Astroagriculture: comment nous allons cultiver de la nourriture sur Mars

Si jamais nous espérons envoyer des gens à vivre sur Mars pendant une longue période, nous devrons les garder au chaud, en sécurité et bien nourris. Cette dernière exigence pose un défi pour une mission qui ne peut transporter qu'une quantité limitée de fournitures. Même si les haricots en conserve n'étaient pas si lourds, personne ne veut en subsister pendant une mission d'un an.

L'avenir de l'habitation sur Mars nécessite des fruits, des légumes et des céréales fraîchement cultivés. Mais comment cultiver sur une planète toxique et mortelle comme Mars? Pour obtenir une réponse, nous avons parlé à trois chercheurs de Mars dans les domaines de l'écologie, de la géologie et de la biochimie.

Cet article fait partie de Vie sur Mars – une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars

Les essentiels de base

Les plantes sont des choses robustes, mais elles ont des exigences essentielles. Pour bien pousser, ils ont besoin de chaleur, d'une pression atmosphérique raisonnable et d'une protection contre les radiations nocives. Ces choses seraient un défi à fournir sur Mars, à l'exception du fait que les humains en ont également besoin.

La solution la plus simple serait que, quel que soit l'habitat que vous construisez pour abriter les astronautes sur Mars, vous construisiez également pour abriter toutes les cultures. Ajoutez quelques lumières LED simples et les astronautes pourront facilement s'occuper de leurs plantes à mesure qu'elles grandissent. L'ajout de lumières devrait contrecarrer les effets de la gravité inférieure de Mars puisque, même en apesanteur, les plantes poussent naturellement leurs racines loin des sources lumineuses. L'environnement scellé a même l'avantage de pouvoir contrôler des conditions telles que la température et l'humidité.

Wieger Wamelink, phytogénéticien et écologiste à l'Université de Wageningen, qui est l'un des principaux chercheurs en agriculture sur la Lune et sur Mars, a déclaré à Digital Trends que la culture de plantes dans l'espace est en fait très comparable à l'agriculture urbaine, le mouvement pour cultiver efficacement des aliments en milieu urbain paramètres. Souvent, cela est accompli en installant des environnements stériles dans des habitats intérieurs avec des lumières LED. En principe, dit-il, "c'est quelque chose que vous pouvez faire sur Mars, ou dans le désert si vous le souhaitez, ou dans une ville".

Cultiver la vie dans un sol mort

Le plus grand obstacle à la culture des cultures sur Mars, cependant, est le manque de quelque chose d'apparemment simple: la bonne terre à l'ancienne. Le sol sur Terre regorge d'organismes vivants ainsi que de certains minéraux, comme le phosphore et le potassium, que les plantes utilisent. Mars n'a pas de sol - à la place, il a un matériau mort et poussiéreux appelé régolithe qui recouvre sa surface.

Nous ne connaissons pas les détails exacts de la composition de ce régolithe, et il pourrait avoir des compositions différentes dans différentes régions. Mais nous avons une idée approximative de ce qu'il contient, ce qui a permis à la NASA de développer un simulant de régolithe. Il s'agit essentiellement d'une recréation du sol martien basée sur nos connaissances actuelles de la surface de la planète.

Cela signifie que vous pouvez expérimenter le « sol » martien ici sur Terre. Bien que le simulant ne soit pas bon marché, il est disponible à l'achat à des fins de recherche. Il y a une dizaine d'années, Wamelink s'est demandé si le simulant pouvait être utilisé pour faire pousser des cultures et s'est penché sur le sujet. "Ce que j'ai découvert", a-t-il dit, "à ma grande surprise, je dois dire, c'est que personne n'a jamais essayé ça."

Alors il a commencé planter des graines dans le sol de Mars, de la Lune et de la Terre pour comparer leur croissance. Dans ses premières expériences, Wamelink s'attendait à ce que les plantes luttent dans le simulateur de Mars. "C'est un sol très pauvre en éléments nutritifs", a-t-il expliqué. Il ne contient pas de matière organique et contient des métaux lourds qui pourraient empêcher la germination des plantes. "Mes attentes étaient très faibles", a-t-il déclaré.

