Astrorolnictwo: jak będziemy uprawiać żywność na Marsie

Jeśli kiedykolwiek będziemy mieli nadzieję wysłać ludzi do żyć na Marsie przez dłuższy czas będziemy musieli zapewnić im ciepło, bezpieczeństwo i dobre odżywienie. Ten ostatni wymóg stanowi wyzwanie dla misji, która może przewozić tylko ograniczoną ilość zapasów. Nawet gdyby fasola w puszce nie była tak ciężka, nikt nie chce się z niej wyżywić podczas całorocznej misji.

Przyszłość zamieszkania na Marsie wymaga świeżo uprawianych owoców, warzyw i zbóż. Ale jak uprawiać ziemię na trującej, śmiercionośnej planecie, takiej jak Mars? Aby uzyskać odpowiedź, rozmawialiśmy z trzema badaczami Marsa zajmującymi się ekologią, geologią i biochemią.

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie – 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które umożliwią ludziom okupację Marsa

Podstawowe niezbędniki

Rośliny są wytrzymałymi rzeczami, ale mają pewne podstawowe wymagania. Aby dobrze rosnąć, potrzebują ciepła, rozsądnego ciśnienia atmosferycznego i ochrony przed szkodliwym promieniowaniem. Zapewnienie tych rzeczy na Marsie byłoby wyzwaniem, z wyjątkiem faktu, że ludzie również ich potrzebują.

Najprostszym rozwiązaniem byłoby to, że jakiekolwiek siedlisko, które zbudujesz dla astronautów na Marsie, zbudujesz również dla wszystkich upraw. Dodaj kilka prostych świateł LED, a astronauci będą mogli z łatwością zajmować się swoimi roślinami w miarę ich wzrostu. Dodanie światła powinno przeciwdziałać wszelkim efektom niższej grawitacji Marsa, ponieważ nawet przy zerowej grawitacji rośliny naturalnie zapuszczają korzenie z dala od źródeł światła. Zamknięte środowisko ma nawet tę zaletę, że można kontrolować warunki, takie jak temperatura i wilgotność.

Wieger Wamelink, hodowca roślin i ekolog z Uniwersytetu Wageningen, który jest jednym z wiodących badaczy rolnictwa na Księżycu i Marsie, powiedział Digital Trends, że uprawa roślin w kosmosie jest w rzeczywistości bardzo porównywalna z rolnictwem miejskim, ruchem na rzecz wydajnej uprawy żywności w miastach ustawienia. Często osiąga się to poprzez stworzenie sterylnego środowiska w pomieszczeniach z oświetleniem LED. W zasadzie, powiedział, „jest to coś, co możesz zrobić na Marsie lub na pustyni, jeśli chcesz, lub w mieście”.

Kultywowanie życia w martwej glebie

Największą przeszkodą w uprawie roślin na Marsie jest jednak brak czegoś pozornie prostego: dobrej, staroświeckiej ziemi. Gleba na Ziemi jest pełna żywych organizmów, a także niektórych minerałów, takich jak fosfor i potas, które wykorzystują rośliny. Mars nie ma gleby — zamiast tego ma martwy, pyłowy materiał zwany regolitem pokrywający jego powierzchnię.

Nie znamy dokładnych szczegółów tego, z czego składa się ten regolit i może on mieć inny skład w różnych regionach. Ale mamy ogólne pojęcie o tym, co w nim jest, co pozwoliło NASA opracować imitację regolitu. Zasadniczo jest to odtworzenie marsjańskiej gleby w oparciu o naszą obecną wiedzę o powierzchni planety.

Oznacza to, że możesz eksperymentować z marsjańską „glebą” tutaj na Ziemi. Symulant nie jest tani, ale jest do kupienia dla celów naukowych. Około dekady temu Wamelink zastanawiał się, czy imitację można wykorzystać do uprawy roślin i przyjrzał się temu tematowi. „Odkryłem” – powiedział – „muszę powiedzieć, ku mojemu wielkiemu zaskoczeniu, że nikt nigdy tego nie próbował”.

Więc zaczął sadzenie nasion w glebie Marsa, Księżyca i Ziemi porównać ich wzrost. W swoich pierwszych eksperymentach Wamelink spodziewał się, że rośliny będą walczyć w symulacji Marsa. „To bardzo uboga w składniki odżywcze gleba” – wyjaśnił. Nie zawiera materii organicznej i zawiera metale ciężkie, które mogą zapobiegać kiełkowaniu roślin. „Moje oczekiwania były bardzo niskie” – powiedział.

