Astrolandwirtschaft: Wie wir Nahrungsmittel auf dem Mars anbauen

Wenn wir jemals hoffen, Leute dorthin schicken zu können leben auf dem Mars Über einen längeren Zeitraum müssen wir sie warm, sicher und gut ernährt halten. Diese letzte Anforderung stellt eine Herausforderung auf einer Mission dar, die nur eine begrenzte Menge an Vorräten transportieren kann. Selbst wenn Bohnenkonserven nicht so schwer wären, möchte niemand ein Jahr lang von ihnen leben.

Die Zukunft der Marsbesiedlung erfordert frisch angebautes Obst, Gemüse und Getreide. Aber wie bewirtschaftet man einen giftigen, tödlichen Planeten wie den Mars? Um eine Antwort zu bekommen, haben wir mit drei Marsforschern aus den Bereichen Ökologie, Geologie und Biochemie gesprochen.

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

Das Wesentliche

Pflanzen sind robust, haben aber einige grundlegende Anforderungen. Um gut zu wachsen, brauchen sie Wärme, einen angemessenen Luftdruck und Schutz vor schädlicher Strahlung. Es wäre eine Herausforderung, diese Dinge auf dem Mars bereitzustellen, wenn nicht auch der Mensch sie alle bräuchte.

Die einfachste Lösung wäre, dass Sie den Lebensraum, den Sie für die Unterbringung der Astronauten auf dem Mars bauen, auch für die Unterbringung aller Feldfrüchte bauen. Fügen Sie ein paar einfache LED-Leuchten hinzu, und die Astronauten können sich ganz einfach um ihre Pflanzen kümmern, während sie wachsen. Das Hinzufügen von Lichtern sollte jeglichen Auswirkungen der geringeren Schwerkraft des Mars entgegenwirken, da Pflanzen selbst in der Schwerelosigkeit auf natürliche Weise ihre Wurzeln außerhalb von Lichtquellen wachsen lassen. Die geschlossene Umgebung hat sogar den Vorteil, dass Sie Bedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit kontrollieren können.

Wieger Wamelink, Pflanzenzüchter und Ökologe an der Universität Wageningen, einer der führenden Forscher zur Landwirtschaft auf Mond und Mars, sagte gegenüber Digital Trends, dass der Anbau von Pflanzen im Weltraum tatsächlich sehr vergleichbar mit der Stadtlandwirtschaft sei, der Bewegung zum effizienten Nahrungsmittelanbau in der Stadt Einstellungen. Dies wird häufig durch die Einrichtung steriler Umgebungen in Innenräumen mit LED-Leuchten erreicht. Im Prinzip, sagte er, „ist das etwas, was man auf dem Mars tun kann, oder in der Wüste, wenn man möchte, oder in einer Stadt.“

Leben in toter Erde kultivieren

Das größte Hindernis für den Anbau von Nutzpflanzen auf dem Mars ist jedoch das Fehlen von etwas scheinbar Einfachem: guter, altmodischer Erde. Der Boden auf der Erde ist voll von lebenden Organismen sowie bestimmten Mineralien wie Phosphor und Kalium, die Pflanzen nutzen. Der Mars hat keinen Boden – stattdessen ist seine Oberfläche mit totem, staubigem Material namens Regolith bedeckt.

Wir wissen nicht genau, woraus dieser Regolith besteht, und er könnte in verschiedenen Regionen unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Aber wir haben eine ungefähre Vorstellung davon, was darin enthalten ist, was es der NASA ermöglicht hat, ein Regolith-Simulans zu entwickeln. Dies ist im Wesentlichen eine Nachbildung des Marsbodens, basierend auf unserem aktuellen Wissen über die Oberfläche des Planeten.

Das bedeutet, dass Sie hier auf der Erde mit Mars-„Boden“ experimentieren können. Das Simulanz ist zwar nicht billig, aber es ist es Erhältlich für Forschungszwecke. Vor etwa einem Jahrzehnt fragte sich Wamelink, ob das Simulanz für den Anbau von Nutzpflanzen verwendet werden könnte, und beschäftigte sich mit dem Thema. „Was ich herausgefunden habe“, sagte er, „muss zu meiner großen Überraschung sagen, dass das noch nie jemand versucht hat.“

Also fing er an Samen in Mars-, Mond- und Erdboden pflanzen um ihr Wachstum zu vergleichen. In seinen ersten Experimenten ging Wamelink davon aus, dass Pflanzen im Marssimulans Probleme haben würden. „Es ist ein sehr nährstoffarmer Boden“, erklärte er. Es enthält keine organischen Stoffe und enthält Schwermetalle, die das Keimen der Pflanzen verhindern könnten. „Meine Erwartungen waren sehr niedrig“, sagte er.

