Bioregenerative life support systems : a mathrematical model for crop growth and interaction with humans

The colonization of space will depend on the ability to provide for the metabolic needs of a crew,with minimal re-supply from Earth. This result can be achieved with bioregenerative life support systems which use plants and microorganisms to produce oxygen and food, and to treat human and vegetable wastes. To design a proper planetary greenhouse, it is necessary a numerical model which can describe the crops behavior in closed environment. Literature reports few mathematical models applied to space scenarios (such as Modified Energy Cascade); their limitations stays in the low accuracy for biomass allocation and production. On the other side, models developed for terrestrial applications cannot describe the O2 and CO2 production. This thesis analyses a numerical model aiming at simulating different crop growth depending on environmental conditions and predicting the O2,CO2 and the biomass production. The tool combines two well-known mathematical models in terrestrial application: the functional-structural model Greenlab and the process-based model TomSim. The numerical tool is qualitatively validated with a small hydroponic experiment, in which lettuce crops are grown under controlled environmental conditions. The effectiveness of the proposed approach is verified by settling a closed loop scenario which faces the humans and plants interaction, simulating the crew’s oxygen and carbon dioxide consumption during different activities. A 14 m2 lettuce cultivation results sufficient to sustain one astronaut, keeping the carbon dioxide below the concentration present on the International Space Station. Moreover the lettuce improves the human diet quality, providing a good amount of essential vitamins and minerals.

La futura colonizzazione dello spazio dipenderà dall'abilità di supportare i requisiti metabolici degli astronauti, minimizzando i rifornimenti da Terra. Ciò può essere raggiunto grazie ai sistemi biorigenerativi di supporto vitale, che adoperano piante e microorganismi per produrre ossigeno e alimenti, riciclando i rifiuti umani e vegetali. Per progettare una serra planetaria correttamente è necessario utilizzare un modello numerico in grado di simulare il comportamento delle piante cresciute in ambienti chiusi e controllati. In letteratura i modelli numerici riportati sono molto pochi (ad esempio il Modified Energy Cascade) e limitati dalla poca accuratezza con cui predicono la produzione di biomassa e la sua allocazione i diversi organi. I modelli sviluppati per applicazioni terrestri, invece, non sono in grado di descrivere la produzione di ossigeno e il consumo di anidride carbonica. Questo lavoro di tesi analizza un modello matematico che permette la simulazione di diverse piante in funzione delle condizioni ambientali e la previsione della produzione di ossigeno, anidride carbonica e biomassa. Questo strumento combina due modelli terrestri molto conosciuti: il modello strutturale Greenlab e il modello process-based TomSim. Il modello è inoltre validato qualitativamente grazie ad un esperimento di coltivazione idroponica di alcune piante di lattuga in un ambiente controllato. La bontà di questo strumento viene verificata con la simulazione di un ambiente chiuso in cui è analizzata l’interazione tra le piante e gli uomini, simulando il consumo di ossigeno degli astronauti in diverse attività. Una coltivazione di 14 metri quadri di lattuga risulta sufficiente per supportare la vita di un astronauta, mantenendo i livelli di CO2 inferiori a quelli presenti sulla stazione spaziale internazionale. Inoltre, il consumo di lattuga migliora la qualità della dieta umana, con una buona quantità di vitamine e minerali essenziali.