Astropõllumajandus: kuidas me Marsil toitu kasvatame

Kui me kunagi loodame inimesi saata elada Marsil pikema aja jooksul peame hoidma neid soojas, turvaliselt ja hästi toidetuna. See viimane nõue seab väljakutse missioonile, mis suudab kanda vaid piiratud koguses varusid. Isegi kui konservoad poleks nii rasked, ei taha keegi neist aastapikkusel missioonil ära elada.

Marsi elamise tulevik nõuab värskelt kasvatatud puuvilju, köögivilju ja teravilju. Aga kuidas taluda mürgisel ja surmaval planeedil nagu Marss? Vastuse saamiseks vestlesime kolme Marsi teadlasega ökoloogia, geoloogia ja biokeemia valdkondadest.

See artikkel on osa Elu Marsil – 10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Põhilised hädavajalikud

Taimed on vastupidavad asjad, kuid neil on mõned olulised nõuded. Heaks kasvamiseks vajavad nad soojust, mõistlikku atmosfäärirõhku ja kaitset kahjuliku kiirguse eest. Neid asju oleks Marsil keeruline pakkuda, välja arvatud asjaolu, et ka inimesed vajavad neid kõiki.

Lihtsaim lahendus oleks see, et ükskõik millise elupaiga te Marsil astronautide majutamiseks rajate, ehitate ka kogu põllukultuuri hoidmiseks. Lisage mõned lihtsad LED-tuled ja astronaudid saavad oma taimi kasvades kergesti hooldada. Valgustite lisamine peaks neutraliseerima Marsi väiksema gravitatsiooni mõju, kuna isegi nullgravitatsiooni korral kasvavad taimed loomulikult juured valgusallikatest eemal. Suletud keskkonnal on isegi see eelis, et saate kontrollida selliseid tingimusi nagu temperatuur ja niiskus.

Wieger Wamelink, Wageningeni ülikooli taimekasvataja ja ökoloog, kes on üks juhtivaid Kuu ja Marsi põllumajanduse uurijaid, ütles Digital Trendsile, et taimede kasvatamine kosmoses on tegelikult väga võrreldav linnapõllumajandusega, liikumisega, et linnades toitu tõhusalt kasvatada. seaded. Sageli saavutatakse see LED-tuledega siseelupaikades steriilse keskkonna loomisega. Põhimõtteliselt ütles ta: "See on midagi, mida saate teha Marsil või kõrbes, kui soovite, või linnas."

Elu kasvatamine surnud pinnases

Suurim takistus Marsil põllukultuuride kasvatamisel on aga millegi näiliselt lihtsa puudumine: vana hea mustus. Maa muld on täis elusorganisme ja teatud mineraale, nagu fosfor ja kaalium, mida taimed kasutavad. Marsil pole mulda – selle asemel katab selle pinda surnud tolmune materjal, mida nimetatakse regoliitiks.

Me ei tea täpseid üksikasju selle kohta, millest see regoliit koosneb, ja sellel võib erinevates piirkondades olla erinev koostis. Kuid meil on selle sisust ligikaudne ettekujutus, mis on võimaldanud NASA-l välja töötada regoliidi mudelaine. See on sisuliselt Marsi pinnase taasloomine, mis põhineb meie praegustel teadmistel planeedi pinnast.

See tähendab, et saate siin Maal katsetada Marsi "pinnasega". Kuigi simulant pole odav, on see ostmiseks saadaval uurimise eesmärgil. Umbes kümmekond aastat tagasi mõtles Wamelink, kas simulanti saaks kasutada põllukultuuride kasvatamiseks, ja uuris seda teemat. "See, mida ma avastasin," ütles ta, "pean ütlema oma suureks üllatuseks, et keegi pole seda kunagi proovinud."

Nii ta alustas seemnete istutamine Marsi, Kuu ja Maa mulda et võrrelda nende kasvu. Oma esimestes katsetes eeldas Wamelink, et taimed võitlevad Marsi simulandis. "See on väga toitainetevaene muld," selgitas ta. Selles ei ole orgaanilist ainet ja see sisaldab raskmetalle, mis võivad takistada taimede idanemist. "Minu ootused olid väga madalad," ütles ta.