Sein Team pflanzte 4.200 Samen von 14 verschiedenen Arten und rechnete damit, dass die meisten davon absterben würden. Doch die Ergebnisse unterschieden sich deutlich von den Vorhersagen der Forscher. Fast alle Samen keimten – einige davon innerhalb von 24 Stunden. Das habe tatsächlich zu Problemen geführt, sagte Wamelink lachend, denn das Team müsse sich plötzlich um eine riesige Ernte von über 4.000 Pflanzen kümmern.

Die Pflanzen mussten sorgfältig gegossen werden, da der Regolith hydrophob ist und daher nicht viel Feuchtigkeit aufnimmt. Das werden zukünftige Marsbauern brauchen viel Wasser damit ihre Ernte weiter wächst.

Und obwohl die Pflanzen im Mars-Regolith-Simulans wuchsen, erreichten sie nur eine Höhe von wenigen Zentimetern und produzierten nichts Essbares. Damit Pflanzen ihre volle Größe erreichen und Gemüse produzieren können, müssen Sie Nährstoffe hinzufügen.

Den Boden düngen

Eine wichtige Komponente, die dem Marsboden für Pflanzen fehlt, ist organische Substanz. Organisches Material ist eine besonders wichtige Nährstoffquelle, wenn es von Bakterien abgebaut wird, was bedeutet, dass wir auch in zukünftigen Anbaugebieten Bakterien hinzufügen müssen.

Glücklicherweise wimmelt es beim Menschen als wandelnde Mikrobenkolonie nur so von Bakterien. Obwohl es also ein eher unangenehmes Konzept ist, haben wir eine Möglichkeit, sie uns anzueignen. Die effizienteste Methode wäre, den Urin und den Kot, den Astronauten auf ihrer monatelangen Reise zum Mars produzieren, zu konservieren und ihn dann dem Regolith hinzuzufügen, um Bakterien zu kultivieren. Wenn Sie den Film gesehen haben Der Marsianer, wo der verlorene Astronaut Mark Watney mit seinen Abwässern und denen seiner Crewmitglieder Kartoffeln im Marsboden anbaut, ist es das gleiche Konzept. Um jedoch alle gesund zu halten, müssen Sie Maßnahmen ergreifen, um alle Krankheitserreger abzutöten, die über menschliche Ausscheidungen übertragen werden könnten.

Sie könnten den Prozess der Verdauung organischer Stoffe und deren Wiederverwertung im Boden unterstützen, indem Sie Würmer einsetzen. Sogar auf dem Mars sind Regenwürmer der beste Freund eines Gärtners, da sie organisches Material verdauen und produzieren Dünger zusammen mit dem Graben von Tunneln, die für wichtige Belüftung und Wasserspeicherung für die Pflanze sorgen Wurzeln wachsen. „Ich denke, sie sind für ein gutes System unerlässlich“, sagte Wamelink. Außerdem können Wurmeier lange gelagert werden, sodass sie möglicherweise zum Mars transportiert werden können.

Sobald Ihr Mars-Regolith mit Nährstoffen, organischem Material, Bakterien und Würmern angereichert ist, können Sie mit dem Pflanzen von Samen beginnen. Samen können problemlos von der Erde gebracht werden, da sie klein und leicht sind.

Zukünftige Marsbewohner haben möglicherweise eine vielfältigere Auswahl an Nahrungsmitteln, als Sie sich vorstellen können. Wamelink erzählt mir, dass in Mars-Regolith-Simulanz alle Arten essbarer Pflanzen wachsen können. Während die hydroponischen Systeme beispielsweise an Orten wie der Internationalen Raumstation eingesetzt werden, wo Pflanzen nicht in der Erde, sondern gezüchtet werden In einer Nährlösung suspendiert, eignen sich besser für den Anbau von Blattgemüse als stärkehaltiges Gemüse, man kann es praktisch anbauen alles im Boden. Mars-Regolith-Simulanz wurde zum Anbau von Kartoffeln, grünen Bohnen, Tomaten, Karotten, Radieschen, Weizen, Roggen und mehr verwendet.

Das Böse loswerden

Eines der Bedenken hinsichtlich der Sicherheit des Marsbodens ist das Vorhandensein gefährlicher Schwermetalle. „Es ist nicht nur Zink, von dem wir ein wenig brauchen, sondern auch Cadmium, Blei, Quecksilber – alles Dinge, die Sie nicht in Ihrer Nahrung haben möchten“, sagte Wamelink.

Allerdings ist das nicht unbedingt ein so großes Problem, wie Sie vielleicht denken. „Das ist nicht wirklich anders als auf der Erde“, betonte er, denn auch in unserem Boden seien Schwermetalle zu finden. Die Frage ist, ob diese Schwermetalle so gebunden sind, dass sie nicht in den Boden gelangen und anschließend von den Pflanzen aufgenommen werden können.

