Astroagriculture: comment nous cultiverons de la nourriture sur Mars

Si jamais nous espérons envoyer des gens vers vivre sur Mars pendant une période prolongée, nous devrons les garder au chaud, en sécurité et bien nourris. Cette dernière exigence constitue 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 voudrait en vivre pour 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 venimeuse et mortelle comme Mars? Pour obtenir une réponse, nous avons discuté avec trois chercheurs sur Mars issus des 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 certaines exigences essentielles. Pour bien pousser, ils ont besoin de chaleur, d’une pression atmosphérique raisonnable et d’une protection contre les rayonnements nocifs. Ces choses seraient un défi à fournir sur Mars, si ce n’est 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 construisez 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 faible gravité de Mars puisque, même en apesanteur, les plantes poussent naturellement leurs racines loin des sources de lumière. L’environnement scellé présente même l’avantage de pouvoir contrôler des conditions telles que la température et l’humidité.

Wieger Wamelink, sélectionneur de plantes et écologiste à l'Université de Wageningen et 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 visant à cultiver efficacement des aliments en milieu urbain. paramètres. Cela se fait souvent en créant 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 de plantes sur Mars, cependant, est le manque de quelque chose qui semble simple: de la bonne terre à l’ancienne. Le sol de la 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, mais 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 selon les 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. Même si le simulateur n’est pas bon marché, il l’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 déclaré, "à ma grande surprise, je dois dire, c'est que personne n'a jamais essayé cela."

Alors il a commencé planter des graines dans le sol de Mars, de la Lune et de la Terre pour comparer leur croissance. Lors de ses premières expériences, Wamelink s’attendait à ce que les plantes aient des difficultés dans le simulateur de Mars. « C’est un sol très pauvre en nutriments », explique-t-il. Il ne contient aucune 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 ceux prédits par les chercheurs. Presque toutes les graines ont germé, certaines en moins de 24 heures. Cela a en fait posé 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 beaucoup d’arrosages 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 que leurs récoltes continuent de croître.

Et même si 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 dans le 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 les 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 regorgent de bactéries. Ainsi, même si c’est un concept plutôt désagréable, nous avons quand même un moyen de les acquérir. La méthode la plus efficace serait de conserver l’urine et les excréments produits par les astronautes au cours de leur voyage d’un 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 cultive 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 que tout le monde reste en bonne santé, vous devez prendre des mesures pour éliminer tous les agents pathogènes qui pourraient être transmis par les excréments humains.

Vous pourriez contribuer au processus de digestion de la matière organique et à 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 et creusement de tunnels qui assurent une aération et une rétention d'eau importantes pour la plante des racines pour pousser. "Je pense qu'ils sont essentiels à 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 importées de la Terre sans trop de problèmes car elles sont petites et légères.

Les futurs habitants de Mars pourraient avoir un choix alimentaire plus varié que vous ne l’imaginez. Wamelink me dit que toutes sortes de plantes comestibles peuvent pousser dans le simulant du régolithe martien. Ainsi, même si les systèmes hydroponiques utilisés dans des endroits comme la Station spatiale internationale, où les plantes ne sont pas cultivées dans le sol mais en suspension dans une solution nutritive, conviennent mieux à la culture de légumes-feuilles que de légumes féculents, vous pouvez les cultiver pratiquement quoi que ce soit dans le sol. Le simulateur 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 et bien plus encore.

Se débarrasser des méchants

L’une des préoccupations concernant la sécurité du sol martien est la présence de métaux lourds dangereux. "Il ne s'agit pas seulement de zinc, dont nous avons besoin en petite quantité, mais aussi de cadmium, de plomb, de mercure, autant de choses dont vous ne voulez pas dans votre alimentation", a déclaré Wamelink.

Cependant, ce n’est pas nécessairement un problème aussi grave qu’on pourrait 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 de manière à empêcher leur libération dans le sol et leur absorption ultérieure par les plantes.

