Astropoljoprivreda: Kako ćemo uzgajati hranu na Marsu

Ako se ikada nadamo da ćemo poslati ljude u živjeti na Marsu dulje vrijeme, morat ćemo ih držati toplima, sigurnima i dobro nahranjenima. Taj posljednji zahtjev predstavlja izazov za misiju koja može nositi samo ograničenu količinu zaliha. Čak i da grah u konzervi nije tako težak, nitko se ne želi hraniti njime tijekom cjelogodišnje misije.

Budućnost staništa na Marsu zahtijeva svježe uzgojeno voće, povrće i žitarice. Ali kako uzgajati na otrovnom, smrtonosnom planetu poput Marsa? Kako bismo dobili odgovor, razgovarali smo s tri istraživača Marsa iz područja ekologije, geologije i biokemije.

Ovaj je članak dio Život na Marsu – serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars

Osnovne stvari

Biljke su otporne stvari, ali imaju neke bitne zahtjeve. Da bi dobro rasle potrebna im je toplina, razuman atmosferski tlak i zaštita od štetnog zračenja. Te bi stvari bio izazov pružiti na Marsu, osim činjenice da ih sve trebaju i ljudi.

Najjednostavnije rješenje bilo bi da kakvo god stanište izgradite za smještaj astronauta na Marsu, izgradite i za smještaj svih usjeva. Dodajte nekoliko jednostavnih LED svjetala i astronauti se mogu lako brinuti za svoje biljke dok rastu. Dodavanjem svjetla trebalo bi se suprotstaviti svim učincima niže gravitacije Marsa jer, čak i u nultoj gravitaciji, biljke prirodno puštaju korijenje daleko od izvora svjetlosti. Zatvoreno okruženje čak ima prednost u tome što možete kontrolirati uvjete poput temperature i vlažnosti.

Wieger Wamelink, oplemenjivač biljaka i ekolog sa Sveučilišta Wageningen koji je jedan od vodećih istraživača poljoprivrede na Mjesecu i Marsu, rekao je za Digital Trends da je uzgoj biljaka u svemiru zapravo vrlo usporediv s gradskom poljoprivredom, pokretom za učinkovit uzgoj hrane u urbanim postavke. Često se to postiže postavljanjem sterilnih okruženja u zatvorenim staništima s LED svjetlima. U principu, rekao je, "to je nešto što možete raditi na Marsu, ili u pustinji ako želite, ili u gradu."

Kultiviranje života u mrtvom tlu

Ipak, najveća prepreka uzgoju usjeva na Marsu je nedostatak nečeg naizgled jednostavnog: dobre staromodne prljavštine. Tlo na Zemlji puno je živih organizama, kao i određenih minerala, poput fosfora i kalija, koje biljke koriste. Mars nema tlo - umjesto toga, ima mrtvi, prašnjavi materijal koji se zove regolit koji prekriva njegovu površinu.

Ne znamo točne pojedinosti o tome od čega se ovaj regolit sastoji, a mogao bi imati različite sastave u različitim regijama. Ali imamo grubu ideju o tome što je u njemu, što je omogućilo NASA-i da razvije simulant regolita. Ovo je u biti ponovno stvaranje Marsovog tla na temelju našeg trenutnog znanja o površini planeta.

To znači da možete eksperimentirati s Marsovim "tlom" ovdje na Zemlji. Iako simulant nije jeftin, jest dostupno za kupnju u istraživačke svrhe. Prije desetak godina Wamelink se zapitao može li se simulant koristiti za uzgoj usjeva i istražio je tu temu. “Ono što sam otkrio,” rekao je, “na moje veliko iznenađenje, moram reći, nitko to nikada nije pokušao.”

Pa je počeo sađenje sjemena u tlo Marsa, Mjeseca i Zemlje usporediti njihov rast. U svojim prvim eksperimentima Wamelink je očekivao da će se biljke boriti u simulantu Marsa. "To je tlo vrlo siromašno hranjivim tvarima", objasnio je. U sebi nema organske tvari, a sadrži teške metale koji bi mogli spriječiti klijanje biljaka. “Moja su očekivanja bila vrlo niska”, rekao je.

