Астроземледелие: как мы будем выращивать еду на Марсе

Если мы когда-нибудь надеемся послать людей в жить на Марсе в течение длительного периода времени нам нужно будет держать их в тепле, безопасности и сытости. Это последнее требование представляет собой проблему для миссии, которая может нести только ограниченное количество припасов. Даже если бы консервированные бобы не были такими тяжелыми, никто не хочет питаться ими в течение года миссии.

Будущее обитания на Марсе требует свежевыращенных фруктов, овощей и злаков. Но как заниматься сельским хозяйством на ядовитой и смертоносной планете вроде Марса? Чтобы получить ответ, мы поговорили с тремя исследователями Марса из области экологии, геологии и биохимии.

Эта статья является частью Жизнь на Марсе - серия из 10 частей, в которой исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Основные предметы первой необходимости

Растения — выносливые существа, но у них есть некоторые существенные требования. Для хорошего роста им необходимо тепло, умеренное атмосферное давление и защита от вредных излучений. Эти вещи было бы непросто обеспечить на Марсе, за исключением того факта, что людям они тоже нужны.

Самое простое решение состоит в том, что какую бы среду обитания вы ни строили для космонавтов на Марсе, вы также строите и для всех культур. Добавьте несколько простых светодиодных ламп, и астронавты смогут легко ухаживать за своими растениями по мере их роста. Добавление света должно нейтрализовать любые эффекты низкой гравитации Марса, поскольку даже в условиях невесомости растения естественным образом укореняются вдали от источников света. Закрытая среда имеет то преимущество, что вы можете контролировать такие условия, как температура и влажность.

Вигер Вамелинк, селекционер и эколог из Вагенингенского университета, один из ведущих исследователей сельского хозяйства на Луне и Марсе, сказал Digital Trends, что выращивание растений в космосе на самом деле очень похоже на городское сельское хозяйство, движение за эффективное выращивание продуктов питания в городских условиях. настройки. Часто это достигается путем создания стерильной среды в жилых помещениях со светодиодным освещением. В принципе, сказал он, «это то, что вы можете сделать на Марсе, или в пустыне, если хотите, или в городе».

Выращивание жизни в мертвой земле

Однако самым большим препятствием для выращивания сельскохозяйственных культур на Марсе является отсутствие чего-то, казалось бы, простого: старой доброй грязи. Почва на Земле полна живых организмов, а также некоторых минералов, таких как фосфор и калий, которые используются растениями. На Марсе нет почвы — вместо этого его поверхность покрыта мертвым пыльным материалом, называемым реголитом.

Мы не знаем точных деталей того, из чего состоит этот реголит, и он может иметь разный состав в разных регионах. Но у нас есть приблизительное представление о том, что внутри, что позволило НАСА разработать симулятор реголита. По сути, это воссоздание марсианской почвы на основе наших текущих знаний о поверхности планеты.

Это означает, что вы можете экспериментировать с марсианской «почвой» здесь, на Земле. Хотя симулятор не дешевый, он доступны для покупки для исследовательских целей. Около десяти лет назад Вамелинк задался вопросом, можно ли использовать симулятор для выращивания сельскохозяйственных культур, и изучил этот вопрос. «То, что я обнаружил, — сказал он, — к моему большому удивлению, должен сказать, это то, что никто никогда не пробовал этого».

Так он начал посадка семян на Марсе, Луне и земной почве сравнить их рост. В своих первых экспериментах Вамелинк ожидал, что растениям будет трудно в симуляторе Марса. «Это очень бедная питательными веществами почва, — объяснил он. В нем нет органических веществ, и он содержит тяжелые металлы, которые могут препятствовать прорастанию растений. «Мои ожидания были очень низкими, — сказал он.

Его команда посадила 4200 семян 14 различных видов, ожидая, что большинство из них погибнет. Но результаты сильно отличались от того, что предсказывали исследователи. Почти все семена проросли — некоторые из них в течение суток. Это на самом деле вызвало проблемы, сказал Вамелинк со смехом, потому что команде внезапно пришлось ухаживать за огромным урожаем из более чем 4000 растений.

Растения требовали обильного осторожного полива, потому что реголит гидрофобный, то есть не впитывает много влаги. Так что будущим марсианским фермерам понадобится много воды чтобы их урожай рос.

И хотя растения действительно росли в симуляторе марсианского реголита, они достигали всего нескольких сантиметров в высоту и не производили ничего съедобного. Чтобы растения выросли до полного размера и дали овощи, вам нужно добавить питательные вещества.

Удобрение почвы

Ключевым компонентом, которого не хватает марсианской почве для растений, является органическое вещество. Органическое вещество является особенно важным источником питательных веществ, когда оно расщепляется бактериями, а это значит, что нам нужно будет добавлять бактерии и в будущие регионы выращивания.

