Astroagriculture: How We'll Grow Food on Mars

Hvis vi noen gang håper å sende folk til bor på Mars i en lengre periode, må vi holde dem varme, trygge og velmatede. Det siste kravet utgjør en utfordring på et oppdrag som bare kan bære en begrenset mengde forsyninger. Selv om bønner på boks ikke var så tunge, er det ingen som ønsker å leve av dem for et årelangt oppdrag.

Fremtiden for Mars-beboelse krever nydyrket frukt, grønnsaker og korn. Men hvordan driver du jordbruk på en giftig, dødelig planet som Mars? For å få et svar snakket vi med tre Mars-forskere fra feltene økologi, geologi og biokjemi.

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars – en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Det grunnleggende

Planter er hardføre ting, men de har noen grunnleggende krav. For å vokse godt trenger de varme, rimelig atmosfærisk trykk og beskyttelse mot skadelig stråling. Disse tingene ville være en utfordring å gi på Mars, bortsett fra det faktum at mennesker trenger dem alle også.

Den enkleste løsningen ville være at uansett hvilket habitat du bygger for å huse astronauter på Mars, bygger du også for å huse alle avlingene. Legg til noen enkle LED-lys, og astronautene kan lett pleie plantene sine mens de vokser. Å legge til lys bør motvirke eventuelle effekter av Mars' lavere tyngdekraft siden, selv i null tyngdekraft, vokser planter naturlig røtter bort fra lyskilder. Det forseglede miljøet har til og med fordelen at du kan kontrollere forhold som temperatur og fuktighet.

Wieger Wamelink, en planteforedler og økolog ved Wageningen University som er en av de ledende forskerne på landbruk på månen og Mars, fortalte Digital Trends at å dyrke planter i verdensrommet faktisk er veldig sammenlignbart med bylandbruk, bevegelsen for å dyrke mat effektivt i urbane innstillinger. Ofte oppnås det ved å sette opp sterile miljøer i innendørs habitater med LED-lys. I prinsippet sa han, "det er noe du kan gjøre på Mars, eller i ørkenen hvis du vil, eller i en by."

Dyrker liv i død jord

Den største barrieren for å dyrke avlinger på Mars er imidlertid mangelen på noe tilsynelatende enkelt: God gammeldags skitt. Jorden på jorden er full av levende organismer, så vel som visse mineraler, som fosfor og kalium, som planter bruker. Mars har ikke jord - i stedet har den et dødt, støvete materiale kalt regolit som dekker overflaten.

Vi vet ikke de nøyaktige detaljene om hva denne regolitten er sammensatt av, og den kan ha forskjellige sammensetninger i forskjellige regioner. Men vi har en grov ide om hva som er i den, noe som har gjort det mulig for NASA å utvikle en regolitsimulant. Dette er i hovedsak en gjenskaping av marsjord basert på vår nåværende kunnskap om planetens overflate.

Det betyr at du kan eksperimentere med Mars "jord" her på jorden. Selv om simulanten ikke er billig, er den det tilgjengelig for kjøp for forskningsformål. For rundt et tiår siden lurte Wamelink på om simulanten kunne brukes til å dyrke avlinger og så på emnet. "Det jeg fant ut," sa han, "til min overraskelse må jeg si at ingen har prøvd det."

Så han begynte plante frø i jorda på Mars, månen og jorden å sammenligne deres vekst. I sine første eksperimenter forventet Wamelink at planter ville slite i Mars-simulanten. "Det er en veldig næringsfattig jord," forklarte han. Den har ikke noe organisk materiale i seg, og den inneholder tungmetaller som kan hindre planter i å spire. "Forventningene mine var veldig lave," sa han.

Teamet hans plantet 4200 frø av 14 forskjellige arter, og forventet at de fleste av dem ville dø. Men resultatene var svært forskjellige fra det forskerne spådde. Nesten alle frøene spiret - noen av dem innen 24 timer. Dette skapte faktisk problemer, sa Wamelink lattermildt, fordi teamet plutselig måtte passe på en enorm avling på over 4000 planter.

Plantene krevde mye forsiktig vanning fordi regolitten er hydrofob, noe som betyr at den ikke absorberer mye fuktighet. Så fremtidige marsbønder vil trenge masse vann for å holde avlingene i vekst.

Og mens plantene vokste i Mars regolitsimulanten, nådde de bare noen få centimeter høye og produserte ikke noe spiselig. For å få planter til å vokse til full størrelse og produsere grønnsaker, må du tilsette næringsstoffer.

Gjødsling av jorda

En nøkkelkomponent som Mars-jorden mangler når det gjelder planter, er organisk materiale. Organisk materiale er en spesielt viktig kilde til næringsstoffer når den brytes ned av bakterier, noe som betyr at vi også må legge til bakterier i fremtidige voksende regioner.

