Asztromezőgazdaság: Hogyan termesztünk élelmiszert a Marson

Ha valaha is reméljük, hogy embereket küldhetünk él a Marson hosszabb ideig melegen, biztonságban és jól táplált állapotban kell tartanunk őket. Ez utóbbi követelmény kihívást jelent egy olyan küldetésnél, amely csak korlátozott mennyiségű készletet képes szállítani. Még ha a babkonzerv nem is lenne olyan nehéz, senki sem akar megélni belőle egy éves küldetésért.

A Mars jövőjéhez frissen termesztett gyümölcsök, zöldségek és gabonák szükségesek. De hogyan lehet gazdálkodni egy olyan mérgező, halálos bolygón, mint a Marson? Hogy választ kapjunk, három Mars-kutatóval beszélgettünk az ökológia, a geológia és a biokémia területéről.

Ez a cikk része Élet a Marson – egy 10 részes sorozat, amely azt a legmodernebb tudományt és technológiát tárja fel, amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy elfoglalják a Marsot

Az alapvető lényeges dolgok

A növények szívós dolgok, de vannak alapvető követelményeik. Ahhoz, hogy jól növekedjenek, melegre, ésszerű légköri nyomásra és káros sugárzás elleni védelemre van szükségük. Ezeket a dolgokat nehéz lenne biztosítani a Marson, kivéve azt a tényt, hogy az embereknek is mindegyikre szükségük van.

A legegyszerűbb megoldás az lenne, ha bármilyen élőhelyet építesz űrhajósok elszállásolására a Marson, azt is építsd az összes termény elhelyezésére. Adjon hozzá néhány egyszerű LED-lámpát, és az űrhajósok könnyen kezelhetik a növényeiket, ahogy nőnek. Fények hozzáadásával ellensúlyozni kell a Mars kisebb gravitációjának minden hatását, mivel a növények még nulla gravitáció esetén is természetes módon távolítják el a gyökereiket a fényforrásoktól. A zárt környezet még azzal az előnnyel is rendelkezik, hogy szabályozhatja a hőmérsékletet és a páratartalmat.

Wieger Wamelink, a Wageningeni Egyetem növénynemesítő és ökológusa, a Hold és a Mars mezőgazdaságának egyik vezető kutatója, azt mondta a Digital Trendsnek, hogy a növények űrben történő termesztése valójában nagyon hasonlít a városi mezőgazdasághoz, az élelmiszerek hatékony termesztését célzó mozgalomhoz a városokban. beállítások. Ezt gyakran úgy érik el, hogy steril környezetet alakítanak ki beltéri LED-lámpákkal. Elvileg azt mondta, „ezt megteheti a Marson, vagy a sivatagban, ha akarja, vagy egy városban”.

Életművelés holt talajban

A legnagyobb akadályt a Marson termeszteni azonban valami egyszerűnek tűnő dolog hiánya jelenti: a jó öreg szennyeződés. A Föld talaja tele van élő szervezetekkel, valamint bizonyos ásványi anyagokkal, például foszforral és káliummal, amelyeket a növények felhasználnak. A Marson nincs talaj, hanem egy halott, poros anyag, az úgynevezett regolit borítja a felszínét.

Nem tudjuk pontosan, miből áll ez a regolit, és a régiónként eltérő összetételű lehet. De van hozzávetőleges elképzelésünk arról, hogy mi van benne, ami lehetővé tette a NASA számára egy regolit-szimuláns kifejlesztését. Ez lényegében a Marsi talaj újjáteremtése a bolygó felszínéről szóló jelenlegi ismereteink alapján.

Ez azt jelenti, hogy kísérletezhet a marsi „talajjal” itt a Földön. Bár a modellanyag nem olcsó, de az megvásárolható kutatási célokra. Körülbelül egy évtizeddel ezelőtt Wamelink azon töprengett, hogy a modellanyag használható-e növények termesztésére, és megvizsgálta a témát. – Amit megtudtam – mondta –, nagy meglepetésemre azt kell mondanom, hogy ezt még soha senki nem próbálta.

Így hát elkezdte magvak elültetése a Mars, a Hold és a Föld talajába hogy összehasonlítsák növekedésüket. Első kísérleteiben Wamelink arra számított, hogy a növények megküzdenek a Mars-szimulánsban. „Ez egy nagyon tápanyagszegény talaj” – magyarázta. Nincs benne szerves anyag, nehézfémeket tartalmaz, amelyek megakadályozhatják a növények csírázását. „Nagyon alacsonyak voltak az elvárásaim” – mondta.

