Астроземеделие: Как ще отглеждаме храна на Марс

Ако някога се надяваме да изпратим хора живеят на Марс за продължителен период от време ще трябва да ги държим на топло, в безопасност и добре нахранени. Това последно изискване представлява предизвикателство за мисия, която може да носи само ограничено количество доставки. Дори консервираният боб да не беше толкова тежък, никой не иска да се храни с него за целогодишна мисия.

Бъдещето на обитаването на Марс изисква прясно отгледани плодове, зеленчуци и зърнени храни. Но как се занимаваш със земеделие на отровна, смъртоносна планета като Марс? За да получим отговор, разговаряхме с трима изследователи на Марс от областта на екологията, геологията и биохимията.

Тази статия е част от Животът на Марс – поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс

Основните неща от първа необходимост

Растенията са издръжливи, но имат някои основни изисквания. За да растат добре, те се нуждаят от топлина, разумно атмосферно налягане и защита от вредни лъчения. Тези неща биха били предизвикателство да се осигурят на Марс, с изключение на факта, че хората също се нуждаят от всички тях.

Най-простото решение би било каквото и местообитание да построите за настаняване на астронавти на Марс, то също така да построите и за всички култури. Добавете няколко прости LED светлини и астронавтите могат лесно да се грижат за растенията си, докато растат. Добавянето на светлини трябва да противодейства на всякакви ефекти от по-ниската гравитация на Марс, тъй като дори при нулева гравитация растенията естествено растат корени далеч от източници на светлина. Запечатаната среда дори има предимството, че можете да контролирате условия като температура и влажност.

Wieger Vamelink, селекционер и еколог от университета Wageningen, който е един от водещите изследователи на селското стопанство на Луната и Марс, каза пред Digital Trends, че отглеждането на растения в космоса всъщност е много сравнимо с градското земеделие, движението за ефективно отглеждане на храна в градски условия настройки. Често това се постига чрез създаване на стерилна среда в затворени местообитания с LED светлини. По принцип, каза той, "това е нещо, което можете да направите на Марс или в пустинята, ако искате, или в град."

Култивиране на живот в мъртва почва

Най-голямата бариера пред отглеждането на култури на Марс обаче е липсата на нещо привидно просто: добрата старомодна мръсотия. Почвата на Земята е пълна с живи организми, както и с определени минерали, като фосфор и калий, които растенията използват. Марс няма почва - вместо това има мъртъв, прашен материал, наречен реголит, покриващ повърхността му.

Не знаем точните подробности от какво е съставен този реголит и може да има различни композиции в различните региони. Но ние имаме груба представа какво има в него, което позволи на НАСА да разработи симулант на реголит. Това по същество е пресъздаване на марсианска почва въз основа на настоящите ни познания за повърхността на планетата.

Това означава, че можете да експериментирате с марсианска „почва“ тук, на Земята. Въпреки че симулантът не е евтин, той е налични за закупуване за изследователски цели. Преди около десетилетие Вамелинк се чудеше дали симулантът може да се използва за отглеждане на култури и разгледа темата. "Това, което открих", каза той, "за моя голяма изненада трябва да кажа, че никой никога не е опитвал това."

Така той започна засаждане на семена в почвата на Марс, Луната и Земята да сравняват техния растеж. В първите си експерименти Вамелинк очаква растенията да се борят в симулатора на Марс. „Почвата е много бедна на хранителни вещества“, обясни той. В него няма органични вещества и съдържа тежки метали, които биха могли да попречат на растенията да покълнат. „Очакванията ми бяха много ниски“, каза той.

Неговият екип засади 4200 семена от 14 различни вида, очаквайки, че повечето от тях ще умрат. Но резултатите бяха много различни от прогнозите на изследователите. Почти всички семена покълнаха - някои от тях в рамките на 24 часа. Това всъщност създаде проблеми, каза Вамелинк със смях, защото екипът внезапно трябваше да се грижи за огромна реколта от над 4000 растения.

Растенията изискват много внимателно поливане, тъй като реголитът е хидрофобен, което означава, че не абсорбира много влага. Така че бъдещите марсиански фермери ще имат нужда много вода за да продължат да растат техните култури.

И докато растенията растяха в модела на реголит на Марс, те достигаха само няколко сантиметра височина и не произвеждаха нищо годно за консумация. За да накарате растенията да растат до пълен размер и да произвеждат зеленчуци, трябва да добавите хранителни вещества.

Торене на почвата

Ключов компонент, който почвата на Марс липсва по отношение на растенията, е органичната материя. Органичната материя е особено важен източник на хранителни вещества, когато се разгражда от бактерии, което означава, че ще трябва да добавим бактерии и към бъдещи региони на отглеждане.