К счастью, как ходячие колонии микробов, люди кишат бактериями. Итак, хотя это довольно неприятная концепция, у нас есть способ их приобрести. Наиболее эффективным методом было бы сохранить мочу и фекалии, произведенные астронавтами во время их многомесячного путешествия на Марс, а затем добавить их в реголит для культивирования бактерий. Если вы видели фильм Марсианин, где пропавший астронавт Марк Уотни выращивает картошку в марсианской почве с нечистотами его и его товарищей по команде, это та же концепция. Однако, чтобы все были здоровы, вам необходимо принять меры для уничтожения любых патогенов, которые могут передаваться через отходы жизнедеятельности человека.

Вы можете помочь в процессе переваривания органических веществ и их повторного использования в почве, вводя червей. Даже на Марсе дождевые черви — лучшие друзья садовода, поскольку они переваривают органические вещества и производят удобрение вместе с рытьем туннелей, которые обеспечивают важную аэрацию и удержание воды для растения корни расти. «Я думаю, что они необходимы для хорошей системы», — сказал Вамелинк. Кроме того, яйца червей могут храниться в течение длительного времени, что делает их потенциально пригодными для транспортировки на Марс.

Как только ваш марсианский реголит будет обогащен питательными веществами, органическими веществами, бактериями и червями, вы можете начать сажать семена. Семена можно доставить с Земли без особых проблем, так как они маленькие и легкие.

У будущих обитателей Марса может быть более разнообразный выбор диеты, чем вы себе представляете. Вамелинк говорит мне, что все виды съедобных растений могут расти в симуляторе марсианского реголита. Поэтому, хотя гидропонные системы используются в таких местах, как Международная космическая станция, где растения выращивают не в почве, а взвешенные в питательном растворе, лучше подходят для выращивания листовой зелени, чем крахмалистых овощей, вы можете выращивать практически что-нибудь в почве. Имитатор Mars regolith использовался для выращивания картофеля, зеленой фасоли, помидоров, моркови, редиски, пшеницы, ржи и многого другого.

Избавление от гадостей

Одной из проблем безопасности марсианского грунта является наличие опасных тяжелых металлов. «Это не только цинк, которого нам нужно немного, но и кадмий, свинец, ртуть — все то, что вам не нужно в пище», — сказал Вамелинк.

Однако это не обязательно такая большая проблема, как вы думаете. «Это на самом деле не отличается от Земли», — отметил он, поскольку тяжелые металлы можно найти и в нашей почве. Вопрос заключается в том, связаны ли эти тяжелые металлы таким образом, чтобы предотвратить их попадание в почву и последующее поглощение растениями.

Хорошая новость заключается в том, что когда овощи, выращенные в симуляторе, были проанализированы, они оказались безопасными для употребления в пищу. Тяжелые металлы были ниже опасного уровня во всех продуктах питания, а в некоторых случаях даже ниже в продуктах, выращенных на реголите. овощи, чем в овощах, выращенных в обычной горшечной почве, возможно, из-за загрязняющих веществ, таких как автомобильные выхлопы, загрязняющие почву здесь на земле.

Существует также обеспокоенность по поводу того, насколько кислой является почва на Луне и Марсе, что может ограничить способность растений получать доступ к другой важной молекуле — фосфату. Рассматривается новая область исследований: добавление некоторые виды грибов чтобы реголит мог решить эту проблему.

«Мы можем взять с собой на Марс грибы, которые действительно могут расти в горных породах и выделять фосфаты», — предложил Вамелинк в качестве будущего направления исследований. «Они живут в симбиозе с корнями растений».

Проблема перхлоратов

Возможно, самым большим препятствием для безопасного выращивания пищи на Марсе является проблема перхлоратов, химических веществ, обнаруженных в реголите, которые токсичны как для людей, так и для растений. Они настолько опасны, что их не включают в имитационные образцы по состоянию здоровья.

Недавнее исследование предположил, что присутствие этих перхлоратов в реголите может быть большей проблемой, чем предполагалось ранее. Когда исследователи взяли имитатор реголита и добавили перхлорат кальция в количествах, подобных тем, которые были найдены на Марсе, растения не смогли расти в нем даже при добавлении дополнительных питательных веществ.

Это не означает, что мы должны отказаться от мечты о выращенной на Марсе еде. Эндрю Палмер из Технологического института Флориды, старший автор исследования, сообщил Digital Trends в электронном письме, что присутствие перхлоратов на Марсе является проблемой для продуктов питания. производство, «это не нарушение условий сделки». Должна быть возможность ввести микроорганизмы или определенные растения в экосистему для очистки реголита от токсинов в процессе, называемом биоремедиация. «Такие помощники — обычные игроки в наших экосистемах на Земле. Нет никаких причин, по которым мы должны игнорировать их потенциал внести свой вклад в экосистему, которую мы создаем для наших марсианских колонистов», — сказал он.

