الزراعة الفلكية: كيف سنزرع الغذاء على المريخ

إذا كنا نأمل من أي وقت مضى لإرسال الناس إلى العيش على المريخ لفترة طويلة من الوقت، سنحتاج إلى إبقائهم دافئين وآمنين وتغذية جيدة. ويشكل هذا المطلب الأخير تحديًا لمهمة لا يمكنها حمل سوى كمية محدودة من الإمدادات. حتى لو لم تكن الفاصوليا المعلبة ثقيلة جدًا، فلا أحد يريد أن يعيش عليها في مهمة تستمر لمدة عام.

يتطلب مستقبل السكن على المريخ الفواكه والخضروات والحبوب الطازجة. ولكن كيف يمكنك الزراعة على كوكب سام ومميت مثل المريخ؟ للحصول على إجابة، تحدثنا إلى ثلاثة باحثين في مجال المريخ من مجالات البيئة والجيولوجيا والكيمياء الحيوية.

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ - سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

الأساسيات

النباتات هي أشياء شديدة التحمل، ولكن لديها بعض المتطلبات الأساسية. لكي تنمو بشكل جيد، فإنها تحتاج إلى الدفء والضغط الجوي المعقول والحماية من الإشعاع الضار. سيكون توفير هذه الأشياء على المريخ تحديًا، باستثناء حقيقة أن البشر بحاجة إليها جميعًا أيضًا.

الحل الأبسط هو أن أي موطن تبنيه لإيواء رواد الفضاء على المريخ، فإنك تبنيه أيضًا لإيواء جميع المحاصيل. أضف بعض مصابيح LED البسيطة، وسيتمكن رواد الفضاء من الاعتناء بنباتاتهم بسهولة أثناء نموها. من المفترض أن تؤدي إضافة الأضواء إلى مقاومة أي تأثيرات لانخفاض جاذبية المريخ، لأنه حتى في حالة انعدام الجاذبية، تنمو جذور النباتات بشكل طبيعي بعيدًا عن مصادر الضوء. تتمتع البيئة المغلقة أيضًا بميزة أنه يمكنك التحكم في الظروف مثل درجة الحرارة والرطوبة.

ويجر واميلينك، مربي نباتات وعالم بيئة بجامعة فاجينينجن، وأحد الباحثين الرائدين في مجال الزراعة على القمر والمريخ، وقال موقع Digital Trends إن زراعة النباتات في الفضاء تشبه في الواقع الزراعة في المدن، وهي حركة زراعة الغذاء بكفاءة في المناطق الحضرية إعدادات. في كثير من الأحيان، يتم تحقيق ذلك عن طريق إعداد بيئات معقمة في الموائل الداخلية مع أضواء LED. وقال: "من حيث المبدأ، هذا شيء يمكنك القيام به على المريخ، أو في الصحراء إذا كنت ترغب في ذلك، أو في المدينة".

زراعة الحياة في التربة الميتة

ومع ذلك، فإن أكبر عائق أمام زراعة المحاصيل على المريخ هو عدم وجود شيء يبدو بسيطًا: التربة الجيدة القديمة. التربة على الأرض مليئة بالكائنات الحية بالإضافة إلى بعض المعادن، مثل الفوسفور والبوتاسيوم، التي تستخدمها النباتات. لا يحتوي المريخ على تربة، بل يحتوي على مادة ميتة وغبارية تسمى الثرى تغطي سطحه.

لا نعرف التفاصيل الدقيقة لما يتكون منه هذا الثرى، وقد يكون له تركيبات مختلفة في مناطق مختلفة. ولكن لدينا فكرة تقريبية عما هو موجود فيه، وهو ما سمح لوكالة ناسا بتطوير مُحاكي الثرى. يعد هذا في الأساس إعادة تكوين لتربة المريخ بناءً على معرفتنا الحالية بسطح الكوكب.