За щастие, като ходещи колонии от микроби, хората са настръхнали от бактерии. Така че, въпреки че това е доста неприятна концепция, ние имаме начин да ги придобием. Най-ефективният метод би бил да се запазят урината и изпражненията, произведени от астронавтите по време на тяхното дългомесечно пътуване до Марс, след което да се добавят към реголита, за да се култивират бактерии. Ако сте гледали филма Марсианецът, където изгубеният астронавт Марк Уотни отглежда картофи в марсианска почва със своите и на членовете на екипажа си канализация, това е същата концепция. Въпреки това, за да поддържате всички здрави, ще трябва да предприемете стъпки за унищожаване на всички патогени, които могат да бъдат предадени чрез човешки отпадъци.

Бихте могли да подпомогнете процеса на усвояване на органичната материя и рециклирането й в почвата, като внесете червеи. Дори на Марс земните червеи са най-добрият приятел на градинаря, тъй като усвояват органичната материя и произвеждат тор заедно с изкопаване на тунели, които осигуряват важна аерация и задържане на вода за растението корени да растат. „Мисля, че те са от съществено значение за една добра система“, каза Вамелинк. Освен това яйцата на червеите могат да се съхраняват дълго време, което ги прави потенциално транспортируеми до Марс.

След като вашият реголит на Марс е обогатен с хранителни вещества, органична материя, бактерии и червеи, можете да започнете да засаждате семена. Семената могат да бъдат донесени от Земята без много проблеми, тъй като са малки и леки.

Бъдещите обитатели на Марс може да имат по-разнообразен избор на диета, отколкото си представяте. Wamelink ми каза, че всички видове ядливи растения могат да растат в симулатор на марсиански реголит. Така че докато хидропонните системи, използвани на места като Международната космическа станция, където растенията се отглеждат не в почвата, а суспендирани в хранителен разтвор, са по-подходящи за отглеждане на листни зеленчуци, отколкото нишестени зеленчуци, можете да отглеждате практически нещо в почвата. Симулаторът на реголит на Марс е бил използван за отглеждане на картофи, зелен фасул, домати, моркови, репички, пшеница, ръж и др.

Да се ​​отървем от гадниците

Едно от опасенията за безопасността на почвата на Марс е наличието на опасни тежки метали. „Това не е само цинк, от който имаме нужда от малко, но и кадмий, олово, живак – всички неща, които не искате в храната си“, каза Вамелинк.

Това обаче не е непременно толкова голям проблем, колкото си мислите. „Това не е много по-различно от Земята“, посочи той, тъй като тежки метали могат да бъдат намерени и в нашата почва. Въпросът е дали тези тежки метали са свързани по начин, който предотвратява освобождаването им в почвата и последващото им усвояване от растенията.

Добрата новина е, че когато зеленчуците, отгледани в симуланта, бяха анализирани, се оказа, че те са безопасни за консумация. Тежките метали бяха под опасните нива във всички храни, а в някои случаи нивата бяха дори по-ниски в отгледаните в реголит зеленчуци, отколкото в зеленчуците, отглеждани в обикновена почва за саксии, може би поради замърсители като автомобилни газове, които замърсяват почвата тук на земята.

Съществува също така загриженост относно това колко кисела е почвата на Луната и Марс, което може да ограничи способността на растенията да имат достъп до друга важна молекула, фосфат. Нова област на изследване, която се разглежда, е дали добавянето някои видове гъбички към реголита може да реши този проблем.

„Можем да вземем гъби с нас на Марс, които могат да растат в скалите и да отделят фосфати“, предложи Вамелинк като бъдещ път за изследване. „Те живеят в симбиоза с корените на растенията.“

Проблемът с перхлоратите

Може би най-голямата бариера пред безопасното отглеждане на храна на Марс е проблемът с перхлоратите, химикали, открити в реголита, които са токсични както за хората, така и за растенията. Те са толкова опасни, че не са включени в симулантни проби по здравословни причини.

Скорошни проучвания предполага, че наличието на тези перхлорати в реголита може да е по-голям проблем, отколкото се е предполагало преди. Когато изследователите взеха симулант на реголит и добавиха калциев перхлорат в количества, подобни на тези, открити на Марс, растенията не можаха да растат в него, дори когато бяха добавени допълнителни хранителни вещества.

Това обаче не означава, че трябва да се откажем от мечтата за храна, отгледана на Марс. Андрю Палмър от Технологичния институт във Флорида, старши автор на изследването, каза пред Digital Trends в имейл, че докато наличието на перхлорати на Марс е предизвикателство за храната производство, „това не нарушава сделката“. Трябва да е възможно да се въведат микроорганизми или специфични растения в екосистемата за почистване на токсините от реголита в процес, наречен биоремедиация. „Такива помощници са често срещани играчи в нашите екосистеми на Земята. Няма причина да пренебрегваме потенциала им да допринесат за екосистемата, която проектираме за нашите марсиански колонисти“, каза той.