Другой исследователь, занимавшийся изучением жизнеспособность реголита для выращивания сельскохозяйственных культурЛаура Факрелл из Университета Джорджии согласилась с тем, что перхлораты представляют собой проблему, но не непреодолимую. Она предположила, что перхлораты можно очистить от реголита с помощью бактерий, поскольку существует множество видов бактерий, которые могут потреблять или разлагать перхлораты, некоторые из которых используются для очистка загрязненной воды здесь, на Земле. Но и здесь есть трудности. В результате этой реакции образуются как кислород, так и хлорид, и хотя хлорид нетоксичен и может быть полезен для роста растений, слишком большое его количество может нанести вред или даже убить растения. Нам нужно больше исследований, чтобы узнать, как это повлияет на жизнь растений. «У нас недостаточно данных, чтобы сказать, будет ли количество хлорида, производимого в этом процессе, слишком большим для растений, но, скорее всего, так оно и есть», — сказала она.

Другим потенциальным решением было бы буквальное вымывание перхлоратов из реголита. Перхлораты представляют собой разновидность соли и растворимы в воде, поэтому промывание реголита может их удалить. «Однако это также может привести к удалению других питательных веществ, таких как нитраты», — предупредил Факрелл. Не говоря уже о проблемах с использованием драгоценной воды для этой цели.

Однако наличие перхлоратов не всегда является плохой новостью. Факрелл указал, что если бактерии потребляют перхлораты для очистки почвы, они будут производить полезный побочный продукт: кислорода, который мог бы стать частью устойчивой системы удовлетворения потребностей космонавтов: «Перхлораты представляют собой вполне реальную испытание; однако они также дают возможность превратиться в источник кислорода».

Настройка системы

Это помогает думать о создании сельского хозяйства на Марсе как о долгосрочной игре. Цель состоит не только в том, чтобы вырастить единый урожай сельскохозяйственных культур, но и в том, чтобы создать устойчивую систему.

Первый урожай самый тяжелый. Как только это будет сделано и бактерии приживутся, любой растительный материал, оставшийся от предыдущих урожаев, можно будет добавить обратно в почву, которая одновременно добавляет питательные вещества и помогает удерживать воду. Так со временем почва станет более плодородной и более гостеприимной для растений.

Это означает, что есть сильный стимул начать попытки выращивать растения, как только люди прибудут на Марс на любой срок. «Я думаю, что нужно начинать с первой экспедиции, чтобы начать выращивать себе еду. В противном случае, скорее всего, это будет невозможно», — сказал Вамелинк. Первые экспедиции, безусловно, также приносили свою еду на случай, если возникнут проблемы с ростом урожая. Но они могли бы начать процесс превращения почвы в пригодную для использования.

Также можно сохранять обработанную почву между миссиями, пока в ней есть воздух, свет и тепло. Вы можете сеять определенные культуры, такие как несъедобные сорта капусты, которые можно оставить для удобрения почвы, пока вас нет. Это тот же принцип, который используют фермеры на родине Вамелинка в Нидерландах для улучшения почвы зимой.

Еще одно соображение заключается в том, как вы справляетесь с опылением растений, как для получения более щедрого урожая, так и для создания семян для будущих культур. Многие виды растений используют ветер для переноса своей пыльцы. Но это означает, что вам нужно будет настроить поток воздуха в среде обитания на Марсе, что будет непросто. Однако есть еще один вариант — использовать пчел.

Пчелы являются отличными опылителями и могут быть перенесены с Земли, чтобы жить в марсианской среде обитания. Королевы шмелей потенциально могут быть помещены в спячку для космического путешествия, а затем выпущены для распространения пыльцы.

Мухи — еще один вариант, и у них есть еще одно преимущество: личинки мух могут быть съедобными и такими же брезгливыми, как и многие люди. может быть связано с их употреблением в пищу, они могут стать важным источником белка для вегетарианцев или веганов. диета.

Все, что нам нужно

Несмотря на множество сложностей выращивания пищи на Марсе, теоретически это возможно. Есть много деталей, которые еще предстоит проработать, но в принципе мы можем выращивать там урожай, если астронавты привезут с собой нужные материалы. «У меня есть список покупок!» – пошутил Вамелинк.

Единственное ограничение, которое он подчеркнул, заключалось в том, что все эти эксперименты были основаны на симуляторе Марса, доступном в настоящее время, поэтому результаты будут настолько точными, насколько точен симулятор. Вопрос о перхлоратах и ​​о том, как они могут воздействовать на растения и человека, является открытым, и будущие миссии, такие как Возвращение образцов Марса должно помочь нам стать более уверенными в том, чего именно мы можем ожидать от Марса. среда.

Это будет нелегко, но однажды астронавты смогут наслаждаться свежими овощами, выращенными на Марсе, как частью своего ежедневного рациона. «Вы должны сделать много вещей, чтобы это заработало, — предупредил Вамелинк, — но теперь мы знаем, как это сделать».

Эта статья является частью Жизнь на Марсе - серия из 10 частей, в которой исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Рекомендации редакции

• Космологическое путешествие: сложная логистика доставки людей на Марс
• Совершенствование двигательной установки: как мы доставим людей на Марс
• Замки из песка: как мы будем делать жилища из марсианского грунта
• Искусственные атмосферы: как мы построим базу с пригодным для дыхания воздухом на Марсе
• Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе