Применение микробов для устойчивого освоения космоса за пределами низкой околоземной орбиты

npj Микрогравитация, том 9, Артикульный номер: 47 (2023) Цитировать эту статью

1545 Доступов

4 Альтметрика

Подробности о метриках

После строительства Международной космической станции люди непрерывно живут и работают в космосе уже 22 года. Микробные исследования в космосе и других экстремальных условиях на Земле показали способность бактерий и грибов адаптироваться и изменяться по сравнению с «нормальными» условиями. Некоторые из этих изменений, такие как образование биопленки, могут негативно повлиять на здоровье космонавтов и целостность космического корабля, в то время как другие, такие как склонность к разложению пластика, могут способствовать самодостаточности и устойчивости в космосе. С наступлением следующей эры освоения космоса, когда в ближайшие 10 лет нас ждут пилотируемые полеты на Луну и Марс, включение микробиологических исследований в планирование, принятие решений и разработку миссий будет иметь первостепенное значение для обеспечения успеха этих долгосрочных проектов. миссии. Они могут включать исследования микробиома космонавтов для защиты от инфекций, дисфункции иммунной системы и разрушения костей или исследования биологического использования ресурсов in situ (bISRU), которые включают микробы, которые действуют как радиационная защита, вырабатывают электричество и создают надежную среду обитания для растений для свежих продуктов питания и переработки отходов. напрасно тратить. В этом обзоре будет представлена ​​информация о полезном использовании микробов в биорегенеративных системах жизнеобеспечения, их применимости в bISRU и возможности их генной инженерии для биотехнологических космических применений. Кроме того, мы обсуждаем негативное влияние, которое микробы и микробные сообщества могут оказывать на длительные космические путешествия, и предлагаем стратегии смягчения их воздействия. Использование преимуществ микробов и понимание их ограничений поможет нам глубже исследовать космос и создать устойчивую среду обитания человека на Луне, Марсе и за их пределами.

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) пообещало вернуть людей на Луну в ближайшие два года и высадить первых людей на Марс к 2033 году. Путешествие за пределы низкой околоземной орбиты (НОО) расширит человеческую цивилизацию и позволит создать будущие космические поселения. , предоставлять научные знания об эволюции нашей планеты и Солнечной системы и создавать глобальные партнерства в стремлении к дальнейшему исследованию космоса1,2. Согласно плану «Артемида», облёт Луны с экипажем запланирован на 2024 год («Артемида II»), за которым последует высадка на Луну в 2025 году («Артемида III») — первая после окончания эпохи Аполлона в 1972 году и, в конечном итоге, устойчивое присутствие на Луне конец этого десятилетия3. Решающее значение для успеха программы «Артемида» будет иметь Gateway — орбитальная платформа, на которой астронавты будут жить и проводить исследования, а также обеспечивать поддержку длительных экспедиций на поверхность Луны. Программа «Артемида» создаст базовый лагерь на южном полюсе Луны, который послужит трамплином для миссий человека на Марс. Исследования и разработки на лунной базе послужат прототипами для будущих миссий на Марс, где НАСА сможет внедрить передовой опыт долгосрочных исследований человека в этой неблагоприятной внеземной среде4.

В отличие от работы Международной космической станции (МКС), снабжение которой регулярно осуществляется с Земли в течение нескольких часов после запуска, миссии в дальний космос потребуют самодостаточности и устойчивости, независимых от Земли. Это будет включать в себя использование возобновляемых ресурсов, переработку отходов, выработку электроэнергии и непрерывное снабжение продовольствием, водой и кислородом в течение длительного/неопределенного периода. Луна — это самое короткое расстояние за пределами НОО, а ее глубокий космос предлагает уникальные возможности для исследований, которые будут проводиться в рамках программы «Артемида». Лунный орбитальный аппарат Gateway будет функционировать аналогично МКС, используя силовой и двигательный элемент, который будет использовать солнечную энергию для приведения в движение космического корабля, жилой и логистический аванпост, который будет служить жилыми помещениями и исследовательским рабочим пространством, а также стыковочные порты для космических кораблей, таких как как и «Орион», это будет первый в своем роде корабль, который доставит астронавтов в глубокий космос и обратно5,6. МКС и спутники на околоземной орбите используют солнечную энергию как возобновляемый источник энергии, однако на более отдаленных аванпостах, таких как Марс, на эффективность использования энергии влияют другие факторы, такие как расстояние от Солнца, угол наклона и погода (например, пыльные бури). обеспечивается солнечными батареями7. Так было в случае с миссией НАСА Insight, когда недавняя марсианская пылевая буря привела к скоплению пыли на солнечных панелях, препятствуя доступу к ним достаточного количества солнечного света, что вынудило посадочный модуль перейти в «безопасный режим»8 для экономии заряда батареи8. Подобные проблемы с пылевым покрытием наблюдались во время миссий «Аполлон» из-за прилипания электрически заряженной лунной пыли к солнечным панелям лунного корабля9,10. Грузы для пополнения запасов, подобные тем, которые часто отправляются на МКС, являются дорогостоящими и могут оказаться невозможными для длительных космических миссий (доставка до Марса занимает около 7 месяцев). Таким образом, решающее значение имеет самообеспеченность в производстве продуктов питания и кислорода на внеземных аванпостах, таких как Луна и Марс11. Кроме того, задержки связи между Землей и Марсом могут составлять от 5 до 20 минут в зависимости от положения планет12. Отсутствие миссий по пополнению запасов грузов и задержки связи могут иметь пагубные последствия для чрезвычайных ситуаций, связанных со здоровьем людей, что делает необходимым, чтобы члены экипажа были самостоятельными в предотвращении и лечении рисков для здоровья. Поэтому решения по устранению ограниченных ресурсов и рисков для здоровья человека, которые могут быть реально реализованы в глубоком космосе, должны быть найдены до миссий по исследованию Артемиды и Марса. Этого можно достичь за счет эксплуатации и инженерии микробов, важных для здоровья человека13,14,15,16, сельского хозяйства17, производства продуктов питания18,19,20, экосистемы21,22,23,24,25 и искусственной среды26,27. На рисунке 1 представлен обзор различных ролей, которые микробы могут играть в освоении дальнего космоса.