| Fecha: |
2025 |
| Resumen: |
Les missions espacials tripulades de llarga durada, com les destinades a la Lluna o a Mart, requeriran sistemes de suport vital en bucle tancat, fiables i autosuficients, capaços de mantenir les tripulacions durant mesos o anys amb un subministrament molt limitat. En aquest context, els sistemes de suport vital biorregeneratius esdevindran crucials. Aquests sistemes incorporaran plantes superiors per regenerar oxigen mitjançant la fotosíntesi, eliminar diòxid de carboni i reciclar aigua a través de la transpiració. Tanmateix, els models actuals de creixement vegetal no incorporen condicions específiques de l'espai, com la microgravetat, l'exposició a la radiació i els paràmetres atmosfèrics alterats, la qual cosa limita la capacitat de predir el comportament de les plantes i el rendiment del sistema en hàbitats extraterrestres. Aquesta recerca aborda aquesta mancança aïllant i examinant els processos fonamentals de transferència de calor i massa en les interaccions planta-entorn, utilitzant una rèplica de fulla en condicions controlades. L'ús de la rèplica permet desacoblar fenòmens purament físics dels efectes biològics complexos, permetent un estudi precís de com la gravetat afecta la transferència convectiva de calor i massa. Els experiments es duen a terme tant en gravetat normal a la Terra com en entorns de microgravetat, assolits mitjançant campanyes de vols parabòlics, utilitzant una plataforma experimental dissenyada i construïda com a part d'aquesta tesi doctoral. La plataforma consta de quatre unitats en les quals la rèplica de la fulla es sotmet a un flux d'aire controlat, i la seva posició respecte al flux es pot ajustar. Els paràmetres clau que es monitoritzen inclouen la velocitat del flux d'aire, l'orientació de la fulla, l'acceleració gravitacional, la pressió, la temperatura, la humitat relativa dins les unitats i la temperatura superficial de la rèplica. Les dades recollides durant aquests experiments van permetre identificar coeficients de transferència de calor i massa tant en condicions estacionàries com transitòries. Les anàlisis estadístiques mostren efectes significatius de la gravetat, el flux d'aire i l'orientació sobre la temperatura superficial i la transferència de massa de la rèplica. El treball de modelatge va conduir al desenvolupament i validació de models mecanicistes de transferència convectiva de calor i massa que tenen en compte la convecció natural i forçada, el comportament de la capa límit i les limitacions de difusió interna. Els resultats confirmen el paper de la gravetat i la velocitat de l'aire en la modulació de la transferència de calor i massa, i mostren la contribució dominant de la superfície superior en la pèrdua de calor. El model i les dades proporcionen una eina basada en principis físics per analitzar les interaccions planta-entorn en condicions de gravetat alterada, amb una possible aplicació en futurs experiments espacials. |
| Resumen: |
Las misiones espaciales tripuladas de larga duración, como las que se dirigen a la Luna o a Marte, requerirán sistemas de soporte vital en bucle cerrado, fiables y autosuficientes, capaces de sostener a las tripulaciones durante meses o años con un reabastecimiento muy limitado. En este contexto, los sistemas de soporte vital biorregenerativos se volverán cruciales. Estos sistemas incorporarán plantas superiores para regenerar oxígeno mediante la fotosíntesis, eliminar dióxido de carbono y reciclar agua a través de la transpiración. Sin embargo, los modelos actuales de crecimiento vegetal no incorporan condiciones específicas del espacio, como la microgravedad, la exposición a la radiación y parámetros atmosféricos alterados, lo que limita su capacidad para predecir el comportamiento de las plantas y el rendimiento del sistema en hábitats extraterrestres. Esta investigación aborda esa brecha aislando y examinando los procesos fundamentales de transferencia de calor y masa en las interacciones planta-entorno, utilizando una réplica de hoja en condiciones controladas. El uso de la réplica permite desacoplar fenómenos puramente físicos de los efectos biológicos complejos, lo que permite un estudio preciso de cómo la gravedad afecta la transferencia convectiva de calor y masa. Los experimentos se llevan a cabo tanto en gravedad normal en la Tierra como en entornos de microgravedad, alcanzados mediante campañas de vuelos parabólicos, utilizando una plataforma experimental que fue diseñada y construida como parte