Csapata 14 különböző faj 4200 magját ültette el, és arra számított, hogy a legtöbb el fog pusztulni. Az eredmények azonban nagyon eltértek attól, amit a kutatók jósoltak. Szinte az összes mag kicsírázott – néhányuk 24 órán belül. Ez valójában problémákat okozott, mondta Wamelink nevetve, mert a csapatnak hirtelen egy hatalmas, több mint 4000 növényből álló termést kellett ápolnia.

A növények alapos öntözést igényeltek, mert a regolit hidrofób, vagyis nem szív fel sok nedvességet. A jövőbeli marsi gazdáknak tehát szükségük lesz sok vizet hogy terméseik növekedjenek.

És bár a növények a Mars regolit-szimulánsában nőttek, csak néhány centiméter magasak voltak, és nem produkáltak semmi ehetőt. Ahhoz, hogy a növények teljes méretűre növekedjenek és zöldségeket termeljenek, tápanyagokat kell hozzáadnia.

A talaj trágyázása

A Mars talajából hiányzó kulcsfontosságú összetevő a növények tekintetében a szerves anyagok. A szerves anyagok különösen fontos tápanyagforrások, amikor a baktériumok lebontják, ami azt jelenti, hogy a jövőbeni növekedési régiókban is baktériumokat kell hozzáadnunk.

Szerencsére az emberek, mint a mikrobák sétáló kolóniái, tele vannak baktériumokkal. Tehát, bár ez egy meglehetősen kellemetlen fogalom, van módunk arra, hogy megszerezzük őket. A leghatékonyabb módszer az lenne, ha az űrhajósok vizeletet és székletét megőriznék a hónapokig tartó Mars-útjukon, majd hozzáadnák a regolithoz a baktériumok tenyésztése céljából. Ha láttad a filmet A marslakó, ahol Mark Watney elveszett űrhajós burgonyát termeszt a Mars talajában saját és legénységei szennyvízével együtt, ez ugyanaz a koncepció. Ahhoz azonban, hogy mindenki egészséges maradjon, lépéseket kell tennie minden olyan kórokozó elpusztítására, amely az emberi hulladékon keresztül terjedhet.

A férgek betelepítésével segíthetnéd a szerves anyagok megemésztését és a talajba való újrahasznosítását. A földigiliszták még a Marson is a kertész legjobb barátjai, mivel megemésztik a szerves anyagokat és termelnek műtrágya, valamint ásó alagutak, amelyek fontos levegőztetést és vízvisszatartást biztosítanak a növény számára gyökerei növekedni. „Úgy gondolom, ezek elengedhetetlenek egy jó rendszerhez” – mondta Wamelink. Ráadásul a féregpeték hosszú ideig tárolhatók, így potenciálisan a Marsra szállíthatók.

Miután a Mars-regolitot tápanyagokkal, szerves anyagokkal, baktériumokkal és férgekkel dúsította, elkezdheti a magvak elültetését. A magvakat minden gond nélkül el lehet vinni a Földről, mivel kicsik és könnyűek.

A jövőbeli Mars-lakóknak változatosabb étrendjük lehet, mint gondolná. Wamelink azt mondja, hogy mindenféle ehető növény nőhet a marsi regolit-szimulánsban. Tehát míg a hidroponikus rendszerek olyan helyeken használatosak, mint a Nemzetközi Űrállomás, ahol a növényeket nem talajban, hanem tápoldatban szuszpendálva jobban alkalmasak leveles zöldségek termesztésére, mint keményítőtartalmú zöldségek, gyakorlatilag termeszthető bármi a talajban. A Mars regolit modellanyagát burgonya, zöldbab, paradicsom, sárgarépa, retek, búza, rozs és egyebek termesztésére használták.

Megszabadulni a csúnyáktól

A Mars talajának biztonságával kapcsolatos egyik aggály a veszélyes nehézfémek jelenléte. „Nemcsak cinkre van szükségünk, hanem kadmiumra, ólomra és higanyra is – minden olyan dologra, amit nem szeretne az ételben” – mondta Wamelink.

Ez azonban nem feltétlenül olyan nagy probléma, mint gondolnád. "Ez nem igazán különbözik a Földtől" - mutatott rá, mivel nehézfémek a mi talajunkban is megtalálhatók. A kérdés az, hogy ezek a nehézfémek megkötődnek-e oly módon, hogy megakadályozzák, hogy a talajba kerüljenek, majd a növények felszívják őket.