Heldigvis, som vandrekolonier av mikrober, er mennesker fulle av bakterier. Så selv om det er et ganske ubehagelig konsept, har vi en måte å skaffe dem på. Den mest effektive metoden ville være å bevare urinen og avføringen produsert av astronauter på deres månedslange reise til Mars, og deretter legge den til regolitten for å dyrke bakterier. Hvis du har sett filmen Marsboeren, der den tapte astronauten Mark Watney dyrker poteter i Mars-jorden med kloakkvannet hans og hans besetningskamerater, er det samme konseptet. Men for å holde alle friske, må du ta skritt for å drepe alle patogener som kan overføres via menneskelig avfall.

Du kan hjelpe med prosessen med å fordøye organisk materiale og resirkulere det i jorda ved å introdusere ormer. Selv på Mars er meitemark gartnerens beste venn, ettersom de fordøyer organisk materiale og produserer gjødsel sammen med gravende tunneler som gir viktig lufting og vannretensjon for planten røtter å vokse. "Jeg tror de er avgjørende for et godt system," sa Wamelink. I tillegg kan ormegg lagres i lang tid, noe som gjør dem potensielt transportable til Mars.

Når Mars-regolitten din er beriket med næringsstoffer, organisk materiale, bakterier og ormer, kan du begynne å plante frø. Frø kan hentes fra jorden uten for mye problemer, siden de er små og lette.

Fremtidige Mars-beboere kan ha et mer variert kosthold enn du forestiller deg. Wamelink forteller meg at alle slags spiselige planter kan vokse i Mars regolitsimulant. Så mens de hydroponiske systemene brukes på steder som den internasjonale romstasjonen, hvor planter dyrkes ikke i jord, men suspendert i en næringsløsning, er bedre egnet til å dyrke bladgrønnsaker enn stivelsesholdige grønnsaker, du kan dyrke praktisk talt alt i jord. Mars regolith-simulant har blitt brukt til å dyrke poteter, grønne bønner, tomater, gulrøtter, reddiker, hvete, rug og mer.

Bli kvitt de ekle

En av bekymringene for sikkerheten til Mars-jord er tilstedeværelsen av farlige tungmetaller. "Det er ikke bare sink, som vi trenger litt av, men også kadmium, bly, kvikksølv - alle ting du ikke vil ha i maten," sa Wamelink.

Det er imidlertid ikke nødvendigvis et så stort problem som du kanskje tror. "Det er egentlig ikke forskjellig fra jorden," påpekte han, ettersom tungmetaller også kan finnes i vår jord. Spørsmålet er om disse tungmetallene er bundet på en måte som hindrer dem i å slippe ut i jorda og deretter absorberes av planter.

Den gode nyheten er at når grønnsaker dyrket i simulanten ble analysert, ble de funnet å være trygge å spise. Tungmetaller var under farlige nivåer i all maten, og i noen tilfeller var nivåene enda lavere i de regolith-dyrkede grønnsaker enn i grønnsakene som dyrkes i vanlig pottejord, kanskje på grunn av forurensninger som bileksos som forurenser jorda her på jorden.

Det er også en bekymring for hvor sur jorda er på månen og Mars, noe som kan begrense plantenes evne til å få tilgang til et annet viktig molekyl, fosfat. Et nytt forskningsområde som vurderes er om å legge til visse typer sopp til regolitten kunne løse dette problemet.

"Vi kan ta med oss ​​sopp til Mars som faktisk kan vokse i bergarter og frigjøre fosfater," foreslo Wamelink som en fremtidig utforskningsvei. "De lever i symbiose med røttene til plantene."

Problemet med perklorater

Den kanskje største barrieren for trygg dyrking av mat på Mars er problemet med perklorater, kjemikalier som finnes i regolitten og som er giftige for både mennesker og planter. Disse er så farlige at de ikke er inkludert i simulantprøver av helsemessige årsaker.

Nyere forskning har antydet at tilstedeværelsen av disse perkloratene i regolitten kan være mer et problem enn tidligere innsett. Da forskere tok regolitsimulant og tilsatte kalsiumperklorat i mengder som ligner på de som ble funnet på Mars, klarte ikke planter å vokse i den selv når ekstra næringsstoffer ble tilsatt.

Det betyr imidlertid ikke at vi må gi opp drømmen om Mars-dyrket mat. Andrew Palmer fra Florida Institute of Technology, seniorforfatter av studien, fortalte Digital Trends i en e-post at selv om tilstedeværelsen av perklorater på Mars er en utfordring for mat produksjon, "det er ikke en avtalebryter." Det skal være mulig å introdusere mikroorganismer eller spesifikke planter i økosystemet for å rense giftstoffene fra regolitten i en prosess som kalles bioremediering. «Slike hjelpere er vanlige aktører i våre økosystemer på jorden. Det er ingen grunn til at vi skal ignorere potensialet deres til å bidra til økosystemet vi designer for våre Mars-kolonister, sa han.

