Astroagricoltura: come coltiveremo il cibo su Marte

Se mai speriamo di mandare gente a vivere su Marte per un lungo periodo di tempo, dovremo tenerli al caldo, al sicuro e ben nutriti. Quest’ultimo requisito rappresenta una sfida per una missione che può trasportare solo una quantità limitata di rifornimenti. Anche se i fagioli in scatola non fossero così pesanti, nessuno vorrebbe sopravvivere con loro per una missione di un anno.

Il futuro dell'abitazione su Marte richiede frutta, verdura e cereali appena coltivati. Ma come si coltiva su un pianeta velenoso e mortale come Marte? Per avere una risposta, abbiamo parlato con tre ricercatori su Marte provenienti dai campi dell’ecologia, della geologia e della biochimica.

Questo articolo fa parte di Vita su Marte – una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all’avanguardia che permetteranno agli esseri umani di occupare Marte

Gli elementi essenziali di base

Le piante sono cose resistenti, ma hanno alcuni requisiti essenziali. Per crescere bene hanno bisogno di calore, di una pressione atmosferica ragionevole e di protezione dalle radiazioni nocive. Sarebbe una sfida fornire queste cose su Marte, tranne per il fatto che anche gli esseri umani ne hanno bisogno.

La soluzione più semplice sarebbe che qualunque sia l’habitat che costruisci per ospitare gli astronauti su Marte, costruisci anche per ospitare tutti i raccolti. Aggiungi alcune semplici luci a LED e gli astronauti potranno facilmente prendersi cura delle loro piante mentre crescono. L’aggiunta di luci dovrebbe contrastare qualsiasi effetto della minore gravità di Marte poiché, anche a gravità zero, le piante sviluppano naturalmente le radici lontano dalle fonti di luce. L'ambiente sigillato ha anche il vantaggio di poter controllare condizioni come temperatura e umidità.

Wieger Wamelink, coltivatore di piante ed ecologo dell'Università di Wageningen e uno dei principali ricercatori sull'agricoltura sulla Luna e su Marte, ha detto a Digital Trends che la coltivazione di piante nello spazio è in realtà molto paragonabile all’agricoltura cittadina, il movimento per coltivare il cibo in modo efficiente nelle aree urbane impostazioni. Spesso ciò si ottiene allestendo ambienti sterili in habitat interni con luci a LED. In linea di principio, ha detto, “è qualcosa che puoi fare su Marte, o nel deserto se vuoi, o in una città”.

Coltivare la vita in un terreno morto

Il più grande ostacolo alla coltivazione di raccolti su Marte, però, è la mancanza di qualcosa di apparentemente semplice: la buona terra vecchio stile. Il suolo della Terra è ricco di organismi viventi e di alcuni minerali, come il fosforo e il potassio, utilizzati dalle piante. Marte non ha suolo, ma ha un materiale morto e polveroso chiamato regolite che ricopre la sua superficie.

Non conosciamo i dettagli esatti di cosa sia composta questa regolite e potrebbe avere composizioni diverse in diverse regioni. Ma abbiamo un’idea approssimativa di cosa contenga, il che ha permesso alla NASA di sviluppare un simulante della regolite. Si tratta essenzialmente di una ricostruzione del suolo marziano basata sulla nostra attuale conoscenza della superficie del pianeta.

Ciò significa che puoi sperimentare il “suolo” marziano qui sulla Terra. Anche se il simulante non è economico, lo è disponibile per l'acquisto per scopi di ricerca. Circa dieci anni fa, Wamelink si chiese se il simulante potesse essere utilizzato per coltivare i raccolti e studiò l’argomento. "Quello che ho scoperto", ha detto, "devo dire con mia grande sorpresa, è che nessuno ci ha mai provato."

Così ha iniziato piantare semi nel suolo di Marte, della Luna e della Terra per confrontare la loro crescita. Nei suoi primi esperimenti, Wamelink si aspettava che le piante avrebbero avuto difficoltà nel simulante di Marte. “È un terreno molto povero di nutrienti”, ha spiegato. Non contiene materia organica e contiene metalli pesanti che potrebbero impedire la germinazione delle piante. "Le mie aspettative erano molto basse", ha detto.

