Астросельское хозяйство: как мы будем выращивать еду на Марсе

Если мы когда-нибудь надеемся отправить людей в жить на Марсе в течение длительного периода времени нам нужно будет держать их в тепле, безопасности и сытости. Это последнее требование создает проблемы для миссии, которая может перевезти лишь ограниченное количество припасов. Даже если бы консервированные бобы не были такими тяжелыми, никто не захочет питаться ими в течение годовой миссии.

Будущее обитания на Марсе требует свежевыращенных фруктов, овощей и зерна. Но как заниматься сельским хозяйством на такой ядовитой и смертоносной планете, как Марс? 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, посвященная передовым наукам и технологиям, которые позволят людям заселить Марс.

Основные предметы первой необходимости

Растения — выносливые существа, но у них есть некоторые важные требования. Для хорошего роста им необходимо тепло, умеренное атмосферное давление и защита от вредного излучения. Доставить эти вещи на Марс было бы непросто, если бы не тот факт, что они нужны и людям.

Самым простым решением было бы то, что какую бы среду обитания вы ни построили для размещения астронавтов на Марсе, вы также построите и для размещения всех сельскохозяйственных культур. Добавьте несколько простых светодиодных фонарей, и астронавты смогут легко ухаживать за растениями по мере их роста. Добавление света должно противодействовать любым эффектам более низкой гравитации Марса, поскольку даже в условиях невесомости растения естественным образом отращивают корни вдали от источников света. Герметичная среда даже имеет то преимущество, что вы можете контролировать такие условия, как температура и влажность.

Вигер Вамелинк, селекционер растений и эколог из Вагенингенского университета, один из ведущих исследователей сельского хозяйства на Луне и Марсе, рассказал 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 закрытых помещениях со светодиодным освещением. В принципе, сказал он, «это то, что вы можете сделать на Марсе, или в пустыне, если хотите, или в городе».

Культивирование жизни в мертвой почве

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 определенных минералов, таких как фосфор и калий, которые используют растения. На Марсе нет почвы — вместо этого на его поверхности лежит мертвый пыльный материал, называемый реголитом.

Мы не знаем точных подробностей того, из чего состоит этот реголит, и в разных регионах он может иметь разный состав. Но у нас есть примерное представление о том, что в нем содержится, 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 из дешевых, он доступен для покупки в исследовательских целях. Около десяти лет назад Вамелинк задался вопросом, можно ли использовать симулятор для выращивания сельскохозяйственных культур, и изучил этот вопрос. «Я обнаружил, — сказал он, — к моему большому удивлению, должен сказать, что никто никогда этого не пробовал».

Итак, он начал посадка семян в почву Марса, Луны и Земли сравнить их рост. В своих первых экспериментах Уэмелинк ожидал, что растениям будет трудно работать в симуляторе Марса. «Это очень бедная питательными веществами почва», — объяснил он. В нем нет органических веществ и содержатся тяжелые металлы, которые могут помешать растениям прорастать. «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 в течение суток. «Это на самом деле вызвало проблемы», — со смехом сказал Вамелинк, — потому что команде внезапно пришлось ухаживать за огромным урожаем, состоящим из более чем 4000 растений.

Растения требовали обильного и осторожного полива, поскольку реголит гидрофобен, то есть не впитывает много влаги. Так что будущим марсианским фермерам понадобится много воды чтобы их урожай продолжал расти.

И хотя растения действительно росли в имитаторе марсианского реголита, они достигали всего нескольких сантиметров в высоту и не давали ничего съедобного. Чтобы растения выросли до полного размера и дали овощи, необходимо добавлять питательные вещества.

Удобрение почвы

Ключевым компонентом, которого не хватает марсианской почве для растений, является органическое вещество. Органические вещества являются особенно важным источником питательных веществ при расщеплении бактериями, а это означает, что нам также придется добавлять бактерии в будущие регионы выращивания.

К счастью, люди, будучи ходячими колониями микробов, изобилуют бактериями. Итак, хотя это довольно неприятная концепция, у нас есть способ их приобрести. Самым эффективным методом было бы сохранить мочу и фекалии, полученные 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 картофель в марсианской почве из сточных вод его самого и его товарищей по команде, это та же концепция. Однако, чтобы сохранить здоровье всех, вам необходимо принять меры по уничтожению любых патогенов, которые могут передаваться через человеческие отходы.

Вы можете помочь в процессе переваривания органических веществ и переработки их в почву, внедрив червей. Даже на Марсе дождевые черви — лучшие друзья садовника, поскольку они переваривают органические вещества и производят удобрение, а также рытье 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 обогатится питательными веществами, органическими веществами, бактериями и червями, вы можете приступить к посадке семян. Семена можно без особых проблем доставить с Земли, поскольку они маленькие и легкие.

Будущие жители Марса могут иметь более разнообразный выбор диеты, чем вы думаете. Вамелинк сообщил мне, что в имитаторе марсианского реголита могут расти все виды съедобных растений. Поэтому, хотя гидропонные системы используются в таких местах, как Международная космическая станция, где растения выращиваются не в почве, а в суспендированные в питательном растворе, лучше подходят для выращивания листовой зелени, чем крахмалистые овощи, их можно выращивать практически что-либо в почве. Имитатор марсианского реголита использовался для выращивания картофеля, зеленой фасоли, помидоров, моркови, редиса, 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 также кадмий, свинец, ртуть — все, что вам не нужно в пище», — сказал Уэмелинк.

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

Хорошей новостью является то, что когда были проанализированы овощи, выращенные в симуляторе, они оказались безопасными для употребления в пищу. Содержание тяжелых металлов во всех продуктах питания было ниже опасного уровня, а в некоторых случаях уровни были даже ниже в выращенных на реголите продуктах. овощи, чем овощи, выращенные в обычной горшечной почве, возможно, из-за таких загрязнителей, как выхлопы автомобилей, загрязняющих почву здесь. на земле.

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

«Мы можем взять с собой на Марс грибы, которые могут расти в камнях и выделять фосфаты», — предположил Уэмелинк в качестве будущего направления исследований. «Они живут в симбиозе с корнями растений».

Проблема перхлоратов

Возможно, самым большим препятствием для безопасного выращивания продуктов питания 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 образцы симуляторов по состоянию здоровья.

Недавнее исследование предположил, что присутствие этих перхлоратов в реголите может быть более серьезной проблемой, чем предполагалось ранее. Когда исследователи взяли имитатор реголита и добавили перхлорат кальция в количествах, аналогичных тем, что были обнаружены на Марсе, растения не смогли расти в нем, даже когда были добавлены дополнительные питательные вещества.

Однако это не означает, что мы должны отказаться от мечты о еде, выращенной на Марсе. Эндрю Палмер из Технологического института Флориды, старший автор исследования, сообщил Digital Trends в электронном письме, что, хотя присутствие перхлоратов на Марсе является проблемой для продуктов питания производства, «это не нарушает условия сделки». Должна быть возможность ввести в экосистему микроорганизмы или определенные растения 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 исследованием жизнеспособность реголита для выращивания сельскохозяйственных культурЛаура Факрел из Университета Джорджии согласилась с тем, что перхлораты представляют собой проблему, но не непреодолимую. Она предположила, что перхлораты можно очищать от реголита с помощью бактерий, поскольку существует множество видов бактерий, которые могут поглощать или разлагать перхлораты, некоторые из которых используются для очистка загрязненной воды здесь, на Земле. Но и здесь есть проблемы. 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 растениям или даже убить их. Нам нужны дополнительные исследования, чтобы знать, как это повлияет на жизнь растений. «У нас недостаточно данных, чтобы сказать, будет ли количество хлорида, полученного в результате этого процесса, слишком большим для растений, но, скорее всего, так оно и есть», — сказала она.

