Astrokmetijstvo: Kako bomo gojili hrano na Marsu

Če bomo kdaj upali poslati ljudi na živeti na Marsu dlje časa jih bomo morali hraniti na toplem, varnem in dobro hranjene. Ta zadnja zahteva predstavlja izziv za misijo, ki lahko nosi le omejeno količino zalog. Tudi če fižol v pločevinkah ne bi bil tako težak, se nihče noče z njim preživljati celoletno misijo.

Prihodnost bivanja na Marsu zahteva sveže pridelano sadje, zelenjavo in žita. Toda kako kmetovati na strupenem, smrtonosnem planetu, kot je Mars? Da bi dobili odgovor, smo se pogovarjali s tremi raziskovalci Marsa s področja ekologije, geologije in biokemije.

Ta članek je del Življenje na Marsu – 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Osnovne nujne stvari

Rastline so odporne stvari, vendar imajo nekaj bistvenih zahtev. Za dobro rast potrebujejo toploto, primeren atmosferski tlak in zaščito pred škodljivim sevanjem. Te stvari bi bil izziv zagotoviti na Marsu, razen dejstva, da jih ljudje potrebujejo tudi vse.

Najenostavnejša rešitev bi bila, da ne glede na habitat, ki ga zgradite za bivanje astronavtov na Marsu, zgradite tudi za vse pridelke. Dodajte nekaj preprostih LED luči in astronavti bodo lahko zlahka skrbeli za svoje rastline, ko bodo rasle. Dodajanje luči bi moralo preprečiti vse učinke nižje gravitacije Marsa, saj rastline tudi v ničelni gravitaciji naravno poganjajo korenine stran od virov svetlobe. Zaprto okolje ima celo to prednost, da lahko nadzirate pogoje, kot sta temperatura in vlažnost.

Wieger Wamelink, žlahtnitelj rastlin in ekolog na univerzi Wageningen, ki je eden vodilnih raziskovalcev kmetijstva na Luni in Marsu, je za Digital Trends povedal, da je gojenje rastlin v vesolju pravzaprav zelo primerljivo z mestnim kmetijstvom, gibanjem za učinkovito gojenje hrane v mestih. nastavitve. Pogosto se to doseže z vzpostavitvijo sterilnih okolij v notranjih habitatih z LED lučmi. Načeloma je rekel, "to je nekaj, kar lahko počnete na Marsu ali v puščavi, če želite, ali v mestu."

Gojenje življenja v mrtvi zemlji

Največja ovira za pridelavo pridelkov na Marsu pa je pomanjkanje nečesa na videz preprostega: dobre staromodne umazanije. Tla na Zemlji so polna živih organizmov in nekaterih mineralov, kot sta fosfor in kalij, ki jih uporabljajo rastline. Mars nima prsti - namesto tega ima mrtev, prašen material, imenovan regolit, ki pokriva njegovo površino.

Ne vemo natančnih podrobnosti o tem, iz česa je sestavljen ta regolit, in lahko ima različne sestave v različnih regijah. Vendar imamo grobo predstavo o tem, kaj je v njem, kar je Nasi omogočilo razvoj simulanta regolita. To je v bistvu poustvaritev Marsove zemlje na podlagi našega trenutnega znanja o površini planeta.

To pomeni, da lahko eksperimentirate z marsovsko "zemljo" tukaj na Zemlji. Čeprav simulant ni poceni, je na voljo za nakup v raziskovalne namene. Pred približno desetletjem se je Wamelink spraševal, ali bi simulant lahko uporabili za gojenje poljščin, in preučil to temo. "Kar sem ugotovil," je rekel, "na svoje veliko presenečenje moram reči, da tega ni nihče nikoli poskusil."

Tako je začel sajenje semen v tla Marsa, Lune in Zemlje primerjati njihovo rast. V svojih prvih poskusih je Wamelink pričakoval, da se bodo rastline v simulantu Marsa borile. "To je zemlja, ki je zelo revna s hranili," je pojasnil. V sebi nima organskih snovi, vsebuje pa težke kovine, ki bi lahko preprečile kalitev rastlin. "Moja pričakovanja so bila zelo nizka," je dejal.

