مستقبل الهندسة الكيمائية الحيوية في نظم دعم الحياة الفضائية

الهندسة الكيمائية: " Cornerstone of Self-Sustaining Space Habitats "

ونظرا لأن وكالات الفضاء والمؤسسات الخاصة تضع مشاهدها على أماكن الإقامة الطويلة، وبعثات المريخ المكتظة، بل وحتى المستعمرات الدائمة خارج العالم، فإن التحدي المتمثل في إبقاء البشر على قيد الحياة بعيدا عن الأرض لم يكن أكثر إلحاحا، فالامتداد التقليدي من الأرض يصبح باهظ التكلفة ومستحيلا من الناحية السوقية إلى ما بعد الفضاء السيسي - فلوري، وهذا الواقع يضع الهندسة الكيميائية الحيوية في صميم استكشاف الفضاء في المستقبل.

وعلى عكس أساليب دعم الحياة المادية أو الكيميائية التي تستهلك طاقة عالية وتعتمد على مرشحات وخراطيش قابلة للاستهلاك، فإن النهج الكيميائية الأحيائية توفر الوعد بالحلول التجددية والخفيضة النفايات، فعلى سبيل المثال، يمكن للمفاعلات المجهرية أن تحول النفايات العضوية إلى موارد قابلة للاستخدام مثل الميثان (للدفع أو الطاقة) والنيتروجين (لمحطة السمسرة النباتية) وحتى بروتينية المهينية.

العمليات الكيميائية الحيوية الأساسية لدعم الحياة الفضائية

ولفهم المستقبل، يساعد على مسح العمليات الكيميائية الحيوية الأساسية التي يجري تكييفها من أجل الفضاء، وهذه العمليات تحفز على الاستقلابات المجهرية الطبيعية، وردود الفعل الانزيائية، والبيولوجيا الاصطناعية لتحويل مسارات النفايات إلى موارد، وتشمل الفئات الرئيسية ما يلي:

تولد أوكسجين وتخفيض ثاني أكسيد الكربون

وبالإضافة إلى ذلك، ينتج الأكسجين اليوم في المقام الأول عن طريق التحليل الكهرومغناطيسي لثاني أكسيد الكربون في الماء إلى الأكسجين والهيدروجين، ولكن هذه العملية تتطلب طاقة عالية وتستهلك المياه التي يمكن استخدامها في الشرب أو النظافة، ويجري بحث البدائل الكيميائية الحيوية التي تستخدم الميكروبات الاصطناعية (Candic Microbacteria, algae) أو البكتريا المصممة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الأوكسجين من خلال التجارب)

تدهور النفايات واستعادة المغذيات

ولا يمكن ببساطة إلقاء النفايات الصلبة البشرية وخردات الأغذية وغيرها من النفايات العضوية في الفضاء، والأساليب التقليدية مثل الترميد هي كثيفة الطاقة وتنتج منتجات ثانوية سامة، كما أن الهندسة الكيميائية الأحيائية توفر الهضم والتمركز مع بكتريا مختاراً خصيصاً تكسر النفايات بينما تقتل مسببات الأمراض، ويمكن معالجة المواد الناتجة عن ذلك إلى [FLTستكشف:0]

الإنتاج الغذائي

(أ) في الوقت الراهن، يعتمد مرفق الغذاء الدولي على الغذاء المكبّل، وبالنسبة للبعثات الطويلة، فإن الإنتاج الطازج ضروري للتغذية والرفاه النفسي، وقد تم اختبار النظم الهيدروبونية والإيروبونية، لكنها تتطلب كميات كبيرة من الحل المغذي المنتقل من الأرض.() ومن شأن نظام دعم الحياة الكيميائية الأحيائية التراكمية أن ينتج تلك المواد الغذائية على متنها عن طريق إنتاج نفايات صغيرة.

النظم الحالية في محطة الفضاء الدولية: ما الذي يعمل وما لا يعمل

ويوف ِّر مرفق خدمات الدعم الدولي مختبراً حياً لاختبار تكنولوجيات دعم الحياة، ويضم نظامه للمراقبة البيئية ودعم الحياة حالياً نظام استعادة المياه ونظام توليد الأوكسجين، وهما نظامان أساسيان بدرجة كبيرة من النظم الكيميائية - التحلل، والاستيعاب، والتحلل الكهربائي - مع مكونات بيولوجية محدودة فقط، ويستخدم " جمعية تجهيز الملح " التابعة للمحطة الرشاقة في التنظيف الدوري.