Tema meeskond külvas 4200 seemet 14 erinevast liigist, eeldades, et enamik neist sureb. Kuid tulemused olid väga erinevad sellest, mida teadlased ennustasid. Peaaegu kõik seemned idanesid - mõned neist 24 tunni jooksul. See tekitas tegelikult probleeme, ütles Wamelink naerdes, sest meeskond pidi ootamatult kasvatama tohutut, üle 4000 taimest koosnevat saaki.

Taimed nõudsid palju hoolikat kastmist, kuna regoliit on hüdrofoobne, mis tähendab, et see ei ima palju niiskust. Nii et tulevased Marsi põllumehed vajavad palju vett et nende saak kasvaks.

Ja kuigi taimed kasvasid Marsi regoliidi simulandis, ulatusid nad vaid mõne sentimeetri kõrguseks ega andnud midagi söödavat. Et taimed saaksid täissuuruses kasvada ja juurvilju toota, tuleb lisada toitaineid.

Mulla väetamine

Peamine komponent, millest Marsi pinnas taimede puhul puudub, on orgaaniline aine. Orgaaniline aine on eriti oluline toitainete allikas, kui seda bakterid lagundavad, mis tähendab, et me peame lisama baktereid ka tulevastesse kasvupiirkondadesse.

Õnneks on inimesed kõndivate mikroobide kolooniatena bakteritest pungil. Ehkki see on üsna ebameeldiv kontseptsioon, on meil võimalus neid omandada. Kõige tõhusam meetod oleks säilitada astronautide uriin ja väljaheited nende kuupikkusel Marsi-reisil ning seejärel lisada see regoliidile bakterite kasvatamiseks. Kui olete filmi näinud Marslane, kus kadunud astronaut Mark Watney kasvatab Marsi pinnases kartuleid koos oma ja oma meeskonnakaaslaste kanalisatsiooniga, on see sama kontseptsioon. Kõigi tervise säilitamiseks peate siiski võtma meetmeid, et hävitada kõik patogeenid, mis võivad inimjäätmete kaudu edasi kanduda.

Orgaanilise aine seedimist ja selle mulda taaskasutamist saate aidata kaasa usside sissetoomisega. Isegi Marsil on vihmaussid aedniku parim sõber, kuna nad seedivad orgaanilist ainet ja toodavad väetis koos kaevamistunnelitega, mis tagavad taimele olulise õhutuse ja veepeetuse juured kasvama. "Ma arvan, et need on hea süsteemi jaoks hädavajalikud," ütles Wamelink. Lisaks saab usside mune pikka aega säilitada, muutes need potentsiaalselt Marsile transporditavaks.

Kui teie Marsi regoliit on toitainete, orgaanilise aine, bakterite ja ussidega rikastatud, võite alustada seemnete istutamist. Seemneid saab Maalt tuua ilma liigsete probleemideta, kuna need on väikesed ja kerged.

Tulevastel Marsi elanikel võib olla mitmekesisem toiduvalik, kui ette kujutate. Wamelink ütleb mulle, et Marsi regoliidi simulandis võivad kasvada igasugused söödavad taimed. Ehkki hüdropoonilisi süsteeme kasutatakse sellistes kohtades nagu rahvusvaheline kosmosejaam, kus taimi kasvatatakse mitte pinnases, vaid toitelahuses suspendeeritud, sobivad paremini lehtköögiviljade kasvatamiseks kui tärkliserikkad köögiviljad, saate kasvatada praktiliselt midagi mullas. Marsi regoliidi simulanti on kasutatud kartulite, roheliste ubade, tomatite, porgandite, redise, nisu, rukki ja muu kasvatamiseks.

Vastikest vabanemine

Üks Marsi pinnase ohutusega seotud probleeme on ohtlike raskmetallide olemasolu. "See pole mitte ainult tsink, mida me vajame, vaid ka kaadmium, plii, elavhõbe - kõik asjad, mida te oma toidus ei soovi," ütles Wamelink.

See pole aga tingimata nii suur probleem, kui arvate. "See ei erine tegelikult Maast," märkis ta, kuna raskmetalle võib leida ka meie pinnasest. Küsimus on selles, kas need raskmetallid on seotud viisil, mis takistab nende sattumist pinnasesse ja seejärel taimede imendumist.