Die gute Nachricht ist, dass sich bei der Analyse des im Simulanz angebauten Gemüses herausstellte, dass es sicher zum Verzehr geeignet ist. In allen Nahrungsmitteln lagen die Schwermetallwerte unter den gefährlichen Werten, und in einigen Fällen waren die Werte im Regolith-Anbau sogar noch niedriger Gemüse als in normaler Blumenerde angebautes Gemüse, möglicherweise aufgrund von Schadstoffen wie Autoabgasen, die den Boden hier verunreinigen auf der Erde.

Es gibt auch Bedenken hinsichtlich des Säuregehalts der Böden auf dem Mond und dem Mars, der die Fähigkeit der Pflanzen, auf ein anderes lebenswichtiges Molekül, nämlich Phosphat, zuzugreifen, einschränken könnte. Ein neues Forschungsgebiet, das in Betracht gezogen wird, ist das Hinzufügen bestimmte Arten von Pilzen zum Regolith könnte dieses Problem lösen.

„Wir können Pilze mit zum Mars nehmen, die tatsächlich in Gesteinen wachsen und Phosphate freisetzen können“, schlug Wamelink als zukünftige Möglichkeit der Erforschung vor. „Sie leben in Symbiose mit den Wurzeln der Pflanzen.“

Das Problem der Perchlorate

Das vielleicht größte Hindernis für den sicheren Anbau von Nahrungsmitteln auf dem Mars ist das Problem von Perchloraten, Chemikalien, die im Regolith vorkommen und sowohl für Menschen als auch für Pflanzen giftig sind. Diese sind so gefährlich, dass sie aus Gesundheitsgründen nicht in Simulanzproben enthalten sind.

Aktuelle Forschung hat darauf hingewiesen, dass das Vorhandensein dieser Perchlorate im Regolith ein größeres Problem darstellen könnte als bisher angenommen. Als Forscher Regolith-Simulanz einnahmen und Kalziumperchlorat in ähnlichen Mengen wie auf dem Mars hinzufügten, konnten Pflanzen darin nicht wachsen, selbst wenn zusätzliche Nährstoffe hinzugefügt wurden.

Das bedeutet jedoch nicht, dass wir den Traum von auf dem Mars angebauten Lebensmitteln aufgeben müssen. Andrew Palmer vom Florida Institute of Technology, leitender Autor der Studie, teilte Digital Trends in einer E-Mail mit, dass das Vorhandensein von Perchloraten auf dem Mars zwar eine Herausforderung für die Ernährung darstelle Produktion, „es ist kein Deal Breaker.“ Es sollte möglich sein, Mikroorganismen oder bestimmte Pflanzen in das Ökosystem einzubringen, um den Regolith in einem sogenannten Prozess von Giftstoffen zu reinigen Bioremediation. „Solche Helfer sind in unseren Ökosystemen auf der Erde weit verbreitet. Es gibt keinen Grund, warum wir ihr Potenzial ignorieren sollten, zu dem Ökosystem beizutragen, das wir für unsere Marskolonisten entwerfen“, sagte er.

Ein weiterer Forscher, der an Studien zum Thema beteiligt ist Lebensfähigkeit von Regolith für den Anbau von NutzpflanzenLaura Fackrell von der University of Georgia stimmte zu, dass Perchlorate zwar eine Herausforderung, aber keine unüberwindbare seien. Sie schlug vor, Perchlorate mithilfe von Bakterien aus dem Regolith zu entfernen, da es mehrere Bakterienarten gibt, die Perchlorate verbrauchen oder abbauen können, von denen einige verwendet werden Reinigung von kontaminiertem Wasser hier auf der Erde. Aber auch hier gibt es Herausforderungen. Bei dieser Reaktion entstehen sowohl Sauerstoff als auch Chlorid – und obwohl Chlorid ungiftig ist und sich positiv auf das Pflanzenwachstum auswirken kann, kann zu viel davon Pflanzen schädigen oder sogar töten. Wir brauchen mehr Forschung, um zu wissen, welche Auswirkungen es auf das Pflanzenleben haben würde. „Wir haben nicht genügend Daten, um sagen zu können, ob die durch diesen Prozess erzeugte Chloridmenge für Pflanzen zu hoch wäre, aber das ist wahrscheinlich“, sagte sie.

Eine andere mögliche Lösung wäre, die Perchlorate buchstäblich aus dem Regolith auszuwaschen. Perchlorate sind eine Art Salz und wasserlöslich, sodass sie durch Spülen des Regoliths entfernt werden. „Dadurch könnten jedoch auch andere Nährstoffe wie Nitrate entfernt werden“, warnte Fackrell. Ganz zu schweigen von den Problemen bei der Verwendung von kostbarem Wasser für diesen Zweck.