وهذا يعني أنه يمكنك تجربة "تربة" المريخ هنا على الأرض. على الرغم من أن جهاز المحاكاة ليس رخيصًا، إلا أنه كذلك متاحة للشراء لأغراض البحوث. منذ حوالي عقد من الزمن، تساءل واميلينك عما إذا كان من الممكن استخدام جهاز المحاكاة لزراعة المحاصيل وبحث في هذا الموضوع. وقال: "ما اكتشفته، والذي أدهشني كثيرًا، ويجب أن أقوله، هو أنه لم يجرب أحد ذلك من قبل".

فبدأ زراعة البذور في تربة المريخ والقمر والأرض لمقارنة نموها. في تجاربه الأولى، توقع واميلينك أن النباتات ستعاني في محاكاة المريخ. وأوضح: "إنها تربة فقيرة جدًا بالمغذيات". لا يحتوي على أي مواد عضوية، ويحتوي على معادن ثقيلة يمكن أن تمنع النباتات من الإنبات. وقال: "كانت توقعاتي منخفضة للغاية".

وقام فريقه بزراعة 4200 بذرة من 14 نوعا مختلفا، متوقعا أن يموت معظمها. لكن النتائج كانت مختلفة تمامًا عما توقعه الباحثون. وقد نبتت جميع البذور تقريبًا، بعضها خلال 24 ساعة. قال واميلينك ضاحكًا إن هذا تسبب في مشاكل بالفعل، لأن الفريق اضطر فجأة إلى الاعتناء بمحصول ضخم يضم أكثر من 4000 نبتة.

تتطلب النباتات الكثير من الري الدقيق لأن الثرى كاره للماء، مما يعني أنه لا يمتص الكثير من الرطوبة. لذلك سيحتاج المزارعون المريخيون في المستقبل الكثير من الماء للحفاظ على نمو محاصيلهم.

وبينما نمت النباتات في محاكاة الثرى المريخي، فقد وصل ارتفاعها إلى بضعة سنتيمترات فقط ولم تنتج أي شيء صالح للأكل. لكي تنمو النباتات إلى الحجم الكامل وتنتج الخضروات، تحتاج إلى إضافة العناصر الغذائية.

تسميد التربة

العنصر الرئيسي الذي تفتقده تربة المريخ فيما يتعلق بالنباتات هو المادة العضوية. تعتبر المواد العضوية مصدرًا مهمًا بشكل خاص للعناصر الغذائية عندما يتم تفكيكها بواسطة البكتيريا، مما يعني أننا سنحتاج إلى إضافة البكتيريا إلى مناطق النمو المستقبلية أيضًا.

ولحسن الحظ، فإن البشر، باعتبارهم مستعمرات متحركة من الميكروبات، يمتلئون بالبكتيريا. لذلك، على الرغم من أنها فكرة غير سارة إلى حد ما، إلا أن لدينا طريقة لاكتسابها. الطريقة الأكثر فعالية هي الحفاظ على البول والبراز الذي ينتجه رواد الفضاء في رحلتهم التي تستغرق أشهرًا إلى المريخ، ثم إضافتها إلى الثرى لزراعة البكتيريا. إذا كنت قد شاهدت الفيلم المريخىحيث يقوم رائد الفضاء المفقود مارك واتني بزراعة البطاطس في تربة المريخ باستخدام مياه الصرف الصحي الخاصة به وبزملائه، وهو نفس المفهوم. ومع ذلك، للحفاظ على صحة الجميع، ستحتاج إلى اتخاذ خطوات لقتل أي مسببات الأمراض التي يمكن أن تنتقل عن طريق النفايات البشرية.

يمكنك المساعدة في عملية هضم المواد العضوية وإعادة تدويرها في التربة عن طريق إدخال الديدان. وحتى على المريخ، تعد ديدان الأرض أفضل صديق للبستاني، لأنها تهضم المواد العضوية وتنتج الأسمدة إلى جانب حفر الأنفاق التي توفر تهوية مهمة واحتباس الماء للنبات الجذور لتنمو. قال واميلينك: "أعتقد أنها ضرورية لنظام جيد". بالإضافة إلى ذلك، يمكن تخزين بيض الديدان لفترة طويلة، مما يجعلها قابلة للنقل إلى المريخ.