La bonne nouvelle est que lorsque les légumes cultivés dans le simulant ont été analysés, ils se sont révélés sans danger pour la consommation. 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 cultivés. légumes que dans les légumes cultivés dans un terreau ordinaire, peut-être à cause 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, qui pourrait limiter la capacité des plantes à accéder à une autre molécule essentielle, le phosphate. Un nouveau domaine de recherche envisagé est de savoir si l'ajout certains types de champignons au régolith pourrait résoudre ce problème.

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

Le problème des perchlorates

Le plus grand obstacle à la culture de nourriture en toute sécurité sur Mars est peut-être le problème des perchlorates, des produits chimiques présents dans le régolithe et toxiques pour les humains et les plantes. Ces substances sont si dangereuses qu’elles ne sont pas incluses dans les échantillons simulés 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 en 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’une nourriture cultivée sur Mars. Andrew Palmer du Florida Institute of Technology, auteur principal de l'étude, a déclaré à Digital Trends dans un e-mail que même si la présence de perchlorates sur Mars constitue un défi pour l'alimentation 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 selon un processus appelé bioremédiation. « Ces assistants sont des acteurs courants dans nos écosystèmes sur Terre. Il n’y a aucune raison pour laquelle nous devrions ignorer 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 des cultures, Laura Fackrell de l'Université de Géorgie, a reconnu que les perchlorates constituaient 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 ici aussi des défis. Cette réaction produit à la fois de l’oxygène et du chlorure – et bien que le chlorure soit non toxique et puisse être bénéfique à 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 processus serait trop importante pour les plantes, mais ce sera 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 éliminerait. "Cependant, cela pourrait également éliminer d'autres nutriments comme les nitrates", a prévenu Fackrell. Sans parler des problèmes liés à l’utilisation de l’eau précieuse à cette fin.

La présence de perchlorates n’est cependant pas nécessairement une mauvaise nouvelle. Fackrell a souligné que le fait que les 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 défi; cependant, ils présentent également la possibilité d’être transformés en une ressource en oxygène.

Mise en place d'un système

Il est utile de considérer l’implantation de l’agriculture sur Mars comme un jeu à long terme. L’objectif n’est pas seulement d’obtenir un rendement unique, mais de mettre en place un système durable.

La première récolte est la plus difficile. Une fois que cela est fait et que les bactéries sont établies, toute matière végétale restante des récoltes précédentes peut être réintroduite dans le 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, pour une durée quelconque. « Je pense qu’il faut partir de la première expédition pour commencer à cultiver sa propre nourriture. Sinon, cela ne sera probablement pas possible », a déclaré Wamelink. Les premières expéditions apporteraient certainement également leur propre nourriture, au cas où il y aurait des problèmes avec la croissance des cultures. Mais ils pourraient entamer le processus visant à rendre le sol utilisable.

Il est également possible de préserver le sol cultivé entre les missions tant qu’il y a de l’air, de la lumière et de la chaleur. Vous pouvez semer certaines cultures comme les types de choux non comestibles, que vous pouvez laisser fertiliser le sol pendant votre absence. C’est le même principe que les agriculteurs utilisent aux Pays-Bas, pays d’origine de Wamelink, 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 devrez établir un flux d’air dans un habitat martien, ce qui ne serait pas facile. Il existe cependant une autre option: utiliser les 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 spatial, puis relâchées pour se propager 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 de nombreuses personnes. Il s’agit peut-être de les manger, ils pourraient constituer une source importante de protéines dans un régime végétarien ou végétalien. régime.

Tout ce dont nous avons besoin

Malgré les nombreuses complexités liées à la culture de nourriture sur Mars, cela est théoriquement possible. De nombreux détails restent encore à régler, mais en principe, nous pourrons peut-être y cultiver des cultures à condition que les astronautes apportent avec eux le matériel approprié. «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 sont aussi précis que le simulant. La question des perchlorates et de la manière dont ils pourraient affecter à la fois les plantes et les humains est une question ouverte, et de futures missions comme le retour d'échantillons sur Mars devrait nous aider à être plus sûrs de ce que nous pouvons exactement attendre de Mars environnement.

Ce ne sera pas facile, mais les astronautes pourraient un jour consommer des légumes frais cultivés sur Mars dans le cadre de leur alimentation quotidienne. "Il faut faire beaucoup de choses pour que cela démarre", a prévenu 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

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