de esta tesis doctoral. La plataforma consta de cuatro unidades en las que la réplica de hoja se somete a un flujo de aire controlado, y su posición respecto a dicho flujo puede ajustarse. Los parámetros clave monitorizados incluyen la velocidad del flujo de aire, la orientación de la hoja, la aceleración gravitacional, la presión, la temperatura, la humedad relativa dentro de las unidades y la temperatura de la superficie de la réplica. Los datos recogidos durante estos experimentos permitieron identificar coeficientes de transferencia de calor y masa tanto en condiciones estacionarias como transitorias. Los análisis estadísticos muestran efectos significativos de la gravedad, el flujo de aire y la orientación sobre la temperatura superficial y la transferencia de masa de la réplica. El trabajo de modelado condujo al desarrollo y validación de modelos mecanicistas de transferencia convectiva de calor y masa que tienen en cuenta la convección natural y forzada, el comportamiento de la capa límite y las limitaciones de difusión interna. Los resultados confirman el papel de la gravedad y la velocidad del aire en la modulación de la transferencia de calor y masa, y muestran la contribución dominante de la superficie superior en la pérdida de calor. El modelo y los datos proporcionan una herramienta basada en principios físicos para analizar las interacciones planta-entorno en condiciones de gravedad alterada, con potencial aplicación en futuros experimentos espacial. |
| Resumen: |
Long-duration crewed space missions like those to the Moon, Mars, will demand reliable and self-sufficient closed-loop life-support systems to sustain crews for months or years with very limited resupply. In this context, bioregenerative life-support systems will become crucial. Those systems will incorporate higher plants to regenerate oxygen via photosynthesis, remove carbon dioxide, and recycle water through transpiration. However, currently existing plant growth models do not incorporate space-specific conditions such as microgravity, radiation exposure, and altered atmospheric parameters, resulting in a limited capability to predict plant behaviour and system performance in extra-terrestrial habitats. This research addresses that gap by isolating and examining fundamental heat and mass transfer processes in plant-environment interactions using a leaf replica under controlled conditions. Using the leaf replica enables decoupling of purely physical phenomena from complex biological effects, allowing precise study of how gravity affects convective heat transfer and mass transfer. Experiments are conducted in both normal gravity on Earth and microgravity environments, achieved via parabolic flight campaigns, using an experimental platform that was designed and built as a part of this PhD. The platform consists of four units in which the leaf replica is subjected to controlled airflow and its position against the airflow can be adjusted. Key parameters monitored include airflow velocity, leaf orientation, gravitational acceleration, pressure, temperature, and relative humidity inside the units, and leaf replica surface temperature. Data collected during these experiments enabled the identification of heat and mass transfer coefficients under both steady-state and transient conditions. Statistical analyses show significant effects of gravity, airflow, and orientation on surface temperature and mass transfer of the replica. The modelling work led to the development and validation of mechanistic models for convective heat and mass transfer that take into account natural and forced convection, boundary layer behaviour, and internal diffusion limitations. The results confirm the role of gravity and air velocity in modulating heat and mass transfer, and show the dominant contribution of the upper surface in heat loss. The model and data provide a physically grounded tool for analysing plant-environment interactions in altered gravity, with potential application in future space experiment. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biotecnologia |
| Derechos: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Lengua: |
Anglès |
| Colección: |
Programa de Doctorat en Biotecnologia |
| Documento: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Materia: |
Microgravetat ;
Microgravity ;
Microgravedad ;
Microgravité ;
Capa límit ;
Boundary layer ;
Capa límite ;
Couche limite ;
Plantes ;
Plants ;
Plantas ;
Tecnologies |
visitante ::
identificación
