Astroagriculture: How We'll Grow Food on Mars

Hvis vi nogensinde håber at sende folk til bor på Mars i en længere periode skal vi holde dem varme, sikre og velnærede. Det sidste krav udgør en udfordring på en mission, der kun kan bære en begrænset mængde forsyninger. Selvom dåsebønner ikke var så tunge, er der ingen, der ønsker at leve af dem til en årelang mission.

Fremtiden for Mars-beboelse kræver frisk dyrkede frugter, grøntsager og korn. Men hvordan dyrker du landbrug på en giftig, dødbringende planet som Mars? For at få et svar talte vi med tre Mars-forskere fra områderne økologi, geologi og biokemi.

Denne artikel er en del af Livet på Mars - en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars

De grundlæggende væsentlige ting

Planter er hårdføre ting, men de har nogle væsentlige krav. For at vokse godt har de brug for varme, rimeligt atmosfærisk tryk og beskyttelse mod skadelig stråling. Disse ting ville være en udfordring at levere på Mars, bortset fra det faktum, at mennesker også har brug for dem alle.

Den enkleste løsning ville være, at uanset hvilket habitat du bygger for at huse astronauter på Mars, bygger du også for at huse alle afgrøderne. Tilføj nogle enkle LED-lys, og astronauterne kan nemt passe deres planter, mens de vokser. Tilføjelse af lys bør modvirke enhver effekt af Mars' lavere tyngdekraft, da planter, selv i nul tyngdekraft, naturligt vokser rødder væk fra lyskilder. Det forseglede miljø har endda den fordel, at du kan kontrollere forhold som temperatur og fugtighed.

Wieger Wamelink, en planteavler og økolog ved Wageningen University, som er en af ​​de førende forskere inden for landbrug på månen og Mars, fortalte Digital Trends, at dyrkning af planter i rummet faktisk er meget sammenlignelig med bylandbrug, bevægelsen for at dyrke fødevarer effektivt i byerne indstillinger. Ofte opnås det ved at opsætte sterile miljøer i indendørs habitater med LED-lys. I princippet sagde han, "det er noget, du kan gøre på Mars, eller i ørkenen, hvis du vil, eller i en by."

Dyrkning af liv i død jord

Den største barriere for dyrkning af afgrøder på Mars er dog manglen på noget tilsyneladende simpelt: Godt gammeldags snavs. Jorden på Jorden er fuld af levende organismer samt visse mineraler, såsom fosfor og kalium, som planter bruger. Mars har ikke jord - i stedet har den et dødt, støvet materiale kaldet regolit, der dækker dens overflade.

Vi kender ikke de nøjagtige detaljer om, hvad denne regolit er sammensat af, og den kan have forskellige sammensætninger i forskellige regioner. Men vi har en nogenlunde idé om, hvad der er i det, hvilket har gjort det muligt for NASA at udvikle en regolith-simulant. Dette er i det væsentlige en genskabelse af marsjord baseret på vores nuværende viden om planetens overflade.

Det betyder, at du kan eksperimentere med Mars "jord" her på Jorden. Selvom simulanten ikke er billig, er den det kan købes til forskningsformål. For omkring et årti siden spekulerede Wamelink på, om simulanten kunne bruges til at dyrke afgrøder og undersøgte emnet. "Det, jeg fandt ud af," sagde han, "til min overraskelse må jeg sige, at ingen nogensinde har prøvet det."

Så han startede plante frø i Mars, månen og jordens jord at sammenligne deres vækst. I sine første eksperimenter forventede Wamelink, at planter ville kæmpe i Mars-simulanten. "Det er en meget næringsfattig jord," forklarede han. Den har intet organisk stof i sig, og den indeholder tungmetaller, der kunne forhindre planter i at spire. "Mine forventninger var meget lave," sagde han.

