Astroagrikultūra: kaip mes užauginsime maistą Marse

Jei tikimės kada nors nusiųsti žmones į gyventi Marse ilgą laiką turėsime juos laikyti šiltus, saugius ir gerai pamaitintus. Pastarasis reikalavimas kelia iššūkį misijai, kuri gali gabenti tik ribotą atsargų kiekį. Net jei konservuotos pupelės nebuvo tokios sunkios, niekas nenori iš jų pragyventi metų trukmės misijai.

Marso ateičiai reikalingi švieži vaisiai, daržovės ir grūdai. Bet kaip ūkininkauti tokioje nuodingoje, mirtinoje planetoje kaip Marsas? Norėdami gauti atsakymą, kalbėjomės su trimis Marso tyrinėtojais iš ekologijos, geologijos ir biochemijos sričių.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse – 10 dalių serija, kurioje tyrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą

Pagrindiniai esminiai dalykai

Augalai yra atsparūs dalykai, tačiau jiems keliami keli esminiai reikalavimai. Kad gerai augtų, jiems reikia šilumos, tinkamo atmosferos slėgio ir apsaugos nuo kenksmingos spinduliuotės. Tai būtų iššūkis Marse, išskyrus tai, kad žmonėms taip pat reikia visų.

Paprasčiausias sprendimas būtų, kad bet kurią buveinę, kurią statysite astronautams apgyvendinti Marse, taip pat sukurtumėte ir visiems pasėliams. Pridėkite keletą paprastų LED lempučių ir astronautai galės lengvai prižiūrėti savo augalus jiems augant. Šviesos pridėjimas turėtų neutralizuoti bet kokį mažesnės Marso gravitacijos poveikį, nes net ir esant nulinei gravitacijai augalai natūraliai išauga šaknis toliau nuo šviesos šaltinių. Sandari aplinka netgi turi pranašumą, kad galite valdyti tokias sąlygas kaip temperatūra ir drėgmė.

Wiegeris Wamelinkas, Wageningeno universiteto augalų selekcininkas ir ekologas, vienas iš pirmaujančių Mėnulyje ir Marse žemės ūkio tyrinėtojų, „Digital Trends“ sakė, kad augalų auginimas erdvėje iš tikrųjų labai panašus į miesto žemės ūkį, judėjimą siekiant efektyviai auginti maistą mieste. nustatymus. Dažnai tai pasiekiama sukūrus sterilią aplinką patalpų buveinėse su LED lemputėmis. Iš esmės, jis sakė: „Tai yra kažkas, ką galite padaryti Marse arba dykumoje, jei norite, arba mieste“.

Gyvybės auginimas negyvoje dirvoje

Tačiau didžiausia kliūtis auginti pasėlius Marse yra kažko, atrodytų, paprasto: senamadiško purvo trūkumas. Žemės dirvožemis yra pilnas gyvų organizmų ir tam tikrų mineralų, tokių kaip fosforas ir kalis, kuriuos naudoja augalai. Marse nėra dirvožemio, o jo paviršių dengia negyva dulkėta medžiaga, vadinama regolitu.

Nežinome tikslių detalių, iš ko sudarytas šis regolitas, o skirtinguose regionuose jis gali turėti skirtingas kompozicijas. Tačiau mes turime apytikslį supratimą apie tai, kas jame yra, ir tai leido NASA sukurti regolito modelinį tirpalą. Tai iš esmės yra Marso dirvožemio atkūrimas, pagrįstas mūsų dabartinėmis žiniomis apie planetos paviršių.

Tai reiškia, kad galite eksperimentuoti su Marso „dirvožemiu“ čia, Žemėje. Nors modelinis tirpalas nėra pigus, jis yra galima įsigyti mokslinių tyrimų tikslais. Maždaug prieš dešimtmetį Wamelink susimąstė, ar modelinį tirpalą būtų galima naudoti augalams auginti, ir pažvelgė į šią temą. „Tai, ką aš sužinojau, – sakė jis, – savo nuostabai turiu pasakyti, kad niekas to niekada nebandė.

Taigi jis pradėjo sėti sėklas Marso, mėnulio ir žemės dirvoje palyginti jų augimą. Pirmuosiuose eksperimentuose Wamelink tikėjosi, kad augalai kovos su Marso modeliniu tirpalu. „Tai labai menkas maistinių medžiagų dirvožemis“, – paaiškino jis. Jame nėra organinių medžiagų, jame yra sunkiųjų metalų, kurie gali neleisti augalams dygti. „Mano lūkesčiai buvo labai menki“, – sakė jis.