La sua squadra ha piantato 4.200 semi di 14 specie diverse, aspettandosi che la maggior parte di loro morisse. Ma i risultati sono stati molto diversi da quanto previsto dai ricercatori. Quasi tutti i semi sono germogliati, alcuni entro 24 ore. Ciò in realtà ha causato problemi, ha detto Wamelink ridendo, perché all'improvviso la squadra ha dovuto occuparsi di un enorme raccolto di oltre 4.000 piante.

Le piante richiedevano un’irrigazione molto attenta perché la regolite è idrofobica, il che significa che non assorbe molta umidità. Quindi i futuri agricoltori marziani avranno bisogno pieno d'acqua per far crescere i loro raccolti.

E anche se le piante crescevano nel simulante della regolite di Marte, raggiungevano solo pochi centimetri di altezza e non producevano nulla di commestibile. Per far crescere le piante a grandezza naturale e produrre verdure, è necessario aggiungere sostanze nutritive.

Fertilizzare il terreno

Una componente chiave che manca al suolo di Marte per quanto riguarda le piante è la materia organica. La materia organica è una fonte particolarmente importante di nutrienti quando viene scomposta dai batteri, il che significa che dovremo aggiungere batteri anche alle future regioni di coltivazione.

Fortunatamente, in quanto colonie di microbi ambulanti, gli esseri umani sono irti di batteri. Quindi, anche se è un concetto piuttosto spiacevole, abbiamo un modo per acquisirli. Il metodo più efficiente sarebbe quello di preservare l’urina e le feci prodotte dagli astronauti durante il loro viaggio su Marte, durato mesi, per poi aggiungerle alla regolite per coltivare i batteri. Se hai visto il film Il marziano, dove l'astronauta perduto Mark Watney coltiva patate nel suolo di Marte con i liquami suoi e dei suoi compagni di equipaggio, è lo stesso concetto. Tuttavia, per mantenere tutti in salute, sarebbe necessario adottare misure per eliminare eventuali agenti patogeni che potrebbero essere trasmessi attraverso i rifiuti umani.

Potresti aiutare nel processo di digestione della materia organica e riciclarla nel terreno introducendo i vermi. Anche su Marte, i lombrichi sono i migliori amici del giardiniere, poiché digeriscono la materia organica e producono fertilizzante insieme allo scavo di tunnel che forniscono un'importante aerazione e ritenzione idrica alla pianta radici per crescere. "Penso che siano essenziali per un buon sistema", ha detto Wamelink. Inoltre, le uova dei vermi possono essere conservate per lungo tempo, rendendole potenzialmente trasportabili su Marte.

Una volta che la tua regolite di Marte si sarà arricchita di sostanze nutritive, materia organica, batteri e vermi, puoi iniziare a piantare semi. I semi possono essere portati dalla Terra senza troppi problemi perché sono piccoli e leggeri.

I futuri abitanti di Marte potrebbero avere una scelta di dieta più varia di quanto immagini. Wamelink mi dice che tutti i tipi di piante commestibili possono crescere nel simulante della regolite marziana. Così come i sistemi idroponici utilizzati in luoghi come la Stazione Spaziale Internazionale, dove le piante non vengono coltivate nel terreno ma sospesi in una soluzione nutritiva, sono più adatti alla coltivazione delle verdure a foglia rispetto alle verdure amidacee, puoi coltivarle praticamente qualsiasi cosa nel suolo. Il simulante della regolite di Marte è stato utilizzato per coltivare patate, fagiolini, pomodori, carote, ravanelli, grano, segale e altro ancora.

Sbarazzarsi dei cattivi

Una delle preoccupazioni sulla sicurezza del suolo di Marte è la presenza di metalli pesanti pericolosi. “Non è solo lo zinco, di cui abbiamo bisogno in piccola quantità, ma anche il cadmio, il piombo, il mercurio, tutte cose che non vuoi nel tuo cibo”, ha detto Wamelink.