En annen forsker involvert i studier på levedyktigheten til regolitten for dyrking av avlinger, Laura Fackrell fra University of Georgia, var enig i at perklorater var en utfordring, men ikke en uoverkommelig. Hun foreslo at perklorater kunne renses fra regolitten ved hjelp av bakterier, siden det er flere bakteriearter som kan konsumere eller bryte ned perklorater, hvorav noen brukes til renser forurenset vann her på jorden. Men det er utfordringer her også. Denne reaksjonen produserer både oksygen og klorid - og selv om klorid er ugiftig og kan være gunstig for plantevekst, kan for mye av det skade eller til og med drepe planter. Vi trenger mer forskning for å vite hva dets effekter på plantelivet vil være. "Vi har ikke nok data til å si om mengden klorid som produseres ved denne prosessen ville være for mye for planter, men det er sannsynligvis det," sa hun.

En annen potensiell løsning ville være å bokstavelig talt vaske perkloratet ut av regolitten. Perklorater er en slags salt og er løselige i vann, så å skylle regolitten ville fjerne dem. "Men dette kan også fjerne andre næringsstoffer som nitrater," advarte Fackrell. For ikke å snakke om problemene med å bruke dyrebart vann til dette formålet.

Tilstedeværelsen av perklorater er ikke nødvendigvis bare dårlige nyheter. Fackrell påpekte at hvis bakterier konsumerer perklorater for å rense jorda, ville det produsere det nyttige biproduktet av oksygen, som kan være en del av et bærekraftig system for å møte astronautenes behov: "Perklorater representerer en veldig reell utfordring; Men de gir også muligheten til å bli omgjort til en ressurs for oksygen.»

Sette opp et system

Det hjelper å tenke på å sette opp landbruk på Mars som et langsiktig spill. Målet er ikke bare å dyrke en enkelt avling av avlinger, men å sette opp et bærekraftig system.

Den første høsten er den vanskeligste. Når det er gjort og bakteriene er etablert, kan eventuelt plantemateriale som er til overs fra tidligere høstinger tilføres jorda igjen, som både tilfører næringsstoffer og hjelper til med å holde på vannet. Så over tid vil jorda bli mer fruktbar og mer gjestfri for planter.

Det betyr at det er en sterk drivkraft til å starte forsøk på å dyrke planter så snart mennesker ankommer Mars over lengre tid. «Jeg tror du må starte fra den første ekspedisjonen for å begynne å dyrke din egen mat. Ellers vil det mest sannsynlig ikke være mulig å gjøre det," sa Wamelink. De tidlige ekspedisjonene ville helt sikkert også ta med sin egen mat, i tilfelle det skulle være problemer med avlingsveksten. Men de kunne begynne prosessen med å gjøre jorda brukbar.

Det er også mulig å bevare den dyrkede jorda mellom oppdrag så lenge den har luft, lys og varme. Du kan så visse avlinger som ikke-spiselige typer kål, som kan stå for å gjødsle jorden mens du er borte. Dette er det samme prinsippet som bønder bruker i Wamelinks hjemland Nederland for å forbedre jorda over vinteren.

En annen vurdering er hvordan du takler plantepollinering, både for en mer sjenerøs høsting og for å skape frø for fremtidige avlinger. Mange plantearter bruker vinden til å frakte pollen rundt. Men det betyr at du må sette opp luftstrøm i et Mars-habitat, noe som ikke ville være lett. Det er imidlertid et annet alternativ, som er å bruke bier.

Bier er utmerkede pollinatorer og kan bringes fra jorden for å leve i et Mars-habitat. Humledronninger kan potensielt settes i dvalemodus for en romreise og deretter slippes løs for å spre seg rundt pollen.

Fluer er et annet alternativ, og de har en annen fordel: Fluelarver kan være spiselige og like pysete som mange mennesker kan handle om å spise dem, de kan være en viktig kilde til protein hos en ellers vegetarianer eller veganer kosthold.

Alt vi trenger

Til tross for de mange kompleksiteten ved å dyrke mat på Mars, er det teoretisk mulig. Det er mange detaljer som ennå ikke skal utarbeides, men i prinsippet kan vi kanskje dyrke avlinger der så lenge astronautene tar med seg de riktige materialene. "Jeg har en handleliste!" Wamelink spøkte.

Den eneste begrensningen han understreket var at alle disse eksperimentene har vært basert på Mars-simulanten som er tilgjengelig for øyeblikket, så resultatene er bare så nøyaktige som simulanten er. Spørsmålet om perklorater og hvordan de kan påvirke både planter og mennesker er åpent, og fremtidige oppdrag som Mars Sample Return bør hjelpe oss å bli mer sikre på nøyaktig hva vi kan forvente av Mars miljø.

Det blir ikke lett, men astronauter kan en dag nyte ferske, Mars-dyrkede grønnsaker som en daglig del av kostholdet. "Du må gjøre mange ting for å få det til å gå," advarte Wamelink, "men vi vet nå hvordan vi skal gjøre det."

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars – en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Redaktørenes anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistikken ved å sette mennesker på Mars
• Perfeksjonerende fremdrift: Hvordan vi får mennesker til Mars
• Slott laget av sand: Hvordan vi lager habitater med jord fra mars
• Kunstige atmosfærer: Hvordan vi bygger en base med pustende luft på Mars
• Høsting av hydrering: Hvordan fremtidige nybyggere vil skape og samle vann på Mars