Njegov tim zasadio je 4200 sjemenki 14 različitih vrsta, očekujući da će većina njih uginuti. Ali rezultati su bili vrlo različiti od onoga što su istraživači predviđali. Gotovo sve sjemenke su proklijale - neke od njih unutar 24 sata. To je zapravo uzrokovalo probleme, rekao je Wamelink kroz smijeh, jer se tim odjednom morao brinuti za ogroman urod od preko 4000 biljaka.

Biljke su zahtijevale puno pažljivog zalijevanja jer je regolit hidrofoban, što znači da ne upija puno vlage. Dakle, budući marsovski farmeri će trebati mnogo vode kako bi im usjevi rasli.

I dok su biljke rasle u simulantu Marsovog regolita, dosezale su samo nekoliko centimetara visine i nisu proizvele ništa jestivo. Kako bi biljke narasle do pune veličine i proizvele povrće, morate dodati hranjive tvari.

Gnojidba tla

Ključna komponenta koja Marsovom tlu nedostaje što se tiče biljaka je organska tvar. Organska tvar posebno je važan izvor hranjivih tvari kada je razgrađuju bakterije, što znači da ćemo trebati dodavati bakterije i u buduća područja rasta.

Na sreću, kao hodajuće kolonije mikroba, ljudi su prepuni bakterija. Dakle, iako je to prilično neugodan koncept, imamo način da ih nabavimo. Najučinkovitija metoda bila bi sačuvati urin i izmet koje su proizveli astronauti na svom višemjesečnom putovanju na Mars, a zatim ih dodati u regolit za uzgoj bakterija. Ako ste gledali film Marsovac, gdje izgubljeni astronaut Mark Watney uzgaja krumpire u Marsovom tlu sa svojom i otpadnom vodom članova posade, to je isti koncept. Međutim, kako bi svi ostali zdravi, trebali biste poduzeti korake da ubijete sve patogene koji bi se mogli prenijeti ljudskim izmetom.

Možete pomoći u procesu probave organske tvari i njezinog recikliranja u tlo uvođenjem crva. Čak i na Marsu, gliste su najbolji prijatelji vrtlara, jer probavljaju organsku tvar i proizvode gnojivo zajedno s kopanjem tunela koji osiguravaju važnu aeraciju i zadržavanje vode za biljku korijenje rasti. "Mislim da su neophodni za dobar sustav", rekao je Wamelink. Osim toga, jajašca crva mogu se skladištiti dugo vremena, što ih čini potencijalno prenosivim na Mars.

Nakon što je vaš Marsov regolit obogaćen hranjivim tvarima, organskom tvari, bakterijama i crvima, možete početi saditi sjeme. Sjemenke se mogu donijeti sa Zemlje bez previše problema jer su male i lagane.

Budući stanovnici Marsa mogli bi imati raznolikiji izbor prehrane nego što možete zamisliti. Wamelink mi kaže da sve vrste jestivih biljaka mogu rasti u simulantu marsovskog regolita. Dok se hidroponski sustavi koriste na mjestima kao što je Međunarodna svemirska postaja, gdje se biljke ne uzgajaju u tlu, već suspendirani u hranjivoj otopini, prikladniji su za uzgoj lisnatog povrća nego škrobnog povrća, možete uzgajati praktički bilo što u tlu. Simulant Marsovog regolita korišten je za uzgoj krumpira, zelenog graha, rajčice, mrkve, rotkvice, pšenice, raži i još mnogo toga.

Riješiti se gadosti

Jedna od zabrinutosti oko sigurnosti Marsovog tla je prisutnost opasnih teških metala. "Nije u pitanju samo cink, kojeg trebamo malo, već i kadmij, olovo, živa - sve stvari koje ne želite u svojoj hrani", rekao je Wamelink.

Međutim, to nije nužno tako veliki problem kao što možda mislite. "To se zapravo ne razlikuje od Zemlje", istaknuo je, budući da se teški metali mogu naći i u našem tlu. Pitanje je jesu li ti teški metali vezani na način koji sprječava njihovo otpuštanje u tlo i naknadnu apsorpciju u biljkama.

