuencia puede causar o agravar enfermedades cardiovasculares,
tumorales, neurodegenerativas y diabetes.
Por otra parte, la comida supone una de las mayores cargas a la nave ya que
los astronautas masculinos deben consumir 2538,17 kcal por día y las
astronautas 1668,09 kcal por día (2).
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Por esa razón el proyecto MELiSSA propone la obtención de comida a bordo
de la nave, mediante el cultivo hidropónico de plantas comestibles que además
contribuirán a la producción de oxígeno.
2.2 Agua
El agua es absolutamente necesaria para la vida humana: tras 3 días sin agua,
el cuerpo humano deja de funcionar. En el espacio, no es fácil repostar agua,
así que es necesario encontrar formas de reciclar el agua que se gasta
(mediante pérdidas en la orina, el sudor, la respiración y las heces) para
volverla a utilizar para consumo humano.
El cuerpo de una persona adulta requiere, bajo una temperatura y un trabajo
moderados, unos 2,6 litros de agua para estar hidratado, según la OMS. La
falta de agua en el cuerpo causa la deshidratación. Ésta puede presentar
diferentes grados de severidad dependiendo del porcentaje de peso perdido en
fluidos excretados no repuestos. La deshidratación afecta el rendimiento del
cuerpo humano y puede llevar hasta el punto de la muerte (Fig. 1) (3).
Figura 1: Relación entre el rendimiento del cuerpo humano y el grado de deshidratación
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1% 2% 3% 4% 5% 6% 7%
Rendimiento
Zona de peligro
Grado de deshidratación
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La Estación Espacial Internacional recicla un 93% del agua que usan los
astronautas, con un sistema que refina el agua usada por los astronautas al
defecar y orinar, que son unos 6000 litros de agua al año. Pero a pesar de este
importante reciclado, el agua se ha de transportar a bordo de la nave y
recargar mediante naves rusas Progress (4).
La ESA se propone reciclar el 100% del agua mediante varios filtros y
biorreactores, ya que será imposible recargar en viajes fuera de la órbita
terrestre (5).
2.3 Aire
Nadie puede cuestionar la necesidad del aire para la existencia de vida
humana. De hecho, el cuerpo humano necesita 0,84 kg de oxígeno al día, y
produce 1 kg de CO2 (6). 3 minutos sin oxígeno en el cerebro causa daños
irreparables o la muerte.
Pero la falta de oxígeno no es el único problema que tienen los que están
encargados de controlar la atmósfera en la nave, también tienen que regular
los niveles de vapor de agua, H2, CO2, y nitrógeno. En el espacio no hay estos
gases, y las agencias espaciales usan varios métodos para mantener los
niveles ideales para que el aire de la nave sea respirable. Para trayectos
cortos, se utilizan bombonas de Oxígeno y se va introduciendo O2 en la nave a
medida que el CO2 es expulsado (4).
En la ISS se usa la electrolisis (2H2O + Carga Eléctrica → 2H2 + O2) para
generar O2, y ya que es peligroso guardar hidrógeno H2 en una nave por su
gran inflamabilidad, éste es expulsado. El problema de esta técnica es que no
hay un sistema de producción de agua puesta en marcha, así que necesitan
reabastecimiento de agua de parte de las naves rusas Progress. En el futuro,
para viajes de larga duración, se podría usar la reacción de Sabatier (4H2 +
CO2 → 2H2O + CH4), donde se haría reaccionar el hidrógeno resultante de la
electrólisis y el dióxido de carbono espirado por la tripulación para crear agua y
metano. El agua se podría usar para ingerir o para generar más oxígeno y el
metano, que ahora se expulsaría, pero que también podría servir en el futuro
como combustible para la nave o para introducirlo en el ciclo de producción de
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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alimentos (4). Esta no es la técnica que usa el proyecto MELiSSA, que propone
el uso de una mezcla de algas y plantas para producir O2 y reciclar el 100%
del CO2 (5).
Para regular los niveles de CO2, la ISS utiliza el CDRA (Carbon Dioxide
Removal System, o Sistema de Eliminación del Dióxido de Carbono), que
absorbe el CO2 para expulsarlo por la borda (Fig. 2). Para absorber el gas
emplea un mineral llamado zeolita (Fig. 3). Este mineral, también llamado
colador molecular, se hace polvo y se pone en un filtro, y al pasar el aire de los
ventiladores, el CO2 y el vapor de agua se quedan atrapados en los microporos
de la zeolita. Cuando está saturado el filtro, se puede rehabilitar calentándolo y
exponiéndolo al vacío del espacio (7).
El nitrógeno es inerte y no supone ningún peligro para la tripulación y ayuda a
mantener la presión atmosférica de la nave a 1 atmósfera. Pese a esto, cuando
los astronautas van a hacer actividades extravehiculares, como la presión en
los trajes espaciales es mucho menor que la atmosférica ya que está lleno de
oxígeno puro, los cosmonautas se purgan de nitrógeno para prevenir la
embolia gaseosa (síndrome de descompresión) (25).
Fig. 2. Sistema CDRA usado a bordo de la ISS Fig. 3. Composición de la
Zeolita
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2.4 Temperatura y presión
La temperatura corporal ideal es de 36,12ºC a 37,6ºC. Una temperatura
corporal menor que 35ºC puede causar la muerte, y una temperatura superior a
41ºC también. La temperatura que se mantendrá en la nave será de alrededor
de unos 22ºC (2).
En la tierra, las temperaturas varían de -60ºC a 50ºC durante el año en los
puntos más fríos y más calurosos del planeta, pero en el espacio varían de
-157ºC a 121ºC en la órbita terrestre dependiendo de si da el sol sobre la nave
o no. Para amortiguar el contraste en temperatura, la NASA ha diseñado un
sistema regulador de temperatura, que consta de 2 partes principales, un
sistema de aislamiento y un sistema de refrigeración (8).
Aislar un vehículo o una casa en la Tierra es simple, ya que se usa un material
con bajo coeficiente de conductividad térmica, como el poliestireno expandido y
el aire atrapado en él, para oponerse al paso de calor mediante la convección o
la conducción. En el espacio no hay aire, y por tanto la convección no existe,
pero sí la radiación en forma de rayos infrarrojos. Para poder mantener la
temperatura de la nave constante, por tanto, los ingenieros de la NASA han
elaborado una especie de manta llamada MLI (Multi Layer Insulation o aislador
multicapa) (Fig. 4), hecha de Mylar, un plástico aluminizado o recubierto de oro
o plata, muy reflectante que refleja los rayos de sol y que por tanto no se
calienta. Además tampoco deja salir los rayos infrarrojos emitidos en el interior
de la nave, manteniéndola caliente (9).
