La NASA y la Agencia Espacial Nacional de China (CNSA) planean montar las primeras misiones tripuladas a Marte en la próxima década. Estos comenzarán con un lanzamiento de la tripulación en 2033, con misiones de seguimiento que se lanzarán cada 26 meses para coincidir con Marte y la Tierra en el punto más cercano de sus órbitas. Estas misiones culminarán con la creación de puestos avanzados que utilizarán los futuros astronautas, posiblemente conduciendo a hábitats permanentes. En las últimas décadas, la NASA ha llevado a cabo concursos y estudios de diseño (como el desafío del hábitat impreso en 3D) para investigar posibles diseños y métodos de construcción.
Por ejemplo, en Mars Design Reference Architecture 5.0, la NASA describe una arquitectura de “viaje diario” basada en un “hábitat monolítico ubicado en el centro” de hábitats inflables livianos. Sin embargo, una nueva propuesta prevé la creación de una base utilizando organismos que extraen metales de la arena y la roca (un proceso conocido como biomineralización). En lugar de transportar materiales de construcción o módulos prefabricados a bordo de una nave espacial, los astronautas con destino a Marte podrían llevar cultivos de bacterias sintéticas que les permitirían cultivar sus hábitats en el mismo Planeta Rojo.
El concepto, conocido como “Bloques de construcción autocrecientes habilitados para biomineralización para el equipamiento de hábitats en Marte”, fue propuesto por la Dra. Congrui Grace Jin, profesora asistente de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de Nebraska-Lincoln. Su propuesta fue una de varias seleccionadas por Conceptos Avanzados e Innovadores de la NASA (NIAC) para el desarrollo de la Fase I, que incluye una subvención de 12.500 $. Este programa realiza solicitudes anuales de conceptos avanzados, innovadores y técnicamente viables que ayudan a las misiones de la NASA y promueven los objetivos de exploración espacial de la agencia.
Desde la década de 1990, se han propuesto varias arquitecturas para misiones tripuladas a Marte, todas las cuales han enfatizado la necesidad de mantener baja la masa de lanzamiento. Las sugerencias sobre cómo se podría lograr esto incluyen módulos inflables. Pero como enfatizó la Dra. Jin en su propuesta, las estructuras físicas utilizadas para equipar los módulos inflables no pueden ser transportadas por una nave espacial tripulada y generalmente requieren de un segundo vehículo para lanzarlas. Este es un desafío logístico para las misiones y aumenta drásticamente los costes de lanzamiento.
Otra posibilidad es utilizar los recursos locales para reducir la cantidad de suministros que deben transportarse, un proceso conocido como utilización de recursos in situ (ISRU). Los ejemplos van desde la propuesta Mars Direct redactada en 1991 por el Dr. Robert Zubrin y colegas del Centro de Investigación Ames de la NASA hasta el programa Journey to Mars de la NASA lanzado en 2010. Para las misiones a Marte, esto incluiría el uso de regolito local para crear materiales de construcción y hielo de agua para consumo de astronautas, riego y para crear gas propulsor y oxígeno.
Sin embargo, esta arquitectura de misión requiere equipo (como impresoras 3D robóticas) para ser transportado a Marte. Además, muchos diseños de hábitats impresos en 3D ISRU todavía requieren módulos inflables, que proporcionan andamiaje para estructuras impresas en 3D. Para su propuesta, la Dra. Jin sugiere que, en lugar de enviar elementos prefabricados o maquinaria a Marte, los hábitats podrían construirse in situ utilizando cianobacterias y hongos como agentes de construcción. La Dra. Jin explicó en una entrevista para Universe Today el camino que la llevó a su propuesta de NAIC:
“En los últimos años, estuve trabajando en hormigón autorreparable. Entonces, cuando el hormigón genera grietas, usamos bacterias u hongos para inducir a los biominerales a sanar las grietas. Y luego pensamos en otras posibilidades, como materiales de crecimiento propio. Entonces, uno tendría partículas de suelo o agregados, queremos usar hongos o bacterias para convertirlos en un cuerpo cohesivo”.
“Esto será muy importante si no hay mano de obra humana, especialmente en Marte. Pueden hacer esto automáticamente. Proponemos que en lugar de enviar materiales de la Tierra a Marte, podemos usar directamente materiales in situ. De la muestra, el suelo, la atmósfera y el agua en Marte, podemos traer algunas bacterias o esporas de hongos y ellos construirán los ladrillos para nosotros”.
La clave de esto es la “biomineralización”, un proceso en el que las bacterias y las esporas pueden ensamblar minerales como el carbonato de calcio (CaCO3), también conocido como piedra caliza. Los científicos sabían que hay piedra caliza y otros carbonatos en Marte, como lo demostró Pheonix Mars Lander que encontró rastros de CaCO3 en su lugar de aterrizaje en 2008. Esto fue respaldado por análisis de muestras posteriores realizados por los rovers Spirit y Opportunity y mapeo de minerales. realizadas por misiones como la Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA.
Según la propuesta de la Dra. Jin, las futuras misiones podrían equiparse con “juegos de herramientas de biología sintética” para crear sistemas de líquenes sintéticos (cianobacterias diazotróficas y hongos filamentosos). Estos convertirán el CaO3 en abundantes biopolímeros que se pueden combinar con el regolito marciano para “crecer” materiales de construcción. “Funcionarán como un catalizador para promover la formación de carbonato de calcio, y esos cristales de carbonato de calcio funcionarán como un pegamento para unir esas partículas del suelo”, dijo la Dra. Jin. “Debe colocar las partículas de arena en el molde que desea, luego las bacterias y los hongos las desarrollarán en la forma del molde”.