Друг изследовател, участващ в проучвания на жизнеспособността на реголита за отглеждане на култури, Laura Fackrell от Университета на Джорджия, се съгласи, че перхлоратите са предизвикателство, но не и непреодолимо. Тя предположи, че перхлоратите могат да бъдат почистени от реголита с помощта на бактерии, тъй като има множество видове бактерии, които могат да консумират или разграждат перхлорати, някои от които се използват за почистване на замърсена вода тук на Земята. Но и тук има предизвикателства. Тази реакция произвежда както кислород, така и хлорид - и въпреки че хлоридът не е токсичен и може да бъде полезен за растежа на растенията, твърде много от него може да навреди или дори да убие растенията. Нуждаем се от повече изследвания, за да разберем какви биха били неговите ефекти върху живота на растенията. „Нямаме достатъчно данни, за да кажем дали количеството хлорид, произведен от този процес, би било твърде много за растенията, но е вероятно да е така“, каза тя.

Друго потенциално решение би било буквално да се измият перхлоратите от реголита. Перхлоратите са вид сол и са разтворими във вода, така че изплакването на реголита ще ги премахне. „Въпреки това, това също може да премахне други хранителни вещества като нитрати“, предупреди Fackrell. Да не говорим за проблемите с използването на ценната вода за тази цел.

Наличието на перхлорати обаче не е непременно лоша новина. Fackrell посочи, че ако бактериите консумират перхлорати за почистване на почвата, това ще произведе полезния страничен продукт на кислород, който може да бъде част от устойчива система за посрещане на нуждите на астронавтите: „Перхлоратите представляват много реален предизвикателство; но те също така предоставят възможност да бъдат превърнати в източник на кислород.

Настройка на система

Помага да се мисли за създаването на земеделие на Марс като дългосрочна игра. Целта не е просто да се отглежда един добив от култури, а да се създаде устойчива система.

Първата реколта е най-трудна. След като това стане и бактериите се установят, всички растителни вещества, останали от предишни реколти, могат да бъдат добавени обратно към почвата, което добавя хранителни вещества и помага за задържането на вода. Така че с течение на времето почвата ще стане по-плодородна и по-гостоприемна за растенията.

Това означава, че има силен импулс да се започнат опити за отглеждане на растения веднага щом хората пристигнат на Марс за какъвто и да било период от време. „Мисля, че трябва да започнете от първата експедиция, за да започнете да отглеждате собствена храна. В противен случай най-вероятно няма да е възможно да го направим“, каза Вамелинк. Ранните експедиции със сигурност щяха да донесат и собствена храна, в случай че имаше проблеми с растежа на реколтата. Но те биха могли да започнат процеса на превръщане на почвата в използваема.

Също така е възможно да се запази обработваната почва между мисиите, стига да има въздух, светлина и топлина. Можете да засеете определени култури като негодни за консумация видове зеле, които можете да оставите за наторяване на почвата, докато ви няма. Това е същият принцип, който фермерите използват в родината на Wamelink Холандия, за да подобрят почвата си през зимата.

Друго съображение е как се справяте с опрашването на растенията, както за по-щедра реколта, така и за създаване на семена за бъдещи култури. Много видове растения използват вятъра, за да разнасят полените си. Но това означава, че ще трябва да настроите въздушен поток в местообитание на Марс, което няма да е лесно. Има обаче и друг вариант, който е да използвате пчели.

Пчелите са отлични опрашители и могат да бъдат пренесени от Земята, за да живеят в местообитание на Марс. Кралиците на земните пчели потенциално биха могли да бъдат поставени в хибернация за космическо пътуване и след това освободени, за да се разпространят около прашеца.

Мухите са друга възможност и имат още едно предимство: ларвите на мухите могат да бъдат годни за консумация и да са толкова гадни, колкото много хора може да се отнася до тяхното ядене, те биха могли да осигурят важен източник на протеин за иначе вегетарианец или веган диета.

Всичко, от което се нуждаем

Въпреки многото сложности на отглеждането на храна на Марс, това е теоретично възможно. Има много подробности, които предстои да бъдат уточнени, но по принцип може да успеем да отглеждаме култури там, стига астронавтите да донесат правилните материали със себе си. „Имам списък за пазаруване!“ Wamelink се пошегува.

Единственото ограничение, което той подчерта, беше, че всички тези експерименти са базирани на наличния в момента симулант на Марс, така че резултатите са толкова точни, колкото и симулантът. Въпросът с перхлоратите и как те могат да повлияят както на растенията, така и на хората е открит и бъдещи мисии като него Mars Sample Return трябва да ни помогне да станем по-сигурни какво точно можем да очакваме от Марс заобикаляща среда.

Няма да е лесно, но един ден астронавтите могат да се насладят на пресни, отгледани на Марс зеленчуци като ежедневна част от диетата си. „Трябва да направите много неща, за да го задвижите“, предупреди Wamelink, „но сега знаем как да го направим.“

Тази статия е част от Животът на Марс – поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс

Препоръки на редакторите

• Космологично пътуване: сложната логистика на изпращането на хора на Марс
• Усъвършенстване на задвижването: Как ще отведем хората до Марс
• Замъци, направени от пясък: Как ще направим местообитания с марсианска почва
• Изкуствена атмосфера: Как ще изградим база с годен за дишане въздух на Марс
• Събиране на хидратация: Как бъдещите заселници ще създават и събират вода на Марс