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 odżywianie. Ten ostatni wymóg stanowi wyzwanie dla misji, która może przewozić jedynie ograniczoną ilość zaopatrzenia. Nawet gdyby fasola w puszkach nie była tak ciężka, nikt nie chciałby się z niej wyżywić podczas całorocznej misji.

Przyszłość zamieszkiwania Marsa 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-częściowa seria badająca najnowocześniejszą naukę i technologię, która umożliwi ludziom okupację Marsa

Podstawowe rzeczy

Rośliny są odporne, ale mają pewne podstawowe wymagania. Aby dobrze rosły, potrzebują ciepła, rozsądnego ciśnienia atmosferycznego i ochrony przed szkodliwym promieniowaniem. Zapewnienie tych rzeczy na Marsie byłoby wyzwaniem, gdyby nie fakt, że ludzie również ich wszystkich potrzebują.

Najprostszym rozwiązaniem byłoby to, że jakiekolwiek siedlisko, które zbudujesz, aby pomieścić astronautów na Marsie, zbudujesz także, aby pomieścić wszystkie uprawy. Dodaj kilka prostych świateł LED, a astronauci będą mogli z łatwością pielęgnować rosnące rośliny. Dodanie oświetlenia powinno przeciwdziałać wszelkim skutkom niższej grawitacji Marsa, ponieważ nawet przy zerowej grawitacji rośliny w naturalny sposób wypuszczają korzenie z dala od źródeł światła. Szczelne środowisko ma nawet tę zaletę, że można kontrolować takie warunki, jak temperatura i wilgotność.

Wieger Wamelink, hodowca roślin i ekolog na Uniwersytecie w Wageningen, jeden z czołowych badaczy rolnictwa na Księżycu i Marsie, powiedział Digital Trends, że uprawa roślin w przestrzeni kosmicznej jest w rzeczywistości bardzo porównywalna z rolnictwem miejskim, czyli ruchem mającym na celu wydajną uprawę żywności w miastach ustawienia. Często osiąga się to poprzez stworzenie sterylnego środowiska w pomieszczeniach zamkniętych z oświetleniem LED. W zasadzie, powiedział, „jest to coś, co można zrobić na Marsie, albo na pustyni, jeśli chcesz, albo w mieście”.

Kultywowanie życia w martwej glebie

Największą przeszkodą w uprawie roślin na Marsie jest jednak brak czegoś pozornie prostego: dobrej, staromodnej ziemi. Gleba na Ziemi jest pełna żywych organizmów, a także niektórych minerałów, takich jak fosfor i potas, wykorzystywanych przez rośliny. Mars nie ma gleby – zamiast tego ma martwą, zakurzoną materię zwaną regolitem pokrywającą jego powierzchnię.

Nie znamy dokładnych szczegółów składu tego regolitu i może on mieć różny skład w różnych regionach. Mamy jednak ogólne pojęcie o tym, co się w nim znajduje, 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. Chociaż płyn symulacyjny nie jest tani, to jest dostępne do zakupu dla celów naukowych. Około dziesięć lat temu Wamelink zastanawiał się, czy płyn modelowy można wykorzystać do uprawy roślin, i zajął się tym tematem. „Odkryłem” – powiedział – „ku mojemu zdziwieniu muszę przyznać, że nikt nigdy tego nie próbował”.

Więc zaczął sadzenie nasion na Marsie, Księżycu i Ziemi porównać ich wzrost. W swoich pierwszych eksperymentach Wamelink spodziewał się, że rośliny będą miały trudności w symulatorze Marsa. „To bardzo uboga w składniki odżywcze gleba” – wyjaśnił. Nie zawiera materii organicznej i zawiera metale ciężkie, które mogą uniemożliwiać kiełkowanie roślin. „Moje oczekiwania były bardzo niskie” – powiedział.