Njegova ekipa je posadila 4200 semen 14 različnih vrst in pričakovala, da jih bo večina umrla. Toda rezultati so bili zelo drugačni od napovedi raziskovalcev. Skoraj vsa semena so vzklila – nekatera v 24 urah. To je pravzaprav povzročilo težave, je v smehu povedal Wamelink, saj je ekipa nenadoma morala skrbeti za ogromen pridelek več kot 4000 rastlin.

Rastline so zahtevale veliko skrbnega zalivanja, ker je regolit hidrofoben, kar pomeni, da ne absorbira veliko vlage. Torej bodo prihodnji marsovski kmetje potrebovali veliko vode da bodo njihovi pridelki rasli.

In medtem ko so rastline rasle v simulaciji Marsovega regolita, so dosegle le nekaj centimetrov visoko in niso proizvedle ničesar užitnega. Da bi rastline zrasle do polne velikosti in dale zelenjavo, morate dodati hranila.

Gnojenje tal

Ključna komponenta, ki Marsovi prsti manjka, kar zadeva rastline, je organska snov. Organska snov je še posebej pomemben vir hranil, ko jo razgradijo bakterije, kar pomeni, da bomo morali dodajati bakterije tudi v prihodnje rastoče regije.

Na srečo so ljudje kot hodeče kolonije mikrobov polni bakterij. Torej, čeprav je to precej neprijeten koncept, imamo način, da jih pridobimo. Najučinkovitejša metoda bi bila ohraniti urin in iztrebke, ki so jih proizvedli astronavti na svojem večmesečnem potovanju na Mars, nato pa jih dodati regolitu za gojenje bakterij. Če ste videli film Marsovca, kjer izgubljeni astronavt Mark Watney goji krompir v Marsovi zemlji s svojo in odplakami svojih članov posadke, gre za isti koncept. Da pa bi vsi ostali zdravi, bi morali sprejeti ukrepe za uničenje vseh patogenov, ki bi se lahko prenašali s človeškimi odpadki.

Z vnosom črvov lahko pomagate pri procesu prebave organske snovi in ​​njenega recikliranja v zemljo. Tudi na Marsu so deževniki vrtnarjev najboljši prijatelj, saj prebavljajo organske snovi in ​​pridelujejo gnojilo skupaj s kopanjem tunelov, ki zagotavljajo pomembno prezračevanje in zadrževanje vode za rastlino korenine za rast. "Mislim, da so bistveni za dober sistem," je dejal Wamelink. Poleg tega je jajca črvov mogoče hraniti dolgo časa, zaradi česar jih je mogoče prenesti na Mars.

Ko je vaš Marsov regolit obogaten s hranili, organskimi snovmi, bakterijami in črvi, lahko začnete saditi semena. Semena je mogoče prinesti z Zemlje brez večjih težav, saj so majhna in lahka.

Bodoči prebivalci Marsa bodo morda imeli bolj pestro izbiro prehrane, kot si predstavljate. Wamelink mi pravi, da lahko vse vrste užitnih rastlin rastejo v simulatorju Marsovskega regolita. Torej, medtem ko se hidroponski sistemi, ki se uporabljajo na mestih, kot je Mednarodna vesoljska postaja, kjer rastline ne gojijo v zemlji, ampak suspendirane v hranilni raztopini, so bolj primerne za gojenje listnate zelenjave kot škrobna zelenjava, lahko gojite praktično karkoli v zemlji. Simulant Marsovega regolita je bil uporabljen za gojenje krompirja, stročjega fižola, paradižnika, korenja, redkvice, pšenice, rži in še več.

Znebite se gnusov

Eden od pomislekov glede varnosti tal Marsa je prisotnost nevarnih težkih kovin. "Ne gre le za cink, ki ga potrebujemo malo, ampak tudi za kadmij, svinec, živo srebro - vse stvari, ki jih ne želite v svoji hrani," je dejal Wamelink.

Vendar to ni nujno tako velik problem, kot si morda mislite. "To se pravzaprav ne razlikuje od Zemlje," je poudaril, saj lahko težke kovine najdemo tudi v naši zemlji. Vprašanje je, ali so te težke kovine vezane na način, ki preprečuje, da bi se sprostile v tla in jih nato absorbirale rastline.