Hans hold plantede 4.200 frø af 14 forskellige arter og forventede, at de fleste af dem ville dø. Men resultaterne var meget forskellige fra, hvad forskerne forudsagde. Næsten alle frøene spirede - nogle af dem inden for 24 timer. Dette gav faktisk problemer, sagde Wamelink med et grin, fordi holdet pludselig skulle passe en enorm afgrøde på over 4.000 planter.

Planterne krævede meget omhyggelig vanding, fordi regolitten er hydrofob, hvilket betyder, at den ikke absorberer meget fugt. Så fremtidige Mars-bønder får brug for masser af vand for at holde deres afgrøder i vækst.

Og mens planterne voksede i Mars regolith-simulanten, nåede de kun et par centimeter høje og producerede ikke noget spiseligt. For at få planter til at vokse til fuld størrelse og producere grøntsager, skal du tilføje næringsstoffer.

Gødskning af jorden

En nøglekomponent, som Mars-jorden mangler, hvad angår planter, er organisk stof. Organisk stof er en særlig vigtig kilde til næringsstoffer, når den nedbrydes af bakterier, hvilket betyder, at vi også bliver nødt til at tilføje bakterier til fremtidige vækstområder.

Heldigvis, som vandrende kolonier af mikrober, er mennesker fyldt med bakterier. Så selvom det er et ret ubehageligt koncept, har vi en måde at erhverve dem på. Den mest effektive metode ville være at bevare urinen og afføringen produceret af astronauter på deres månedlange rejse til Mars og derefter tilføje det til regolitten for at dyrke bakterier. Hvis du har set filmen Marsmanden, hvor den fortabte astronaut Mark Watney dyrker kartofler i Mars-jorden med sit og sine besætningsmedlemmers spildevand, er det samme koncept. Men for at holde alle sunde skal du tage skridt til at dræbe eventuelle patogener, der kan overføres via menneskeligt affald.

Du kan hjælpe med processen med at fordøje organisk materiale og genbruge det i jorden ved at introducere orme. Selv på Mars er regnorme gartnernes bedste ven, da de fordøjer organisk stof og producerer gødning sammen med gravetunneler, der giver vigtig beluftning og vandretention for planten rødder til at vokse. "Jeg tror, ​​de er afgørende for et godt system," sagde Wamelink. Derudover kan ormeæg opbevares i lang tid, hvilket gør dem potentielt transportable til Mars.

Når din Mars regolith er beriget med næringsstoffer, organisk materiale, bakterier og orme, kan du begynde at plante frø. Frø kan bringes fra Jorden uden for mange problemer, da de er små og lette.

Fremtidige Mars-beboere kan have et mere varieret valg af kost, end du forestiller dig. Wamelink fortæller mig, at alle slags spiselige planter kan vokse i Mars regolit-simulator. Så mens de hydroponiske systemer bruges på steder som den internationale rumstation, hvor planter dyrkes ikke i jord, men suspenderet i en næringsopløsning, er bedre egnet til dyrkning af bladgrøntsager end stivelsesholdige grøntsager, du kan dyrke praktisk talt noget i jorden. Mars regolith simulant er blevet brugt til at dyrke kartofler, grønne bønner, tomater, gulerødder, radiser, hvede, rug og mere.

At slippe af med de grimme

En af bekymringerne om Mars-jordens sikkerhed er tilstedeværelsen af ​​farlige tungmetaller. "Det er ikke kun zink, som vi har brug for en lille smule af, men også cadmium, bly, kviksølv - alle ting, du ikke vil have i din mad," sagde Wamelink.

Det er dog ikke nødvendigvis så stort et problem, som du måske tror. "Det er ikke rigtig forskelligt fra Jorden," påpegede han, da tungmetaller også kan findes i vores jord. Spørgsmålet er, om disse tungmetaller er bundet på en måde, der forhindrer dem i at blive frigivet til jorden og efterfølgende absorberet af planter.

Den gode nyhed er, at når grøntsager dyrket i simulanten blev analyseret, blev de fundet at være sikre at spise. Tungmetaller var under farlige niveauer i alle fødevarer, og i nogle tilfælde var niveauerne endnu lavere i de regolith-dyrkede grøntsager end i de grøntsager, der dyrkes i almindelig pottejord, måske på grund af forurenende stoffer som biludstødning, der forurener jorden her på jorden.

Der er også en bekymring for, hvor sur jorden er på månen og Mars, hvilket kan begrænse planternes evne til at få adgang til et andet essentielt molekyle, fosfat. Et nyt forskningsområde, der overvejes, er, om tilføjelse visse typer svampe til regolitten kunne løse dette problem.

"Vi kan tage svampe med os til Mars, som faktisk kan vokse i klipper og frigive fosfater," foreslog Wamelink som en fremtidig udforskningsvej. "De lever i symbiose med planternes rødder."

Problemet med perklorater

Den måske største barriere for at dyrke mad sikkert på Mars er spørgsmålet om perklorater, kemikalier fundet i regolitten, som er giftige for både mennesker og planter. Disse er så farlige, at de af sundhedsmæssige årsager ikke er inkluderet i simulantprøver.

Nyere forskning har antydet, at tilstedeværelsen af ​​disse perklorater i regolitten kan være et mere problem end tidligere indset. Da forskere tog regolith-simulator og tilføjede calciumperchlorat i mængder svarende til dem, der findes på Mars, var planter ikke i stand til at vokse i det, selv når der blev tilføjet ekstra næringsstoffer.

Det betyder dog ikke, at vi skal opgive drømmen om Mars-dyrket mad. Andrew Palmer fra Florida Institute of Technology, seniorforfatter af undersøgelsen, fortalte Digital Trends i en e-mail, at mens tilstedeværelsen af ​​perchlorater på Mars er en udfordring for fødevarer produktion, "det er ikke en deal breaker." Det bør være muligt at indføre mikroorganismer eller specifikke planter i økosystemet for at rense toksinerne fra regolitten i en proces, der kaldes bioremediering. "Sådanne hjælpere er almindelige spillere i vores økosystemer på Jorden. Der er ingen grund til, at vi skal ignorere deres potentiale til at bidrage til det økosystem, vi designer for vores kolonister fra Mars,« sagde han.

En anden forsker involveret i undersøgelser af levedygtighed af regolit til dyrkning af afgrøder, Laura Fackrell fra University of Georgia, var enig i, at perchlorater var en udfordring, men ikke en uoverkommelig. Hun foreslog, at perchlorater kunne renses fra regolitten ved hjælp af bakterier, da der er flere bakteriearter, der kan forbruge eller nedbryde perchlorater, hvoraf nogle bruges til rensning af forurenet vand her på Jorden. Men der er også udfordringer her. Denne reaktion producerer både oxygen og chlorid - og selvom chlorid er ugiftigt og kan være gavnligt for plantevækst, kan for meget af det skade eller endda dræbe planter. Vi har brug for mere forskning for at vide, hvad dets virkninger på plantelivet ville være. "Vi har ikke nok data til at sige, om mængden af ​​chlorid produceret ved denne proces ville være for meget for planter, men det er sandsynligvis det," sagde hun.

En anden potentiel løsning ville være bogstaveligt talt at vaske perkloraterne ud af regolitten. Perklorater er en slags salt og er opløselige i vand, så skylning af regolitten ville fjerne dem. "Dette kan dog også fjerne andre næringsstoffer som nitrater," advarede Fackrell. For ikke at nævne problemerne med at bruge dyrebart vand til dette formål.

Tilstedeværelsen af ​​perklorater er dog ikke nødvendigvis alle dårlige nyheder. Fackrell påpegede, at hvis bakterier indtager perchlorater for at rense jorden, ville det producere det nyttige biprodukt af oxygen, som kunne være en del af et bæredygtigt system til at opfylde astronauters behov: "Perklorat repræsenterer en meget reel udfordring; Men de giver også mulighed for at blive omdannet til en ressource for ilt."