Jego zespół zasadził 4200 nasion 14 różnych gatunków, spodziewając się, że większość z nich umrze. Jednak wyniki znacznie różniły się od przewidywań naukowców. Prawie wszystkie nasiona wykiełkowały — niektóre w ciągu 24 godzin. To faktycznie spowodowało problemy, stwierdził ze śmiechem Wamelink, ponieważ zespół nagle musiał zająć się ogromną uprawą ponad 4000 roślin.

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

I chociaż rośliny rosły w imitacji regolitu marsjańskiego, osiągały zaledwie kilka centymetrów wysokości i nie wytwarzały niczego jadalnego. Aby rośliny urosły do ​​pełnych rozmiarów i wytworzyły warzywa, należy dodać składniki odżywcze.

Nawożenie gleby

Kluczowym składnikiem, którego brakuje marsjańskiej glebie w przypadku roślin, jest materia organiczna. Materia organiczna jest szczególnie ważnym źródłem składników odżywczych rozkładana przez bakterie, co oznacza, że ​​będziemy musieli dodać bakterie również do przyszłych regionów uprawy.

Na szczęście ludzie, jako chodzące kolonie drobnoustrojów, są najeżeni bakteriami. Chociaż jest to dość nieprzyjemna koncepcja, mamy sposób, aby je zdobyć. Najskuteczniejszą metodą byłoby zakonserwowanie moczu i odchodów astronautów podczas ich wielomiesięcznej 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 ziemi wraz ze ściekami swoimi i członków załogi, to ta sama koncepcja. Aby jednak wszyscy byli zdrowi, należy podjąć kroki w celu zabicia wszelkich patogenów, które mogłyby zostać przeniesione przez ludzkie odchody.

Możesz pomóc w procesie trawienia materii organicznej i recyklingu jej w glebie, wprowadzając robaki. Nawet na Marsie dżdżownice są najlepszymi przyjaciółmi ogrodnika, ponieważ trawią materię organiczną i produkują nawozu wraz z tunelami kopiącymi, które zapewniają ważne napowietrzanie i retencję wody dla rośliny korzenie rosnąć. „Myślę, że są one niezbędne dla dobrego systemu” – powiedział Wamelink. Ponadto jaja robaków można przechowywać przez długi czas, co potencjalnie umożliwia ich transport na Marsa.

Gdy regolit marsjański zostanie wzbogacony w składniki odżywcze, materię organiczną, bakterie i robaki, możesz rozpocząć sadzenie nasion. Nasiona można bez większych problemów 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 imitatorze marsjańskiego regolitu mogą rosnąć wszelkiego rodzaju rośliny jadalne. Tak więc, podczas gdy systemy hydroponiczne są stosowane w miejscach takich jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, gdzie rośliny uprawia się nie w glebie, ale zawieszone w pożywce, lepiej nadają się do uprawy warzyw liściastych niż warzywa skrobiowe, można je uprawiać praktycznie cokolwiek w glebie. Symulator regolitu marsjańskiego był używany do uprawy ziemniaków, fasolki szparagowej, pomidorów, marchwi, rzodkiewki, pszenicy, żyta i innych.

Pozbycie się paskudów

Jedną z obaw dotyczących bezpieczeństwa gleby marsjańskiej jest obecność niebezpiecznych metali ciężkich. „To nie tylko cynk, którego potrzebujemy trochę, ale także kadm, ołów i rtęć – czyli wszystko, czego nie chcesz w swoim jedzeniu” – powiedział Wamelink.

Jednak niekoniecznie jest to tak duży problem, jak mogłoby się wydawać. „Nie różni się to zbytnio od Ziemi” – zauważył, ponieważ metale ciężkie również można znaleźć w naszej glebie. Problem polega na tym, czy te metale ciężkie są związane w sposób uniemożliwiający przedostanie się ich do gleby i późniejsze wchłonięcie przez rośliny.