Jego zespół zasadził 4200 nasion 14 różnych gatunków, spodziewając się, że większość z nich umrze. Ale wyniki były bardzo różne od tego, co przewidywali naukowcy. Prawie wszystkie nasiona wykiełkowały — niektóre w ciągu 24 godzin. To faktycznie spowodowało problemy, powiedział ze śmiechem Wamelink, ponieważ zespół nagle musiał zająć się ogromną uprawą ponad 4000 roślin.

Rośliny wymagały dużo starannego podlewania, ponieważ regolit jest hydrofobowy, co oznacza, że ​​nie wchłania dużo wilgoci. Więc przyszli marsjańscy rolnicy będą potrzebować mnóstwo wody aby ich plony rosły.

I chociaż rośliny rosły w marsjańskim regolicie, osiągały zaledwie kilka centymetrów wysokości i nie produkowały niczego jadalnego. Aby rośliny rosły do ​​​​pełnych rozmiarów i produkowały warzywa, musisz dodać składniki odżywcze.

Nawożenie gleby

Kluczowym składnikiem, którego brakuje marsjańskiej glebie, jeśli chodzi o rośliny, jest materia organiczna. Materia organiczna jest szczególnie ważnym źródłem składników odżywczych, gdy jest rozkładana przez bakterie, co oznacza, że ​​będziemy musieli dodać bakterie również do przyszłych regionów wzrostu.

Na szczęście, jako chodzące kolonie drobnoustrojów, ludzie są najeżeni bakteriami. Tak więc, chociaż jest to dość nieprzyjemna koncepcja, mamy sposób na ich zdobycie. Najskuteczniejszą metodą byłoby zachowanie moczu i kału wytwarzanego przez astronautów podczas ich miesięcznej podróży na Marsa, a następnie dodanie ich do regolitu w celu hodowli bakterii. Jeśli widziałeś film Marsjanin, gdzie zaginiony astronauta Mark Watney uprawia ziemniaki na marsjańskiej glebie wraz ze ściekami jego i jego kolegów z załogi, to ta sama koncepcja. Jednak, aby wszyscy byli zdrowi, musisz podjąć kroki w celu wyeliminowania wszelkich patogenów, które mogą być przenoszone przez ludzkie odchody.

Możesz pomóc w procesie trawienia materii organicznej i recyklingu jej w glebie, wprowadzając robaki. Nawet na Marsie dżdżownice są najlepszymi przyjaciółmi ogrodników, ponieważ trawią materię organiczną i produkują nawozu wraz z tunelami do kopania, które zapewniają ważne napowietrzanie i retencję wody dla rośliny korzenie rosnąć. „Myślę, że są one niezbędne dla dobrego systemu” — powiedział Wamelink. Ponadto jaja robaków mogą być przechowywane przez długi czas, dzięki czemu można je potencjalnie przetransportować na Marsa.

Gdy regolit Marsa zostanie wzbogacony o składniki odżywcze, materię organiczną, bakterie i robaki, możesz zacząć sadzić nasiona. Nasiona można bez problemu sprowadzić z Ziemi, ponieważ są małe i lekkie.

Przyszli mieszkańcy Marsa mogą mieć bardziej zróżnicowany wybór diety, niż sobie wyobrażasz. Wamelink mówi mi, że w marsjańskim regolicie mogą rosnąć wszystkie rodzaje jadalnych roślin. Tak więc podczas gdy systemy hydroponiczne stosowane są w miejscach takich jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, gdzie rośliny nie są uprawiane w glebie, ale zawieszone w pożywce, lepiej nadają się do uprawy zieleniny liściastej niż skrobiowej, można uprawiać praktycznie cokolwiek w glebie. Imitacja regolitu Marsa była używana do uprawy ziemniaków, fasolki szparagowej, pomidorów, marchwi, rzodkiewki, pszenicy, żyta i innych.

Pozbycie się nałogów

Jedną z obaw związanych z bezpieczeństwem marsjańskiej gleby jest obecność niebezpiecznych metali ciężkich. „To nie tylko cynk, którego trochę potrzebujemy, ale także kadm, ołów, rtęć – wszystkie rzeczy, których nie chcesz w swoim jedzeniu” – powiedział Wamelink.

Jednak niekoniecznie jest to tak duży problem, jak mogłoby się wydawać. „To tak naprawdę nie różni się od Ziemi”, zauważył, ponieważ metale ciężkie można znaleźć również w naszej glebie. Problem polega na tym, czy te metale ciężkie są związane w sposób uniemożliwiający ich uwolnienie do gleby, a następnie wchłonięcie przez rośliny.