Opsætning af et system

Det hjælper at tænke på at oprette landbrug på Mars som et langsigtet spil. Målet er ikke blot at dyrke et enkelt udbytte af afgrøder, men at etablere et bæredygtigt system.

Den første høst er den sværeste. Når det er gjort, og bakterierne er etableret, kan eventuelt plantemateriale, der er tilbage fra tidligere høst, tilføres jorden igen, hvilket både tilfører næring og hjælper med at holde på vandet. Så med tiden vil jorden blive mere frugtbar og mere gæstfri over for planter.

Det betyder, at der er en stærk drivkraft til at starte forsøg på at dyrke planter, så snart mennesker ankommer til Mars i længere tid. ”Jeg tror, ​​man skal starte fra den første ekspedition for at begynde at dyrke sin egen mad. Ellers vil det højst sandsynligt ikke være muligt at gøre det," sagde Wamelink. De tidlige ekspeditioner ville helt sikkert også bringe deres egen mad, hvis der var problemer med afgrødevækst. Men de kunne begynde processen med at gøre jorden brugbar.

Det er også muligt at bevare den dyrkede jord mellem missionerne, så længe den har luft, lys og varme. Du kan så visse afgrøder som ikke-spiselige typer af kål, som kan efterlades til at gøde jorden, mens du er væk. Dette er det samme princip, som landmænd bruger i Wamelinks hjemland, Holland, til at forbedre deres jord i løbet af vinteren.

En anden overvejelse er, hvordan du håndterer plantebestøvning, både for en mere generøs høst og for at skabe frø til fremtidige afgrøder. Mange plantearter bruger vinden til at transportere deres pollen rundt. Men det betyder, at du bliver nødt til at oprette luftstrøm i et Mars-habitat, hvilket ikke ville være let. Der er dog en anden mulighed, som er at bruge bier.

Bier er fremragende bestøvere og kunne bringes fra Jorden for at leve i et Mars-habitat. Humlebidronninger kan potentielt sættes i dvale til en rumrejse og derefter frigives for at sprede sig omkring pollen.

Fluer er en anden mulighed, og de har en anden fordel: Fluelarver kan være spiselige og lige så sarte som mange mennesker kan handle om at spise dem, kan de give en vigtig proteinkilde hos en ellers vegetar eller veganer kost.

Alt hvad vi har brug for

På trods af de mange kompleksiteter ved at dyrke mad på Mars, er det teoretisk muligt. Der er mange detaljer, der mangler at blive udarbejdet, men i princippet kan vi måske dyrke afgrøder der, så længe astronauterne tager de rigtige materialer med sig. "Jeg har en indkøbsliste!" Wamelink jokede.

Den ene begrænsning, han understregede, var, at alle disse eksperimenter har været baseret på Mars-simulanten, der er tilgængelig i øjeblikket, så resultaterne er kun så nøjagtige, som simulanten er. Spørgsmålet om perklorater og hvordan de kan påvirke både planter og mennesker er åbent, og fremtidige missioner som f.eks. Mars Sample Return burde hjælpe os med at blive mere sikre på præcis, hvad vi kan forvente af Mars miljø.

Det bliver ikke nemt, men astronauter kan en dag nyde friske, Mars-dyrkede grøntsager som en daglig del af deres kost. "Du skal gøre mange ting for at få det i gang," advarede Wamelink, "men vi ved nu, hvordan vi gør det."

Denne artikel er en del af Livet på Mars - en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars

Redaktørens anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistik ved at sætte mennesker på Mars
• Perfektion af fremdrift: Hvordan vi får mennesker til Mars
• Slotte lavet af sand: Hvordan vi laver levesteder med Marsjord
• Kunstige atmosfærer: Hvordan vi bygger en base med åndbar luft på Mars
• Høsthydrering: Hvordan fremtidige bosættere vil skabe og samle vand på Mars