Sin embargo, este sistema conlleva el peligro de que se sobrecaliente el interior
de la nave, ya que el MLI no deja irradiar el calor producido por las máquinas y
las personas en el interior de la nave al espacio. Para solucionar este
problema, también se han instalado unos radiadores que transportan el calor
que radian las máquinas de a bordo hacia el exterior mediante una serie de
tubos. Este sistema se compone de dos componentes:
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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El primero es un circuito de tubos rellenos de agua que absorben el
calor de las maquinas y las enfría para evitar averías. La temperatura
exterior es de -157ºC, y por tanto el agua en los tubos se congelaría en
segundos, estropeando el sistema de refrigeración. Por eso se
transfiere el calor a un segundo sistema de tubos, que esta relleno de
amoniaco, que tiene una temperatura de congelación de -77ºC, pero
tarda mucho en bajar de temperatura, y por tanto no tiene tiempo de
congelarse. Estos tubos transfieren la energía térmica a unos
radiadores que la radian al espacio.
Este segundo componente está compuesto de dos radiadores (Fig. 5)
que están hechos de paneles de aluminio copiando la estructura de los
paneles de abeja. Hay 14 paneles, cada uno mide 5,4 m2, que equivale
a un total de 156 m2 de área de intercambio de calor.
Fig. 4 El sistema MLI que recubre la mayor parte de los
objetos en el exterior de las naves espaciales
Finalmente se regula el movimiento de aire por la nave, para así regular que la
temperatura sea homogénea alrededor de toda la nave. Precisamente éste fue
un grave problema en muchas misiones rusas, ya que se formaban rincones
fríos húmedos en la nave, que causaban la aparición de hongos y que
averiaron muchos aparatos de experimentación de a bordo (8).
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Fig. 5 Sistema de radiadores que irradian al espacio el exceso de calor de la ISS
En cuanto a la presión, se mantiene a 1 atmósfera, la misma que en la Tierra.
Si la presión fuera menor o mayor, los astronautas no podrían llevar a cabo
correctamente la mayor parte de funciones fisiológicas básicas como respirar o
la circulación de la sangre.
Si la presión fuera la misma que la exterior (0,000000316 atm), junto con la
baja temperatura, todos los gases se transformarían en líquido que se
evaporaría y luego se congelarían, causando la expansión de los tejidos y la
muerte.
2.5 Peligros exteriores
En el entorno espacial de la Tierra hay millones de desechos artificiales (piezas
de satélites y cohetes fragmentados) y micrometeoritos naturales. Estos
cuerpos minúsculos viajan a velocidades de 10 km/s a 36.000 km/h, y suponen
un peligro muy real para los astronautas cuando están haciendo misiones
extravehiculares y para la nave en sí. La colisión con estas partículas puede
causar daños graves o un fallo catastrófico para las naves espaciales o
satélites en la órbita terrestre (10) (Fig. 6).
Estos proyectiles varían en tamaño, desde los proyectiles grandes, aquellos
que son de más de 10 cm de diámetro, a los proyectiles intermedios, de entre
10cm y 1cm o los pequeños, los que miden menos de 1cm de diámetro.
Los más grandes son rastreados mediante el radar de la USSPACECOM
(United States Space Command, Comando Espacial de los Estados Unidos),
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que avisa a las naves, satélites y estaciones espaciales si cualquiera de los
desechos grandes va a pasar a menos de 5 km de su trayectoria, para que así
puedan realizar el protocolo de evasión. Los más pequeños nos son
rastreables, pero es menos probable que causen un error fatal en la nave,
aunque causan desgaste y micro agujeros en el exterior de la nave (Fig.7).
Los desechos más problemáticos son los intermedios, ya que son demasiado
pequeños para ser rastreados y lo suficientemente grandes para causar daños
serios a la nave. Para protegerse de estos proyectiles, se han instalado
escudos protectores que absorben el impacto de los micrometeoritos antes de
que estos puedan penetrar la nave.
Estos escudos están compuestos de varias capas de cerámica, y por eso se
las conoce como MultiShock. No solo absorben la energía del impacto sino que
también absorben el proyectil, derritiéndolo o vaporizándolo.
Este sistema de escudos muy ligero y resiste es producto de muchos años de
estudios en hypervelocidad y materiales nuevos, y esta actualmente
protegiendo a la ISS (Fig. 6 y 7).
Fig. 6: Prueba de impacto de un
microproyectil en hypervelocidad
sobre el escudo MultiShock.
Fig. 7: Muestra de impacto de un
microproyectil sobre una placa de
cobre:
1: Pelo humano
2: Proyectil de Aluminio (200µm)
3: Punto de impacto de un proyectil de
0.2 µm a 7km/s
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3. Proyecto MELiSSA
Actualmente, los sistemas de soporte vital existentes no son viables para viajes
largos, ya que la cantidad de consumibles metabólicos (comida y agua) que
tendrían que llevar supondría demasiado peso para la nave. Por ejemplo, para
un viaje de 3 años se tendrían que llevar 33 toneladas de comida por cada
miembro de la tripulación. Por eso las diferentes agencias espaciales están
investigando otros sistemas alternativos.
3.1 Proyecto MELiSSA
El proyecto MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative, o
Alternativa de soporte vital microecológico) es una de estas alternativas. Se
basa en el ecosistema de un lago para generar comida a partir de los desechos
de la tripulación (biomasa incomestible, CO2, urea, heces, etc.), aire respirable
y agua consumible. En este proyecto se propone resolver de forma sostenible
la revitalización del aire, la producción de agua potable, la producción y
preparación de comida, el control de calidad y seguridad y asegurar la
habitabilidad y la ergonomía durante periodos largos de inaccesibilidad en el
espacio (5).
3.2 Concepto MELiSSA
Se basa en duplicar el ciclo biológico de la Tierra en miniatura y en el espacio.
Sus objetivos son la obtención de comida y agua usando únicamente la luz
solar como fuente de energía.
Basado en el ecosistema de un lago (ver infografía), MELiSSA es un sistema
completamente cerrado, es decir, uno que no necesita repuesto, sino que
recicla y reutiliza todo sin necesidad de renovación. Se basa en 5
compartimentos que tienen una función específica pero que funcionan de
manera complementaria (Fig. 8) (11).
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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Fig. 8: Diagrama que muestra el funcionamiento de cada compartimento en la mecánica
general
3.3 Proyecto Piloto
MELiSSA es un programa experimental, y por tanto se ha de poder demostrar
que funciona de forma necesaria antes de emplearlo en una misión real. Este
periodo de prueba consta de varias etapas: la primera es la teórica, donde se
hacen cálculos para determinar con un cierto grado de certeza si va a funcionar
de forma correcta el método; el segundo es una prueba práctica real con
animales de experimentación (en este caso ratas) y el tercero es el ensayo
final con personas (12).
A fecha de hoy, el proyecto está siendo preparado para los ensayos con
animales.
3.4 Descripción detallada del Proyecto Piloto (5, 11)
3.4.1 Compartimento I
La función del Compartimento I es liquidar y degradar los desechos sólidos
como las heces y las partes no comestibles de las plantas para así liberar los
VFA (Volatile Fatty Acids, ácidos grasos volátiles), los minerales y el amoniaco
que contienen.
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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Para hacer esto se requiere un biorreactor anaeróbico termofílico. Esto es un
recipiente cilíndrico de 100 L hecho de acero que en su interior tiene unos
microorganismos que funcionan mejor a altas temperaturas y que no requieren
oxígeno.
