melissa: ¿el futuro de la exploración espacial?

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


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


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


4

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.


5

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


6

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).


7

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


8

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


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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


10

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:


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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).


15

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.


16

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.


17

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,


18

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


19

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.


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.


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)


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).


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


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:


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


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.


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:


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


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


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


40

8. Referencias bibliográficas y webgrafía

1. S. M. Smith, S. R. Zwart, G. Block, B. L. Rice, & J. E. Davis-Street. "The

Nutritional Status of Astronauts Is Altered after Long-Term Space

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9. Debra Ronca. "How Space Blankets Work".

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10. NASA. "Micrometeoroids and Orbital Debris (MMOD)".

http://www.nasa.gov/centers/wstf/laboratories/hypervelocity/mmod.html

11. E. Peiro & F. Gòdia. "MELiSSA Pilot Plant: Compartment V User's

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Expert’s Report. (Septiembre 2008)

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15. Wikipedia. "Wheat"----------------------------------------------------------------------

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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. "

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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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20. R.Gazitúa "Manual de semiología: Respiración." Universidad Católica

de Chile (2004)

21. A. Vonshak. "Spirulina: Growth, Physiology and Biochemistry." En:

"Spirulina Platensis Arthrospira: Physiology, Cell-Biology And

Biotechnology.", Avigad Vonshak (Ed.). Taylor & Francis e-library pp 43-

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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:

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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


43

- 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


44

- 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


45

- Marta Espinós

Profesora de Química. Institut Montserrat

melissa: ¿el futuro de la exploración espacial?

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