宇宙における生物再生生命維持システムの基礎となる植物および微生物の科学技術

Jul 29, 2023

npj 微小重力 9 巻、記事番号: 69 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

長期にわたる有人宇宙探査ミッションには、環境制御と、資源の生産とリサイクルが可能な閉鎖型生命維持システム (LSS) が必要です。これにより、旅行中と軌道/惑星ステーション上の両方で、過酷な宇宙環境で人類が生存するための必須の代謝ニーズがすべて満たされます。 ミッションが地球から遠ざかるにつれて、この必要性はますます高まり、それによって地球から資源を再供給する技術的および経済的実現可能性が制限されます。 追加の資源回収、食料生産、廃棄物処理ソリューションを実現し、より自立可能なミッションを可能にするためには、最先端の（主に非生物的）LSS に生物学的要素をさらに組み込んで生物再生 LSS（BLSS）に導くことが必要です。月と火星へ。 地球低軌道 (LEO) での人類の存在を維持し、月や火星での定住を成功させるためには、環境制御、空気の再生、廃棄物管理、給水、食糧生産、小屋/居住地の加圧、放射線防護など、一連の機能が不可欠です。 、エネルギー供給、輸送手段、通信手段、レクリエーション手段。 この論文では、空気、水、食料の生産、廃棄物管理に焦点を当て、放射線防護とレクリエーションのいくつかの側面についても取り上げます。 私たちは、既存の知識について簡単に議論し、未解決のギャップを強調し、地球上での利益にもつながる有人宇宙探査の目標を達成するために、短期、中期、長期の将来の可能性のある実験を提案します。

生物再生生命維持システム (BLSS) の概念は、閉鎖型 (または制御型) 生態学的生命維持システム (CELSS) とも呼ばれ、1960 年代の有人宇宙探査時代の始まりから研究されてきました1。 閉鎖および半閉鎖ループ BLSS は、いくつかのレベルの栄養結合が食物網におけるバイオマス循環を保証する生態ネットワークの概念に基づいています。 したがって、BLSS は、生物をベースにしたいくつかの相互接続されたコンパートメントで構成されており、その廃棄物は他のコンパートメントにとって重要な資源となります (図 1)。 これらのシステムは、生物学的「生産者」（植物、微細藻類、光合成細菌など）、「消費者」（乗組員など）、廃棄物の「分解者およびリサイクル者」（発酵細菌や硝化細菌など）の 3 つの主要なタイプの区画で構成されます。 長年にわたり、いくつかの代替生物学的要素が提案されてきました2。 たとえば、動物の区画（昆虫、魚など）が追加のタンパク質を提供することが提案されています3。 ロシアの BIOS-1、2、3、3 M、米国の Biosphere 2、閉鎖生態実験施設 (CEEF) など、いくつかの大規模な地上デモンストレーターが人間をループに入れて閉ループ BLSS をテストしました。日本ではLunar Palace 1、中国ではLunar Palace 1。 南極の他の施設では、コンコルディア基地での雑排水のリサイクルや、ノイマイヤーステーションIIIのEDEN ISS（国際宇宙ステーション）移動試験施設内での食料生産など、独立したBLSS機能をテストしています。 さらに、NASA の月・火星生命維持システム試験プロジェクトでは、成長室が空気の活性化と 4 人の乗組員の 91 日間の食料需要に貢献しました4。 その他の施設では、ロシアの MARS500 と SIRIUS、NASA の JSC の HERA と LMLSTP、KSC のバイオマス生産チャンバー、ユタ州の MDRS、米国ハワイの HI-SEAS など、さまざまなレベルの複雑さを持つコンパートメントまたはその一部をテストするアナログ ミッションを可能にしています4。 5、6。 これらの地上のデモンストレーターは、管理された栽培チャンバー、食品生産システム、生物廃棄物管理などの特定の技術をテストするために使用されてきました。 これらの試験施設の一部は、隔離された乗組員に対する生理学的および心理的問題の観点からの監禁の影響を評価するために、また植物の存在によって起こり得る緩和効果（例：生鮮食品へのアクセス、家庭菜園）の評価にも使用されています。レクリエーション）7、8。