Dobra vijest je da je nakon analize povrća uzgojenog u simulatoru utvrđeno da je sigurno za jelo. Teški metali bili su ispod opasnih razina u svoj hrani, au nekim slučajevima razine su bile čak niže u regolitu uzgojenom povrća nego u povrću uzgojenom u običnom tlu za posude, možda zbog zagađivača poput ispušnih plinova automobila koji zagađuju tlo ovdje na zemlji.

Također postoji zabrinutost oko toga koliko je kiselo tlo na Mjesecu i Marsu, što bi moglo ograničiti sposobnost biljaka da pristupe još jednoj bitnoj molekuli, fosfatu. Novo područje istraživanja koje se razmatra je hoće li dodavanje određene vrste gljiva regolitu mogao riješiti ovo pitanje.

"Sa sobom na Mars možemo ponijeti gljive koje mogu rasti u stijenama i otpuštati fosfate", predložio je Wamelink kao budući put za istraživanje. "Oni žive u simbiozi s korijenjem biljaka."

Problem perklorata

Možda je najveća prepreka sigurnom uzgoju hrane na Marsu problem perklorata, kemikalija pronađenih u regolitu koje su otrovne i za ljude i za biljke. Oni su toliko opasni da nisu uključeni u uzorke simulanta iz zdravstvenih razloga.

Nedavna istraživanja je sugerirao da bi prisutnost ovih perklorata u regolitu mogla biti veći problem nego što se prije mislilo. Kad su istraživači uzeli simulant regolita i dodali kalcijev perklorat u količinama sličnim onima pronađenim na Marsu, biljke nisu mogle rasti u njemu čak ni kad su dodane dodatne hranjive tvari.

To ipak ne znači da moramo odustati od sna o hrani uzgojenoj na Marsu. Andrew Palmer s Floridskog instituta za tehnologiju, viši autor studije, rekao je za Digital Trends u e-poruci da je prisutnost perklorata na Marsu izazov za hranu proizvodnje, "to nije kršenje dogovora". Trebalo bi biti moguće uvesti mikroorganizme ili specifične biljke u ekosustav za čišćenje toksina iz regolita u procesu tzv. bioremedijacija. “Takvi pomagači uobičajeni su igrači u našim ekosustavima na Zemlji. Nema razloga da zanemarimo njihov potencijal da doprinesu ekosustavu koji dizajniramo za naše marsovske koloniste,” rekao je.

Još jedan istraživač uključen u studije o održivost regolita za uzgoj usjeva, Laura Fackrell sa Sveučilišta u Georgiji, složila se da su perklorati izazov, ali ne i nepremostiv. Predložila je da se perklorati mogu očistiti iz regolita pomoću bakterija, jer postoji više vrsta bakterija koje mogu konzumirati ili razgraditi perklorate, od kojih se neke koriste za čišćenje kontaminirane vode ovdje na Zemlji. Ali i tu postoje izazovi. Ova reakcija proizvodi i kisik i klorid - i iako klorid nije toksičan i može biti koristan za rast biljaka, previše ga može oštetiti ili čak ubiti biljke. Potrebno nam je više istraživanja kako bismo znali kakvi bi bili njegovi učinci na biljni svijet. "Nemamo dovoljno podataka da kažemo bi li količina klorida proizvedenog ovim procesom bila prevelika za biljke, ali vjerojatno jest", rekla je.

Drugo potencijalno rješenje bilo bi doslovno ispiranje perklorata iz regolita. Perklorati su vrsta soli i topljivi su u vodi, pa bi ih ispiranje regolita uklonilo. "Međutim, ovo također može ukloniti druge hranjive tvari poput nitrata", upozorio je Fackrell. Da ne spominjemo probleme s korištenjem dragocjene vode u tu svrhu.

Ipak, prisutnost perklorata nije nužno loša vijest. Fackrell je istaknuo da bi bakterije koje konzumiraju perklorate za čišćenje tla proizvele korisne nusprodukte kisika, koji bi mogao biti dio održivog sustava za zadovoljavanje potreba astronauta: „Perklorati predstavljaju vrlo stvarnu izazov; međutim, oni također predstavljaju priliku da budu pretvoreni u izvor kisika.”