بمجرد إثراء الثرى المريخي بالمواد المغذية والمواد العضوية والبكتيريا والديدان، يمكنك البدء بزراعة البذور. يمكن جلب البذور من الأرض دون الكثير من المتاعب لأنها صغيرة وخفيفة.

قد يكون لدى سكان المريخ في المستقبل خيارات أكثر تنوعًا في النظام الغذائي مما تتخيل. أخبرني Wamelink أن جميع أنواع النباتات الصالحة للأكل يمكن أن تنمو في محاكاة الثرى المريخي. لذلك، في حين أن أنظمة الزراعة المائية تستخدم في أماكن مثل محطة الفضاء الدولية، حيث لا تزرع النباتات في التربة ولكن معلقة في محلول مغذي، وهي أكثر ملاءمة لزراعة الخضروات الورقية من الخضروات النشوية، ويمكن زراعتها عمليًا أي شيء في التربة. تم استخدام محاكي الثرى المريخي لزراعة البطاطس والفاصوليا الخضراء والطماطم والجزر والفجل والقمح والجاودار وغيرها.

التخلص من السيئات

أحد المخاوف بشأن سلامة تربة المريخ هو وجود معادن ثقيلة خطيرة. وقال واميلينك: "لا يتعلق الأمر بالزنك فقط، الذي نحتاج إلى القليل منه، ولكن أيضًا الكادميوم والرصاص والزئبق - كل الأشياء التي لا تريدها في طعامك".

ومع ذلك، هذه ليست بالضرورة مشكلة كبيرة كما قد تظن. وأشار إلى أن "هذا لا يختلف حقًا عن الأرض"، حيث يمكن العثور على معادن ثقيلة في تربتنا أيضًا. والمسألة هي ما إذا كانت هذه المعادن الثقيلة مرتبطة بطريقة تمنع إطلاقها في التربة ومن ثم امتصاصها بواسطة النباتات.

والخبر السار هو أنه عندما تم تحليل الخضروات المزروعة في جهاز المحاكاة، وجد أنها آمنة للأكل. كانت المعادن الثقيلة أقل من مستويات خطيرة في جميع الأطعمة، وفي بعض الحالات كانت المستويات أقل في الثرى المزروع الخضار أكثر من الخضار المزروعة في تربة التأصيص العادية، ربما بسبب الملوثات مثل عوادم السيارات التي تلوث التربة هنا على الارض.

هناك أيضًا قلق بشأن مدى حموضة التربة على القمر والمريخ، مما قد يحد من قدرة النباتات على الوصول إلى جزيء أساسي آخر، وهو الفوسفات. مجال البحث الجديد الذي يتم النظر فيه هو ما إذا كان الإضافة أنواع معينة من الفطريات إلى الثرى يمكن أن يحل هذه المشكلة.

"يمكننا أن نأخذ معنا فطريات إلى المريخ يمكنها أن تنمو فعليًا في الصخور وتطلق الفوسفات"، كما اقترح واميلينك كوسيلة مستقبلية للاستكشاف. "إنهم يعيشون في تكافل مع جذور النباتات."

مشكلة البيركلورات

ولعل أكبر عائق أمام زراعة الغذاء بأمان على المريخ هو مسألة البيركلورات، وهي مواد كيميائية موجودة في الثرى وهي سامة لكل من البشر والنباتات. وهي خطيرة جدًا بحيث لا يتم تضمينها في العينات المحاكاة لأسباب صحية.

الأبحاث الحديثة وقد اقترح أن وجود هذه البيركلورات في الثرى قد يكون مشكلة أكثر مما كان متوقعا في السابق. عندما أخذ الباحثون مُحاكي الثرى وأضافوا بيركلورات الكالسيوم بكميات مماثلة لتلك الموجودة على المريخ، لم تكن النباتات قادرة على النمو فيه حتى عند إضافة عناصر غذائية إضافية.