Dobrą wiadomością jest to, że kiedy przeanalizowano warzywa uprawiane w płynie imitującym, stwierdzono, że są one bezpieczne do spożycia. Metale ciężkie były poniżej niebezpiecznych poziomów w całej żywności, aw niektórych przypadkach poziomy były nawet niższe w regolicie wyhodowanym warzywa niż w warzywach uprawianych w zwykłej ziemi doniczkowej, być może z powodu zanieczyszczeń, takich jak spaliny samochodowe, które zanieczyszczają tutejszą glebę na ziemi.

Istnieje również obawa o to, jak kwaśna jest gleba na Księżycu i Marsie, co może ograniczyć zdolność roślin do dostępu do innej niezbędnej cząsteczki, fosforanu. Rozważanym nowym obszarem badań jest dodawanie niektóre rodzaje grzybów do regolitu mogłoby rozwiązać ten problem.

„Możemy zabrać ze sobą na Marsa grzyby, które mogą rosnąć w skałach i uwalniać fosforany” – zasugerował Wamelink jako przyszłą drogę eksploracji. „Żyją w symbiozie z korzeniami roślin”.

Problem nadchloranów

Być może największą przeszkodą w bezpiecznej uprawie żywności na Marsie jest kwestia nadchloranów, chemikaliów znajdujących się w regolicie, które są toksyczne zarówno dla ludzi, jak i roślin. Są one tak niebezpieczne, że ze względów zdrowotnych nie są uwzględniane w próbkach symulacyjnych.

Najnowsze badania zasugerował, że obecność tych nadchloranów w regolicie może stanowić większy problem, niż wcześniej sądzono. Kiedy badacze wzięli płyn modelowy regolitu i dodali nadchloran wapnia w ilościach podobnych do tych występujących na Marsie, rośliny nie były w stanie w nim rosnąć nawet po dodaniu dodatkowych składników odżywczych.

Nie oznacza to jednak, że musimy zrezygnować z marzeń o marsjańskiej żywności. Andrew Palmer z Florida Institute of Technology, główny autor badania, powiedział Digital Trends w e-mailu, że chociaż obecność nadchloranów na Marsie jest wyzwaniem dla żywności produkcja, „to nie jest zerwanie umowy”. Powinna istnieć możliwość wprowadzania do ekosystemu mikroorganizmów lub określonych roślin w celu oczyszczenia regolitu z toksyn w procesie zwanym bioremediacja. „Tacy pomocnicy są zwykłymi graczami w naszych ekosystemach na Ziemi. Nie ma powodu, dla którego powinniśmy ignorować ich potencjał do wniesienia wkładu w ekosystem, który projektujemy dla naszych marsjańskich kolonistów” – powiedział.

Inny badacz zaangażowany w badania nad przydatność regolitu do uprawy roślin, Laura Fackrell z University of Georgia, zgodziła się, że nadchlorany są wyzwaniem, ale nie nie do pokonania. Zasugerowała, że ​​nadchlorany można usunąć z regolitu za pomocą bakterii, ponieważ istnieje wiele gatunków bakterii, które mogą spożywać lub rozkładać nadchlorany, z których niektóre są wykorzystywane do oczyszczanie zanieczyszczonej wody tu na Ziemi. Ale i tu są wyzwania. Ta reakcja wytwarza zarówno tlen, jak i chlorek — i chociaż chlorek jest nietoksyczny i może być korzystny dla wzrostu roślin, zbyt duża jego ilość może zaszkodzić, a nawet zabić rośliny. Potrzebujemy więcej badań, aby wiedzieć, jaki byłby jej wpływ na życie roślin. „Nie mamy wystarczających danych, aby stwierdzić, czy ilość chlorków wytwarzanych w tym procesie byłaby zbyt duża dla roślin, ale prawdopodobnie tak jest” – powiedziała.

Innym potencjalnym rozwiązaniem byłoby dosłownie wypłukanie nadchloranów z regolitu. Nadchlorany są rodzajem soli i są rozpuszczalne w wodzie, więc wypłukanie regolitu powinno je usunąć. „Jednak może to również usunąć inne składniki odżywcze, takie jak azotany” – ostrzegł Fackrell. Nie mówiąc już o problemach z wykorzystaniem do tego celu drogocennej wody.

Obecność nadchloranów niekoniecznie jest jednak złą wiadomością. Fackrell zwrócił uwagę, że spożywanie przez bakterie nadchloranów w celu oczyszczenia gleby mogłoby wytworzyć użyteczny produkt uboczny tlen, który mógłby być częścią zrównoważonego systemu zaspokajania potrzeb astronautów: „Nadchlorany stanowią bardzo realny wyzwanie; jednak stanowią również okazję do przekształcenia ich w źródło tlenu”.