Dobra wiadomość jest taka, że ​​analiza warzyw uprawianych w płynie modelowym wykazała, że ​​są bezpieczne do spożycia. W całej żywności zawartość metali ciężkich była poniżej niebezpiecznego poziomu, a w niektórych przypadkach była nawet niższa w uprawach regolitu. warzyw niż w przypadku warzyw uprawianych na zwykłej ziemi doniczkowej, być może z powodu zanieczyszczeń, takich jak spaliny samochodowe, zanieczyszczających glebę tutaj na ziemi.

Istnieją również obawy dotyczące kwaśności gleby na Księżycu i Marsie, co może ograniczyć zdolność roślin do dostępu do innej niezbędnej cząsteczki, fosforanu. Nowym obszarem badań rozważanym jest kwestia dodawania niektóre rodzaje grzybów do regolitu mogłoby rozwiązać ten problem.

„Możemy zabrać ze sobą na Marsa grzyby, które faktycznie rosną w skałach i uwalniają 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 są nadchlorany – substancje chemiczne występujące w regolicie, które są toksyczne zarówno dla ludzi, jak i roślin. Są one tak niebezpieczne, że ze względów zdrowotnych nie włącza się ich do próbek płynów symulacyjnych.

Najnowsze badania zasugerował, że obecność tych nadchloranów w regolicie może stanowić większy problem, niż wcześniej sądzono. Kiedy badacze wzięli płyn symulujący regolit 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 porzucić marzenie o żywności uprawianej na Marsie. Andrew Palmer z Florida Institute of Technology, starszy autor badania, powiedział Digital Trends w e-mailu, że chociaż obecność nadchloranów na Marsie stanowi wyzwanie dla żywności produkcji, „to nie jest zerwanie umowy”. Powinna istnieć możliwość wprowadzenia do ekosystemu mikroorganizmów lub określonych roślin w celu oczyszczenia regolitu z toksyn w procesie zwanym bioremediacja. „Tacy pomocnicy są powszechnymi graczami w naszych ekosystemach na Ziemi. Nie ma powodu, abyśmy ignorowali ich potencjał w zakresie wnoszenia wkładu w ekosystem, który projektujemy dla naszych marsjańskich kolonistów” – powiedział.

Kolejny badacz zaangażowany w badania nad żywotność regolitu do uprawy roślinLaura Fackrell z Uniwersytetu Georgia zgodziła się, że nadchlorany stanowią wyzwanie, ale nie nie do pokonania. Zasugerowała, że ​​nadchlorany można oczyścić z regolitu za pomocą bakterii, ponieważ istnieje wiele gatunków bakterii, które mogą zużywać lub rozkładać nadchlorany, a niektóre z nich są wykorzystywane do oczyszczanie skażonej wody tu na Ziemi. Ale i tutaj są wyzwania. W tej reakcji powstaje zarówno tlen, jak i chlorek – i chociaż chlorek jest nietoksyczny i może być korzystny dla wzrostu roślin, jego nadmiar może zaszkodzić, a nawet zabić rośliny. Potrzebujemy dalszych badań, aby dowiedzieć się, jaki będzie jej wpływ na życie roślin. „Nie mamy wystarczających danych, aby stwierdzić, czy ilość chlorku wytwarzanego w tym procesie będzie zbyt duża dla roślin, ale prawdopodobnie tak jest” – stwierdziła.

Innym potencjalnym rozwiązaniem byłoby dosłownie wypłukanie nadchloranów z regolitu. Nadchlorany są rodzajem soli i są rozpuszczalne w wodzie, więc płukanie regolitu pozwoli je usunąć. „Jednak może to również spowodować usunięcie innych składników odżywczych, takich jak azotany” – ostrzegł Fackrell. Nie mówiąc już o problemach związanych z wykorzystaniem do tego celu cennej wody.

Jednak obecność nadchloranów to nie koniecznie zła wiadomość. Fackrell zwrócił uwagę, że spożycie przez bakterie nadchloranów w celu oczyszczenia gleby wytworzyłoby użyteczny produkt uboczny tlenu, który mógłby stanowić część zrównoważonego systemu zaspokajania potrzeb astronautów: „Nadchlorany stanowią bardzo realny wyzwanie; stwarzają jednak również okazję do przekształcenia się w źródło tlenu”.

