Svampar observerade på ISS, växande på en panel av den ryska Zarya-modulen där träningskläder hängdes på tork. Kredit:NASA/ESA
Astronauter lever och arbetar i omloppsbana tillsammans med myllrande populationer av mikroorganismer, vilket kan utgöra ett allvarligt hot mot hälsan – och till och med rymdfarkostens strukturella integritet. För att hjälpa till att bekämpa sådana osynliga fripassagerare utvecklar ett ESA-ledt projekt mikrobedödande beläggningar som är lämpliga för användning i rymdfarkoster.
Besättningsmän på den internationella rymdstationen är inte ensamma. En mikrobiell undersökning av ytor inom den orbitala utposten fann dussintals olika bakterier och svamparter, inklusive skadliga patogener som Staphylococcus aureus – kända för att orsaka hud- och luftvägsinfektioner samt matförgiftning.
Dessa mikrobiella populationer kan till och med göra rymdfarkoster sjuka, inte bara astronauter. Bakterier och svampar producerar "biofilmer" - liknande placket på dina tänder - som i sin tur kan bli smutsiga och äta bort metall och glas samt plast och gummi.
Detta problem visade sig vara akut under de sista dagarna av ISS:s föregångare, rymdstationen Mir, där mikrobiella kolonier observerades växa på delar av rymddräkter, kabelisolering och till och med tätningar av fönster.
"Med astronauternas immunsystem undertryckta av mikrogravitation kommer de mikrobiella populationerna av framtida långvariga rymduppdrag att behöva kontrolleras rigoröst", förklarar ESA:s materialingenjör Malgorzata Holynska. "Så ESA:s materialsektion för fysik och kemi samarbetar med Istituto Italiano di Tecnologia, IIT, för att studera antimikrobiella material som kan läggas till interna kabinytor."
ESA-projektet PATINA med IIT har påbörjat arbetet med titanoxid, även känd som "titanium", som används till exempel i självrengörande glas här nere på jorden, samt i hygieniska ytor. När titanoxid utsätts för ultraviolett ljus bryter den ner vattenånga i luften till "fria syreradikaler", som äter bort allt som finns på ytan, inklusive bakteriemembran. Kredit:IIT
IIT-teamet har påbörjat arbetet med titanoxid, även känd som "titanium", som används till exempel i självrengörande glas här nere på jorden, såväl som i hygieniska ytor. När titanoxid utsätts för ultraviolett ljus bryter den ner vattenånga i luften till "fria syreradikaler", som äter bort allt som finns på ytan, inklusive bakteriemembran.
"Bakterier blir inaktiverade av den oxidativa stress som genereras av dessa radikaler", säger Mirko Prato på IIT. "Detta är en fördel eftersom alla mikroorganismer påverkas utan undantag, så det finns ingen chans att vi ökar bakteriell resistens på samma sätt som vissa antibakteriella material."
Valet av titanoxid styrdes av tidigare forskning om antimikrobiella beläggningar för sjukhus. Teamet undersöker metod för att "dopa" substansen; anpassa sitt recept för att öka dess känslighet för den synliga delen av ljusspektrumet.
"Antimikrobiella beläggningar på jorden använder ofta silver, men vi vill klara oss utan det här", tillägger Malgorzata. "Frågan är att i en rymdfarkosts begränsade miljö kan långvarig exponering för silver ha negativa hälsoeffekter för astronauter - vi vill inte ha en tungmetalluppbyggnad i vattnet ombord, till exempel med lösligt silver kopplat till hud och ögon irritation, även förändringar i hudfärg vid mycket höga doser."
En av attraktionerna med titanoxid som ett alternativ är dess uppenbara långsiktiga stabilitet, förklarar Fabio Di Fonzo från IIT:"Men vi kommer att utföra artificiell åldring av beläggningar för att se hur de utvecklas över tiden. Och en del av projektresultaten kommer att vara att se vilka fotonedbrytningsprodukter som går tillbaka till kabinatmosfären när bakterierna har oxiderats – uppenbarligen vill vi inte ha slutprodukter som är mer giftiga än mikroberna själva."
En petriskål innehåller kolonier av svampar som odlats från ett prov som samlats ombord på den internationella rymdstationen under den första av NASA:s tre Microbial Tracking-1-flygningar. Kredit:NASA/JPL
Tester av IIT har uppnått framgångsrik titanoxidbeläggning av en mängd olika kandidatytor:glas, kiselskiva, aluminiumfolie och till och med renrumspapper. Beläggningarna sätts på plats med hjälp av olika metoder, inklusive "fysikalisk ångavsättning" och "atomskiktsavsättning" – som involverar gradvis nedläggning av tunna filmer genom exponering för gasformiga kemikalier, tekniker som mer traditionellt används för tillverkning av halvledarenheter.
"Vi strävar efter att hålla detta antimikrobiella skikt så tunt som möjligt, för att inte förändra de mekaniska egenskaperna hos underliggande material för mycket, inte hindra tyger från att böjas och så vidare", säger Mirko. "Vi siktar på tjocklekar på 50 till 100 nanometer , miljondelar av en millimeter."
PATINA-projektet, "Optimering av fotokatalytiska antibakteriella beläggningar" föreslogs genom ESA:s Open Space Innovation Platform, där man sökte nya idéer för rymdforskning från vilken källa som helst. Projektet omfattar även andra antimikrobiella ytbehandlingar, inklusive superhydrofoba material som stöter bort all fukt, elektrostatisk reaktion och biocidfrigörande material.
Vid ESTEC utförde ESA-forskaren Mengjiao Wang arbete med att testa beläggningar, som nu efterträds av forskaren Federica Arena.
Detta nya antimikrobiella tillvägagångssätt kompletterar befintlig europeisk forskning som det franska rymd-ytexperimentet MATISS och det tyska experimentet Touching Surfaces som undersöker bakterietillväxt ombord på ISS. + Utforska vidare