Son équipe a planté 4 200 graines de 14 espèces différentes, s'attendant à ce que la plupart d'entre elles meurent. Mais les résultats étaient très différents de ce que les chercheurs avaient prédit. Presque toutes les graines ont germé, certaines d'entre elles en 24 heures. Cela a en fait causé des problèmes, a déclaré Wamelink en riant, car l'équipe a soudainement dû s'occuper d'une énorme récolte de plus de 4 000 plantes.

Les plantes ont nécessité un arrosage soigneux car le régolithe est hydrophobe, ce qui signifie qu'il n'absorbe pas beaucoup d'humidité. Les futurs agriculteurs martiens auront donc besoin beaucoup d'eau pour faire pousser leurs récoltes.

Et tandis que les plantes poussaient dans le simulant du régolithe de Mars, elles n'atteignaient que quelques centimètres de haut et ne produisaient rien de comestible. Pour que les plantes atteignent leur pleine taille et produisent des légumes, vous devez ajouter des nutriments.

Fertiliser le sol

Un élément clé qui manque au sol de Mars en ce qui concerne les plantes est la matière organique. La matière organique est une source particulièrement importante de nutriments lorsqu'elle est décomposée par des bactéries, ce qui signifie que nous devrons également ajouter des bactéries dans les futures régions de culture.

Heureusement, en tant que colonies ambulantes de microbes, les humains sont hérissés de bactéries. Ainsi, bien que ce soit un concept plutôt désagréable, nous avons un moyen de les acquérir. La méthode la plus efficace serait de conserver l'urine et les matières fécales produites par les astronautes lors de leur voyage de plusieurs mois vers Mars, puis de les ajouter au régolithe pour cultiver des bactéries. Si vous avez vu le film Le Martien, où l'astronaute perdu Mark Watney fait pousser des pommes de terre dans le sol de Mars avec ses eaux usées et celles de ses coéquipiers, c'est le même concept. Cependant, pour garder tout le monde en bonne santé, vous devez prendre des mesures pour tuer tous les agents pathogènes qui pourraient être transmis par les déchets humains.

Vous pourriez aider tout au long du processus de digestion de la matière organique et de son recyclage dans le sol en introduisant des vers. Même sur Mars, les vers de terre sont les meilleurs amis du jardinier, car ils digèrent la matière organique et produisent engrais ainsi que creuser des tunnels qui fournissent une aération et une rétention d'eau importantes pour la plante racines à pousser. "Je pense qu'ils sont essentiels pour un bon système", a déclaré Wamelink. De plus, les œufs de vers peuvent être stockés pendant une longue période, ce qui les rend potentiellement transportables vers Mars.

Une fois que votre régolithe de Mars est enrichi de nutriments, de matière organique, de bactéries et de vers, vous pouvez commencer à planter des graines. Les graines peuvent être apportées de la Terre sans trop de problèmes car elles sont petites et légères.

Les futurs habitants de Mars auront peut-être un choix de régime alimentaire plus varié que vous ne l'imaginez. Wamelink me dit que toutes sortes de plantes comestibles peuvent pousser dans un simulant de régolithe martien. Ainsi, alors que les systèmes hydroponiques utilisés dans des endroits comme la Station spatiale internationale, où les plantes ne poussent pas dans le sol mais en suspension dans une solution nutritive, conviennent mieux à la culture de légumes-feuilles que de légumes féculents, vous pouvez cultiver pratiquement n'importe quoi dans le sol. Le simulant de régolithe de Mars a été utilisé pour cultiver des pommes de terre, des haricots verts, des tomates, des carottes, des radis, du blé, du seigle, etc.

Se débarrasser des méchants

L'une des préoccupations concernant la sécurité du sol de Mars est la présence de métaux lourds dangereux. "Ce n'est pas seulement du zinc, dont nous avons besoin d'un peu, mais aussi du cadmium, du plomb, du mercure - toutes les choses que vous ne voulez pas dans votre nourriture", a déclaré Wamelink.

Cependant, ce n'est pas nécessairement un problème aussi important que vous pourriez le penser. "Ce n'est pas vraiment différent de la Terre", a-t-il souligné, car des métaux lourds peuvent également être trouvés dans notre sol. La question est de savoir si ces métaux lourds sont liés d'une manière qui les empêche d'être libérés dans le sol et ensuite absorbés par les plantes.