Fig. 9: Esquema funcionamiento del biorreactor del Compartimento I
3.4.2 Compartimento II
El Compartimento II es donde los VFAs del Compartimento I se convierten en
CO2 gracias a la bacteria Rhodospirillum Rubrum en un biorreactor de 50 L.
Esta bacteria es fotoheterótrofa, lo cual quiere decir que coge alimento de la luz
pero no puede consumir CO2, así que obtiene energía de los alcoholes o los
VFAs, emitiendo CO2.
Para poder proporcionar luz a la bacteria, el biorreactor está envuelto de luces
halógenas.
Estos Compartimentos más el Compartimento III son los compartimentos de
depuración, los que transforman los desechos en materias primas para la
producción de oxígeno y comida.
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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3.4.3 Compartimento III
El Compartimento III se encarga de la bioconversión del amoniaco producido
en el compartimento I a amonio que servirá para crear abono para las plantas
del Compartimento IV. Este proceso tiene el nombre de nitrificación.
La nitrificación es un proceso de oxidación en dos etapas. En este proceso se
pasa del amonio (NH4+) o el amoníaco (NH3) al nitrato (NO3
-). La primera
reacción es la oxidación del amonio a nitrito por las bacterias oxidantes de
amonio (AOB) representado por la especie Nitrosomonas. La segunda reacción
es la oxidación de nitrito (NO2-) a nitrato por bacterias nitrito-oxidantes (NOB),
representadas por la especies del género Nitrobacter (13).
La nitrificación se lleva a cabo en un biorreactor con un cocultivo de las
bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter (Fig.: 11) fijadas en una especie de bolas
de plástico para maximizar el rendimiento del biorreactor. De esta forma las
bacterias colonizan toda la superficie de las bolas y se maximiza su
reproducción y crecimiento.
De aquí además saldrá un agua disponible para el consumo humano y otras
funciones en la nave.
3.4.4 Compartimento IV
Este compartimento se divide en dos partes (A y B). El Subcompartimento IV-A
se dedica al cultivo de la microalga Spirulina platensis que se usa básicamente
para producir oxígeno a partir del CO2 que se produce en el Compartimento V y
en el Compartimento II. Actualmente es un biorreactor de 150 L.
El Subcompartimento IV-B es el dedicado a las llamadas “plantas altas
superiores”, en este caso lechugas, trigo o remolacha. Aun todavía no se ha
decidido que planta cultivar, ya que todas tienen inconvenientes y beneficios.
La lechuga (Lactuca sativa) es una planta que no requiere mucha atención para
ser cultivada, que tiene un amplio rango de temperatura a la cual crece bien
(8ºC a 27ºC) y crece bien en suelos nitrogenados en ciclos de 6 meses (14). El
problema que tiene la lechuga es su bajo valor energético, proteico y graso,
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que obligaría a los astronautas a comer mucho o tomar suplementos que
pueden resultar dañinos para el hígado y los riñones. Actualmente el prototipo
que se está probando en la planta MELISSA es para el cultivo de esta planta.
El trigo (Triticum) es un cereal muy presente en todas las dietas occidentales,
ya que por su pequeño tamaño se puede cultivar en grandes cantidades, hasta
el punto en que en el año 2013 se produjeron 713,2 millones de toneladas de
este cereal a nivel mundial. Su alto nivel energético y de proteína vegetal (es
uno de los cereales con más proteína vegetal, por encima del maíz y del arroz)
le hace muy interesante. Además es un cereal muy versátil, ya que se pueden
elaborar una gran cantidad de productos a partir de él (pan, galletas, cous-
cous, pasta, etc.) y su ciclo de vida (plantación de semillas hasta recolección)
es de 110 a 130 días (15).
La remolacha (Beta vulgaris) es la tercera opción por su alto nivel de grasa
vegetal, que aportaría la energía necesaria a la tripulación. En cuanto a
proteína, carbohidratos, vitaminas y minerales es una planta normal, que cubre
las necesidades básicas del cuerpo humano (16).
Tabla 1: Valores nutritivos de las plantas superiores a cultivar en el Subcompartimento
IV- B (17)
Lechuga
Trigo Remolacha
Energía 18,86 cal 211,51cal 4,63 cal
Grasas 0,22 g 1,27 g 0,18 g
Proteína 1,35 g 7,49 g 1,61 g
Hidratos de
Carbono 2,87 g 42,53 g 9,56 g
Vitaminas A, B1, B2, B5, B6,
B9, C, E, K
B1, B2, B3, B5, B6,
B9, E, K
A, B1, B2, B3, B5,
B6, B9 C
Minerales Ca, Fe, Mg, Mn, F,
K, Na, Zn
Ca, Fe, Mg, Mn, F,
K, Na, Zn
Ca, Fe, Mg, Mn, F,
K, Na, Zn
Agua 95,63 g 47,5 g 87,58 g
*Valores aproximados por 100g
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3.4.5 Compartimento V
El compartimento V es donde vivirá la tripulación. Este compartimento incluirá
los aposentos de la tripulación, la sala de control, el laboratorio y las zonas
comunes de descanso y ejercicio.
Esta parte pertenece más a la nave en sí, y hay varias compañías diseñando
prototipos para poder llegar a Marte en 2035 o antes. Las empresas más
importantes que participan en esta competición por llegar a Marte son SpaceX
y la NASA.
SpaceX ya tiene pensado un modelo para llegar a Marte, llamado Falcon
Heavy Launch Vehicle, una versión del modelo Dragon que usarán para llevar
astronautas a la ISS y que ya ha empezado a hacer pruebas de vuelo y
despegue. El director de esta empresa estadounidense, Elon Musk, ha dicho
que cree que podrá llevar a las primeras personas a Marte en 2026, siendo el
más optimista de los tres principales participantes en esta carrera espacial,
pero el menos creíble, ya que aun no han aterrizado ni en la Luna.
La NASA planea usar su nave Orion y un nuevo sistema de despegue, que no
estará preparado hasta dentro de unos años. Ellos estiman que la llegada a
Marte se producirá alrededor de 2035. Es una fecha cautelar, pero ya tienen la
experiencia de aterrizar en Marte y poseen mucha información sobre el planeta
gracias al explorador teledirigido Curiosity, que aterrizó en Marte en 2012 (18).
3.5 Preparación del proyecto piloto
El proyecto MELiSSA está ahora preparando las fases de experimentación con
animales de laboratorio. Estos experimentos servirán para comprobar que el
sistema propuesto es capaz de poder albergar la vida durante un tiempo largo.
No dudan mucho respecto a la capacidad del sistema para aportar nutrientes a
la tripulación, pero sí de su capacidad de renovar el aire de la nave para que
los astronautas puedan respirar. Así que ese es el objetivo principal del
experimento: comprobar que se puede sobrevivir en un ambiente cerrado que
produce aire respirable mediante el proyecto MELiSSA.
