Greenhouse multicriteria design for bioregenerative life support systems in space applications

The work presented here deals with Environmental Control and Life Support Systems (ECLSS), that is responsible for enabling human presence in space. ECLSS includes the technologies that are needed to recycle resources onboard: at the state of art recycling is obtained through physico-chemical devices, but it is limited to some type of resources, particularly oxygen and water. The exploitation of biological components within space systems could contribute to resources' recycling: for instance the presence of plants could enhance the recycle of carbon dioxide, water and food production. Systems of this kind are defined Bioregenerative Life Support Systems (BLSS) and among them greenhouse modules are where crops and cultivars are grown in a controlled environment. Study of the literature has allowed the development of a tool in Matlab and Simulink environment that allows a preliminary sizing of different greenhouse configurations for space systems,in terms of mass and power budgets. The tool is based on the interaction of a greenhouse model and an optimization algorithm, known in literature as MOPSO ( Multi-Objective Particle Swarm Optimizer ). The tool evaluates and optimizes different greenhouse configurations, in order to reach the requested biomass production, while minimizing mass, power and water consumption of the system. Those parameters have a direct and heavy impact on costs and project feasibility, that is strongly constrained by the typical challenges of space system design. The tool has been tested for real biomass production requirements that have been defined for a Lunar Greenhouse concept. In particular it has been used to evaluate monocrop and multicrop alternatives for the design of the greenhouse.

Il lavoro presentato concerne i sistemi di Environmental Control and Life Support (ECLS), che comprendono le tecnologie necessarie a sostenere la presenza di astronauti in ambiente spaziale. A questi sistemi è affidata ad esempio la gestione delle risorse consumabili a bordo e le tecniche utili al riciclo delle sostanze. Allo stato dell'arte il riciclo è ottenuto attraverso processi fisico-chimici ad hoc, ma in maniera parziale e limitata solo ad alcuni tipi di risorse, in particolare quelle idriche e l'ossigeno. L'inserimento di componenti biologici all'interno della macchina spaziale può rendere molto più effciente il riutilizzo delle sostanze: la presenza di piante può ad esempio garantire il riciclo di anidride carbonica, acqua e la produzione di alimenti. Sistemi di questo tipovengono definiti ''Sistemi di Supporto alla Vita Biorigenerativi", e tra questi i moduli dove piante e coltivazioni vengono fatte crescere in ambiente controllato (serra, ''greenhouse") hanno un ruolo fondamentale. Durante il lavoro di tesi, lo studio della letteratura ha permesso lo sviluppo di un algoritmo in ambiente Matlab e Simulink che permette il dimensionamento e la valutazione di diverse configurazioni di serra. Data la complessit à del sistema e l'elevato numero di variabili si è scelto di affrontare il problema integrando il modello sviluppato con un codice di ottimizzazione multiobiettivo a sciame di particelle (Multi-Objective Particle Swarm Optimizer) presente in letteratura. La procedura valuta quindi le migliori soluzioni di progetto garantendo la produzione di biomassa necessaria per gli astronauti, minimizzando la massa del sistema, la potenza richiesta e le risorse idriche necessarie. In particolare la tesi discute la differenza tra soluzioni con moduli a una singola coltivazione,e moduli a piu' coltivazioni: questo compromesso ha un'influenza diretta sui costi e sulla fattibilità del progetto, fortemente vincolato dalle problematiche tipiche del progetto di sistemi spaziali. L'approccio proposto è stato applicato in particolare a un problema di Serra Lunare.