La bonne nouvelle est que lorsque les légumes cultivés dans le simulant ont été analysés, ils se sont avérés sûrs à manger. Les métaux lourds étaient en dessous des niveaux dangereux dans tous les aliments, et dans certains cas, les niveaux étaient encore plus bas dans les régolithes. légumes que dans les légumes cultivés dans un terreau ordinaire, peut-être en raison de polluants comme les gaz d'échappement des voitures qui contaminent le sol ici sur Terre.

On s'inquiète également de l'acidité du sol sur la Lune et sur Mars, ce qui pourrait limiter la capacité des plantes à accéder à une autre molécule essentielle, le phosphate. Un nouveau domaine de recherche à l'étude est de savoir si l'ajout certains types de champignons au régolithe pourrait résoudre ce problème.

"Nous pouvons emmener avec nous des champignons sur Mars qui peuvent se développer dans les roches et libérer des phosphates", a suggéré Wamelink comme future piste d'exploration. "Ils vivent en symbiose avec les racines des plantes."

Le problème des perchlorates

Le plus grand obstacle à la culture d'aliments en toute sécurité sur Mars est peut-être le problème des perchlorates, des produits chimiques trouvés dans le régolithe qui sont toxiques pour les humains et les plantes. Ceux-ci sont si dangereux qu'ils ne sont pas inclus dans les échantillons de simulant pour des raisons de santé.

Recherche récente a suggéré que la présence de ces perchlorates dans le régolithe pourrait être plus problématique qu'on ne le pensait auparavant. Lorsque les chercheurs ont pris un simulant de régolithe et ajouté du perchlorate de calcium dans des quantités similaires à celles trouvées sur Mars, les plantes n'ont pas pu y pousser même lorsque des nutriments supplémentaires ont été ajoutés.

Cela ne signifie pas pour autant que nous devons abandonner le rêve d'aliments cultivés sur Mars. Andrew Palmer du Florida Institute of Technology, auteur principal de l'étude, a déclaré à Digital Trends dans un e-mail que si la présence de perchlorates sur Mars est un défi pour la nourriture production, "ce n'est pas un facteur décisif". Il devrait être possible d'introduire des micro-organismes ou des plantes spécifiques dans l'écosystème pour nettoyer les toxines du régolithe dans un processus appelé bioremédiation. « Ces aides sont des acteurs communs dans nos écosystèmes sur Terre. Il n'y a aucune raison pour que nous ignorions leur potentiel à contribuer à l'écosystème que nous concevons pour nos colons martiens », a-t-il déclaré.

Un autre chercheur impliqué dans des études sur viabilité du régolithe pour la culture de cultures, Laura Fackrell de l'Université de Géorgie, a convenu que les perchlorates étaient un défi mais pas insurmontable. Elle a suggéré que les perchlorates pourraient être nettoyés du régolithe à l'aide de bactéries, car il existe plusieurs espèces de bactéries qui peuvent consommer ou dégrader les perchlorates, dont certaines sont utilisées pour nettoyer l'eau contaminée ici sur Terre. Mais il y a des défis ici aussi. Cette réaction produit à la fois de l'oxygène et du chlorure - et bien que le chlorure ne soit pas toxique et puisse être bénéfique pour la croissance des plantes, une trop grande quantité peut endommager ou même tuer les plantes. Nous avons besoin de plus de recherches pour savoir quels seraient ses effets sur la vie végétale. "Nous n'avons pas suffisamment de données pour dire si la quantité de chlorure produite par ce procédé serait trop importante pour les plantes, mais c'est probablement le cas", a-t-elle déclaré.

Une autre solution potentielle serait de laver littéralement les perchlorates du régolithe. Les perchlorates sont une sorte de sel et sont solubles dans l'eau, donc rincer le régolithe les enlèverait. "Cependant, cela pourrait également éliminer d'autres nutriments comme les nitrates", a averti Fackrell. Sans parler des problèmes d'utilisation de l'eau précieuse à cette fin.

La présence de perchlorates n'est pas nécessairement une mauvaise nouvelle. Fackrell a souligné que le fait que des bactéries consomment des perchlorates pour nettoyer le sol produirait le sous-produit utile de l'oxygène, qui pourrait faire partie d'un système durable pour répondre aux besoins des astronautes: « Les perchlorates représentent un bien réel défi; cependant, ils offrent également la possibilité d'être transformés en une ressource d'oxygène.

Mise en place d'un système

Il est utile de penser à la mise en place de l'agriculture sur Mars comme un jeu à long terme. L'objectif n'est pas seulement de produire un seul rendement de cultures, mais de mettre en place un système durable.

La première récolte est la plus dure. Une fois que cela est fait et que les bactéries sont établies, toute matière végétale restante des récoltes précédentes peut être rajoutée au sol, ce qui ajoute des nutriments et aide à retenir l'eau. Ainsi, avec le temps, le sol deviendra plus fertile et plus hospitalier pour les plantes.

Cela signifie qu'il y a une forte impulsion pour lancer des tentatives de culture de plantes dès que les humains arrivent sur Mars pendant un certain temps. « Je pense qu'il faut commencer dès la première expédition pour commencer à cultiver sa propre nourriture. Sinon, il ne sera probablement pas possible de le faire », a déclaré Wamelink. Les premières expéditions apporteraient certainement aussi leur propre nourriture, au cas où il y aurait des problèmes avec la croissance des cultures. Mais ils pourraient commencer le processus de rendre le sol utilisable.

Il est également possible de préserver le sol cultivé entre les missions tant qu'il a de l'air, de la lumière et de la chaleur. Vous pouvez semer certaines cultures comme des types de choux non comestibles, qui peuvent être laissés pour fertiliser le sol pendant votre absence. C'est le même principe que les agriculteurs utilisent dans le pays d'origine de Wamelink, les Pays-Bas, pour améliorer leur sol pendant l'hiver.

Une autre considération est la façon dont vous gérez la pollinisation des plantes, à la fois pour une récolte plus généreuse et pour créer des graines pour les cultures futures. De nombreuses espèces de plantes utilisent le vent pour transporter leur pollen. Mais cela signifie que vous auriez besoin de mettre en place un flux d'air dans un habitat martien, ce qui ne serait pas facile. Il existe une autre option, cependant, qui consiste à utiliser des abeilles.

Les abeilles sont d'excellents pollinisateurs et pourraient être amenées de la Terre pour vivre dans un habitat martien. Les reines des bourdons pourraient potentiellement être mises en hibernation pour un voyage dans l'espace, puis relâchées pour se répandre autour du pollen.

Les mouches sont une autre option, et elles ont un autre avantage: les larves de mouches peuvent être comestibles et aussi délicates que beaucoup de gens. pourrait être de les manger, ils pourraient fournir une source importante de protéines dans une alimentation autrement végétarienne ou végétalienne régime.

Tout ce dont nous avons besoin

Malgré les nombreuses complexités de la culture de nourriture sur Mars, c'est théoriquement possible. De nombreux détails restent à régler, mais en principe, nous pourrons peut-être y faire pousser des cultures tant que les astronautes apporteront les bons matériaux avec eux. "J'ai une liste de courses !" Wamelink a plaisanté.

La seule limite qu'il a soulignée était que toutes ces expériences étaient basées sur le simulant de Mars actuellement disponible, de sorte que les résultats ne sont aussi précis que le simulant. La question des perchlorates et de la façon dont ils pourraient affecter à la fois les plantes et les humains est une question ouverte, et les missions futures comme le Mars Sample Return devrait nous aider à être plus sûrs de ce que nous pouvons attendre de Mars environnement.

Ce ne sera pas facile, mais les astronautes pourraient un jour profiter de légumes frais cultivés sur Mars dans le cadre de leur alimentation quotidienne. "Vous devez faire beaucoup de choses pour que ça marche", a averti Wamelink, "mais nous savons maintenant comment le faire."

Cet article fait partie de Vie sur Mars – une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars

Recommandations des éditeurs

• Un trajet cosmologique: la logistique délicate de l'envoi de personnes sur Mars
• Perfectionner la propulsion: comment nous allons amener les humains sur Mars
• Châteaux de sable: comment créer des habitats avec de la terre martienne
• Atmosphères artificielles: comment nous allons construire une base avec de l'air respirable sur Mars
• Récolter l'hydratation: comment les futurs colons créeront et collecteront de l'eau sur Mars