Hea uudis on see, et simulandis kasvatatud köögiviljade analüüsimisel leiti, et need on söömiseks ohutud. Raskmetallide sisaldus oli kõigis toiduainetes alla ohtliku taseme ja mõnel juhul oli regoliidis kasvatatud sisaldus isegi madalam. köögiviljad kui tavalises potimullas kasvatatud köögiviljad, võib-olla seetõttu, et saasteained, nagu autode heitgaasid, saastavad siinset mulda Maal.

Samuti on mures Kuu ja Marsi pinnase happelisus, mis võib piirata taimede juurdepääsu teisele olulisele molekulile, fosfaadile. Uus uurimisvaldkond, mida kaalutakse, on lisamine teatud tüüpi seened regoliit võiks selle probleemi lahendada.

"Me võime Marsile kaasa võtta seeni, mis võivad tegelikult kivimites kasvada ja fosfaate vabastada," pakkus Wamelink tulevase uurimisvõimalusena. "Nad elavad sümbioosis taimede juurtega."

Perkloraadi probleem

Võib-olla on suurimaks takistuseks toidu ohutuks kasvatamiseks Marsil perkloraadi probleem, regoliidis leiduvad kemikaalid, mis on mürgised nii inimestele kui ka taimedele. Need on nii ohtlikud, et neid ei lisata tervislikel põhjustel mudelaine proovidesse.

Hiljutised uuringud on oletanud, et nende perkloraadi olemasolu regoliidis võib olla suurem probleem, kui varem arvati. Kui teadlased võtsid regoliitsimulanti ja lisasid kaltsiumperkloraati Marsil leiduvate kogustega, ei suutnud taimed selles kasvada isegi siis, kui lisati täiendavaid toitaineid.

See ei tähenda siiski, et peaksime loobuma unistusest Marsil kasvatatud toidust. Andrew Palmer Florida Tehnoloogiainstituudist, uuringu vanemautor, ütles Digital Trendsile e-kirjas, et kuigi perkloraadi olemasolu Marsil on toidule väljakutse. tootmist, "see ei ole tehingu katkestaja". Peaks olema võimalik viia ökosüsteemi mikroorganisme või spetsiifilisi taimi, et puhastada regoliidist toksiine protsessis nn. bioremediatsiooni. "Sellised abilised on meie maapealsete ökosüsteemide tavalised tegijad. Pole põhjust, miks peaksime ignoreerima nende potentsiaali aidata kaasa ökosüsteemile, mida me oma Marsi kolonistide jaoks kujundame, ”ütles ta.

Teine teadlane, kes osales selle kohta regoliidi elujõulisus põllukultuuride kasvatamiseksLaura Fackrell Georgia ülikoolist nõustus, et perkloraadid on väljakutse, kuid mitte ületamatu. Ta soovitas perkloraate regoliidist puhastada bakterite abil, kuna on palju bakteriliike, mis võivad perkloraate tarbida või lagundada, millest mõnda kasutatakse saastunud vee puhastamine siin Maal. Kuid ka siin on väljakutseid. See reaktsioon toodab nii hapnikku kui ka kloriidi - ja kuigi kloriid on mittetoksiline ja võib taimede kasvule kasulik olla, võib liiga suur osa sellest taimi kahjustada või isegi tappa. Vajame rohkem uuringuid, et teada saada, milline on selle mõju taimestikule. "Meil ei ole piisavalt andmeid, et öelda, kas selle protsessi käigus toodetud kloriidi kogus oleks taimede jaoks liiga palju, kuid tõenäoliselt on see nii," ütles ta.

Teine võimalik lahendus oleks perkloraadi sõna otseses mõttes regoliidist välja pesemine. Perkloraadid on omamoodi sool ja vees lahustuvad, nii et regoliidi loputamine eemaldaks need. "Kuid see võib eemaldada ka teisi toitaineid, nagu nitraadid, " hoiatas Fackrell. Rääkimata probleemidest, mis puudutavad väärtusliku vee kasutamist sel eesmärgil.

Perkloraadi olemasolu ei pruugi siiski olla halb uudis. Fackrell juhtis tähelepanu sellele, et kui bakterid tarbivad mulla puhastamiseks perkloraate, tekivad sellest kasulikud kõrvalsaadused hapnik, mis võiks olla osa säästvast süsteemist astronautide vajaduste rahuldamiseks: „Perkloraadid on väga reaalsed väljakutse; kuid need pakuvad ka võimalust muutuda hapniku ressursiks.