Jo komanda pasodino 4200 14 skirtingų rūšių sėklų, tikėdamiesi, kad dauguma jų mirs. Tačiau rezultatai labai skyrėsi nuo to, ką prognozavo mokslininkai. Beveik visos sėklos sudygo – kai kurios per 24 valandas. Tai iš tikrųjų sukėlė problemų, juokdamasi sakė Wamelink, nes komandai staiga teko prižiūrėti didžiulį daugiau nei 4000 augalų derlių.

Augalus reikėjo daug kruopštaus laistymo, nes regolitas yra hidrofobinis, tai reiškia, kad jis nesugeria daug drėgmės. Taigi būsimiems Marso ūkininkams reikės daug vandens kad jų derliai augtų.

Ir nors augalai augo Marso regolito modeliniame tirpale, jie siekė vos kelių centimetrų aukščio ir nedavė nieko valgomo. Kad augalai išaugtų iki pilno dydžio ir užaugintų daržoves, reikia pridėti maistinių medžiagų.

Dirvožemio tręšimas

Pagrindinis komponentas, kurio Marso dirvožemiui trūksta augalams, yra organinė medžiaga. Organinės medžiagos yra ypač svarbus maistinių medžiagų šaltinis, kai jas suskaido bakterijos, o tai reiškia, kad bakterijų turėsime įtraukti ir į būsimus auginimo regionus.

Laimei, žmonės, kaip vaikščiojančios mikrobų kolonijos, yra kupini bakterijų. Taigi, nors tai gana nemaloni sąvoka, mes turime būdą, kaip juos įsigyti. Veiksmingiausias būdas būtų išsaugoti šlapimą ir išmatas, kuriuos astronautai pagamino per mėnesį trukusią kelionę į Marsą, tada pridėti jį į regolitą bakterijoms auginti. Jei matėte filmą Marsietis, kur pasiklydęs astronautas Markas Watney augina bulves Marso dirvožemyje su savo ir įgulos draugų nuotekomis, tai ta pati koncepcija. Tačiau norėdami, kad visi būtų sveiki, turite imtis veiksmų, kad sunaikinti patogenus, kurie gali būti perduodami per žmonių atliekas.

Galite padėti virškinti organines medžiagas ir perdirbti jas į dirvą, įveisdami kirminų. Netgi Marse sliekai yra geriausias sodininko draugas, nes jie virškina organines medžiagas ir gamina trąšos kartu su kasimo tuneliais, užtikrinančiais svarbią aeraciją ir vandens sulaikymą augalui šaknis augti. "Manau, kad jie yra būtini gerai sistemai", - sakė Wamelink. Be to, kirminų kiaušinėliai gali būti laikomi ilgą laiką, todėl juos galima transportuoti į Marsą.

Kai jūsų Marso regolitas bus praturtintas maistinėmis medžiagomis, organinėmis medžiagomis, bakterijomis ir kirmėlėmis, galėsite pradėti sėti sėklas. Sėklos gali būti atvežtos iš Žemės be didelių problemų, nes jos yra mažos ir lengvos.

Būsimieji Marso gyventojai gali turėti įvairesnį mitybos pasirinkimą, nei įsivaizduojate. Wamelink man sako, kad Marso regolito modelyje gali augti visų rūšių valgomieji augalai. Taigi hidroponinės sistemos naudojamos tokiose vietose kaip Tarptautinė kosminė stotis, kur augalai auginami ne dirvožemyje, o suspenduoti maistiniame tirpale, geriau tinka lapiniams žalumynams auginti nei krakmolingoms daržovėms, galite auginti praktiškai bet kas dirvožemyje. Marso regolito modelinis tirpalas buvo naudojamas bulvėms, šparaginėms pupelėms, pomidorams, morkoms, ridikams, kviečiams, rugiams ir kt.

Atsikratyti bjaurių

Vienas iš susirūpinimą keliančių problemų dėl Marso dirvožemio saugumo yra pavojingų sunkiųjų metalų buvimas. "Tai ne tik cinkas, kurio mums reikia šiek tiek, bet ir kadmis, švinas, gyvsidabris - visa tai, ko nenorite savo maiste", - sakė Wamelink.

Tačiau tai nebūtinai yra tokia didelė problema, kaip jūs manote. „Tai tikrai nesiskiria nuo Žemės“, – pažymėjo jis, nes sunkiųjų metalų galima rasti ir mūsų dirvožemyje. Kyla klausimas, ar šie sunkieji metalai yra surišti taip, kad jie nepatektų į dirvą ir vėliau nepasisavintų augalų.