Postavljanje sustava

Pomaže razmišljati o postavljanju poljoprivrede na Marsu kao dugoročnoj igri. Cilj nije samo uzgoj jednog prinosa usjeva, već uspostavljanje održivog sustava.

Prva berba je najteža. Nakon što se to učini i bakterije se uspostave, sva biljna tvar preostala od prethodnih žetvi može se dodati natrag u tlo, što dodaje hranjive tvari i pomaže u zadržavanju vode. Tako će s vremenom tlo postati plodnije i pogodnije za biljke.

To znači da postoji snažan poticaj za početak pokušaja uzgoja biljaka čim ljudi stignu na Mars na bilo koje vrijeme. “Mislim da morate početi od prve ekspedicije da biste počeli uzgajati vlastitu hranu. U protivnom to najvjerojatnije neće biti moguće učiniti", rekao je Wamelink. Rane ekspedicije sigurno bi donijele i vlastitu hranu, u slučaju da bude problema s rastom usjeva. Ali mogli su započeti proces stvaranja tla upotrebljivim.

Također je moguće sačuvati obrađeno tlo između misija sve dok ima zraka, svjetla i topline. Možete sijati određene kulture poput nejestivih vrsta kupusa, koje možete ostaviti da gnoje tlo dok ste odsutni. Ovo je isti princip koji farmeri koriste u Wamelinkovoj domovini Nizozemskoj kako bi poboljšali svoje tlo tijekom zime.

Još jedno razmatranje je kako se nosite s oprašivanjem biljaka, kako za izdašniju žetvu tako i za stvaranje sjemena za buduće usjeve. Mnoge vrste biljaka koriste vjetar za prijenos peluda. Ali to znači da biste trebali postaviti protok zraka u staništu na Marsu, što ne bi bilo lako. No postoji još jedna mogućnost, a to je korištenje pčela.

Pčele su izvrsni oprašivači i mogle bi se dovesti sa Zemlje da žive u Marsovom staništu. Matice bumbara potencijalno bi mogle biti stavljene u stanje hibernacije za svemirsko putovanje, a zatim puštene da se rasprostire polen.

Muhe su još jedna opcija, a imaju još jednu prednost: ličinke muha mogu biti jestive i gadljive koliko i mnogi ljudi možda o njihovom konzumiranju, mogli bi pružiti važan izvor proteina za inače vegetarijance ili vegane dijeta.

Sve što nam treba

Unatoč brojnim složenostima uzgoja hrane na Marsu, to je teoretski moguće. Mnogo je detalja koje tek treba razraditi, ali u načelu bismo tamo mogli uzgajati usjeve sve dok astronauti sa sobom donesu prave materijale. "Imam popis za kupovinu!" Wamelink se našalio.

Jedino ograničenje koje je naglasio bilo je da su svi ovi eksperimenti temeljeni na trenutno dostupnom simulantu Marsa, tako da su rezultati točni onoliko koliko je točan simulant. Pitanje perklorata i načina na koji oni mogu utjecati i na biljke i na ljude je otvoreno, a buduće misije poput njega Mars Sample Return trebao bi nam pomoći da postanemo sigurniji što točno možemo očekivati ​​od Marsa okoliš.

Neće biti lako, ali astronauti bi jednog dana mogli uživati ​​u svježem povrću uzgojenom na Marsu kao svakodnevnom dijelu svoje prehrane. "Morate učiniti mnogo stvari da biste to pokrenuli", upozorio je Wamelink, "ali sada znamo kako to učiniti."

Ovaj je članak dio Život na Marsu – serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars

Preporuke urednika

• Kozmološko putovanje na posao: Zamršena logistika slanja ljudi na Mars
• Usavršavanje pogona: Kako ćemo odvesti ljude na Mars
• Dvorci od pijeska: Kako ćemo napraviti staništa s Marsovim tlom
• Umjetne atmosfere: Kako ćemo izgraditi bazu sa zrakom koji se može disati na Marsu
• Žetva hidratacije: Kako će budući doseljenici stvarati i skupljati vodu na Marsu