Dopo oltre quattro decenni di ricerca in microgravità, la NASA e l’International Space Station National Laboratory hanno identificato numerose applicazioni, inserite nel portfolio del programma In Space Production Applications (InSPA) dell’ente spaziale statunitense.
Cristalli uniformi, semiconduttori, vetro specializzato e fibre ottiche sono solo alcuni dei molti materiali che possono trarre beneficio dall’essere prodotti in microgravità. Retine artificiali, sistemi per la somministrazione dei farmaci, la produzione di cellule staminali pluripotenti e gli inchiostri biologici sono esempi di come la microgravità possa stimolare le industrie mediche e bioscientifiche. Per esempio, una delle tecnologie più promettenti potrebbe riguardare la produzione di cristalli di piccole molecole proteiche per le terapie farmacologiche.
L’obiettivo principale di NASA e InSPA è soddisfare la domanda esterna, scalabile, sostenibile e redditizia per i servizi e i prodotti fabbricati nell’ambiente in microgravità dell’orbita bassa terrestre per il loro uso sulla Terra.
Applicazioni di speciale interesse
InSPA supporta gli obiettivi del programma Cancer Moonshot della Casa Bianca, volto alla ricerca di nuove applicazioni per accelerare il progresso della ricerca contro il cancro. Questi progetti sono di speciale interesse e potrebbero includere la produzione di composti o di sistemi terapeutici per applicazioni oncologiche sulla Terra.
InSPA inoltre supporta il CHIPS (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors) and Science Act of 2022 il quale fornisce al Dipartimento del Commercio statunitense 50 miliardi di dollari per una suite di programmi per il rafforzamento e la rivitalizzazione della posizione statunitense nella ricerca, nello sviluppo e nella produzione di semiconduttori.
I riconoscimenti da parte del programma InSPA ricadono in due categorie: Materiali avanzati e Ingegneria dei tessuti/bioproduzione.
Materiali Avanzati
Le ricerche spaziali in questo campo impiegano la microgravità sia singolarmente sia in combinazione con altre tecnologie per produrre sempre più nuovi prodotti. Ecco qualche esempio di ricerca:
- la rimozione dei fenomeni della sedimentazione e della spinta idrostatica permette la realizzazione di nuove leghe e di nuovi composti;
- i processi legati alla tensione superficiale possono eliminare i vuoti per assicurare un contatto continuo fra materiali dissimili;
- l’assenza del fenomeno della convezione offre ambienti quiescenti che possono contribuire a rimuovere o minimizzare i difetti nei processi produttivi.
Produzione di cristalli
La produzione di cristalli in condizioni di microgravità trova numerose applicazioni nello sviluppo dei farmaci, nei loro test e nella loro veicolazione, oltre che nel campo dei semiconduttori. Per esempio, i cristalli assumono le seguenti proprietà in microgravità:
- crescono più lentamente, permettendo ai processi di produzione delle fibre ottiche di eliminare i difetti di cristallizzazione;
- crescono in modo più uniforme favorendo terapie basate su proteine di migliore qualità;
- i cristalli prodotti sono più grandi, più regolari e quindi di migliore qualità.
Deposizione di strati sottili
La deposizione di strati sottili in microgravità ha applicazioni nelle tecnologie di stratificazione per i dispositivi medici, per quelle dei semiconduttori e dei rivestimenti ceramici.
Infatti l’assenza di sedimentazione e di spinta idrostatica permette alla tensione superficiale di avere il sopravvento, consentendo la deposizione di strati uniformi a livello molecolare e atomico, il che è un aspetto fondamentale nella produzione di retine artificiali e di altri dispositivi.
Ingegneria dei tessuti e bioproduzione
In condizioni di microgravità, i tessuti possono essere modellati nelle tre dimensioni senza necessità di architetture di supporto e la materia vivente si adatta alla microgravità tramite una varietà di meccanismi che possono essere impiegati per modellare le disfunzioni cellulari che occorrono sulla Terra. Per esempio:
- la gravità limita l’ingegneria dei tessuti sulla Terra, appiattendo e deformando le strutture tissutali 3D;
- la microgravità permette di realizzare tessuti più grandi, in modo che possano essere impiegati per la ricerca medica;
- sempre più prove indicano che l’interazione tra la microgravità e i sistemi viventi suscita risposte simili a quelle del fenomeno del rapido invecchiamento sulla Terra, le quali possono essere utilizzate per accelerare la modellazione delle malattie e lo sviluppo di adeguate terapie;
- l’ingegneria dei tessuti 3D combinata agli effetti dell’invecchiamento accelerato, basata sulle più recenti biotecnologie, sull’intelligenza artificiale e apprendimento automatico (Artificial Intelligence/Machine Learning – AI/ML), offre nuove e crescenti conoscenze e opportunità, nuovi prodotti per la modellazione delle malattie, per i test e lo sviluppo di opportuni farmaci.
