Astroagricultura: Cum vom cultiva alimente pe Marte

Dacă sperăm vreodată să trimitem oameni la trăiesc pe Marte pentru o perioadă lungă de timp, va trebui să-i menținem cald, în siguranță și bine hrăniți. Această ultimă cerință reprezintă o provocare pentru o misiune care poate transporta doar o cantitate limitată de provizii. Chiar dacă conservele de fasole nu erau atât de grele, nimeni nu vrea să subziste din ele pentru o misiune de un an.

Viitorul locuirii lui Marte necesită fructe, legume și cereale proaspăt cultivate. Dar cum cultivi pe o planetă otrăvitoare și mortală precum Marte? Pentru a obține un răspuns, am vorbit cu trei cercetători pe Marte din domeniile ecologiei, geologiei și biochimiei.

Acest articol face parte din Viata pe Marte – o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte

Elementele esențiale de bază

Plantele sunt lucruri rezistente, dar au niște cerințe esențiale. Pentru a crește bine, au nevoie de căldură, presiune atmosferică rezonabilă și protecție împotriva radiațiilor dăunătoare. Aceste lucruri ar fi o provocare de furnizat pe Marte, cu excepția faptului că oamenii au nevoie și de toate.

Cea mai simplă soluție ar fi că, indiferent de habitatul pe care îl construiți pentru a găzdui astronauții pe Marte, îl construiți și pentru a găzdui toate culturile. Adăugați niște lumini LED simple, iar astronauții își pot îngriji cu ușurință plantele pe măsură ce cresc. Adăugarea de lumini ar trebui să contracareze orice efect al gravitației inferioare a lui Marte, deoarece, chiar și în gravitate zero, plantele cresc în mod natural rădăcini departe de sursele de lumină. Mediul etanș are chiar avantajul că puteți controla condiții precum temperatura și umiditatea.

Wieger Wamelink, ameliorator de plante și ecologist la Universitatea Wageningen, care este unul dintre cei mai importanți cercetători în domeniul agriculturii pe Lună și Marte, a spus Digital Trends că cultivarea plantelor în spațiu este de fapt foarte comparabilă cu agricultura urbană, mișcarea de a cultiva alimente eficient în mediul urban. setări. Adesea, acest lucru se realizează prin crearea de medii sterile în habitate interioare cu lumini LED. În principiu, a spus el, „este ceva ce poți face pe Marte, sau în deșert dacă vrei, sau într-un oraș”.

Cultivarea vieții în sol mort

Cel mai mare obstacol în calea creșterii culturilor pe Marte este însă lipsa a ceva aparent simplu: murdărie bună de modă veche. Solul de pe Pământ este plin de organisme vii, precum și de anumite minerale, precum fosforul și potasiul, pe care plantele le folosesc. Marte nu are sol - în schimb, are un material mort, prăfuit, numit regolit, care acoperă suprafața sa.

Nu știm detaliile exacte din ce este compus acest regolit și ar putea avea compoziții diferite în diferite regiuni. Dar avem o idee aproximativă despre ceea ce este în el, ceea ce a permis NASA să dezvolte un simulant de regolit. Aceasta este în esență o recreare a solului marțian bazată pe cunoștințele noastre actuale despre suprafața planetei.

Asta înseamnă că poți experimenta cu „solul” marțian aici pe Pământ. Deși simulantul nu este ieftin, este disponibil pentru cumpărare în scop de cercetare. În urmă cu aproximativ un deceniu, Wamelink s-a întrebat dacă simulantul ar putea fi folosit pentru a cultiva culturi și a analizat subiectul. „Ceea ce am aflat”, a spus el, „spre surprinderea mea, trebuie să spun, este că nimeni nu a încercat vreodată asta”.

Așa că a început plantarea semințelor în pământul lui Marte, Lună și Pământ pentru a le compara creșterea. În primele sale experimente, Wamelink s-a așteptat ca plantele să se lupte în simulatorul de pe Marte. „Este un sol foarte sărac în nutrienți”, a explicat el. Nu conține materie organică și conține metale grele care ar putea împiedica germinarea plantelor. „Așteptările mele au fost foarte scăzute”, a spus el.