لكن هذا لا يعني أن علينا أن نتخلى عن حلم الغذاء الذي يزرعه المريخ. أخبر أندرو بالمر من معهد فلوريدا للتكنولوجيا، وهو مؤلف رئيسي للدراسة، موقع Digital Trends في رسالة بالبريد الإلكتروني أنه على الرغم من أن وجود البيركلورات على المريخ يمثل تحديًا بالنسبة للغذاء الإنتاج، "إنه ليس بمثابة كسر للصفقة". يجب أن يكون من الممكن إدخال كائنات دقيقة أو نباتات معينة إلى النظام البيئي لتنظيف السموم من الثرى في عملية تسمى المعالجة الحيوية. "إن هؤلاء المساعدين هم لاعبون شائعون في أنظمتنا البيئية على الأرض. وقال: "لا يوجد سبب يدعونا إلى تجاهل قدرتها على المساهمة في النظام البيئي الذي نصممه لمستعمرينا المريخيين".

باحث آخر مشارك في الدراسات حول صلاحية الثرى لزراعة المحاصيلواتفقت لورا فاكريل من جامعة جورجيا على أن البيركلورات تمثل تحديًا ولكنها ليست تحديًا لا يمكن التغلب عليه. واقترحت أنه يمكن تنظيف البيركلورات من الثرى باستخدام البكتيريا، حيث أن هناك العديد من أنواع البكتيريا التي يمكن أن تستهلك أو تحلل البيركلورات، وبعضها يستخدم في تنظيف المياه الملوثة هنا على الأرض. ولكن هناك تحديات هنا أيضا. ينتج هذا التفاعل كلاً من الأكسجين والكلوريد، وعلى الرغم من أن الكلوريد غير سام ويمكن أن يكون مفيدًا لنمو النبات، إلا أن الكثير منه يمكن أن يضر النباتات أو حتى يقتلها. نحن بحاجة إلى مزيد من البحث لمعرفة آثاره على الحياة النباتية. وقالت: "ليس لدينا بيانات كافية لنقول ما إذا كانت كمية الكلوريد التي تنتجها هذه العملية ستكون كبيرة للغاية بالنسبة للنباتات، ولكن من المرجح أن تكون كذلك".

الحل المحتمل الآخر هو غسل البيركلورات حرفيًا من الثرى. البيركلورات هي نوع من الملح وهي قابلة للذوبان في الماء، لذا فإن شطف الثرى سيؤدي إلى إزالتها. وحذر فاكريل: "ومع ذلك، قد يؤدي هذا أيضًا إلى إزالة العناصر الغذائية الأخرى مثل النترات". ناهيك عن مشاكل استخدام المياه الثمينة لهذا الغرض.

ومع ذلك، فإن وجود البيركلورات لا يمثل بالضرورة أخبارًا سيئة. وأشار فاكريل إلى أن استهلاك البكتيريا للبيركلورات لتنظيف التربة من شأنه أن ينتج منتجًا ثانويًا مفيدًا الأكسجين، والذي يمكن أن يكون جزءًا من نظام مستدام لتلبية احتياجات رواد الفضاء: "تمثل البيركلورات نسبة حقيقية جدًا تحدي؛ ومع ذلك، فهي توفر أيضًا فرصة لتحويلها إلى مصدر للأكسجين.

إعداد النظام

من المفيد التفكير في إقامة الزراعة على المريخ باعتبارها لعبة طويلة المدى. ولا يقتصر الهدف على زراعة محصول واحد من المحاصيل فحسب، بل إنشاء نظام مستدام.

الحصاد الأول هو الأصعب. وبمجرد الانتهاء من ذلك وإنشاء البكتيريا، يمكن إضافة أي مادة نباتية متبقية من المحاصيل السابقة مرة أخرى إلى التربة، مما يضيف العناصر الغذائية ويساعد على الاحتفاظ بالمياه. لذلك بمرور الوقت، ستصبح التربة أكثر خصوبة وأكثر ملائمة للنباتات.