ومن التجارب البيولوجية البارزة نظام نمو النباتات " فيغي " الذي استخدم الأجهزة المتفجرة المرتجلة والماء الذي تحركه الكبسولة في زراعة الخس والأشعة والفلفل، وقد وفرت هذه المحاصيل منافع غذائية ونفسية جديدة، ولكنها اعتمدت على حلول مغذية مشحنة من الأرض.() وثمة تجربة أخرى، هي مشروع " نظام دعم الحياة الميكانيكية " (MELeSSA) المغلقة.

وتشمل القيود الرئيسية للتكنولوجيات الحالية ارتفاع الطلب على الطاقة، ومحدودية كفاءة إعادة التدوير (نحو 85 في المائة بالنسبة للمياه، وعدم وجود مغذيات)، والاعتماد على المواد الاستهلاكية المزودة بالبضائع مثل المرشّحات وأملاح المغذيات، وعلاوة على ذلك، فإن الجاذبية الصغرى تعقّد حالات فصل المناولة - المرحلة النهائية تتسم بالتحديات، ومعدلات الرسوبيات غير موجودة، مما يؤثر على تكوين الرشّات الأحيائية وعلى النقل الجماعي في المفاعلات الأحيائية.

الابتكارات المتعلقة بالاختزال: علم الأحياء الاصطناعية والميكروبات المتطورة

ولعل أكثر الحدود إثارة في دعم الحياة الفضائية الكيميائية الأحيائية هو تطبيق البيولوجيا الاصطناعية، ومن خلال إعادة برمجة المدونة الجينية لل الكائنات المجهرية، يمكن للباحثين أن يخلقوا مسارات إيضائية تقليدية تحول النفايات إلى منتجات محددة ذات كفاءة عالية، كما أن هناك مجالات عديدة للتنمية النشطة.

الكائنات الدقيقة المتطورة جينياً من أجل استرداد الموارد

For example, a team at the University of Colorado Boulder engineered E. coli] to break down polyethylene terephthalate (PET) plastic waste-dmon in foodpackaging-into monomers that can be reused. In a space habitat, such engineered bacteria could recycle plastic waste into newpackaging or

تصميم المفاعلات الحيوية للجاذبية الصغرية

وتعتمد المفاعلات الأحيائية التقليدية ذات الحجم المبرد على الجاذبية في تسوية الخلايا وتجنب الخراف، وفي الجاذبية الصغرية، تُختبر أيضاً تصميمات بديلة مثل السفن الجدارية الدوارة أو مفاعلات الرش النمبري ذاتية الصبغة المغناطيسية، وتُحدِّد أيضاً من تقلبات الوقود المجهرية المحتوية على مفاعلات الرش.

النظم الهيدروجينية البيولوجية - الفيزيائية المتكاملة

ولا يمكن أن تؤدي هذه العملية الكيميائية الحيوية كل شيء، فالمستقبل يكمن في النظم المتكاملة التي تجمع بين عمليات متعددة في مجال إنتاج المواد الكيميائية، مع خطوات في مجال التلخيص الكيميائي، مثلاً، ينتج جهاز هضمي من مادة النباتات الهوائية الغازات الأحيائية (Mthane and CO2) من النفايات العضوية؛ ويمكن تركيب مادة النيتروز المتطورة للطاقة أو النفايات المميتة.

Case Study: The ESA MELiSSA Pilot Plant

ومشروع " ميليسا " هو أكثر المحاولات تقدما في نظام دعم الحياة البيولوجية المغلقة، وقد أثبت مصنعه التجريبي الأرضي في جامعة برشلونة بنجاح إغلاق حلقات المياه والأكسجين لشهور، باستخدام الجرذان لتحفيز طاقم، ويشمل هذا النظام مفاعلا للديك الكيميائي الحراري، ومفاعلا للتصوير الصبغي، ومفاعلا للدم البيرفلورا.

