La Scienza di Samantha: Touching Surfaces

Touching Surfaces sperimenta l'impiego di superfici biocide sulla Stazione Spaziale Internazionale Credits: DLR

Le ricerche scientifiche in ambito spaziale eseguite in passato, sia con gli esperimenti svolti nei voli di breve durata sia nei monitoraggi delle missioni più lunghe sulle stazioni spaziali (come Mir e International Space Station), suggeriscono che la relazione fra gli esseri umani e i microbi è alterata nell’habitat spaziale.

Il progetto interdisciplinare Touching Surfaces mira a studiare delle nuove tipologie di superfici antimicrobiche rifinite al laser. I test delle superfici nanostrutturate a mezzo di opportune lavorazioni laser, svolti nello spazio, permettono l’individuazione del progetto più adatto per le superfici antimicrobiche per le applicazioni terresti, come nei trasporti pubblici, nel settore clinico, oltre ovviamente alle applicazioni in ambito spaziale.

Il team

Il team scientifico per la ricerca Touching Surfaces è guidato dal German Aerospace Center (DLR) di Colonia, Germania, ed è composto da ricercatori dell’Institute of Aerospace Medicine sempre della DLR di Colonia, della Saarland University di Saarbrücken, Germania, dell’University College London, di Londra, Regno Unito e del centro ESTEC dell’ESA, di Noordwijk, Olanda.

Uno dei Touch Arrays posizionato sulla Stazione. Credits: ESA/M. Maurer

Applicazioni

Per quanto riguarda le applicazioni in ambito spaziale, le ricerche sulle relazioni fra la fisiologia umana e l’ecologia microbica negli habitat spaziali sono critiche per le operazioni a lungo termine e per coadiuvare l’ingegneria legata alla presenza umana nello spazio. Come sottolineato nelle varie tabelle di marcia dei partner internazionali dell’ISS, ESA, NASA, JAXA e di tutti gli altri, un rapido e robusto monitoraggio ambientale è richiesto per fornire informazioni essenziali sulla sicurezza microbiologica, come la definizione delle soglie minime e massime di presenza di microbi nell’atmosfera di bordo, sulle superfici interne e nell’acqua. In questo modo si assicurerà la sicurezza microbiologica degli habitat delle future missioni a lunga durata.

Sulla Terra, considerata l’entità dell’attuale pandemia causata dal Coronavirus SARS-CoV-2, si rendono assolutamente necessari ulteriori metodi innovativi per contenere la diffusione dei vari microorganismi patogeni. Un metodo per evitare l’adesione di microorganismi alle superfici, e quindi di prevenire la trasmissione di patologie tramite il contatto con dette superfici, è l’impiego di superfici antimicrobiche. Esistono diversi materiali e composti che hanno la caratteristica di inibire la crescita batterica o anche solo di ridurre il carico microbico. Questa proprietà può essere utilizzata per creare superfici antimicrobiche che possono trovare applicazione in disparati ambienti come le aree pubbliche o nei luoghi in cui sono inevitabili degli standard igienici molto elevati, come nelle strutture sanitarie o nelle industrie alimentari.

Ciascun Touch Array misura 136 × 45 × 8 mm ed è stato realizzato in alluminio. Il pannello A contiene nove superfici metalliche di test, da sinistra a destra: in acciaio, rame e ottone (3 per ogni metallo), con delle strutture realizzate al laser delle dimensioni di 3 µm. Nel pannelllo B sono stati montati dei detector per l’umidità. Credits: DLR

Una panoramica

I microorganismi sono presenti un po’ dappertutto nel corpo umano e anche sulla sua superficie; essi colonizzano la pelle, i polmoni, gli intestini, e tutte le cavità corporee. Oltre a quei microorganismi che sono importanti per la nostra salute, comunque, ci sono anche dei microorganismi patogeni che causano infezioni e dei microorganismi patogeni che normalmente sono innocui, ma che, in determinate circostanze, possono provocare serie e a volte pericolosissime infezioni. Benché la maggior parte di questi microorganismi non rappresenti seri rischi per degli esseri umani in buona salute, il sistema immunitario indebolito degli astronauti, le limitate opzioni di trattamento, e l’impossibilità di poter tornare immediatamente sulla Terra, sono ragioni più che valide che obbligano allo stretto controllo e alla riduzione delle contaminazioni microbiche sulle stazioni spaziali. Le superfici, specialmente quelle toccate come maggior frequenza, possono fungere da potenziali fonti di microorganismi, inclusi quelli infettivi e patogenici. Similmente, la presenza di microorganismi può compromettere la funzionalità dei sistemi tecnologici di bordo più sensibili, tramite la formazione di biofilm e il diretto danneggiamento dei materiali.

Una possibilità per ridurre la contaminazione microbica, è data dall’impiego di superfici antimicrobiche. Nella ricerca Touching Surfaces, delle superfici lavorate al laser, fatte di acciaio, rame e ottone, vengono testate con un approccio realistico sull’International Space Station (ISS). L’intento è quello di valutare la capacità di queste superfici di ridurre e prevenire la diffusione microbica negli ambienti della Stazione. L’efficienza antimicrobica è posta in relazione alle particolari condizioni ambientali di bordo (radiazioni, microgravità, isolamento, temperatura, umidità).

