Micelio para Marte — Hongos radiotróficos en la Estación Espacial Internacional

El problema del blindaje que define el diseño de la misión a Marte

Cada kilogramo levantado del pozo gravitacional de la Tierra cuesta aproximadamente entre mil y dos mil dólares en un vehículo de lanzamiento comercial actual. Para una misión tripulada a Marte, la masa del blindaje contra radiación es uno de los principales factores de costo en la arquitectura de la misión. Los astronautas en un viaje de seis meses hacia Marte, una estancia en la superficie marciana y un regreso de seis meses están expuestos a un entorno de radiación de rayos cósmicos galácticos y eventos de partículas solares que los materiales de blindaje desechables actuales manejan de manera ineficiente. El aluminio y el polietileno protegen razonablemente bien en términos de masa, pero requieren muchas toneladas para llevar un hábitat de espacio profundo a límites de ocupación de larga duración.

El blindaje vivo, un material que llega como una pequeña masa de esporas o cultivos inactivos, y luego crece hasta convertirse en una gruesa capa protectora en el destino, ha sido un concepto aspiracional en la planificación de misiones durante décadas. Hasta hace poco, los organismos candidatos eran demasiado lentos, frágiles o biológicamente exigentes para ser considerados seriamente. Luego, una expedición de muestreo de 1991 dentro de la zona de exclusión de Chernobyl cambió el cálculo.

Cladosporium sphaerospermum y el descubrimiento de la radiotrofía

Un hongo negro rico en melanina, Cladosporium sphaerospermum, fue identificado creciendo en las paredes internas del reactor dañado de la Unidad 4 de Chernobyl en entornos donde la tasa de dosis de radiación gamma era cientos de veces superior al fondo. Más sorprendente aún, el hongo parecía estar creciendo hacia la fuente de radiación en lugar de alejarse de ella. El trabajo de laboratorio dirigido por Ekaterina Dadachova y Arturo Casadevall en el Colegio de Medicina Albert Einstein a principios de la década de 2000 estableció que la melanina en la pared celular del hongo estaba realizando una conversión redox análoga a la fotosíntesis, derivando energía metabólica utilizable de la radiación ionizante. Este comportamiento se denominó radiotrofía. El mecanismo aún se debate parcialmente, pero el resultado empírico ha sido replicado.

Un material de blindaje radiotrófico es interesante por dos razones. Absorbe la energía contra la que se protege en lugar de simplemente dispersarla o atenuarla, lo que altera el perfil de radiación secundaria dentro del hábitat. El organismo se replica a partir de un pequeño inóculo, por lo que la masa de blindaje llega al destino como unos pocos gramos de cultivo y se desarrolla a partir de sustratos disponibles localmente.

El experimento de la ISS 2018-2019

A finales de 2018, un equipo de investigación liderado por Nils Averesch, entonces en Stanford, y Graham Shunk, un co-investigador de pregrado, envió un cultivo de Cladosporium sphaerospermum a la Estación Espacial Internacional en una misión de reabastecimiento de carga de SpaceX. El experimento, con el nombre en clave Space MICRA, era pequeño según los estándares de vuelos espaciales. Una placa de Petri dividida en dos compartimentos, uno inoculado con el hongo y otro estéril, fue monitoreada con un detector de radiación emparejado durante treinta días bajo condiciones de radiación ambiental de la ISS.

La predicción previa al vuelo era que la capa de hongo atenuaría de manera medible el flujo de radiación que alcanzaba el detector detrás de ella. Los datos posteriores al vuelo mostraron una atenuación de aproximadamente dos por ciento a través de una capa de menos de dos milímetros. El preprint de 2020 extrapoló linealmente, casi con certeza una simplificación excesiva, a una capa de aproximadamente veintiún centímetros que proporcionaría el mismo blindaje que un metro de regolito marciano. Incluso con una proyección no lineal más conservadora, el resultado fue suficiente para justificar un seguimiento.

El trabajo de seguimiento y los conceptos de blindaje híbrido

El trabajo posterior se ha movido en dos direcciones. La primera es la caracterización mejorada del hongo de blindaje. Los estudios espectroscópicos y dosimétricos han comenzado a desentrañar la contribución del pigmento de melanina por sí solo de la contribución del organismo vivo y metabolizante. Los resultados preliminares sugieren que el estado vivo importa. Un enfoque de matar y extraer pierde gran parte del beneficio de absorción, lo que tiene implicaciones para el diseño del sistema de blindaje y el soporte vital.

La segunda dirección es la micotectura híbrida. En lugar de depender solo del hongo, el trabajo conceptual actual empareja una delgada capa exterior radiotrófica con compuestos de regolito unidos a micelio estructural. Ecovative Design, una empresa de Nueva York que ha comercializado empaques y aislamiento de micelio terrestre, ha colaborado con equipos financiados por la NASA en estudios de unión de simulantes de regolito marciano. Una subvención de la NASA para Conceptos Avanzados Innovadores a Lynn Rothschild en el Centro de Investigación Ames, el programa de Arquitectura Myco-planetaria, financió una investigación paralela sobre el uso de aglutinantes de micelio para construir paredes de hábitat a partir de regolito marciano en la superficie, con especies radiotróficas potencialmente integradas como una capa superior.

Por qué el enfoque sigue siendo especulativo

El camino desde una demostración en un plato de Petri de treinta días hasta un hábitat desplegable en Marte es largo, y quedan varias preguntas abiertas. La tasa de crecimiento de los hongos radiotróficos bajo presión atmosférica reducida, baja gravedad y composición de sustrato relevante para Marte no está bien caracterizada. La viabilidad de larga duración del cultivo bajo el entorno de radiación real del espacio profundo, que es cualitativamente diferente de la radiación en órbita baja terrestre, está abierta. El requisito de sustrato metabólico, las fuentes de carbono y nitrógeno que el hongo necesita para crecer su capa protectora, debe ser traído de la Tierra o generado a partir de recursos marcianos, ambos de los cuales añaden complejidad al sistema.

Sin embargo, el caso económico sigue siendo lo suficientemente convincente como para que el trabajo continúe atrayendo financiamiento de subvenciones de la NASA. Una capa de blindaje pasivo que llega a Marte en un vial que pesa menos de un kilogramo y se convierte en un elemento estructural del hábitat es el tipo de victoria asimétrica en el presupuesto de masa que los arquitectos de misiones tienen en cuenta.

Qué observar a continuación

Las oportunidades de vuelo interesantes en los próximos años son los experimentos de micotectura dedicados planeados para el programa de superficie lunar Artemis, que proporciona un entorno de preparación de menor costo para probar hongos de blindaje contra radiación en algo más cercano al perfil de radiación de la superficie de Marte que lo que ofrece la ISS. Un segundo hilo es la aparición gradual de actores comerciales en micotectura, Ecovative, MycoWorks, Biohm, cuya capacidad de producción terrestre hace que el camino desde el concepto de investigación hasta el hardware listo para vuelo sea significativamente más barato de lo que habría sido hace una década.

Un hábitat en Marte que se desarrolla a partir de regolito y un kilogramo de cultivo sigue, por ahora, siendo un programa de investigación en lugar de un plan de misión. La trayectoria de datos desde 2018 ha reducido significativamente la brecha.