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
20
Para hacer esto se necesita en primer lugar escoger un animal para las
pruebas y, tras estudiar varios modelos animales, se ha decidido que se usarán
ratas de laboratorio como tripulación para el programa piloto. Se ha escogido
esta especie porqué pese a ser un animal pequeño y que el O2 que consume
por kilogramo de peso es muy diferente al de los humanos, se puede calcular la
cantidad de ratas que harían falta para imitar el consumo de un humano (12).
El consumo de oxígeno en un individuo depende de su metabolismo y éste, en
igualdad de condiciones viene determinado por la superficie corporal relativa al
peso al corporal (6).
En este caso se ha estimado que 40 ratas adultas que pesen aproximadamente
475 gramos equivalen a una persona. Por tanto, si la tripulación es de 6
astronautas, harían falta 282 ratas.
Estas ratas serán ratas Winstar, la rata de laboratorio más común. Las ratas
entrarán al experimento a las 14 semanas de vida y serán retiradas a las 30
semanas. Esto son 18 semanas, o 4 meses, y por tanto solo hará falta
reemplazar las ratas 4 veces por año.
Cabe recordar que estos animales llegan a la madurez sexual a las 9 semanas
y tienen una longevidad común de aproximadamente 1 año. Se ha escogido el
periodo de las ratas que equivale al periodo de vida en humanos de entre 20 y
55 años, para que se puedan apreciar las enfermedades relacionadas con el
ambiente y no con la edad. Esto asegura una variedad de edad en el grupo que
representará un intercambio de gas estable (el consumo de Oxígeno disminuye
proporcionalmente con la edad de la rata).
Después de participar en el experimento, las ratas serán eutanasiadas para
realizar el estudio fisio-patológico. Los animales estarán supervisados
diariamente y si apareciesen signos de alteraciones de salud se sustituiría el
animal, si es un caso esporádico, o se parará el experimento si el problema es
debido al propio experimento. Este procedimiento experimental ha sido
aprobado por el Comité d’Ética en l’Experimentació Animal i Humana (CEEHA)
de la Universitat Autònoma de Barcelona (procedimiento no. 1309) y por la
Comisió Nacional d’Experimentació Animal de la Generalitat de Catalunya (no.
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
21
6718), que garantizan que cumple con los requisitos de protección de los
animales utilizados con fines experimentales recogidos en la legislación
vigente.
También es necesario considerar que las ratas son animales nocturnos, y que
consumirán más O2 y por tanto expulsarán más CO2 en un ciclo inverso al de
las plantas, que producen O2 por el día y expulsarán el CO2 por la noche.
Habrá también un grupo de control compuesto por el mismo número de ratas
de laboratorio que el del experimento, para facilitar la extracción de información
estadística, y bajo exactamente las mismas condiciones que el grupo anterior
bajo la excepción del aire, que será el aire normal del laboratorio.
Posteriormente se analizarán los datos de ambos grupos para ver la diferencia
que ha habido entre ellos y su análisis estadístico.
Las ratas serán SPF (Specific Patogen Free, libres de patógenos específicos),
que significa que solo tendrán las bacterias necesarias para sobrevivir además
de algunas que están en todas las ratas y son inocuas. Las ratas SPF se
controlan para excluir que no están infectadas de patógenos que afecten a
diversos órganos y que pueden afectar el resultado experimental. En este
caso, según Charles River Laboratories, sus ratas SPF están completamente
libres de los microorganismos referidos en la Tabla 2 (19):
Tabla 2: Lista de microorganismos excluidos en las ratas SPF (según Charles River
Laboratories)
Bacterias Parásitos Virus
Bordetella bronchiseptica Clostridium piliforme
Corynebacterium kutscheri Mycoplasma spp.
Pasteurellacea Actinobacillus Haemophilus Pasteurella
Pasteurella pneumotrópica, Mannheimia haemolytica
Salmonella Streptobacillus moniliformis
Streptococci Streptococcus pneumonia
Helicobacter hepaticus
Nematelmintas Platelmintas Chilomastix
Syphacia obvelata Hymenolepis diminuta
Trichosomoïdes Encephalitozoon cuniculi
Spironucleus spp. Trichomonas spp.
Dermatofitos Artrópodos
Pulgas Demodex Myobiidae
Myocoptidae
Parvovirus Kilham de rata (KRV)
Parvovirus (RPV) Virus H-1de Toolan Virus Pneumonia
Virus Sendai Coronavirus de rata
(RCV/SDAV) Viruses de Hantaan
Adenovirus (MAD) tipo 1 (FL)
Adenovirus (MAD) tipo 2 (K87)
Reovirus tipo 3 (Reo 3)
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
22
Usar animales SPF es necesario para asegurar que cualquier patología que se
dé en los animales dentro del Compartimento V será por causa de éste y no de
alguna infección exterior. Además el sistema mantiene a los animales en
régimen de aislamiento por lo que no se producirá una contaminación posterior
por parte de los técnicos de laboratorio.
Los animales estarán identificados mediante microchips electrónicos
inyectados que permiten además de la identificación de cada animal llevar a
cabo un registro de su temperatura corporal sin necesidad de manipular al
animal. Como se trata de un experimento de duración larga y con un número
de sujetos elevado, no se interferirá en la vida diaria de los animales ni se les
inducirá estrés.
Para mantener a las ratas aisladas del exterior y mantener la validez del
experimento, se han de usar aisladores. Estos aisladores suelen estar
fabricados de plástico rígido o flexible. Tienen dos motores que regulan el paso
del aire dentro de la cámara, y se puede mantener en presión
negativa/positiva, lo cual significa que no puede entrar nada que afecte el
estudio.
El problema con los aisladores comerciales es que no están diseñados para
estar completamente aislados del exterior, y por tanto tienen muchas fugas. Por
esta razón, los ingenieros del MELiSSA han diseñado otro aislador hecho de
una sola pieza de acero que tendrá una ventana a la altura de los ojos del
técnico para que pueda ver y a la vez disminuir las fugas. El aislamiento total
es imposible, pero es importante conseguir unas fugas lo menor posibles.
Los tubos para la circulación del aire en los aisladores tendrán instalados unos
filtros HEPA (High-efficiency particulate air filter, filtros de retención de
partículas de alta eficiencia) que no dejarán entrar partículas y contaminación
biológica de las plantas como polen, esporas, hongos, bacterias y demás que
podrían causar alergias y contaminar el estudio entero. El aire que salga de los
aisladores se analizará para poder medir la concentración de O2, CO2, CH4
(metano), NH3 (amoniaco), VOCs (Volatile Organic Compound, compuestos
orgánicos volátiles) así como temperatura y humedad (11).
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
23
Se tiene en cuenta que las ratas producirán metano y amoniaco en cantidades
significativas por sus excrementos. Esto puede ser letal, así que una
renovación de la viruta de la jaula que sirve de cama a los animales una vez a
la semana es necesaria.