Durante la sua missione Minerva, Samantha Cristoforetti ha lavorato con l’esperimento Touching Surfaces. Credits: ESA/NASA

I pannelli porta campioni, che sono stati installati in diverse zone della ISS, contengono le superfici metalliche antimicrobiche con e senza le lavorazioni superficiali realizzate con il laser, le quali possono ridurre o incrementare l’adesione batterica. Le varie superfici vengono toccate regolarmente dall’equipaggio e in seguito verranno studiate sulla Terra tramite metodi analitici microbiologici e di scienze dei materiali. I risultati di questo studio permetteranno una progettazione più accurata delle superfici di contatto antimicrobiche e di conseguenza una prevenzione efficiente della diffusione di microbi e biofilm.

Touching Surfaces intende inoltre ispirare e incoraggiare gli studenti allo studio di materie scientifiche, tecnologiche, ingegneristiche e della matematica (STEM) e nella fattispecie allo studio della microbiologia e delle scienze dei materiali, le quali potrebbero dare loro accesso a carriere professionali in ambito spaziale. Il coinvolgimento attivo degli studenti e degli insegnanti interessati viene svolto in collaborazione diretta con il team scientifico e con i laboratori scolastici della DLR, nell’ambito del programma DLR Citizen Science.

Descrizione

Un totale di cinque pannelli contenitori in alluminio denominati Touch Arrays, sono stati inviati sull’ISS nell’agosto 2021 a bordo della navetta cargo SpaceX-23 e sono stati installati dall’astronauta ESA Thomas Pesquet durante la missione Alpha, il quale ha anche iniziato l’esperimento. Questo è stato poi continuato e completato dal collega Matthias Maurer durante la missione Cosmic Kiss.

I Touch Arrays, delle dimensioni di 136 × 45 × 8 mm, sono stati installati in cinque diverse zone della Stazione, in corrispondenza di compartimenti molto e poco frequentemente utilizzati, con l’intento di valutare l’attività antimicrobica di questi materiali nelle condizioni del volo spaziale.

Operatività dell’equipaggio

I Touch Arrays sono posizionati con del velcro nel laboratorio europeo Columbus, nei nodi Harmony e Tranquility e nel laboratorio statunitense Destiny. Queste zone sono state scelte per via del loro particolare utilizzo da parte dell’equipaggio, e per il fatto di essere inoltre già usate per un monitoraggio ambientale microbiologico sull’ISS. Per il loro trasporto in orbita, i cinque contenitori sono stati imballati separatamente in borse dotate di chiusura lampo inserite in una borsa più grande in Nomex. Questo stesso imballo verrà poi impiegato per riportare i contenitori sulla Terra. È necessaria la documentazione fotografica delle fasi di installazione e disinstallazione dell’hardware.

Nel corso delle loro missioni, i due astronauti Maurer e Pesquet hanno dovuto toccare le superfici dei campioni a intervalli regolari di almeno una volta alla settimana (è richiesto un minimo di 15 volte). In corrispondenza di questi eventi, hanno anche rilevato e comunicato al team scientifico i dati dei sensori ambientali di bordo del luogo in cui è posto il relativo Touch Array. Una volta completato l’esperimento, Matthias Maurer ha poi disinstallato i 5 arrays e li ha preparati per il rientro e le analisi a Terra.

Durante la sua missione Minerva, Samantha Cristoforetti ha estratto nuovamente uno dei 5 Touch Arrays e lo ha smontato, per prelevare uno dei campioni e passarlo al collega NASA Kjell Lindgren, il quale lo ha installato nel microscopio elettronico MOCHII per permettere ai ricercatori da Terra di analizzarlo. Questo ha permesso di studiare la carica batterica sul campione mentre era ancora in condizioni di microgravità, acquisendo un importante dato aggiuntivo da confrontare con i risultati delle analisi che seguiranno a Terra. Samantha ha poi rimontato il campione nel suo array e ha preparato il tutto per il rientro e la consegna agli scienziati, che sono avvenuti nell’agosto 2022 con la navetta cargo SpaceX-25.

Samantha Cristoforetti rimuove uno dei Touch Arrays lo scorso luglio. Credits: ESA

Sono complessivamente tre gli esperimenti scientifici relativi alle superfici antimicrobiche e ai biofilm, con i quali ha interagito Samantha Cristoforetti durante la sua missione Minerva, ESA-Biofilms, MATISS-3, e appunto, Touching Surfaces.

Fonti: NASA; ESA; DLR

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Luca Frigerio

Impiegato nel campo delle materie plastiche e da sempre appassionato di spazio, basket e birra artigianale. E' iscritto a forumastronautico.it dal Novembre 2005 e da diversi anni sfoga parte della sua passione scrivendo per astronautinews.it. E' socio dell'Associazione Italiana per l'Astronautica e lo Spazio (ISAA)