Konfigurowanie systemu

Pomaga myśleć o zakładaniu rolnictwa na Marsie jako grze długoterminowej. Celem jest nie tylko uprawa jednego plonu, ale ustanowienie zrównoważonego systemu.

Najtrudniejsze są pierwsze żniwa. Po wykonaniu tej czynności i ustabilizowaniu się bakterii, wszelkie resztki roślinne pozostałe po poprzednich zbiorach można dodać z powrotem do gleby, co zarówno dodaje składników odżywczych, jak i pomaga zatrzymywać wodę. Z biegiem czasu gleba stanie się bardziej żyzna i bardziej gościnna dla roślin.

Oznacza to, że istnieje silny impuls do rozpoczęcia prób uprawy roślin, gdy tylko ludzie przybędą na Marsa na dowolny okres czasu. „Myślę, że aby zacząć uprawiać własne jedzenie, trzeba zacząć od pierwszej wyprawy. W przeciwnym razie najprawdopodobniej nie będzie to możliwe” – powiedział Wamelink. Wczesne ekspedycje z pewnością przynosiły również własne jedzenie, na wypadek problemów ze wzrostem plonów. Ale mogliby rozpocząć proces uzdatniania gleby.

Możliwe jest również zachowanie uprawianej gleby między misjami, o ile ma ona powietrze, światło i ciepło. Możesz siać niektóre rośliny, takie jak niejadalne rodzaje kapusty, które można pozostawić do nawożenia gleby podczas Twojej nieobecności. Jest to ta sama zasada, którą stosują rolnicy w rodzinnym kraju Wamelink w Holandii, aby poprawić swoją glebę w okresie zimowym.

Kolejną kwestią do rozważenia jest sposób radzenia sobie z zapylaniem roślin, zarówno w celu uzyskania bardziej obfitych zbiorów, jak i tworzenia nasion dla przyszłych upraw. Wiele gatunków roślin wykorzystuje wiatr do przenoszenia pyłku. Ale to oznacza, że ​​trzeba by ustawić przepływ powietrza w habitacie marsjańskim, co nie byłoby łatwe. Istnieje jednak inna opcja, która polega na wykorzystaniu pszczół.

Pszczoły są doskonałymi zapylaczami i można je sprowadzić z Ziemi, aby żyły w środowisku marsjańskim. Królowe trzmieli mogłyby potencjalnie zostać wprowadzone w stan hibernacji na podróż kosmiczną, a następnie wypuszczone, aby rozprzestrzeniły się wokół pyłku.

Inną opcją są muchy, które mają jeszcze jedną zaletę: larwy much mogą być jadalne i równie wrażliwe jak wiele osób może dotyczyć ich jedzenia, mogą stanowić ważne źródło białka u wegetarianina lub weganina dieta.

Wszystko, czego potrzebujemy

Pomimo wielu złożoności uprawy żywności na Marsie, jest to teoretycznie możliwe. Jest jeszcze wiele szczegółów do dopracowania, ale zasadniczo możemy tam uprawiać rośliny, o ile astronauci przywiozą ze sobą odpowiednie materiały. „Mam listę zakupów!” Wamelink zażartował.

Jedynym ograniczeniem, które podkreślił, było to, że wszystkie te eksperymenty opierały się na obecnie dostępnym symulatorze Marsa, więc wyniki są tylko tak dokładne, jak symulator. Kwestia nadchloranów i ich wpływu na rośliny i ludzi jest kwestią otwartą, podobnie jak przyszłe misje Zwrot próbki z Marsa powinien pomóc nam uzyskać większą pewność co do tego, czego dokładnie możemy oczekiwać od Marsa środowisko.

Nie będzie to łatwe, ale pewnego dnia astronauci będą mogli cieszyć się świeżymi, wyhodowanymi na Marsie warzywami jako codzienną częścią ich diety. „Musisz zrobić wiele rzeczy, aby to działało”, ostrzegł Wamelink, „ale teraz wiemy, jak to zrobić”.

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie – 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które umożliwią ludziom okupację Marsa

Zalecenia redaktorów

• Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka umieszczania ludzi na Marsie
• Udoskonalanie napędu: jak dowieziemy ludzi na Marsa
• Zamki z piasku: jak stworzymy siedliska z marsjańskiej gleby
• Sztuczna atmosfera: Jak zbudujemy bazę z powietrzem nadającym się do oddychania na Marsie
• Zbieranie nawodnienia: jak przyszli osadnicy będą tworzyć i gromadzić wodę na Marsie