En este sistema autónomo propuesto, las cianobacterias y los hongos filamentosos realizan funciones diferentes (pero complementarias. Según la propuesta de NAIC, las cianobacterias son responsables de 1) capturar dióxido de carbono y convertirlo en iones de carbonato y 2) proporcionar oxígeno y compuestos orgánicos para apoyar los hongos filamentosos. Mientras tanto, los hongos son responsables de 1) unir los iones de calcio a las paredes celulares de los hongos y servir como sitios de nucleación para la deposición de carbonato de calcio y 2) ayudar a la supervivencia y el crecimiento de las cianobacterias al proporcionarles dióxido de carbono adicional y reducir su estrés oxidativo.
Además, las cianobacterias y los hongos secretan “sustancias poliméricas extracelulares” que mejoran la adhesión entre las partículas de regolito y los biopolímeros y la cohesión entre las partículas precipitadas. La Dra. Jin también detalló el proceso para crear estas bacterias y hongos sintéticos, lo que garantiza que funcionen de manera simbiótica y no competitiva:
“Necesitamos encontrar esas cepas que puedan llevarse bien entre sí. Se llama cocultivo mutualista. Básicamente, algunos de ellos pueden mejorar la vida de la pareja. Necesitamos hongos filamentosos debido a su estructura filamentosa. Pueden promover mayores cantidades de cristales de carbonato de calcio. Pero también necesitamos que las cianobacterias puedan hacer la fotosíntesis: puedan capturar el CO2 y generar carbono orgánico para los hongos”.
Para iniciar este proceso, todavía hay equipo que deberá llevarse a Marte. Debido a la atmósfera de baja presión, la radiación y las temperaturas extremas, La Dra. Jin dice que las futuras misiones deberán llevar un fotobiorreactor. Este biorreactor es donde crecerán los cultivos de bacterias y líquenes y donde ocurrirá el proceso de ensamblaje. En última instancia, la propuesta contempla biorreactores que producen ladrillos que se retiran para construir estructuras superficiales. En cuanto a la tasa de producción, la Dra. Jin sostiene que se necesita más investigación:
“Realmente depende de los nutrientes, la temperatura y la presión. Así que todavía estamos estudiando este proceso. Queremos optimizar los factores que influyen en el proceso para que podamos hacerlo mucho más rápido”, dijo. Sin embargo, otro beneficio es cómo estos materiales de construcción también serán autorregenerables. “Si no matas las bacterias o los hongos, siempre pueden generar esos cristales de piedra caliza. Así luego, cuando la estructura genera grietas, pueden curarlas automáticamente. Así que este material crece y se repara a sí mismo. Por lo tanto, tienen muchas características que no tenemos con los materiales en la Tierra”.
Si bien la biomineralización es algo que los investigadores han estado investigando durante años, esta propuesta representa una novedad por dos razones. Para empezar, es el primer proyecto que considera a los hongos filamentosos como productores de biominerales en lugar de bacterias. La Dra. Jin ha realizado una extensa investigación sobre biomineralización en los últimos años y sus resultados han demostrado que los hongos filamentosos poseen ventajas distintivas sobre las bacterias. Entre ellos destaca su extraordinaria capacidad para producir grandes cantidades de minerales en un breve espacio de tiempo.
En segundo lugar, este proyecto es el primero en emplear tecnología de crecimiento propio mediante la creación de un sistema de líquenes sintéticos y el uso de interacciones simbióticas entre cianobacterias fotoautótrofas y hongos filamentosos heterótrofos. Los fotoautótrofos se destacan por usar la luz solar para convertir el carbono inorgánico en materiales orgánicos (en este caso, carbono orgánico). Ninguna de las prácticas de autocrecimiento investigadas hasta ahora ha sido completamente autónoma, ya que generalmente estaban restringidas a una sola especie o cepa de heterótrofos dependientes de un suministro externo constante de carbono orgánico.
Esta tecnología también tiene aplicaciones más allá de la exploración espacial. Además de construir hábitats en Marte y otros cuerpos más allá de la Tierra, la tecnología también tiene el potencial de revolucionar la construcción aquí en la Tierra. En las regiones que se han visto afectadas por la guerra, los desastres naturales y el cambio climático, esta tecnología autónoma y de crecimiento propio tiene el potencial de “curar” las estructuras dañadas y construir nuevas infraestructuras de una manera que tenga una huella de carbono negativa. Dado que el proceso se basa en el CO2 capturado de la atmósfera, es consistente con los esfuerzos de restauración del clima global.
Esta tecnología es otro ejemplo más de cómo los organismos terrestres y los procesos biológicos inspiran sistemas espaciales sostenibles y regenerativos. Estas mismas tecnologías, que podrían permitir que la humanidad viva de manera sostenible en el espacio, también podrían ayudarnos a combatir y revertir el cambio climático aquí en casa. Al igual que el proceso que impulsa esta tecnología de biorreactor propuesta, la relación es simbiótica.
Artículo con fines divulgativos basado en el artículo original en Inglés.
Créditos: Matt Williams, Universe Today
Salvo indicación contraria este trabajo está licenciado por el autor bajo la licencia International Creative Commons Attribution 4.0.