وهذا يعني أن هناك حافزًا قويًا لبدء محاولات زراعة النباتات بمجرد وصول البشر إلى المريخ ولأي فترة زمنية. "أعتقد أنه عليك أن تبدأ من الرحلة الاستكشافية الأولى لتبدأ في زراعة طعامك. وإلا فلن يكون من الممكن على الأرجح القيام بذلك”، قال واميلينك. من المؤكد أن البعثات المبكرة ستجلب طعامها أيضًا، في حالة وجود مشكلات تتعلق بنمو المحاصيل. لكن يمكنهم البدء في عملية جعل التربة صالحة للاستخدام.

من الممكن أيضًا الحفاظ على التربة المزروعة بين المهام طالما أنها تحتوي على الهواء والضوء والدفء. يمكنك زراعة محاصيل معينة مثل أنواع الكرنب غير الصالحة للأكل، والتي يمكن تركها لتخصيب التربة أثناء غيابك. وهذا هو نفس المبدأ الذي يستخدمه المزارعون في هولندا، موطن واميلينك، لتحسين تربتهم خلال فصل الشتاء.

وهناك اعتبار آخر وهو كيفية التعامل مع تلقيح النباتات، سواء من أجل حصاد أكثر سخاء أو لإنتاج بذور للمحاصيل المستقبلية. تستخدم العديد من أنواع النباتات الريح لنقل حبوب اللقاح الخاصة بها. لكن هذا يعني أنك ستحتاج إلى ضبط تدفق الهواء في موطن المريخ، وهو ما لن يكون سهلاً. هناك خيار آخر، وهو استخدام النحل.

يعتبر النحل ملقحات ممتازة ويمكن إحضاره من الأرض للعيش في موطن المريخ. من المحتمل أن يتم وضع ملكات النحل الطنان في حالة سبات للقيام برحلة فضائية ثم إطلاقها لتنتشر حول حبوب اللقاح.

الذباب هو خيار آخر، ولديه ميزة أخرى: يمكن أن تكون يرقات الذباب صالحة للأكل، وحساسة مثل كثير من الناس. قد يكون الأمر يتعلق بتناولها، فقد توفر مصدرًا مهمًا للبروتين في حالة نباتية أو نباتية صرفة نظام عذائي.

كل ما نحتاجه

على الرغم من التعقيدات العديدة التي تكتنف زراعة الغذاء على المريخ، إلا أن ذلك ممكن من الناحية النظرية. هناك الكثير من التفاصيل التي لم يتم العمل عليها بعد، ولكن من حيث المبدأ قد نكون قادرين على زراعة المحاصيل هناك طالما أن رواد الفضاء يجلبون معهم المواد المناسبة. "لدي قائمة التسوق!" مازحا واميلينك.

وكان القيد الوحيد الذي أكد عليه هو أن كل هذه التجارب استندت إلى جهاز محاكاة المريخ المتوفر حاليًا، وبالتالي فإن النتائج تكون دقيقة بقدر دقة جهاز المحاكاة. إن مسألة البيركلورات وكيفية تأثيرها على كل من النباتات والبشر هي قضية مفتوحة، وستظل المهمات المستقبلية كذلك من المفترض أن تساعدنا عودة عينة المريخ في أن نكون أكثر يقينًا بشأن ما يمكن أن نتوقعه بالضبط من المريخ بيئة.

لن يكون الأمر سهلاً، لكن يمكن لرواد الفضاء يومًا ما الاستمتاع بالخضروات الطازجة المزروعة على المريخ كجزء يومي من نظامهم الغذائي. وحذر واميلينك قائلا: "عليك أن تفعل أشياء كثيرة لتتمكن من المضي قدما، ولكننا نعرف الآن كيفية القيام بذلك".

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ - سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

توصيات المحررين

• رحلة كونية: الخدمات اللوجستية الصعبة المتمثلة في وضع الناس على المريخ
• إتقان الدفع: كيف سنوصل البشر إلى المريخ
• قلاع مصنوعة من الرمال: كيف سنبني موائل من تربة المريخ
• الأجواء الاصطناعية: كيف سنبني قاعدة بهواء قابل للتنفس على المريخ
• حصاد الماء: كيف سيخلق المستوطنون المستقبليون المياه ويجمعونها على المريخ