Süsteemi seadistamine

See aitab mõelda Marsi põllumajanduse rajamisele kui pikaajalisele mängule. Eesmärk ei ole ainult ühe saagi kasvatamine, vaid jätkusuutliku süsteemi loomine.

Esimene saak on kõige raskem. Kui see on tehtud ja bakterid on asutatud, saab eelmistest saagikoristustest üle jäänud taimsed ained mulda tagasi lisada, mis nii lisab toitaineid kui aitab vett hoida. Nii et aja jooksul muutub muld viljakamaks ja taimedele külalislahkemaks.

See tähendab, et on tugev tõuge alustada katseid taimede kasvatamiseks niipea, kui inimesed jõuavad pikemaks ajaks Marsile. "Ma arvan, et oma toidu kasvatamiseks peate alustama esimesest ekspeditsioonist. Vastasel juhul pole seda tõenäoliselt võimalik teha, ”ütles Wamelink. Varasemad ekspeditsioonid võtsid kindlasti kaasa ka oma toidu, kui saagi kasvuga probleeme peaks olema. Kuid nad võiksid alustada mulla kasutatavaks muutmise protsessi.

Haritavat mulda on võimalik ka missioonide vahel säilitada seni, kuni selles on õhku, valgust ja soojust. Võite külvata teatud põllukultuure, näiteks mittesöödavat kapsast, mille võib jätta mulda väetamiseks, kui olete eemal. See on sama põhimõte, mida kasutavad Wamelinki koduriigis Hollandis põllumehed talve jooksul mulla parandamiseks.

Teine kaalutlus on see, kuidas tegelete taimede tolmeldamisega nii heldema saagi saamiseks kui ka tulevaste põllukultuuride seemnete loomiseks. Paljud taimeliigid kasutavad õietolmu kandmiseks tuult. Kuid see tähendab, et peate Marsi elupaigas õhuvoolu seadistama, mis poleks lihtne. Siiski on veel üks võimalus, milleks on mesilaste kasutamine.

Mesilased on suurepärased tolmeldajad ja neid võib Maalt Marsi elupaika elama tuua. Kimalaste kuningannad võidakse panna kosmosereisile talveunerežiimi ja seejärel õietolmu ümber levima lasta.

Veel üks võimalus on kärbsed ja neil on veel üks eelis: kärbsevastsed võivad olla söödavad ja sama kidurad kui paljud inimesed võib olla seotud nende söömisega, võivad need olla oluliseks valguallikaks muidu taimetoitlastele või veganitele dieeti.

Kõik, mida vajame

Hoolimata Marsil toidu kasvatamise paljudest keerukustest on see teoreetiliselt võimalik. Palju detaile tuleb veel välja töötada, kuid põhimõtteliselt saame seal põllukultuure kasvatada seni, kuni astronaudid toovad kaasa õiged materjalid. "Mul on ostunimekiri!" Wamelink tegi nalja.

Üks piirang, mida ta rõhutas, oli see, et kõik need katsed põhinesid praegu saadaoleval Marsi mudelainel, seega on tulemused täpselt nii täpsed kui mudelaine. Perkloraadi küsimus ja see, kuidas need võivad mõjutada nii taimi kui ka inimesi, on lahtine ja sellised tulevased missioonid Marsi proovide tagasitulek peaks aitama meil saada täpsemaks, mida me Marsilt oodata võime keskkond.

See ei saa olema lihtne, kuid astronaudid võiksid ühel päeval nautida värskeid Marsil kasvatatud köögivilju oma dieedi igapäevase osana. "Selle käivitamiseks peate tegema palju asju," hoiatas Wamelink, "aga me teame nüüd, kuidas seda teha."

See artikkel on osa Elu Marsil – 10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Toimetajate soovitused

• Kosmoloogiline pendelränne: inimeste Marsile viimise keeruline logistika
• Tõukejõu täiustamine: kuidas me saame inimesed Marsile
• Liivast valmistatud lossid: kuidas teeme Marsi pinnasega elupaiku
• Tehisatmosfäär: kuidas ehitame Marsile hingava õhuga baasi
• Hüdratsiooni kogumine: kuidas tulevased asukad Marsil vett loovad ja koguvad