Das Vorhandensein von Perchloraten ist jedoch nicht unbedingt eine schlechte Nachricht. Fackrell wies darauf hin, dass das nützliche Nebenprodukt entstehen würde, wenn Bakterien Perchlorate verbrauchen, um den Boden zu reinigen Sauerstoff, der Teil eines nachhaltigen Systems zur Deckung der Bedürfnisse von Astronauten sein könnte: „Perchlorate stellen ein sehr reales Problem dar.“ Herausforderung; Sie bieten jedoch auch die Möglichkeit, in eine Sauerstoffressource umgewandelt zu werden.“

Ein System einrichten

Es hilft, darüber nachzudenken, die Landwirtschaft auf dem Mars langfristig zu etablieren. Ziel ist es nicht nur, einen einzigen Ernteertrag anzubauen, sondern ein nachhaltiges System aufzubauen.

Die erste Ernte ist die schwierigste. Sobald dies erledigt ist und sich die Bakterien etabliert haben, können alle Pflanzenreste früherer Ernten wieder in den Boden gegeben werden, was sowohl Nährstoffe hinzufügt als auch hilft, Wasser zu halten. So wird der Boden mit der Zeit fruchtbarer und pflanzenfreundlicher.

Das bedeutet, dass es einen starken Impuls gibt, Versuche zum Pflanzenanbau zu starten, sobald Menschen für längere Zeit auf dem Mars eintreffen. „Ich denke, man muss bei der ersten Expedition anfangen, um eigene Lebensmittel anzubauen. Andernfalls wird dies höchstwahrscheinlich nicht möglich sein“, sagte Wamelink. Die ersten Expeditionen brachten sicherlich auch ihr eigenes Essen mit, falls es Probleme mit dem Pflanzenwachstum gab. Aber sie könnten damit beginnen, den Boden nutzbar zu machen.

Es ist auch möglich, den kultivierten Boden zwischen den Missionen zu konservieren, solange er Luft, Licht und Wärme hat. Sie können bestimmte Feldfrüchte wie ungenießbare Kohlsorten aussäen, die Sie während Ihrer Abwesenheit zur Düngung des Bodens belassen können. Dies ist das gleiche Prinzip, das Landwirte in Wamelinks Heimatland, den Niederlanden, anwenden, um ihren Boden über den Winter zu verbessern.

Eine weitere Überlegung ist, wie Sie mit der Bestäubung der Pflanzen umgehen, sowohl für eine großzügigere Ernte als auch um Samen für zukünftige Nutzpflanzen zu schaffen. Viele Pflanzenarten nutzen den Wind, um ihre Pollen zu transportieren. Das bedeutet aber, dass man einen Luftstrom in einem Marslebensraum einrichten müsste, was nicht einfach wäre. Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit: den Einsatz von Bienen.

Bienen sind ausgezeichnete Bestäuber und könnten von der Erde in einen Lebensraum auf dem Mars gebracht werden. Hummelköniginnen könnten möglicherweise für eine Weltraumreise in den Winterschlaf versetzt und dann freigelassen werden, um sich in der Umgebung der Pollen auszubreiten.

Fliegen sind eine weitere Option, und sie haben einen weiteren Vorteil: Fliegenlarven können essbar und genauso zimperlich sein wie viele Menschen Vielleicht geht es darum, sie zu essen, aber sie könnten eine wichtige Proteinquelle für einen ansonsten Vegetarier oder Veganer darstellen Diät.

Alles was wir brauchen

Trotz der vielen Komplexitäten beim Anbau von Nahrungsmitteln auf dem Mars ist dies theoretisch möglich. Viele Details müssen noch geklärt werden, aber im Prinzip können wir dort vielleicht Pflanzen anbauen, solange die Astronauten die richtigen Materialien mitbringen. „Ich habe eine Einkaufsliste!“ Wamelink scherzte.

Die einzige Einschränkung, die er hervorhob, bestand darin, dass alle diese Experimente auf dem derzeit verfügbaren Mars-Simulanz basierten, sodass die Ergebnisse nur so genau seien wie das Simulanz. Die Frage von Perchloraten und wie sie sich sowohl auf Pflanzen als auch auf Menschen auswirken könnten, ist offen und wird auch für zukünftige Missionen offen bleiben Die Mars-Probenrückgabe soll uns helfen, genauer zu wissen, was wir vom Mars genau erwarten können Umfeld.

Es wird nicht einfach sein, aber Astronauten könnten eines Tages frisches, vom Mars angebautes Gemüse als alltäglichen Bestandteil ihrer Ernährung genießen. „Man muss viele Dinge tun, um es in Gang zu bringen“, warnte Wamelink, „aber wir wissen jetzt, wie es geht.“

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

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