Dobra novica je, da so pri analizi zelenjave, pridelane v modelni raztopini, ugotovili, da je varna za uživanje. Težke kovine so bile v vsej hrani pod nevarnimi ravnmi, v nekaterih primerih pa so bile ravni še nižje v regolitu, gojenem zelenjava kot v zelenjavi, pridelani v običajni zemlji za lončke, morda zaradi onesnaževal, kot je avtomobilski izpuh, ki onesnažuje zemljo tukaj na Zemlji.

Obstaja tudi zaskrbljenost glede tega, kako kisla je zemlja na Luni in Marsu, kar bi lahko rastlinam omejilo dostop do druge bistvene molekule, fosfata. Novo področje raziskav, o katerem razmišljamo, je dodajanje nekatere vrste gliv regolitu bi lahko rešil to težavo.

"S seboj na Mars lahko vzamemo glive, ki lahko dejansko rastejo v kamninah in sproščajo fosfate," je Wamelink predlagal kot prihodnjo pot za raziskovanje. "Živijo v simbiozi s koreninami rastlin."

Problem perkloratov

Morda je največja ovira za varno gojenje hrane na Marsu vprašanje perkloratov, kemikalij, ki jih najdemo v regolitu in so strupene tako za ljudi kot za rastline. Ti so tako nevarni, da niso vključeni v vzorce simulantov iz zdravstvenih razlogov.

Novejše raziskave je nakazal, da bi lahko bila prisotnost teh perkloratov v regolitu večja težava, kot se je prej vedelo. Ko so raziskovalci vzeli simulant regolita in dodali kalcijev perklorat v količinah, podobnih tistim na Marsu, rastline v njem niso mogle rasti, tudi če so bila dodana dodatna hranila.

To pa ne pomeni, da se moramo odpovedati sanjam o hrani, pridelani na Marsu. Andrew Palmer s Floridskega inštituta za tehnologijo, višji avtor študije, je za Digital Trends v elektronski pošti povedal, da je prisotnost perkloratov na Marsu izziv za hrano. produkcije, "to ni kršitev dogovora." V ekosistem bi moralo biti mogoče vnesti mikroorganizme ali posebne rastline za čiščenje toksinov iz regolita v procesu, imenovanem bioremediacija. »Takšni pomočniki so običajni akterji v naših ekosistemih na Zemlji. Nobenega razloga ni, da bi zanemarili njihov potencial, da prispevajo k ekosistemu, ki ga oblikujemo za naše marsovske koloniste,« je dejal.

Drugi raziskovalec, vključen v študije o sposobnost preživetja regolita za gojenje poljščinLaura Fackrell z Univerze v Georgii se je strinjala, da so perklorati izziv, vendar ne nepremostljiv. Predlagala je, da bi perklorate lahko očistili iz regolita z uporabo bakterij, saj obstaja več vrst bakterij, ki lahko zaužijejo ali razgradijo perklorate, od katerih se nekatere uporabljajo za čiščenje onesnažene vode tukaj na Zemlji. Toda tudi tukaj so izzivi. Ta reakcija proizvaja tako kisik kot klorid - in čeprav klorid ni strupen in je lahko koristen za rast rastlin, ga lahko preveč škoduje ali celo ubije rastline. Potrebujemo več raziskav, da bi vedeli, kakšni bi bili njegovi učinki na življenje rastlin. "Nimamo dovolj podatkov, da bi rekli, ali bi bila količina klorida, proizvedenega s tem postopkom, prevelika za rastline, vendar je verjetno, da bo," je dejala.

Druga možna rešitev bi bila dobesedno izpiranje perkloratov iz regolita. Perklorati so neke vrste sol in so topni v vodi, zato bi jih odstranili z izpiranjem regolita. "Vendar bi to lahko odstranilo tudi druga hranila, kot so nitrati," je opozoril Fackrell. Da ne omenjamo težav z uporabo dragocene vode v ta namen.

Prisotnost perkloratov pa ni nujno slaba novica. Fackrell je poudaril, da bi bakterije, ki bi zaužile perklorate za čiščenje tal, proizvedle uporaben stranski produkt kisika, ki bi lahko bil del trajnostnega sistema za zadovoljevanje potreb astronavtov: »Perklorati predstavljajo zelo resnično izziv; vendar pa predstavljajo tudi priložnost, da jih spremenimo v vir kisika.«

Postavitev sistema

Pomaga razmišljati o vzpostavljanju kmetijstva na Marsu kot o dolgoročni igri. Cilj ni le pridelati posameznega pridelka, temveč vzpostaviti trajnostni sistem.