A jó hír az, hogy amikor a modellanyagban termesztett zöldségeket elemezték, azt találták, hogy biztonságosan fogyaszthatók. A nehézfémek minden élelmiszerben a veszélyes szint alatt voltak, és néhány esetben még ennél is alacsonyabbak voltak a regolitban termesztett élelmiszerekben. zöldségeket, mint a normál virágföldben termesztett zöldségeknél, talán azért, mert olyan szennyező anyagok, mint az autó kipufogógázai szennyezik itt a talajt a földön.

Aggodalomra ad okot az is, hogy mennyire savas a talaj a Holdon és a Marson, ami korlátozhatja a növények azon képességét, hogy hozzáférjenek egy másik lényeges molekulához, a foszfáthoz. Új kutatási területként vizsgálják, hogy hozzá kell-e adni bizonyos típusú gombák a regolith megoldhatná ezt a kérdést.

„Vigyünk magunkkal olyan gombákat a Marsra, amelyek valójában sziklákban növekedhetnek, és foszfátokat bocsáthatnak ki” – javasolta Wamelink a jövőbeli kutatási útként. "Szimbiózisban élnek a növények gyökereivel."

A perklorátok problémája

A biztonságos élelmiszertermesztés legnagyobb akadálya a Marson talán a perklorátok, a regolitban található vegyszerek, amelyek mérgezőek az emberekre és a növényekre egyaránt. Ezek annyira veszélyesek, hogy egészségügyi okokból nem szerepelnek a modellanyag-mintákban.

A legújabb kutatások felvetette, hogy ezeknek a perklorátoknak a jelenléte a regolitban nagyobb problémát jelenthet, mint azt korábban gondolták. Amikor a kutatók regolit-szimulánst vettek, és a Marson találthoz hasonló mennyiségben kalcium-perklorátot adtak hozzá, a növények még akkor sem tudtak növekedni benne, ha extra tápanyagot adtak hozzá.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy fel kell adnunk a Marson termesztett élelmiszerek álmát. Andrew Palmer, a Floridai Technológiai Intézet munkatársa, a tanulmány vezető szerzője egy e-mailben elmondta a Digital Trendsnek, hogy bár a perklorátok jelenléte a Marson kihívást jelent az élelmiszer számára. produkció, „ez nem egy üzlet megszakítója”. Lehetővé kell tenni mikroorganizmusok vagy meghatározott növények bejuttatását az ökoszisztémába, hogy a regolitból megtisztítsák a méreganyagokat az ún. bioremediáció. „Az ilyen segítők gyakori szereplői a földi ökoszisztémáknak. Semmi okunk nincs figyelmen kívül hagynunk azt a lehetőséget, hogy hozzájáruljanak ahhoz az ökoszisztémához, amelyet marsi telepeseink számára tervezünk” – mondta.

Egy másik kutató, aki részt vett a a regolith életképessége a növények termesztéséreLaura Fackrell, a Georgiai Egyetem munkatársa egyetértett abban, hogy a perklorátok kihívást jelentenek, de nem leküzdhetetlen. Azt javasolta, hogy a perklorátokat baktériumok segítségével meg lehet tisztítani a regolitból, mivel számos baktériumfaj képes elfogyasztani vagy lebontani a perklorátokat, amelyek közül néhányat a szennyezett víz tisztítása itt a Földön. De itt is vannak kihívások. Ez a reakció oxigént és kloridot is termel – és bár a klorid nem mérgező, és jótékony hatással lehet a növények növekedésére, túl sok belőle károsíthatja vagy akár el is pusztulhatja a növényeket. További kutatásokra van szükségünk, hogy megtudjuk, milyen hatásai lehetnek a növények életére. "Nincs elegendő adatunk ahhoz, hogy megmondjuk, hogy az ezzel a folyamattal előállított klorid mennyisége túl sok lenne-e a növények számára, de valószínű, hogy az lesz" - mondta.

Egy másik lehetséges megoldás a perklorátok szó szerinti kimosása a regolitból. A perklorátok egyfajta só, és vízben oldódnak, így a regolit öblítése eltávolítaná őket. „Ez azonban más tápanyagokat is eltávolíthat, például a nitrátokat” – figyelmeztetett Fackrell. Nem is beszélve az értékes víz ilyen célú felhasználásával kapcsolatos problémákról.

A perklorátok jelenléte azonban nem feltétlenül rossz hír. Fackrell rámutatott arra, hogy ha a baktériumok perklorátot fogyasztanak a talaj tisztítására, az hasznos mellékterméket termel oxigén, amely egy fenntartható rendszer része lehet az űrhajósok igényeinek kielégítésére: „A perklorátok nagyon is valóságos kihívás; ugyanakkor lehetőséget kínálnak arra is, hogy oxigénforrássá váljanak.”

Rendszer felállítása

Segít, ha hosszú távú játékként gondolkodunk a mezőgazdaság felállításáról a Marson. A cél nem csupán egyetlen terméstermesztés, hanem egy fenntartható rendszer felállítása.

Az első betakarítás a legnehezebb. Ha ez megtörtént, és a baktériumok megtelepedtek, az előző betakarításból visszamaradt növényi anyagokat vissza lehet juttatni a talajba, ami tápanyagot ad és segít megtartani a vizet. Így az idő múlásával a talaj termékenyebb lesz, és barátságosabb lesz a növények számára.

Ez azt jelenti, hogy nagy lendület van a növények termesztésére irányuló kísérletek megkezdésére, amint az emberek bármennyi időre megérkeznek a Marsra. „Azt hiszem, az első expedíciótól kell kezdenie, hogy elkezdhesse saját élelmiszertermesztését. Ellenkező esetben ez valószínűleg nem lesz lehetséges” – mondta Wamelink. A korai expedíciók minden bizonnyal saját élelmet is hoztak, ha gondok adódnának a termésnövekedéssel. De elkezdhetik a talaj használhatóvá tételének folyamatát.

A megművelt talajt a küldetések között is meg lehet őrizni, amíg van benne levegő, fény és meleg. Vethet bizonyos növényeket, például a nem ehető káposztát, amelyet hagyhat a talaj trágyázására, amíg távol van. Ugyanezt az elvet alkalmazzák a gazdák a Wamelink hazájában, Hollandiában, hogy télen javítsák talajukat.

Egy másik szempont az, hogy hogyan kezelje a növények beporzását, mind a bőkezűbb betakarítás érdekében, mind a jövőbeli növények magjainak létrehozása érdekében. Sok növényfaj használja a szelet a pollen szállítására. De ez azt jelenti, hogy légáramlást kell beállítani egy Mars élőhelyén, ami nem lenne egyszerű. Van azonban egy másik lehetőség is, a méhek használata.

A méhek kiváló beporzók, és a Földről is elhozhatják őket egy marsi élőhelyre. A darázskirálynőket potenciálisan hibernációba helyezhetik egy űrutazás céljából, majd elengedhetik, hogy a virágpor körül elterjedjenek.

A legyek egy másik lehetőség, és van még egy előnyük: a légylárvák ehetők, és ugyanolyan nyűgösek, mint sok ember Lehet, hogy az étkezésükről szól, fontos fehérjeforrást jelenthetnek egy egyébként vegetáriánus vagy vegán számára diéta.

Minden, amire szükségünk van

Annak ellenére, hogy a Marson az élelmiszertermesztés sok bonyolultsága ellenére, elméletileg lehetséges. Sok részletet még ki kell dolgozni, de alapvetően mindaddig termeszthetünk ott növényeket, amíg az űrhajósok hozzák magukkal a megfelelő anyagokat. "Van egy bevásárló listám!" Wamelink viccelődött.

Az egyetlen korlátot hangsúlyozta, hogy mindezen kísérletek a jelenleg elérhető Mars-szimulánson alapultak, így az eredmények csak annyira pontosak, mint a szimuláns. A perklorátok kérdése és a növényekre és az emberekre gyakorolt ​​hatásuk nyitott kérdés, és a jövőbeli küldetésekhez hasonlók a Mars-minta-visszatérés segíteni fog nekünk abban, hogy biztosabbak lehessünk abban, hogy pontosan mit is várhatunk a Marstól környezet.

Nem lesz könnyű, de az űrhajósok egy nap élvezhetik a friss, Marson termesztett zöldségeket étrendjük mindennapi részeként. „Sok mindent meg kell tennie, hogy elinduljon” – figyelmeztetett Wamelink –, de most már tudjuk, hogyan kell csinálni.

Ez a cikk része Élet a Marson – egy 10 részes sorozat, amely azt a legmodernebb tudományt és technológiát tárja fel, amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy elfoglalják a Marsot

Szerkesztői ajánlások

• Kozmológiai ingázás: Az emberek Marsra helyezésének trükkös logisztikája
• A meghajtás tökéletesítése: Hogyan juttatjuk el az embereket a Marsra
• Homokból készült kastélyok: Hogyan készítsünk élőhelyeket marsi talajból
• Mesterséges légkör: Hogyan építsünk bázist lélegző levegővel a Marson
• Hidratáció begyűjtése: Hogyan teremtenek és gyűjtenek vizet a leendő telepesek a Marson