Konfigurowanie systemu

Pomocne jest myślenie o założeniu rolnictwa na Marsie jako grze długoterminowej. Celem nie jest tylko uzyskanie jednego plonu, ale stworzenie zrównoważonego systemu.

Pierwsze zbiory są najtrudniejsze. Po wykonaniu tej czynności i ustabilizowaniu się bakterii, całą materię roślinną pozostałą z poprzednich zbiorów można dodać z powrotem do gleby, co zarówno dodaje składników odżywczych, jak i pomaga zatrzymać 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 dotrą na Marsa na dłuższy czas. „Myślę, że trzeba zacząć od pierwszej wyprawy, aby zacząć uprawiać własną żywność. W przeciwnym razie najprawdopodobniej nie będzie to możliwe” – powiedział Wamelink. Wczesne ekspedycje z pewnością zabierały ze sobą także własne jedzenie na wypadek problemów ze wzrostem plonów. Mogliby jednak rozpocząć proces uzdatniania gleby.

Możliwe jest także zachowanie uprawianej gleby pomiędzy misjami, o ile zapewnia ona powietrze, światło i ciepło. Możesz siać określone rośliny, np. niejadalne rodzaje kapusty, które można pozostawić do nawożenia gleby podczas Twojej nieobecności. Jest to ta sama zasada, którą stosują rolnicy w Holandii, ojczyźnie Wamelink, aby ulepszać swoją glebę zimą.

Inną kwestią jest sposób postępowania z zapylaniem roślin, zarówno w celu uzyskania obfitszych zbiorów, jak i wytworzenia nasion dla przyszłych upraw. Wiele gatunków roślin wykorzystuje wiatr do przenoszenia pyłku. Oznacza to jednak, że w siedlisku na Marsie konieczne byłoby zapewnienie przepływu powietrza, co nie byłoby łatwe. Istnieje jednak inna możliwość, polegająca na wykorzystaniu pszczół.

Pszczoły są doskonałymi zapylaczami i można je sprowadzić z Ziemi, aby zamieszkać w siedlisku marsjańskim. Królowe trzmieli można potencjalnie wprowadzić w stan hibernacji na czas podróży kosmicznej, a następnie wypuścić, aby rozprzestrzeniły się wśród pyłku.

Muchy to kolejna opcja i mają jeszcze jedną zaletę: larwy much mogą być jadalne i równie wrażliwe, jak wiele osób mogą dotyczyć ich jedzenia, mogą stanowić ważne źródło białka dla wegetarian lub wegan dieta.

Wszystko, czego potrzebujemy

Pomimo wielu złożoności uprawy żywności na Marsie, teoretycznie jest to możliwe. Wiele szczegółów wymaga jeszcze dopracowania, ale w zasadzie być może uda nam się tam uprawiać rośliny, jeśli astronauci zabiorą ze sobą odpowiednie materiały. „Mam listę zakupów!” Wamelink zażartował.

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

Nie będzie to łatwe, ale pewnego dnia astronauci będą mogli cieszyć się świeżymi warzywami uprawianymi na Marsie jako codzienną częścią swojej diety. „Aby to zadziałało, trzeba zrobić wiele rzeczy” – przestrzegł Wamelink, „ale teraz wiemy, jak to zrobić”.

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie – 10-częściowa seria badająca najnowocześniejszą naukę i technologię, która umożliwi ludziom okupację Marsa

Zalecenia redaktorów

• Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka wysłania ludzi na Marsa
• Udoskonalanie napędu: jak zabierzemy ludzi na Marsa
• Zamki z piasku: jak stworzymy siedliska z marsjańskiej gleby
• Sztuczne atmosfery: jak zbudujemy na Marsie bazę z powietrzem do oddychania
• Zbieranie nawodnienia: jak przyszli osadnicy będą tworzyć i gromadzić wodę na Marsie