Improvement and validation of a mechanistic physical model for the prediction of heat and mass transfer in higher plant growth in reduced gravity

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.

Fecha de lectura	23 oct 2025
Idioma original	Inglés
Institución de lectura	Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)
Supervisor	Francesc Godia Casablancas (Director/a), Jean-Pierre Fontaine (Director/a) & Claude-Gilles Dussap (Director/a)