Echipa sa a plantat 4.200 de semințe din 14 specii diferite, așteptându-se ca majoritatea dintre ele să moară. Dar rezultatele au fost foarte diferite de ceea ce au prezis cercetătorii. Aproape toate semințele au germinat - unele dintre ele în 24 de ore. Acest lucru a cauzat de fapt probleme, a spus Wamelink râzând, deoarece echipa a trebuit brusc să aibă grijă de o recoltă uriașă de peste 4.000 de plante.

Plantele au necesitat multă udare atentă, deoarece regolitul este hidrofob, ceea ce înseamnă că nu absoarbe multă umiditate. Deci viitorii fermieri marțieni vor avea nevoie destulă apă pentru a-și menține culturile în creștere.

Și, în timp ce plantele au crescut în simulatorul de regolit de pe Marte, au atins doar câțiva centimetri înălțime și nu au produs nimic comestibil. Pentru ca plantele să crească la dimensiunea maximă și să producă legume, trebuie să adăugați nutrienți.

Fertilizarea solului

O componentă cheie care îi lipsește solul de pe Marte în ceea ce privește plantele este materia organică. Materia organică este o sursă deosebit de importantă de nutrienți atunci când este descompusă de bacterii, ceea ce înseamnă că va trebui să adăugăm bacterii și în regiunile de creștere viitoare.

Din fericire, ca colonii ambulante de microbi, oamenii sunt plini de bacterii. Deci, deși este un concept destul de neplăcut, avem o modalitate de a le dobândi. Cea mai eficientă metodă ar fi conservarea urinei și fecalelor produse de astronauți în călătoria lor de luni de zile pe Marte, apoi adăugarea lor în regolit pentru a cultiva bacteriile. Daca ai vazut filmul Marțianul, unde astronautul pierdut Mark Watney cultivă cartofi pe pământul lui Marte cu canalizarea lui și a colegilor săi de echipaj, este același concept. Cu toate acestea, pentru a menține toată lumea sănătoasă, ar trebui să luați măsuri pentru a elimina orice agenți patogeni care ar putea fi transmisi prin deșeuri umane.

Ați putea ajuta de-a lungul procesului de digerare a materiei organice și de reciclare a acesteia în sol prin introducerea viermilor. Chiar și pe Marte, râmele sunt cei mai buni prieteni ai grădinarilor, deoarece digeră materia organică și produc îngrășământ împreună cu tuneluri de săpat care asigură o aerare importantă și reținere a apei plantei rădăcini să crească. „Cred că sunt esențiale pentru un sistem bun”, a spus Wamelink. În plus, ouăle de viermi pot fi păstrate pentru o perioadă lungă de timp, ceea ce le face potențial transportabile pe Marte.

Odată ce regolitul tău de Marte este îmbogățit cu substanțe nutritive, materie organică, bacterii și viermi, poți începe să plantezi semințe. Semințele pot fi aduse de pe Pământ fără prea multe probleme, deoarece sunt mici și ușoare.

Viitorii locuitori pe Marte pot avea o gamă de dietă mai variată decât vă imaginați. Wamelink îmi spune că tot felul de plante comestibile pot crește în simulant de regolit marțian. Deci, în timp ce sistemele hidroponice utilizate în locuri precum Stația Spațială Internațională, unde plantele nu sunt cultivate în sol, ci suspendate într-o soluție nutritivă, sunt mai potrivite pentru cultivarea legumelor cu frunze verzi decât legumele cu amidon, puteți crește practic orice în sol. Simulantul de regolit Marte a fost folosit pentru a cultiva cartofi, fasole verde, roșii, morcovi, ridichi, grâu, secară și multe altele.

A scăpa de răutăciuni

Una dintre preocupările legate de siguranța solului de pe Marte este prezența metalelor grele periculoase. „Nu este doar zinc, de care avem nevoie puțin, ci și cadmiu, plumb, mercur – toate lucrurile pe care nu le doriți în mâncare”, a spus Wamelink.

Cu toate acestea, aceasta nu este neapărat o problemă atât de mare pe cât ați putea crede. „Nu este cu adevărat diferit de Pământ”, a subliniat el, deoarece metalele grele pot fi găsite și în solul nostru. Problema este dacă aceste metale grele sunt legate într-un mod care să le împiedice să fie eliberate în sol și ulterior absorbite de plante.