Другим потенциальным решением было бы буквально вымыть перхлораты из реголита. Перхлораты представляют собой разновидность соли и растворимы в воде, поэтому промывка реголита приведет к их удалению. «Однако это также может привести к удалению других питательных веществ, таких как нитраты», — предупредил Факрелл. Не говоря уже о проблемах с использованием для этих целей драгоценной воды.

Однако наличие перхлоратов – это не обязательно плохие новости. Факрел отметил, что потребление перхлоратов бактериями для очистки почвы приведет к образованию полезного побочного продукта: кислорода, который мог бы стать частью устойчивой системы удовлетворения потребностей астронавтов: «Перхлораты представляют собой вполне реальный испытание; однако они также предоставляют возможность превратиться в источник кислорода».

Настройка системы

Полезно думать о создании сельского хозяйства на Марсе как о долгосрочной игре. Целью является не просто выращивание одного урожая сельскохозяйственных культур, а создание устойчивой системы.

Первый урожай – самый трудный. Как только это будет сделано и бактерии приживутся, любые растительные остатки, оставшиеся от предыдущих урожаев, можно будет добавить обратно в почву, что одновременно добавит питательные вещества и поможет удерживать воду. Так со временем почва станет более плодородной и гостеприимной для растений.

Это означает, что существует сильный стимул начать попытки выращивать растения, как только люди прибудут на Марс на любой период времени. «Я думаю, чтобы начать выращивать себе еду, нужно начать с первой экспедиции. В противном случае сделать это, скорее всего, будет невозможно», — сказал Вамелинк. Первые экспедиции наверняка также привозили с собой еду на случай, если возникнут проблемы с ростом урожая. Но они могли бы начать процесс приведения почвы в пригодное для использования состояние.

Также можно сохранять обработанную почву между миссиями, пока в ней есть воздух, свет и тепло. Вы можете посеять определенные культуры, например несъедобные виды капусты, которые можно оставить для удобрения почвы, пока вас нет. Это тот же принцип, который фермеры используют в Нидерландах, родной стране Вамелинка, для улучшения почвы в зимний период.

Еще одним соображением является то, 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 пыльцы. Но это означает, что вам нужно будет организовать воздушный поток в марсианской среде обитания, а это будет непросто. Однако есть еще один вариант — использовать пчел.

Пчелы — отличные опылители, и их можно привезти с Земли, чтобы они жили в марсианской среде обитания. Королевы шмелей потенциально могут быть помещены в спячку перед космическим путешествием, а затем выпущены для распространения вокруг пыльцы.

Мухи — еще один вариант, и у них есть еще одно преимущество: личинки мух съедобны и столь же брезгливы, как и многие люди. может заключаться в их употреблении в пищу, они могут стать важным источником белка для вегетарианцев или веганов. диета.

Все, что нам нужно

Несмотря на множество сложностей выращивания продуктов питания на Марсе, это теоретически возможно. Многие детали еще предстоит проработать, но в принципе мы сможем выращивать там урожай, если астронавты принесут с собой нужные материалы. «У меня есть список покупок!» Вамелинк пошутил.

Единственное ограничение, которое он подчеркнул, заключалось в том, что все эти эксперименты были основаны на доступном в настоящее время симуляторе Марса, поэтому точность результатов зависит от точности симулятора. Вопрос о перхлоратах и ​​о том, как они могут повлиять как на растения, так и на человека, остается открытым, и будущие миссии, такие как Возвращение образца с Марса должно помочь нам стать более уверенными в том, чего именно мы можем ожидать от Марса. среда.

Это будет непросто, но однажды астронавты смогут наслаждаться свежими, выращенными на Марсе овощами, которые станут повседневной частью их рациона. «Чтобы это заработало, вам придется сделать многое, — предупредил Уэмелинк, — но теперь мы знаем, как это сделать».

Эта статья является частью Жизнь на Марсе – серия из 10 частей, посвященная передовым наукам и технологиям, которые позволят людям заселить 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 создадим среду обитания из марсианского грунта
• Искусственная атмосфера: как мы построим на Марсе базу с пригодным для дыхания воздухом
• Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе