Astroagriculture: How We'll Grow Food on Mars

Om vi ​​någonsin hoppas kunna skicka folk till bor på Mars under en längre tid måste vi hålla dem varma, säkra och välmatade. Det sista kravet utgör en utmaning för ett uppdrag som bara kan bära en begränsad mängd förnödenheter. Även om konserverade bönor inte var så tunga, vill ingen livnära sig på dem för ett årslångt uppdrag.

Mars framtid kräver nyodlad frukt, grönsaker och spannmål. Men hur odlar man på en giftig, dödlig planet som Mars? För att få ett svar pratade vi med tre Marsforskare från områdena ekologi, geologi och biokemi.

Denna artikel är en del av Liv på Mars – en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Det grundläggande

Växter är tåliga saker, men de har några väsentliga krav. För att växa bra behöver de värme, rimligt atmosfärstryck och skydd mot skadlig strålning. Dessa saker skulle vara en utmaning att tillhandahålla på Mars, förutom det faktum att människor behöver dem alla också.

Den enklaste lösningen skulle vara att vilken livsmiljö du än bygger för att hysa astronauter på Mars, bygger du också för att hysa alla grödor. Lägg till några enkla LED-lampor, så kan astronauterna lätt sköta sina växter när de växer. Att lägga till ljus bör motverka alla effekter av Mars lägre gravitation eftersom, även i noll gravitation, växer växter naturligt rötter bort från ljuskällor. Den förseglade miljön har till och med fördelen att du kan kontrollera förhållanden som temperatur och luftfuktighet.

Wieger Wamelink, en växtförädlare och ekolog vid Wageningen University som är en av de ledande forskarna om jordbruk på månen och Mars, sa till Digital Trends att odling av växter i rymden faktiskt är mycket jämförbar med stadsjordbruk, rörelsen att odla mat effektivt i urbana inställningar. Ofta uppnås det genom att sätta upp sterila miljöer i inomhusmiljöer med LED-lampor. I princip, sa han, "det är något du kan göra på Mars, eller i öknen om du vill, eller i en stad."

Odla liv i död jord

Det största hindret för att odla grödor på Mars är dock bristen på något som verkar enkelt: gammaldags smuts. Jorden på jorden är full av levande organismer såväl som vissa mineraler, som fosfor och kalium, som växter använder. Mars har ingen jord - istället har den ett dött, dammigt material som kallas regolit som täcker dess yta.

Vi vet inte de exakta detaljerna om vad denna regolit består av, och den kan ha olika sammansättningar i olika regioner. Men vi har en grov uppfattning om vad som finns i den, vilket har gjort det möjligt för NASA att utveckla en regolitsimulant. Detta är i huvudsak en återskapande av marsjorden baserat på vår nuvarande kunskap om planetens yta.

Det betyder att du kan experimentera med Mars "jord" här på jorden. Även om simulanten inte är billig, så är den det finns att köpa för forskningsändamål. För ungefär ett decennium sedan undrade Wamelink om simulanten kunde användas för att odla grödor och undersökte ämnet. "Vad jag fick reda på," sa han, "till min förvåning måste jag säga att ingen någonsin har provat det."

Så han började plantera frön i Mars, månen och jordens jord att jämföra deras tillväxt. I sina första experiment förväntade Wamelink att växter skulle kämpa i Mars-simulanten. "Det är en mycket näringsfattig jord," förklarade han. Den har inget organiskt material i sig, och den innehåller tungmetaller som kan hindra växter från att gro. – Mina förväntningar var väldigt låga, säger han.

Hans team planterade 4 200 frön av 14 olika arter och förväntade sig att de flesta av dem skulle dö. Men resultaten skilde sig mycket från vad forskarna förutspått. Nästan alla frön grodde - några av dem inom 24 timmar. Detta orsakade faktiskt problem, sa Wamelink med ett skratt, eftersom teamet plötsligt var tvungna att sköta en enorm skörd på över 4 000 plantor.

Växterna krävde mycket noggrann vattning eftersom regoliten är hydrofob, vilket innebär att den inte absorberar mycket fukt. Så framtida Mars-bönder kommer att behöva mycket vatten för att hålla sina grödor växande.

Och medan plantorna växte i Mars regolit-simulanten, nådde de bara några centimeter höga och producerade inget ätbart. För att få växter att växa till full storlek och producera grönsaker måste du tillsätta näringsämnen.

Gödsla jorden

En nyckelkomponent som Mars jord saknar när det gäller växter är organiskt material. Organiskt material är en särskilt viktig källa till näringsämnen när det bryts ned av bakterier, vilket innebär att vi måste lägga till bakterier till framtida växande regioner också.

Lyckligtvis, som vandrande kolonier av mikrober, är människor fulla av bakterier. Så även om det är ett ganska obehagligt koncept, har vi ett sätt att skaffa dem. Den mest effektiva metoden skulle vara att bevara urin och avföring som produceras av astronauter på deras månader långa resa till Mars, och sedan lägga till det i regoliten för att odla bakterier. Om du har sett filmen Marsmannen, där den förlorade astronauten Mark Watney odlar potatis i Mars jord med hans och hans besättningsmedlemmars avloppsvatten, är det samma koncept. Men för att hålla alla friska måste du vidta åtgärder för att döda alla patogener som kan överföras via mänskligt avfall.

Du kan hjälpa till med processen att smälta organiskt material och återvinna det i jorden genom att introducera maskar. Även på Mars är daggmaskar en trädgårdsmästares bästa vän, eftersom de smälter organiskt material och producerar gödningsmedel tillsammans med grävande tunnlar som ger viktig luftning och vattenretention för växten rötter att växa. "Jag tror att de är viktiga för ett bra system," sa Wamelink. Dessutom kan maskägg lagras under lång tid, vilket gör dem potentiellt transportbara till Mars.

När din Mars regolit är berikad med näringsämnen, organiskt material, bakterier och maskar kan du börja plantera frön. Frön kan hämtas från jorden utan alltför mycket problem eftersom de är små och lätta.

Framtida Mars-bor kan ha ett mer varierat val av kost än du föreställer dig. Wamelink berättar för mig att alla typer av ätbara växter kan växa i Mars regolitsimulator. Så medan de hydroponiska systemen används på platser som den internationella rymdstationen, där växter odlas inte i jord utan suspenderade i en näringslösning, är bättre lämpade för att odla bladgrönsaker än stärkelsehaltiga grönsaker, du kan odla praktiskt taget vad som helst i jorden. Mars regolit-simulant har använts för att odla potatis, gröna bönor, tomater, morötter, rädisor, vete, råg och mer.

Att bli av med de elaka

En av farhågorna kring säkerheten för Mars mark är förekomsten av farliga tungmetaller. "Det är inte bara zink, som vi behöver lite av, utan också kadmium, bly, kvicksilver - allt du inte vill ha i maten," sa Wamelink.

Det är dock inte nödvändigtvis ett så stort problem som du kanske tror. "Det skiljer sig inte riktigt från jorden", påpekade han, eftersom tungmetaller också kan hittas i vår jord. Frågan är om dessa tungmetaller är bundna på ett sätt som hindrar dem från att släppas ut i jorden och sedan absorberas av växter.

Den goda nyheten är att när grönsaker som odlats i simulanten analyserades visade sig de vara säkra att äta. Tungmetaller låg under farliga nivåer i all mat, och i vissa fall var nivåerna ännu lägre i de regolitodlade grönsaker än i de grönsaker som odlas i vanlig krukjord, kanske på grund av att föroreningar som bilavgaser förorenar jorden här på jorden.

Det finns också en oro över hur sur jorden är på månen och Mars, vilket kan begränsa växternas förmåga att komma åt en annan viktig molekyl, fosfat. Ett nytt forskningsområde som övervägs är huruvida lägga till vissa typer av svampar till regoliten skulle kunna lösa detta problem.

"Vi kan ta svampar med oss ​​till Mars som faktiskt kan växa i stenar och släppa ut fosfater," föreslog Wamelink som en framtida väg för utforskning. "De lever i symbios med växternas rötter."

Problemet med perklorater

Det kanske största hindret för att odla mat på ett säkert sätt på Mars är frågan om perklorater, kemikalier som finns i regoliten och som är giftiga för både människor och växter. Dessa är så farliga att de inte ingår i simulerande prover av hälsoskäl.

Senare forskning har föreslagit att förekomsten av dessa perklorater i regoliten kan vara mer av ett problem än vad man tidigare insett. När forskare tog regolitsimulator och tillsatte kalciumperklorat i mängder liknande de som finns på Mars, kunde växter inte växa i det även när extra näringsämnen tillsattes.

Det betyder dock inte att vi måste ge upp drömmen om Mars-odlad mat. Andrew Palmer från Florida Institute of Technology, senior författare till studien, sa till Digital Trends i ett e-postmeddelande att även om närvaron av perklorater på Mars är en utmaning för maten produktion, "det är inte en deal breaker." Det bör vara möjligt att introducera mikroorganismer eller specifika växter i ekosystemet för att rena toxiner från regoliten i en process som kallas biosanering. "Sådana hjälpare är vanliga aktörer i våra ekosystem på jorden. Det finns ingen anledning att vi ska ignorera deras potential att bidra till det ekosystem vi designar för våra kolonister från Mars, säger han.

En annan forskare involverad i studier om regolitens livskraft för odling av grödor, Laura Fackrell från University of Georgia, instämde i att perklorater var en utmaning men inte en oöverstiglig. Hon föreslog att perklorater kunde rengöras från regoliten med hjälp av bakterier, eftersom det finns flera bakteriearter som kan konsumera eller bryta ner perklorater, av vilka några används för rensning av förorenat vatten här på jorden. Men det finns utmaningar även här. Denna reaktion producerar både syre och klorid - och även om klorid är ogiftigt och kan vara fördelaktigt för växttillväxt, kan för mycket av det skada eller till och med döda växter. Vi behöver mer forskning för att veta vad dess effekter på växtlivet skulle vara. "Vi har inte tillräckligt med data för att säga om mängden klorid som produceras av denna process skulle vara för mycket för växter, men det kommer sannolikt att vara det," sa hon.

En annan möjlig lösning skulle vara att bokstavligen tvätta ut perkloraterna ur regoliten. Perklorater är ett slags salt och är lösliga i vatten, så att skölja regoliten skulle ta bort dem. "Men detta kan också ta bort andra näringsämnen som nitrater," varnade Fackrell. För att inte tala om problemen med att använda dyrbart vatten för detta ändamål.

Förekomsten av perklorater är dock inte nödvändigtvis bara dåliga nyheter. Fackrell påpekade att att låta bakterier konsumera perklorater för att rena jorden skulle producera den användbara biprodukten av syre, som skulle kunna vara en del av ett hållbart system för att tillgodose astronauternas behov: "Perklorat representerar en mycket verklig utmaning; men de ger också möjlighet att förvandlas till en resurs för syre.”

Att sätta upp ett system

Det hjälper att tänka på att sätta upp jordbruk på Mars som ett långsiktigt spel. Målet är inte bara att odla en enda skörd av grödor utan att skapa ett hållbart system.

Den första skörden är svårast. När det är gjort och bakterierna är etablerade kan eventuellt växtmaterial som blivit över från tidigare skördar läggas tillbaka till jorden, vilket både tillför näring och hjälper till att hålla vatten. Så med tiden kommer jorden att bli mer bördig och mer gästvänlig för växter.

Det betyder att det finns en stark drivkraft att starta försök att odla växter så snart människor anländer till Mars under en längre tid. ”Jag tror att man måste börja från den första expeditionen för att börja odla sin egen mat. Annars kommer det troligen inte att vara möjligt att göra det, sa Wamelink. De tidiga expeditionerna skulle säkert också ta med sig egen mat, om det skulle bli problem med grödans tillväxt. Men de kunde börja processen med att göra jorden användbar.

Det är också möjligt att bevara den odlade jorden mellan uppdragen så länge den har luft, ljus och värme. Du kan så vissa grödor som icke-ätbara typer av kål, som kan lämnas för att gödsla jorden medan du är borta. Detta är samma princip som bönder använder i Wamelinks hemland, Nederländerna, för att förbättra sin jord över vintern.

En annan fundering är hur du hanterar växtpollinering, både för en generösare skörd och för att skapa frön för framtida grödor. Många växtarter använder vinden för att bära runt sitt pollen. Men det betyder att du skulle behöva ställa in luftflödet i en Mars-habitat, vilket inte skulle vara lätt. Det finns dock ett annat alternativ, som är att använda bin.

Bin är utmärkta pollinerare och kan föras från jorden för att leva i en livsmiljö på Mars. Humladrottningar kan potentiellt försättas i viloläge för en rymdresa och sedan släppas ut för att spridas runt pollen.

Flugor är ett annat alternativ, och de har en annan fördel: fluglarver kan vara ätbara och lika klämiga som många människor kan handla om att äta dem, de kan ge en viktig proteinkälla hos en annars vegetarian eller vegan diet.

Allt vi behöver

Trots de många komplexiteten i att odla mat på Mars är det teoretiskt möjligt. Det återstår många detaljer att utarbeta, men i princip kanske vi kan odla grödor där så länge astronauterna tar med sig rätt material. "Jag har en inköpslista!" Wamelink skämtade.

Den enda begränsningen han betonade var att alla dessa experiment har varit baserade på Mars-simulanten som för närvarande finns tillgänglig, så resultaten är bara så exakta som simulanten är. Frågan om perklorater och hur de kan påverka både växter och människor är öppen, och framtida uppdrag som Mars Sample Return borde hjälpa oss att bli mer säkra på exakt vad vi kan förvänta oss av Mars miljö.

Det kommer inte att bli lätt, men astronauter kan en dag njuta av färska, Mars-odlade grönsaker som en vardaglig del av deras kost. "Du måste göra många saker för att få det att gå igång," varnade Wamelink, "men vi vet nu hur vi ska göra det."

Denna artikel är en del av Liv på Mars – en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Redaktörens rekommendationer

• En kosmologisk pendling: Den knepiga logistiken att sätta människor på Mars
• Perfekt framdrivning: Hur vi får människor till Mars
• Slott gjorda av sand: Hur vi skapar livsmiljöer med marsjord
• Konstgjorda atmosfärer: Hur vi bygger en bas med andningsluft på Mars
• Skörda hydrering: Hur framtida bosättare kommer att skapa och samla vatten på Mars