Prva letina je najtežja. Ko je to opravljeno in se bakterije ustalijo, lahko vse rastlinske snovi, ki ostanejo od prejšnjih žetev, dodamo nazaj v tla, kar dodaja hranila in pomaga zadrževati vodo. Tako bo sčasoma zemlja postala bolj rodovitna in bolj gostoljubna za rastline.

To pomeni, da obstaja močan zagon za začetek poskusov gojenja rastlin takoj, ko ljudje prispejo na Mars, za kakršen koli čas. »Mislim, da moraš začeti s prvo ekspedicijo, da začneš pridelovati lastno hrano. V nasprotnem primeru tega najverjetneje ne bo mogoče storiti,« je dejal Wamelink. Prve odprave bi gotovo prinesle tudi svojo hrano, če bi prišlo do težav z rastjo pridelka. Vendar pa bi lahko začeli postopek, kako narediti zemljo uporabno.

Možno je tudi ohraniti obdelano zemljo med misijami, dokler ima zrak, svetlobo in toploto. Posejete lahko določene kulture, kot so neužitne vrste zelja, ki jih lahko pustite za gnojenje zemlje, medtem ko ste odsotni. To je isto načelo, ki ga uporabljajo kmetje v Wamelinkovi domovini na Nizozemskem za izboljšanje tal čez zimo.

Drug premislek je, kako ravnate z opraševanjem rastlin, tako za izdatnejši pridelek kot za ustvarjanje semen za prihodnje pridelke. Mnoge vrste rastlin uporabljajo veter za prenašanje cvetnega prahu. Toda to pomeni, da bi morali vzpostaviti pretok zraka v habitatu Marsa, kar ne bi bilo enostavno. Obstaja pa še ena možnost, in sicer uporaba čebel.

Čebele so odlične opraševalke in bi jih lahko prinesli z Zemlje, da bi živele v marsovskem habitatu. Kraljice čmrljev bi lahko dali v mirovanje za vesoljsko potovanje in jih nato izpustili, da se širijo po cvetnem prahu.

Muhe so še ena možnost, ki imajo še eno prednost: ličinke muh so lahko užitne in tako gadljive kot veliko ljudi morda o njihovem uživanju, bi lahko zagotovili pomemben vir beljakovin za vegetarijance ali vegane prehrana.

Vse, kar potrebujemo

Kljub številnim zapletenostim pridelave hrane na Marsu je to teoretično mogoče. Obstaja še veliko podrobnosti, ki jih je treba še doreči, a načeloma bomo tam morda lahko gojili pridelke, če bodo astronavti s seboj prinesli prave materiale. "Imam nakupovalni seznam!" se je šalil Wamelink.

Edina omejitev, ki jo je poudaril, je bila, da so vsi ti poskusi temeljili na simulantu Marsa, ki je trenutno na voljo, zato so rezultati natančni toliko, kolikor je natančen simulant. Vprašanje perkloratov in njihovega vpliva na rastline in ljudi je odprto, prihodnje misije pa podobne Mars Sample Return bi nam moral pomagati, da postanemo bolj prepričani o tem, kaj točno lahko pričakujemo od Marsa okolju.

Ne bo lahko, a astronavti bi nekega dne lahko uživali svežo zelenjavo, pridelano na Marsu, kot vsakdanji del svoje prehrane. "Morate narediti veliko stvari, da greste," je opozoril Wamelink, "vendar zdaj vemo, kako to storiti."

Ta članek je del Življenje na Marsu – 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Priporočila urednikov

• Kozmološko potovanje na delo: zapletena logistika pošiljanja ljudi na Mars
• Izpopolnjevanje pogona: Kako bomo ljudi spravili na Mars
• Gradovi iz peska: Kako bomo naredili habitate z marsovsko zemljo
• Umetna atmosfera: Kako bomo na Marsu zgradili bazo z zrakom, ki ga je mogoče dihati
• Pridobivanje hidracije: Kako bodo prihodnji naseljenci ustvarjali in zbirali vodo na Marsu