Gera žinia ta, kad išanalizavus modeliniame tirpale užaugintas daržoves, buvo nustatyta, kad jas valgyti saugu. Sunkiųjų metalų kiekis buvo mažesnis nei pavojingas lygis visame maiste, o kai kuriais atvejais jis buvo dar mažesnis regolite užaugintame maiste. daržovės, nei įprastoje vazoninėje žemėje auginamose daržovėse, galbūt dėl ​​teršalų, tokių kaip automobilių išmetamosios dujos, užteršiančių dirvą čia žemėje.

Taip pat susirūpinimą kelia Mėnulio ir Marso dirvožemio rūgštingumas, o tai gali apriboti augalų galimybes pasiekti kitą esminę molekulę – fosfatą. Svarstoma nauja tyrimų sritis – ar pridėti tam tikrų rūšių grybų į regolitą galėtų išspręsti šią problemą.

„Galime į Marsą pasiimti grybų, kurie iš tikrųjų gali augti uolienose ir išskirti fosfatus“, – pasiūlė Wamelink kaip ateities tyrinėjimo kelią. "Jie gyvena simbiozėje su augalų šaknimis."

Perchloratų problema

Bene didžiausia kliūtis saugiam maisto auginimui Marse yra perchloratų – regolite randamų cheminių medžiagų, kurios yra toksiškos ir žmonėms, ir augalams – problema. Jie yra tokie pavojingi, kad dėl sveikatos priežasčių neįtraukiami į modelinių tirpalų mėginius.

Naujausi tyrimai pasiūlė, kad šių perchloratų buvimas regolite gali būti didesnė problema, nei manyta anksčiau. Kai mokslininkai paėmė regolito modelinį tirpalą ir pridėjo kalcio perchlorato tokiais kiekiais, kaip ir Marse, augalai negalėjo jame augti, net jei buvo pridėta papildomų maistinių medžiagų.

Tačiau tai nereiškia, kad turime atsisakyti svajonės apie Marse užaugintą maistą. Andrew Palmeris iš Floridos technologijos instituto, vyresnysis tyrimo autorius, elektroniniame laiške „Digital Trends“ sakė, kad perchloratų buvimas Marse yra iššūkis maistui. gamyba, „tai nėra sandorio nutraukėjas“. Turėtų būti įmanoma į ekosistemą įterpti mikroorganizmus ar konkrečius augalus, kurie išvalytų toksinus iš regolito vadinamuoju procesu. bioremediacija. „Tokie pagalbininkai yra įprasti mūsų ekosistemų Žemėje žaidėjai. Nėra jokios priežasties ignoruoti jų potencialą prisidėti prie ekosistemos, kurią kuriame savo Marso kolonistams“, – sakė jis.

Kitas mokslininkas, dalyvaujantis tyrimuose apie regolito gyvybingumas augalams augintiLaura Fackrell iš Džordžijos universiteto sutiko, kad perchloratai buvo iššūkis, bet ne neįveikiamas. Ji pasiūlė, kad perchloratus iš regolito būtų galima išvalyti naudojant bakterijas, nes yra daug bakterijų rūšių, kurios gali vartoti arba skaidyti perchloratus, kai kurie iš jų yra naudojami užteršto vandens valymas čia, Žemėje. Tačiau čia taip pat yra iššūkių. Ši reakcija gamina ir deguonį, ir chloridą – ir nors chloridas yra netoksiškas ir gali būti naudingas augalų augimui, per didelis jo kiekis gali pakenkti augalams ar net nužudyti. Mums reikia daugiau tyrimų, kad žinotume, koks būtų jo poveikis augalų gyvenimui. „Neturime pakankamai duomenų, kad galėtume pasakyti, ar šio proceso metu pagaminto chlorido kiekis būtų per didelis augalams, bet tikėtina, kad taip bus“, – sakė ji.

Kitas galimas sprendimas būtų tiesiogine prasme išplauti perchloratus iš regolito. Perchloratai yra savotiška druska ir tirpsta vandenyje, todėl nuplaunant regolitą jie būtų pašalinti. "Tačiau tai taip pat gali pašalinti kitas maistines medžiagas, tokias kaip nitratai", - perspėjo Fackrellas. Jau nekalbant apie brangaus vandens naudojimo šiam tikslui problemas.

Tačiau perchloratų buvimas nebūtinai yra bloga žinia. Fackrellas atkreipė dėmesį į tai, kad bakterijoms sunaudojus perchloratus dirvožemiui išvalyti, susidarytų naudingas šalutinis produktas deguonies, kuris galėtų būti tvarios astronautų poreikių tenkinimo sistemos dalis: „Perchloratai yra labai tikra iššūkis; tačiau jie taip pat suteikia galimybę būti paversti deguonies šaltiniu.