Tuttavia, questo non è necessariamente un problema così grande come potresti pensare. “Non è molto diverso dalla Terra”, ha sottolineato, poiché i metalli pesanti si possono trovare anche nel nostro suolo. La questione è se questi metalli pesanti siano legati in modo tale da impedire loro di essere rilasciati nel terreno e successivamente assorbiti dalle piante.

La buona notizia è che quando sono state analizzate le verdure coltivate nel simulante, si è scoperto che erano sicure da mangiare. I metalli pesanti erano al di sotto dei livelli pericolosi in tutti gli alimenti, e in alcuni casi i livelli erano ancora più bassi negli alimenti coltivati ​​con regolite. verdure che nelle verdure coltivate in terriccio normale, forse a causa di sostanze inquinanti come i gas di scarico delle auto che contaminano il terreno qui sulla terra.

C’è anche preoccupazione su quanto sia acido il suolo sulla Luna e su Marte, il che potrebbe limitare la capacità delle piante di accedere a un’altra molecola essenziale, il fosfato. Una nuova area di ricerca presa in considerazione è se l'aggiunta alcuni tipi di funghi alla regolite potrebbe risolvere questo problema.

"Possiamo portare con noi su Marte funghi che possono crescere nelle rocce e rilasciare fosfati", ha suggerito Wamelink come futura strada per l'esplorazione. “Vivono in simbiosi con le radici delle piante.”

Il problema dei perclorati

Forse il più grande ostacolo alla coltivazione sicura del cibo su Marte è il problema dei perclorati, sostanze chimiche presenti nella regolite che sono tossiche sia per gli esseri umani che per le piante. Questi sono così pericolosi che non sono inclusi nei campioni simulanti per motivi di salute.

Ricerca recente ha suggerito che la presenza di questi perclorati nella regolite potrebbe rappresentare un problema più grave di quanto si pensasse in precedenza. Quando i ricercatori hanno preso il simulante della regolite e hanno aggiunto perclorato di calcio in quantità simili a quelle trovate su Marte, le piante non sono state in grado di crescere al suo interno anche quando venivano aggiunti nutrienti extra.

Ciò non significa però che dobbiamo rinunciare al sogno di produrre cibo su Marte. Andrew Palmer del Florida Institute of Technology, autore senior dello studio, ha dichiarato in una e-mail a Digital Trends che, sebbene la presenza di perclorati su Marte sia una sfida per il cibo produzione, “non è un problema”. Dovrebbe essere possibile introdurre microrganismi o piante specifiche nell’ecosistema per pulire le tossine dalla regolite in un processo chiamato biorimedio. “Tali aiutanti sono attori comuni nei nostri ecosistemi sulla Terra. Non c’è motivo per cui dovremmo ignorare il loro potenziale nel contribuire all’ecosistema che stiamo progettando per i nostri coloni marziani”, ha affermato.

Un altro ricercatore coinvolto negli studi sul vitalità della regolite per la coltivazione delle colture, Laura Fackrell dell'Università della Georgia, concorda sul fatto che i perclorati rappresentano una sfida ma non insormontabile. Ha suggerito che i perclorati potrebbero essere puliti dalla regolite utilizzando batteri, poiché esistono più specie di batteri che possono consumare o degradare i perclorati, alcuni dei quali vengono utilizzati per pulire l’acqua contaminata qui sulla Terra. Ma anche qui ci sono sfide. Questa reazione produce sia ossigeno che cloruro e, sebbene il cloruro non sia tossico e possa essere benefico per la crescita delle piante, una quantità eccessiva può danneggiare o addirittura uccidere le piante. Abbiamo bisogno di ulteriori ricerche per sapere quali sarebbero i suoi effetti sulla vita vegetale. "Non disponiamo di dati sufficienti per dire se la quantità di cloruro prodotta da questo processo sarebbe eccessiva per le piante, ma è probabile che lo sia", ha affermato.

Un’altra potenziale soluzione sarebbe quella di lavare letteralmente via i perclorati dalla regolite. I perclorati sono una specie di sale e sono solubili in acqua, quindi il risciacquo della regolite li rimuoverebbe. “Tuttavia, questo potrebbe rimuovere anche altri nutrienti come i nitrati”, ha avvertito Fackrell. Per non parlare dei problemi legati all’utilizzo della preziosa acqua per questo scopo.