Vestea bună este că, atunci când legumele cultivate în simulant au fost analizate, s-au dovedit a fi sigure pentru consum. Metalele grele au fost sub nivelurile periculoase în toate alimentele și, în unele cazuri, nivelurile au fost chiar mai mici în regolitul crescut. legume decât în ​​legumele cultivate în pământ obișnuit pentru ghivece, probabil din cauza poluanților precum evacuarea mașinilor care contaminează solul de aici pe pamant.

Există, de asemenea, o îngrijorare cu privire la cât de acid este solul pe Lună și Marte, ceea ce ar putea limita capacitatea plantelor de a accesa o altă moleculă esențială, fosfatul. Un nou domeniu de cercetare care este luat în considerare este dacă adăugarea anumite tipuri de ciuperci la regolit ar putea rezolva această problemă.

„Putem lua cu noi ciuperci pe Marte care pot crește efectiv în roci și pot elibera fosfați”, a sugerat Wamelink ca o cale viitoare de explorare. „Ei trăiesc în simbioză cu rădăcinile plantelor.”

Problema percloraților

Poate cel mai mare obstacol în calea creșterii alimentelor în siguranță pe Marte este problema percloraților, substanțe chimice găsite în regolit care sunt toxice atât pentru oameni, cât și pentru plante. Acestea sunt atât de periculoase încât nu sunt incluse în probele de simulant din motive de sănătate.

Cercetare recentă a sugerat că prezența acestor perclorați în regolit ar putea fi mai mult o problemă decât se credea anterior. Când cercetătorii au luat simulant de regolit și au adăugat perclorat de calciu în cantități similare cu cele găsite pe Marte, plantele nu au fost capabile să crească în el chiar și atunci când au fost adăugați nutrienți suplimentari.

Totuși, asta nu înseamnă că trebuie să renunțăm la visul alimentelor cultivate pe Marte. Andrew Palmer de la Institutul de Tehnologie din Florida, autorul principal al studiului, a declarat pentru Digital Trends într-un e-mail că, deși prezența percloraților pe Marte este o provocare pentru alimente. producție, „nu este o afacere de rupere”. Ar trebui să fie posibilă introducerea microorganismelor sau a plantelor specifice în ecosistem pentru a curăța toxinele din regolit într-un proces numit bioremediere. „Asemenea ajutoare sunt jucători obișnuiți în ecosistemele noastre de pe Pământ. Nu există niciun motiv pentru care să ignorăm potențialul lor de a contribui la ecosistemul pe care îl proiectăm pentru coloniștii noștri marțieni”, a spus el.

Un alt cercetător implicat în studii privind viabilitatea regolitului pentru cultivarea culturilor, Laura Fackrell de la Universitatea din Georgia, a fost de acord că perclorații sunt o provocare, dar nu una de netrecut. Ea a sugerat că perclorații ar putea fi curățați de regolit folosind bacterii, deoarece există mai multe specii de bacterii care pot consuma sau degrada perclorații, dintre care unele sunt folosite pentru curățând apa contaminată aici pe Pământ. Dar există și provocări aici. Această reacție produce atât oxigen, cât și clorură - și, deși clorura este netoxică și poate fi benefică pentru creșterea plantelor, prea multă cantitate poate dăuna sau chiar ucide plantele. Avem nevoie de mai multe cercetări pentru a ști care ar fi efectele sale asupra vieții plantelor. „Nu avem suficiente date pentru a spune dacă cantitatea de clorură produsă prin acest proces ar fi prea mare pentru plante, dar este posibil să fie”, a spus ea.

O altă soluție potențială ar fi să spălați literalmente perclorații din regolit. Perclorații sunt un fel de sare și sunt solubili în apă, așa că clătirea regolitului le-ar elimina. „Cu toate acestea, acest lucru ar putea elimina și alți nutrienți, cum ar fi nitrații”, a avertizat Fackrell. Ca să nu mai vorbim de problemele legate de utilizarea apei prețioase în acest scop.

Totuși, prezența percloraților nu este neapărat o veste proastă. Fackrell a subliniat că faptul că bacteriile consumă perclorați pentru a curăța solul ar produce produsul secundar util al oxigen, care ar putea face parte dintr-un sistem durabil pentru satisfacerea nevoilor astronauților: „Perclorații reprezintă un provocare; cu toate acestea, ele prezintă și oportunitatea de a fi transformate într-o resursă pentru oxigen.”

