Selvrensende rumfartøjsoverflader for at bekæmpe mikrober

Astronauter lever og arbejder i kredsløb sammen med myldrende populationer af mikroorganismer, som kan udgøre en alvorlig trussel mod sundheden - og endda rumfartøjets strukturelle integritet. For at hjælpe med at bekæmpe sådanne usynlige blinde passagerer udvikler et ESA-ledet projekt mikrobe-dræbende belægninger, der er egnede til brug i rumfartøjers kabiner.

Besætningsmedlemmer på den internationale rumstation er ikke alene. En mikrobiel undersøgelse af overflader i den orbitale forpost fandt dusinvis af forskellige bakterier og svampearter, herunder skadelige patogener såsom Staphylococcus aureus - kendt for at forårsage hud- og luftvejsinfektioner samt madforgiftning.

Disse mikrobielle populationer kan endda gøre rumfartøjer syge, ikke kun astronauter. Bakterier og svampe producerer "biofilm" - i lighed med pladen på dine tænder - som igen kan plette og tære på metal og glas samt plastik og gummi.

Dette problem viste sig akut i de sidste dage af ISS's forgænger, Mir-rumstationen, hvor mikrobielle kolonier blev observeret vokse på dele af rumdragter, kabelisolering og endda forsegling af vinduer.

"Med astronauters immunsystem undertrykt af mikrotyngdekraft, vil de mikrobielle populationer af fremtidige langvarige rummissioner skulle kontrolleres strengt," forklarer ESAs materialeingeniør Malgorzata Holynska. "Så ESA's Materials' Physics and Chemistry Sektion samarbejder med Istituto Italiano di Tecnologia, IIT, for at studere antimikrobielle materialer, der kan tilføjes til indvendige kabineoverflader."

IIT-teamet har påbegyndt arbejdet med titaniumoxid, også kendt som "titanium", brugt for eksempel i selvrensende glas hernede på Jorden, samt i hygiejniske overflader. Når titaniumoxid udsættes for ultraviolet lys, nedbryder det vanddamp i luften til "frie iltradikaler", som æder alt, hvad der er på overfladen, inklusive bakteriemembraner.

"Bakterier bliver inaktiveret af det oxidative stress, der genereres af disse radikaler," siger Mirko Prato fra IIT. "Dette er en fordel, fordi alle mikroorganismerne påvirkes uden undtagelse, så der er ingen chance for, at vi øger bakteriel resistens på samme måde som nogle antibakterielle materialer."

Valget af titaniumoxid var styret af tidligere forskning i antimikrobielle belægninger til hospitaler. Holdet undersøger metode til at "dope" forbindelsen; tweaking sin opskrift for at øge dens følsomhed over for den synlige del af lysspektret.

"Antimikrobielle belægninger på Jorden gør ofte brug af sølv, men vi vil gerne undvære det her," tilføjer Malgorzata. "Spørgsmålet er, at i det indelukkede miljø af et rumfartøj kan langvarig eksponering for sølv have negative helbredseffekter for astronauter - vi ønsker ikke en tungmetalopbygning i vandet ombord, for eksempel med opløseligt sølv knyttet til hud og øjne irritation, selv ændringer i hudfarve ved meget høje doser."

En af attraktionerne ved titaniumoxid som et alternativ er dets tilsyneladende langsigtede stabilitet, forklarer Fabio Di Fonzo fra IIT:"Men vi vil udføre kunstig ældning af belægninger for at se, hvordan de udvikler sig over tid. Og en del af projektets resultater vil være at se, hvad det er for fotonedbrydningsprodukter, der går tilbage i kabineatmosfæren, når bakterierne er oxideret - vi ønsker naturligvis ikke slutprodukter, der er mere giftige end mikroberne selv."

Test af IIT har opnået en vellykket titaniumoxidbelægning af en række kandidatoverflader:glas, siliciumwafer, aluminiumsfolie og endda renrumspapirpapir. Belægningerne påføres ved hjælp af forskellige metoder, herunder "fysisk dampaflejring" og "atomisk lagaflejring" - der involverer gradvis nedlægning af tynde film ved eksponering for gasformige kemikalier, teknikker, der mere traditionelt anvendes til fremstilling af halvlederenheder.

"Vi sigter efter at holde dette antimikrobielle lag så tyndt som muligt, for ikke at ændre de mekaniske egenskaber af underliggende materialer for meget, for ikke at forhindre stoffer i at bøje sig og så videre," siger Mirko. "Vi sigter mod tykkelser på 50 til 100 nanometer , milliontedele af en millimeter."

PATINA-projektet, 'Optimering af fotokatalytiske antibakterielle belægninger' blev foreslået gennem ESA's Open Space Innovation Platform, hvor man søgte nye ideer til rumforskning fra enhver kilde. Projektet dækker også andre antimikrobielle overfladebehandlinger, herunder superhydrofobe materialer, der afviser al fugt, elektrostatisk reaktion og biocidfrigørende materialer.

Hos ESTEC udførte ESA Research Fellow Mengjiao Wang arbejde med at teste belægninger, nu efterfulgt af Research Fellow Federica Arena.

Denne nye antimikrobielle tilgang supplerer eksisterende europæisk forskning såsom det franske rum-overflade-eksperiment MATISS og det tyske Touching Surfaces-eksperiment, der undersøger bakterievækst ombord på ISS. + Udforsk yderligere

Antibakterielt bioaktivt glas fordobler mikrobiel resistens over for antibiotika