Tuttavia, la presenza di perclorati non è necessariamente una brutta notizia. Fackrell ha sottolineato che se i batteri consumassero perclorati per pulire il terreno si produrrebbe l'utile sottoprodotto di ossigeno, che potrebbe far parte di un sistema sostenibile per soddisfare le esigenze degli astronauti: “I perclorati rappresentano un aspetto molto reale sfida; tuttavia, presentano anche l’opportunità di essere trasformati in una risorsa per l’ossigeno”.

Impostazione di un sistema

È utile pensare alla creazione dell’agricoltura su Marte come a un gioco a lungo termine. L’obiettivo non è solo quello di ottenere un unico raccolto, ma di creare un sistema sostenibile.

Il primo raccolto è il più difficile. Una volta fatto ciò e una volta che i batteri si sono stabiliti, qualsiasi materiale vegetale rimasto dai raccolti precedenti può essere aggiunto nuovamente al terreno, il che aggiunge sostanze nutritive e aiuta a trattenere l’acqua. Quindi col tempo il terreno diventerà più fertile e più ospitale per le piante.

Ciò significa che c’è un forte impulso ad iniziare i tentativi di coltivare piante non appena gli esseri umani arriveranno su Marte per un certo periodo di tempo. “Penso che tu debba iniziare dalla prima spedizione per iniziare a coltivare il tuo cibo. Altrimenti, molto probabilmente non sarà possibile farlo”, ha detto Wamelink. Le prime spedizioni avrebbero sicuramente portato anche il proprio cibo, nel caso ci fossero stati problemi con la crescita del raccolto. Ma potrebbero iniziare il processo per rendere utilizzabile il suolo.

È anche possibile preservare il terreno coltivato tra una missione e l'altra purché abbia aria, luce e calore. Puoi seminare alcune colture, come i tipi di cavolo non commestibili, che possono essere lasciati a fertilizzare il terreno mentre sei via. Questo è lo stesso principio che gli agricoltori utilizzano nei Paesi Bassi, paese natale di Wamelink, per migliorare il terreno durante l’inverno.

Un’altra considerazione è come gestisci l’impollinazione delle piante, sia per un raccolto più generoso che per creare semi per i raccolti futuri. Molte specie di piante sfruttano il vento per trasportare il polline. Ma ciò significa che dovresti impostare un flusso d’aria in un habitat su Marte, il che non sarebbe facile. Esiste però un’altra opzione: utilizzare le api.

Le api sono ottimi impollinatori e potrebbero essere portate dalla Terra per vivere in un habitat marziano. Le regine dei calabroni potrebbero potenzialmente essere messe in ibernazione per un viaggio nello spazio e poi rilasciate per spargere il polline.

Le mosche sono un'altra opzione e hanno un altro vantaggio: le larve di mosca possono essere commestibili e schizzinose come molte persone potrebbe trattarsi di mangiarli, potrebbero fornire un'importante fonte di proteine ​​in una persona altrimenti vegetariana o vegana dieta.

Tutto ciò di cui abbiamo bisogno

Nonostante le molte complessità della coltivazione del cibo su Marte, teoricamente è possibile. Ci sono molti dettagli ancora da definire, ma in linea di principio potremmo essere in grado di coltivare lì i raccolti purché gli astronauti portino con sé i materiali giusti. "Ho una lista della spesa!" Wamelink ha scherzato.

L'unica limitazione che ha sottolineato è che tutti questi esperimenti sono stati basati sul simulante di Marte attualmente disponibile, quindi i risultati sono accurati tanto quanto lo è il simulante. La questione dei perclorati e del modo in cui potrebbero influenzare sia le piante che gli esseri umani è aperta, e lo saranno anche le missioni future il ritorno del campione su Marte dovrebbe aiutarci a diventare più certi esattamente su cosa possiamo aspettarci da Marte ambiente.

Non sarà facile, ma un giorno gli astronauti potrebbero gustare verdure fresche coltivate su Marte come parte quotidiana della loro dieta. “Bisogna fare molte cose per farlo funzionare”, ha avvertito Wamelink, “ma ora sappiamo come farlo”.

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