Configurarea unui sistem

Ajută să te gândești la crearea agriculturii pe Marte ca un joc pe termen lung. Scopul nu este doar de a crește un singur randament de culturi, ci de a crea un sistem durabil.

Prima recoltă este cea mai grea. Odată ce acest lucru este făcut și bacteriile sunt stabilite, orice materie vegetală rămasă din recoltele anterioare poate fi adăugată înapoi în sol, ceea ce adaugă nutrienți și ajută la reținerea apei. Deci, în timp, solul va deveni mai fertil și mai primitor pentru plante.

Asta înseamnă că există un impuls puternic pentru a începe încercările de a cultiva plante de îndată ce oamenii ajung pe Marte pentru o perioadă de timp. „Cred că trebuie să pleci de la prima expediție pentru a începe să-ți crești propria hrană. În caz contrar, cel mai probabil nu va fi posibil să faceți acest lucru”, a spus Wamelink. Expedițiile timpurii își aduceau cu siguranță și propria lor hrană, în cazul în care ar exista probleme cu creșterea culturilor. Dar ar putea începe procesul de a face solul utilizabil.

Este, de asemenea, posibil să se păstreze solul cultivat între misiuni atâta timp cât are aer, lumină și căldură. Puteți semăna anumite culturi, cum ar fi tipurile de varză necomestibile, care pot fi lăsate să fertilizeze solul în timp ce sunteți plecat. Acesta este același principiu pe care fermierii îl folosesc în țara natală a lui Wamelink, Țările de Jos, pentru a-și îmbunătăți solul în timpul iernii.

O altă considerație este modul în care te descurci cu polenizarea plantelor, atât pentru o recoltă mai generoasă, cât și pentru a crea semințe pentru culturile viitoare. Multe specii de plante folosesc vântul pentru a-și transporta polenul. Dar asta înseamnă că ar trebui să configurați fluxul de aer într-un habitat de pe Marte, ceea ce nu ar fi ușor. Există, totuși, o altă opțiune, care este folosirea albinelor.

Albinele sunt polenizatori excelente și ar putea fi aduse de pe Pământ pentru a trăi într-un habitat marțian. Reginele bondar ar putea fi puse în hibernare pentru o călătorie în spațiu și apoi eliberate pentru a se răspândi în jurul polenului.

Muștele sunt o altă opțiune și au un alt avantaj: larvele de muște pot fi comestibile și la fel de zgomotoase cât mai mulți oameni ar putea fi despre consumul lor, ar putea oferi o sursă importantă de proteine ​​într-un vegetarian sau vegan altfel cura de slabire.

Tot ce avem nevoie

În ciuda numeroaselor complexități ale creșterii alimentelor pe Marte, teoretic este posibil. Sunt încă multe detalii de rezolvat, dar, în principiu, putem crește culturi acolo atâta timp cât astronauții aduc materialele potrivite cu ei. „Am o listă de cumpărături!” a glumit Wamelink.

Singura limitare pe care a subliniat-o a fost că toate aceste experimente s-au bazat pe simulantul Marte disponibil în prezent, astfel încât rezultatele sunt la fel de precise pe cât este simulantul. Problema percloraților și modul în care aceștia ar putea afecta atât plantele, cât și oamenii este una deschisă, iar misiunile viitoare precum Mars Sample Return ar trebui să ne ajute să fim mai siguri despre exact ce ne putem aștepta de la Marte mediu inconjurator.

Nu va fi ușor, dar astronauții s-ar putea bucura într-o zi de legume proaspete, cultivate pe Marte, ca parte de zi cu zi a dietei lor. „Trebuie să faci multe lucruri pentru a începe”, a avertizat Wamelink, „dar acum știm cum să o facem.”

Acest articol face parte din Viata pe Marte – o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte

Recomandările editorilor

• O navetă cosmologică: logistica complicată a punerii oamenilor pe Marte
• Perfecționarea propulsiei: cum vom duce oamenii pe Marte
• Castele făcute din nisip: Cum vom face habitate cu solul marțian
• Atmosfere artificiale: Cum vom construi o bază cu aer respirabil pe Marte
• Recoltarea hidratării: cum vor crea și colecta apă pe Marte viitorii coloniști