Para introducir algo del exterior o extraer algo cuando está dentro del aislador
se usará un mecanismo de dos puertas, llamado puerta DPTE (Double Porte
pour Transfert Étanche, Doble Puerta para Transferencias a Prueba de Fugas),
una en el exterior y una en el interior. Para introducir una rata en el aislador, se
abre la primera compuerta y se introduce la jaula con el animal protegida en
una bolsa de plástico. Luego se cierra la compuerta y se usa un extractor para
sacar cualquier material en el aire que pueda provocar problemas (polvo, polen,
etc.) y se pulveriza un agente esterilizador antes de abrirse la puerta interior.
Cuando se haya introducido la jaula con la rata en la cámara principal se cierra
la puerta interior.
Una vez todos los animales estén en el aislador, para poder manipularlos, se
usarán unos guantes incorporados al cristal. Los animales estarán en unas 20
jaulas para satisfacer la directiva europea EU63/2010 relativa a la protección de
los animales utilizados para fines científicos.
Para mantener a los animales siguiendo los protocolos establecidos por la
Convención Europea EU63/2010 que garanticen su bienestar se regulará la
humedad (55%±10%) y la temperatura (24ºC-26ºC). Además se mantendrá un
fotoperiodo de 12 horas de luz y oscuridad incluyendo periodos de amanecer y
anochecer.
4. Cálculo de la viabilidad del proyecto MELiSSA
4.1 Cálculos Ratas/Humanos
Antes de los experimentos se hacen cálculos teóricos para predecir con más o
menos exactitud los resultados de la experimentación. En este experimento, se
ha de calcular cuánto O2 consumirá el grupo de ratas además de cuanto
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
24
consumirá cada una independientemente. Para hacer estos cálculos, es
necesario tener en cuenta que la injerencia de O2 depende del ritmo
metabólico, que es inversamente proporcional al peso. Por tanto la fórmula
será:
La constante está basada en la cantidad de ejercicio y la dieta del animal, ya
que estas afectan el metabolismo del animal. Para las ratas del experimento es
9,13 y para los humanos que tienen una dieta equilibrada y un ejercicio
moderado es 10,15 (6).
A partir de esta fórmula podemos concluir que cuanto más grande sea el
animal, más alto será su consumo de O2.
Si después dividimos este consumo entre el peso del animal, podemos
encontrar los mL de O2 que consume por kg. Esto nos deja extrapolar que el
rendimiento de la respiración de un animal mejora proporcionalmente con su
peso.
Para encontrar la equivalencia de ratas a humanos sólo hemos de dividir el
consumo de O2 de un humano entre el de la rata.
En la siguiente tabla se puede comparar el consumo de O2 en ratas de varias
edades con el de los seres humanos calculados a partir de las fórmulas
anteriores:
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
25
Tabla 3: Consumo de O2 según el peso corporal en rata y en humanos (12)
Especie Edad
(semanas)
Peso
corporal
Consumo
O2 en
mL/h
Consumo
O2 en
mL/kg
Número de
animales
equivalente al
consumo de O2
de un humano
Sexo
Rata 8-14 0.3 3.7 12.33 66.38 F
Rata 14-32 0.35-0.6 4.15-6.22 11.86-
10.36 47 F
Rata 32-72 0.6 6.22 10.36 39.4 F
Rata >72 0.6 6.22 10.36 39.4 F
Humano N/A 70 245.63 3.51 1 M/F
Podemos ver que pese a que los humanos consumimos más O2 en general, lo
aprovechamos aproximadamente 4 veces más por kilogramo de peso que las
ratas. Es decir, los animales pequeños tienen un consumo de O2 proporcional a
su masa mayor que los de tamaño superior, como por ejemplo los humanos.
A partir de la tabla también se comprueba lo mencionado anteriormente: las
ratas disminuyen su consumo de O2 a medida que se hacen mayores, ya que
su masa incrementa y su metabolismo disminuye.
Las ratas de 8-14 semanas son demasiado pequeñas para el experimento, ya
que equivalen a humanos adolescentes y tienen un metabolismo diferente a las
ratas adultas, las de 14-32 semanas. Para el experimento se usarán solo las
ratas de 14-32 semanas, ya que las de a partir de 32 semanas son como
humanos de 60-90 años y tampoco son relevantes al experimento (12).
4.2 Resolución de la hipótesis
La hipótesis de mi trabajo es “¿Es realmente posible mantener viva una
tripulación de 6 personas en un medio aislado como es una nave espacial a
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
26
base de un sistema regenerativo de agua, O2 y comida? ¿Si es así, se puede
hacer usando el Programa MELiSSA?”. En esta parte, a falta de posibilidades
de experimentación física, me propongo calcular si mi hipótesis es correcta o
no a partir de lo aprendido a lo largo de la elaboración de la parte explicativa de
mi trabajo. Para ello, he supuesto que van a viajar 6 astronautas y, a partir de
los datos básicos existentes del proyecto MELiSSA más datos sobre la
composición de las plantas que propongo cultivar encontrados en la
bibliografía, he hecho una estimación de lo que podría ofrecer el proyecto
MELiSSA de llevarse a cabo.
Para empezar, hay que calcular el O2 que consumiría una tripulación de 6
personas (3 hombres y 3 mujeres), y cuanta comida y agua consumirían estos
astronautas.
4.2.1 O2
Para calcular el O2 que consumirá la tripulación hemos de tener en cuenta que
la nave partirá llena de aire de la Tierra, que contiene un 20% de O2, y por
tanto solo es necesario reciclar el CO2 producido por la respiración, ya que no
se realizarán combustiones en el interior de la nave.
Para empezar es necesario saber la composición del aire:
En el aire inspirado: Nitrógeno (78.04%), Oxígeno (21%), Argón
(0.96%), Dióxido de Carbono (0.039%)
En el aire espirado: Nitrógeno (78.04%), Oxígeno (16%), Dióxido de
Carbono (4%) y Argón (0.96%)
Con esto podemos ver que el volumen total no varía, sino que es la
composición del aire lo que cambia, y que los únicos gases intercambiados en
los pulmones son el CO2 y el O2, a una proporción de aproximadamente 1:1,
es decir, que por cada molécula de CO2 que sale de la sangre, se introduce
una molécula de O2.
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
27
La cantidad de aire por inspiración o volumen corriente normal, también
llamado volumen tidal, es de 500 ml de aire. 150 ml de este aire se destinarán
a las áreas del pulmón no funcionales, llamadas "espacio muerto" (20).
Si sabemos que la frecuencia respiratoria promedio para una persona promedio
es de 12 respiraciones por minuto, y que solo puede usar una parte de lo que
respira, nos sale que su consumo de aire es de:
.
Se multiplica por 60 para obtener 252.000 ml / hora. Es decir, cada hora, la
persona va a respirar 252 L de aire. Por tanto exhalará el mismo volumen, solo
que con un 4% de CO2. Por consiguiente, en una hora, la persona promedio
espira aproximadamente 10,8 L de CO2. En un día esta cantidad será de 241,9
L de CO2.
Como sabemos que la proporción de CO2 y el O2 es de aproximadamente 1:1,
podemos afirmar que la cantidad de O2 que deberemos recuperar será igual a
241,6 L O2.
Como nuestra tripulación será de 6 personas, las plantas deberán poder
reciclar 1451.5 L + 100 L CO2 por día para compensar el CO2 exhalado y que
se mantenga la presión de O2 en la nave. Los 100L extras de CO2 reciclado
aseguran que no se quede sin oxígeno la nave porque la tripulación haga
ejercicio, por ejemplo, ya que durante el ejercicio el consumo de oxígeno es
mayor.
Previamente está escrito que el dióxido de carbono se reciclará mediante dos
formas: la microalga Spirulina platensis y una combinación de plantas
superiores que también producirán comida (lechuga, trigo y remolacha). En
esta tabla se pueden apreciar los valores de producción de O2 y reducción de
CO2 de las plantas superiores usadas en el Subcompartimento IVB:
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
28
Tabla 4: Comparación de la habilidad de producir O2 y reducir CO2 de las plantas
superiores expresado en gramos producidos/reducidos por día en un módulo de cultivo
hidropónico de 5 metros cuadrados
Planta Producción O2 Reducción CO2
Lechuga 69.4 g/día 88.4 g/día
Remolacha 71.1 g/día 95.8 g/día
Trigo 300 g/día 386 g/día
El modelo que propongo en mi trabajo es uno que producirá comida, agua y
aire a partir de 8 tanques de cultivo de la microalga Spirulina platensis, 4
módulos hidropónicos de cultivo de trigo, 3 módulos hidropónicos para poder
cultivar remolachas y 1 módulo hidropónico destinado al cultivo de lechugas.
Queremos conocer el volumen de O2 producido y CO2 reducido por módulo
hidropónico, y para hacerlo debemos usar la fórmula de gases ideales. Por
ejemplo, los cálculos necesarios para calcular los decímetros cúbicos de O2
producido por el módulo de hidroponía de las lechugas es:
En un mundo de gases ideales, donde V es el volumen de O2 expresado en
dm3, R es la constante de gases ideales, y la T (temperatura) y la P (presión)
son constantes. La tabla que resulta es ésta:
Tabla 5: Comparación de la habilidad de producir O2 y reducir CO2 de las plantas
superiores por unidad expresado en decímetros cúbicos producidos/reducidos por día
por módulo hidropónico
Planta Producción O2 Reducción CO2
Lechuga 52,42 dm3/módulo · día 48,56 dm3/módulo · día
Remolacha 54,4 dm3/módulo · día 52,62 dm3/módulo · día
Trigo 226.6 dm3/módulo · día 212 dm3/módulo · día
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
29
Por consiguiente, con 4 módulos de trigo, 3 de remolacha y 1 de lechuga se
producirán unos volúmenes de O2 diarios de 906,4 dm3, 162,24 dm3, y 52,42
dm3 respectivamente. Si sumamos estas cantidades resulta en una producción
diaria de 1121,1 dm3 de O2.
Para reciclar el CO2 restante nos harán falta 8 biorreactores de 77 L llenos de
agua y la alga Spirulina platensis. Estos biorreactores producirán
individualmente 74 g/d de O2 de manera diaria (21). Usando la fórmula de
gases ideales, podemos estimar que esto significa una producción a diario de
55,9 dm3 de O2. En total, serán 447,2 dm3 de O2, que sumados a los producidos
por las plantas superiores nos da una cantidad de 1568,3 dm3 de oxígeno por
día.
Esta cantidad de aire será suficiente para asegurar que la presión de O2 en el
aire del Compartimento V se mantenga estable y que la tripulación pueda
respirar con tranquilidad. Además nos da 116.8 dm3 de O2 de superávit que
pueden resultar muy útiles en el caso de que hubiese un gasto inesperado de
O2 como, por ejemplo, un pequeño incendio.
No obstante, sería altamente imprudente no abastecer la nave con una
cantidad de O2 para poder compensar cualquier fallo o imperfección del
sistema. Este oxígeno se puede llevar en forma de O2 líquido en bombonas
presurizadas o en forma de agua, que es más estable ya que el gas O2 es de
fácil combustión, y en caso de que hubiese una explosión en la nave podría
resultar desastroso para la misión o la vida de la tripulación. Otro beneficio de
llevar la reserva en forma de agua sería que si no es necesaria para convertirse
en oxígeno se podría usar para paliar cualquier falta de agua a bordo de la
nave.
Para convertir agua en oxígeno se usaría la reacción química llamada
electrólisis, que separa los átomos de oxígeno e hidrógeno en las moléculas de
agua mediante una carga eléctrica. Se expresa en la siguiente fórmula:
El único problema que supondría sería su bajo rendimiento, ya que hacen falta
2 moles de agua para formar 1 de oxígeno, y esto se traduce en la necesidad
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
30
de llevar el doble de volumen de agua que el que llevaríamos si fuese en
bombonas de O2 presurizadas. Esto significa un espacio de almacenaje
superior, ya que no se puede presurizar el agua como el O2.
En resumen, podemos decir que las necesidades básicas de consumo de
oxígeno se cubren por los Subcompartimentos IV-A y IV-B, y sólo faltaría
decidir de qué forma llevar la reserva de oxígeno y/o agua.
4.2.2 Comida
Para calcular si la comida producida será la necesaria, hay que primero
calcular cuanta consumirá la tripulación. Los hombres y las mujeres necesitan
cantidades diferentes de nutrientes, como se puede apreciar en la tabla
siguiente (22).
Tabla 6: Necesidades nutritivas en hombres y mujeres
Calorías Proteínas Grasas
insaturadas
Hidratos
de
Carbono
Calcio Hierro
Hombres 3000 cal 56 g 65 g 281 g 1g 8 mg
Mujeres 2500 cal 35 g 56 g 281 g 1g 18 mg
Esto significa que para nuestra tripulación es necesario producir 16.500 cal,
273 g de proteínas, 363 g de grasas insaturadas, 1.686 g de hidratos de
Carbono, 6 g de Calcio y 78 mg de Hierro cada día.
Las plantas superiores cultivadas en los módulos de hidroponía del
Subcompartimento IV-B producirán (11):
Tabla 7: Biomasa producida según la especie de planta
Planta Biomasa producida
Lechuga 50,2 g/d
Remolacha 63,8 g/d
Trigo 250 g/d
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
31
Mirando la información de la Tabla 1 del apartado 3.4.4 y teniendo en cuenta
que estos valores son por cada 100 g, podemos elaborar una nueva tabla con
los valores nutricionales producidos por día por módulo hidropónico:
Tabla 8: Comparación de los valores nutritivos totales de las plantas superiores
cultivadas en el Compartimento V según el modelo propuesto
Lechuga
Trigo Remolacha
Energía 9,43 cal 528,9 cal 29,3 cal
Grasas 0,11 g 3,18 g 0,12 g
Proteína 0,67 g 18,73 g 1,03 g
Hidratos de
Carbono 1,44 g 106,33 g 6,01 g
Vitaminas A, B1, B2, B5, B6,
B9, C, E, K
B1, B2, B3, B5, B6,
B9, E, K
A, B1, B2, B3, B5,
B6, B9 C
Minerales Ca, Fe, Mg, Mn, F,
K, Na, Zn
Ca, Fe, Mg, Mn, F,
K, Na, Zn
Ca, Fe, Mg, Mn, F,
K, Na, Zn
Agua 48,0 g 118,8 g 55,88 g
Conociendo el modelo que propongo, de 4 módulos de hidroponía de trigo, 3
de remolacha y 1 de lechuga, podemos elaborar una tabla comparativa entre lo
que necesita la tripulación y lo que puede ofrecer el Subcompartimento IV-B:
Tabla 9: Comparación entre las necesidades nutritivas de la tripulación y los valores
nutritivos de la biomasa producida por el Subcompartimento IV-B
Calorías Proteínas Grasas
insaturadas
Hidratos de
Carbono
Necesidades
tripulación 16500 cal 273 g 363 g 1686 g
Producción
Sc IV-B 2212 cal 78,68 g 13,2 g 444,8 g
Balance -14287 cal -194,32 g -349,8 g -1241,2 g
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
32
Estos números nos indican que los cosmonautas no se podrán basar
solamente en la comida producida en la nave para alimentarse diariamente,
necesitaran suplementar esto con comida cargada a bordo desde la Tierra.
Esta comida tendrá que ser alta en proteína e hidratos de carbono, ya que la
producción de comida va a ser claramente insuficiente para cubrir sus
necesidades energéticas. Esta comida transportada podría ser carne liofilizada,
es decir, carne que ha sido congelada y luego deshidratada por completo
mediante la sublimación (22).
Probablemente, también deban llevar suplementos para vitaminas y minerales
de los cuales sus dietas, pese a ser altamente basadas en vegetales,
probablemente carezcan.
4.2.3 Agua
Para contestar esta parte de la hipótesis, es necesario calcular cuánta agua
necesitará la tripulación y cuánta agua se podrá refinar a diario por el sistema
del Proyecto Melissa.
Anteriormente, en el apartado 2.2, pone que un humano medio bajo unas
condiciones de temperatura y trabajo moderadas necesita 2.6 litros de agua por
día para mantenerse hidratado. En una nave con una tripulación de 6 personas
esta cifra aumentará a 15,6 litros por día de los cuales la comida sólida les
aporta 0,7 litros. Es decir que se necesitan 14,9 litros.
Además el cultivo hidropónico requerirá un tanque de 290 litros, ya que este
tipo de cultivos necesita gran cantidad de agua al ser ésta el sustrato de las
plantas (23). Pero las plantas también tienen una gran capacidad de reciclaje y
según los datos técnicos de MELiSSA (11), en nuestro caso podrían llegar a
reciclar 284,5 litros de agua por día. Por tanto, este tanque se autoabastece.
Además tendremos que tener en cuenta que se necesitarán unos 30 litros por
día para que los astronautas se puedan limpiar y para cocinar. Esto nos da un
total de 45 L de agua a refinar a diario.
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
33
No contamos los litros de agua para la producción de oxigeno mediante la
electrólisis aunque se escogiera como forma de llevar la reserva de oxígeno, ya
que sería un sistema aislado donde el agua ya vendría destilada desde la
Tierra.
El agua se refina en los compartimentos I, II, III, pero todos son igual de
importantes, ya que sin uno los demás no pueden funcionar. El volumen de
substancia que pasa por cada compartimento va disminuyendo por las
substancias extraídas en las diferentes etapas del proceso de limpieza del
agua residual. Por tanto observaremos primero el último compartimento, ya que
es de éste que han de salir a diario 45 litros de agua.
El compartimento III solo puede refinar 8 litros de agua a la vez, en ciclos de 4
horas, que son 48 litros diarios, que podría ser suficiente para beber, mantener
los cultivos hidropónicos y tener para el aseo y la cocina.
En definitiva, es posible reciclar toda el agua necesaria para mantener el
sistema en funcionamiento.
5. Cuestionario
He complementado este trabajo de revisión y de cálculo con un cuestionario
realizado a través de internet para saber las expectativas de la gente sobre
cuándo llegaría el ser humano a Marte y sobre qué sistema de soporte vital
sería usado. También me ha servido para ver si la gente que no estaba
relacionada con el programa MELiSSA sabía lo que era. La encuesta fue
respondida por 27 personas. Los resultados de la encuesta se pueden ver en el
apartado de Infografía.
Como conclusión de la encuesta, he obtenido en gran parte los resultados
previstos: los encuestados se muestran indecisos respecto a cuándo
llegaremos a Marte (el 41% opina que llegaremos en más de 50 años y el otro
55% piensa que será antes, mientras que un 4% piensa que jamás
llegaremos). No son muy optimistas en cuanto a las probabilidades de éxito de
un viaje tripulado a Marte si se hiciese ahora (la mayoría lo ha calificado como
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
34
de una probabilidad de un 25% o menos). Finalmente, y como esperaba, la
mayoría de la gente no conocía el programa Melissa.
6. Conclusión
Para hacer este trabajo me he introducido en un mundo de conocimientos
científicos bastante más avanzados que los míos, además de ser en campos
completamente diferentes a los que estudio y a los que me quiero dedicar, ya
que era sobretodo relacionados con la biología y la química.
Pese a esto, ha sido fascinante ver todo lo que da de sí la naturaleza y como la
podemos usar para beneficiarnos directamente, y mediante visitas al
laboratorio donde se están llevando a cabo los experimentos y el desarrollo del
proyecto, he podido apreciar que en este campo se mezclan conocimientos de
ingeniería electrónica, química, medicina, veterinaria, microbiología y muchos
más campos diversos.
Es muy interesante ver como todos los compartimentos se complementan, y
como la supervivencia de la tripulación depende del funcionamiento y la
coordinación perfecta entre todos los compartimentos. Por ejemplo, si la parte
que se dedica a filtrar el agua no da el rendimiento necesario, las plantas no
producirán la cantidad óptima de oxígeno, que pone en peligro la vida de los
humanos a bordo de la nave.
En cuanto a mi hipótesis: “¿Es realmente posible mantener viva una tripulación
de 6 personas en un medio aislado como es una nave espacial a base de un
sistema regenerativo de agua, O2 y comida? ¿Si es así, se puede hacer usando
el Programa MELiSSA?”, tras trabajar e investigar alrededor del proyecto
MELiSSA durante este periodo de 6 meses, he sacado varias conclusiones:
No somos capaces todavía de poner humanos en Marte.
El proyecto MELiSSA puede llegar a ser una solución viable.
Además hay varios aspectos muy positivos de este trabajo. Por ejemplo, el
Compartimento III puede refinar 48 L/día, que son 17520 litros de agua al año,
3 veces más que el sistema que ahora está en uso en la ISS. Son detalles
como este que son realmente importantes, ya que estos proyectos no tienen
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
35
como objetivo ser la respuesta definitiva a los viajes interplanetarios, sino que
buscan aportar una parte al sistema final que probablemente surja de la
combinación de los otros sistemas que se están probando y los que se
investigarán en el futuro. Por tanto es posible que un día en un viaje a Marte,
del proyecto Melissa solo este el Compartimento III, o el II o el IV-A.
No hemos de olvidar que la búsqueda de soluciones a estos problemas
complejos aporta avances tecnológicos que se aplican después en otras áreas,
por ejemplo, como es el caso del Mylar que se está aplicando como aislante
térmico para proteger heridos o para aislarse del ambiente en condiciones
extremas.
Para concluir, remarcar que el campo de la exploración espacial es uno que
está cambiando constantemente, gracias a la dedicación de algunos de los
grandes pensadores de nuestro planeta y a la colaboración de países de
diversos continentes, que trabajan con el objetivo de llegar donde nunca nadie
había llegado de la forma más rápida y sencilla. Es por esto que acabo este
trabajo optimista de que antes de que yo muera habré visto a gente en Marte,
usando o no alguno de los sistemas desarrollados por el proyecto Melissa.
7. Infografía
Fig.10: Figura esquemática del photobiorreactor del
Compartimento IV
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
36
Fig. 11 Esquema y foto del biorreactor que se usará para cultivar la Spirulina platensis
Fig. 12: Resumen del sistema ecológico de un lago que busca imitar el programa
MELiSSA
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
37
Fig. 13: Plano del Proyecto Piloto en la UAB
4%
48%
4%
11%
11%
11%
11%
P.1 Edad
0-15
16-25
26-35
36-45
46-55
56-65
65+
Gráfica 1: Edad de las personas que contestaron el cuestionario
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
38
63%
27%
P.2 Sexo
Hombres
Mujeres
19%
37% 15%
26%
4%
P.3 ¿Cuándo crees que serán possibles los viajes interplanetarios?
En menos de 10 años
En 20 años
En 50 años
En más de 100 años
Nunca
Gráfica 3: Sexo de las personas que contestaron el cuestionario
Gráfica 2: Respuestas de los cuestionados a la tercera pregunta del cuestionario
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
39
10%
90%
P.5 Conoces el programa MELiSSA
Sí
No
11%
48%
10%
1%
P.4 ¿Cuál crees que es la probilidad de éxito de un
viaje tripulado a Marte de ida y vuelta?
0%
25%
50%
100%
Gráfica 4: Respuestas de los cuestionados a la cuarta pregunta del cuestionario
Gráfica 5: Respuestas de los cuestionados a la quinta pregunta del cuestionario
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
40
8. Referencias bibliográficas y webgrafía
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Energy, Nutrition, and Human Performance." Ed: Lippincott, Williams
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11. E. Peiro & F. Gòdia. "MELiSSA Pilot Plant: Compartment V User's
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19445/05/NL/CP, draft. (Septiembre 2008)
12. P. Vergara & S. Vidal. "Animal Model for MELISSA Pilot Plant."
Expert’s Report. (Septiembre 2008)
13. B. B. Ward "Nitrification and Denitrification: Probing the Nitrogen
Cycle in Aquatic Environments Microbial Ecology." Vol. 32, No.3, pp.
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http://en.wikipedia.org/wiki/Wheat
16. Anne McFarlene. "Beetroot: Successfull Gardening with Anne
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17. USDA "USDA National Nutrient Database for Standard Reference".
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18. S. Anthony. "SpaceX says it will put humans on Mars by 2026,
almost 10 years ahead of NASA. "
www.extremetech.com/extreme/184640-spacex-says-it-will-put-humans-
on-mars-by-2026-almost-10-years-ahead-of-nasa
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19. C. B. Clifford. "Routine Health Monitoring of Charles River Rodent
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"Spirulina Platensis Arthrospira: Physiology, Cell-Biology And
Biotechnology.", Avigad Vonshak (Ed.). Taylor & Francis e-library pp 43-
66. (2002)
22. W. C. Willett, & P. J. Skerrett. "Eat, Drink, and be Healthy: The
Harvard Medical School Guide To Healthy Eating." Free Press
(Simon & Schuster), pp. 183. (2005)
23. M. V. Bermeiro. "Liofilización". Presentación PowerPoint, Diap.1:
Definición. Universitat de València. (1999)
24. K. Roberto. "How-To Hydroponics." Futuregarden, 4ª Edición. (2003)
25. NASA. "International Space Station Environmental Control and Life
Support System." Núm. Ref.: FS–2008–05–83–MSFC 8–368788,
George C. Marshall Space Flight Center. (2008)
9. Lista de acrónimos
Conceptos:
- NASA National Aeronautics and Space Administration
- MELiSSA Micro-Ecological Life Support System Alternative
- ESA European Space Agency
- JAXA Japan Aerospace Exploration Agency
- CSA Canadian Space Agency
MELISSA: ¿EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL? T. Hudson
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- RSA Russian Space Agency
- ETSE Escuela Técnica Superior de Ingeniería
- UAB Universitat Autònoma de Barcelona
- USSPACECOM United States Space Command, Comando Espacial
de los Estados Unidos
- OMS Organización Mundial de la Salud
- ECLSS o SSV Environmental Control and Life Support System,
Sistema de Soporte Vital
- ISS International Space Station, Estación Espacial Internacional
- MLI MultiLayer Insulation, Aislador MultiCapa
- VFA Volatile Fatty Acids, Ácidos Grasos Volátiles
- AOB Ammonium-Oxidising Bacteria, Bacterias Amonio-Oxidantes
- NOB Nitrite-Oxidising Bacteria, Bacterias Nitrito-Oxidantes
- HEPA High-efficiency particulate air filter, filtros de retención de
partículas de alta eficiencia
- VOCs Volatile Organic Compound, Compuesto Orgánico Volátil
- DPTE Double Porte pour Transfert Étanche, Doble Puerta para
Transferencias a Prueba de Fugas
Compuestos químicos:
- H2 Hidrógeno en estado gaseoso en condiciones normales
- CO2 Dióxido de Carbono
- N2 Nitrógeno en estado gaseoso en condiciones normales
- CH4 Metano
- NH3 Amoniaco
- NH4+ Amonio
- NO3 - Nitrato
- NO2- Nitrito
- Ca Calcio
- Fe Hierro
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- Mg Magnesio
- Mn Manganeso
- F Flúor
- K Potasio
- Na Sodio
- Zn Zinc
Unidades:
- L litro
- cal caloría
- J Joule
- g gramo
10. Agradecimientos y menciones:
- Dr. Ernesto Peiro.
MELISSA Pilot Plant Technical Manager, Departamento de Enginyeria
Quimica, Escola d'Enginyeria (EE), Universitat Autònoma de Barcelona,
Campus de Bellaterra (Barcelona)
- Bob Bagdigian.
Environmental Control Life Support System Project Manager, Marshall
Space Flight Center, Huntsville, Alabama.
- Dra. Patrocinio Vergara
DVM, PhD DipECLAM, Unitat de Fisiologia Animal, Departament de
Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia, Facultat de Veterinaria,
Universitat Autonoma de Barcelona
- Ernest Tomàs
Profesor de Fisica. Institut Montserrat
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- Marta Espinós
Profesora de Química. Institut Montserrat
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