Sistemos nustatymas

Tai padeda galvoti apie žemės ūkio sukūrimą Marse kaip ilgalaikį žaidimą. Tikslas yra ne tik išauginti vieną derlių, bet ir sukurti tvarią sistemą.

Pirmasis derlius yra sunkiausias. Kai tai bus padaryta ir bakterijos įsitvirtins, visas augalines medžiagas, likusias po ankstesnių derliaus nuėmimų, galima supilti atgal į dirvą, o tai prideda maistinių medžiagų ir padeda sulaikyti vandenį. Taigi laikui bėgant dirva taps derlingesnė ir svetingesnė augalams.

Tai reiškia, kad yra stiprus postūmis pradėti bandymus auginti augalus, kai tik žmonės bet kokiam laikui atvyksta į Marsą. „Manau, kad norint pradėti auginti savo maistą, reikia pradėti nuo pirmosios ekspedicijos. Priešingu atveju greičiausiai to nebus įmanoma padaryti“, - sakė Wamelink. Ankstyvosios ekspedicijos tikrai atsinešdavo ir savo maisto, jei kiltų problemų dėl pasėlių augimo. Tačiau jie galėtų pradėti dirvožemio tinkamumo naudoti procesą.

Taip pat galima išsaugoti dirbamą dirvą tarp misijų tol, kol joje yra oro, šviesos ir šilumos. Galite sėti tam tikras kultūras, pavyzdžiui, nevalgomus kopūstus, kuriuos galite palikti tręšti dirvą, kol esate išvykę. Tai yra tas pats principas, kurį ūkininkai naudoja Wamelink gimtojoje šalyje Nyderlanduose, kad pagerintų dirvožemį žiemą.

Kitas dalykas yra tai, kaip elgiatės su augalų apdulkinimu, kad derlius būtų gausesnis ir kad būtų sukurtos sėklos būsimiems augalams. Daugelis augalų rūšių naudoja vėją žiedadulkėms pernešti. Bet tai reiškia, kad jums reikės nustatyti oro srautą Marso buveinėje, o tai nebūtų lengva. Tačiau yra ir kita galimybė – naudoti bites.

Bitės yra puikios apdulkintojos ir gali būti atvežtos iš Žemės gyventi Marso buveinėje. Kamanių karalienės gali būti užmigdomos kelionei į kosmosą, o paskui paleidžiamos, kad pasklistų aplink žiedadulkes.

Musės yra dar vienas pasirinkimas, ir jos turi dar vieną privalumą: musių lervos gali būti valgomos ir tokios pat niūrios, kaip ir daugelis žmonių. gali būti susiję su jų valgymu, jie gali būti svarbus baltymų šaltinis vegetarams ar veganams dieta.

Viskas, ko mums reikia

Nepaisant daugybės maisto auginimo Marse sudėtingumo, teoriškai tai įmanoma. Dar reikia išsiaiškinti daugybę detalių, bet iš esmės galime ten auginti pasėlius, kol astronautai atsineš reikiamų medžiagų. "Aš turiu pirkinių sąrašą!" Wamelink juokavo.

Vienintelis apribojimas, kurį jis pabrėžė, buvo tas, kad visi šie eksperimentai buvo pagrįsti šiuo metu turimu Marso modeliniu tirpalu, todėl rezultatai yra tik tokie tikslūs, kaip ir modelinis tirpalas. Perchloratų klausimas ir kaip jie gali paveikti augalus ir žmones, yra atviras ir panašios ateities misijos Marso mėginio grąžinimas turėtų padėti mums labiau įsitikinti, ko galime tikėtis iš Marso aplinką.

Tai nebus lengva, bet astronautai vieną dieną galės mėgautis šviežiomis Marse užaugintomis daržovėmis kaip kasdiene savo mitybos dalimi. „Turite padaryti daug dalykų, kad tai pavyktų“, – perspėjo Wamelink, „tačiau dabar žinome, kaip tai padaryti“.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse – 10 dalių serija, kurioje tyrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą

Redaktorių rekomendacijos

• Kosmologinė kelionė į darbą ir atgal: sudėtinga logistika, kai žmonės iškeliauja į Marsą
• Variklio tobulinimas: kaip mes nukelsime žmones į Marsą
• Pilys iš smėlio: kaip sukursime buveines su Marso dirvožemiu
• Dirbtinė atmosfera: kaip Marse pastatysime bazę su kvėpuojančiu oru
• Derliaus nuėmimas: kaip būsimieji naujakuriai kurs ir rinks vandenį Marse