التحديات الوحيدة في الفضاء: الجاذبية الصغرى، الإشعاع، الاحتواء

(ب) إن تطبيق [النظم الكيميائية الحيوية في الفضاء يطرح تحديات لا توجد على الأرض، ويؤثر الجاذبية الصغرى تأثيراً عميقاً على ديناميات السوائل - لا ترتفع، ويستقر السوائل، ويصبح الانتشار آلية الخلط الرئيسية، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تقطيع ثاني أكسيد الكربون في مفاعلات التصوير، وأشعة غازية جوعة، ويطور الباحثون قوى الفلورية وأجهزة الطاردة الأحيائية إلى الميكانيكية.

كما أن الاحتواء أمر بالغ الأهمية، إذ يمكن للكائنات المحورة وراثيا التي تفر من الموائل أن تلوث مياه الطاقم أو طعامه، ولذلك يجب أن تشمل جميع النظم البيولوجية أنواعا متعددة من الأمان: الحواجز المادية (مثلاً، مرشحات الدمج)، ومفاتيح القتل البيولوجية (مثل نظم المواد السمية المانعة للهرب)، والترددات، ونقطة المبادئ التوجيهية لوكالة حماية البيئة لاستخدام الميكروبات الآلية العالمية، في الوقت الذي تصمم فيه.

احتياجات الطاقة والإدارة الحرارية

فالعمليات الكيميائية الأحيائية تكون في كثير من الأحيان أبطأ من النظم الكيميائية، ولكنها قد تتطلب قدرا أقل من الطاقة، غير أنه يجب الاحتفاظ بالمفاعلات الأحيائية عند درجات حرارة مثلى تتراوح بين 20 و40 درجة مئوية بالنسبة للكائنات المتردية، وفي ظل ازدحام الفضاء أو في اليوم الساخن للقمر، فإن الإدارة الحرارية تصبح حرجة، كما أن مواد تغيير المرحلة والمضخات الحرارية والعزل يمكن أن تساعد على الحفاظ على استقرار الظروف الملتقطة.

من الفضاء إلى الأرض:

(ب) إن الاستثمار في دعم الحياة الفضائية الكيميائية الأحيائية سيولد حتماً ابتكارات تفيد الأرض.() ويمكن أن يساعد إنتاج بروتين من الميثان أو ثاني أكسيد الكربون على تغذية عدد متزايد من سكان العالم بأرض ودرجة أقل من الزراعة التقليدية.()

الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالسلامة في مجال التكنولوجيا الأحيائية الفضائية

ومع انتقالنا نحو نشر الكائنات الحية المحورة جينيا في المركبات الفضائية المكتظة، يجب أن تتطور الأطر التنظيمية، ولا تتناول معاهدات الأمم المتحدة بشأن الفضاء الخارجي صراحة التلوث البيولوجي أو الهندسة الوراثية، غير أن بروتوكولات حماية الكواكب (التي يحفظها طاقم كوستار) تهدف إلى منع التلوث المستقبلي لعالم أخرى من قبل الأرض، وإذا ما تسرب المفاعل الأحيائي إلى موائل للمريخ، فإنه يمكن أن يُعرض البحث العلمي عن حياة المريخية.

خريطة طريق للعقد المقبل

وهناك عدة معالم على الأفق، ففي منتصف العشرينات، ستعيد بعثات أرتيميس التابعة للرابطة الإنسانية إلى سطح القمر، مما يتيح فرصة لاختبار المفاعلات الأحيائية في بيئة ذاتية جزئية، وسيستضيف فريق لونار غيتوي المقرر تجارب بشأن إعادة تدوير النفايات البيولوجية، وبحلول عام 2030، تهدف وكالة الفضاء الأوروبية إلى تحويل نظام شبيه بالشبكة إلى محطة الفضاء الدولية (SFlue) (S([0

الخلاصة: مستقبل ملاحم بين علم الأحياء والمركبات الفضائية

إن الهندسة الكيميائية الحيوية ليست مجرد تكنولوجيا مساعدة للسفر في الفضاء - بل أصبحت جزءا لا يتجزأ من هيكل البعثة، بل إن القدرة على زراعة الأغذية وإعادة تدوير الهواء والمياه، بل وإنتاج الأدوية والمواد التي تستخدم الكائنات الحية ستحدد جدوى وتكلفة البعثات الطويلة الأجل، وتتسارع سرعة التقدم في البيولوجيا الميكانيكية وتصميم المفاعلات الأحيائية، وتكامل النظم، وتتحول التحديات إلى بيئة خالية من الإشعاع،

For further reading, see the ESA MELiSSA project page and the NASA Advanced Life Support Research series.