Сегодня, 8 октября, в России состоится премьера фильма Ридли Скотта «Марсианин». Так можно ли вырастить на Марсе картофель? Исследователь Брюс Багби рассказал, что он начал изучать вопрос выращивания космонавтами собственных продуктов еще в 1982 году.
Сейчас Багби изучает перспективы самообеспечения космонавтов при создании первых космических колоний. На фотографии ниже можно увидеть редис и салат-латук, которые растут под светодиодами в одной из исследовательских камер. Эти растения испытывают так называемый «орбитальный фотопериод» МКС, когда циклы повторяются каждые 90 минут: 60 минут яркого света и 30 минут темноты. Посевы выращивают по гидропонной технологии (без почвы) и поливаются гидропонным раствором путем капельного орошения.
Из семян, побывавших в космосе, вырастили кукурузу - результат удивляет
Судя по предварительным исследованиям, темпы роста таких растений снижены незначительно по сравнению с ростом растений из контрольной группы, которые растут с периодичностью земного цикла (16 часов дня и 8 часов ночи). Есть множество проблем и преимуществ в идее выращивании еды на Марсе. Что касается долгосрочных миссий, то брать еду с собой просто нерентабельно, если есть возможность выращивать ее на месте, рассказывает Багби в своей статье для издания Huffington Post.
Однако дело не только в питании. Посевы могут дать больше, нежели просто обеспечение провизией. Если выращивать 100 % всей еды в закрытых системах, то фотосинтез растений удержит кислород и углекислый газ в идеальном балансе. Но эти важные газы находятся не в идеальном балансе каждую минуту каждого дня.
Растения не станут автоматически расти быстрее, чтобы обеспечить дополнительный кислород при необходимости, соответственно нужны буферы для стабилизации их концентрации. Оптимизация массы таких буферов - непростая задача, поскольку они должны быть достаточно большими, чтобы поддержать жизнь в периоды нестабильности, но достаточно маленькими, чтобы быть экономичными. Однако в системах жизнеобеспечения «маленький» и «стабильный» - это несочетаемые понятия. Веками на Земле массивные океаны играли роль таких буферов, но на Марсе их нет.
Достаточный запас пресной воды - это вторая задача, которую нужно решить для выращивания продовольствия на Марсе. Растениям требуется не менее 200 литров воды для производства одного килограмма еды. Хорошей новостью является то, что растения перерабатывают и фильтруют воду - даже если полить корни не слишком чистой водой, водяной пар, который будет исходить из пор на листьях (устьиц) будет более чистым, чем лучшая бутилированная вода. Пока мы будем выращивать еду в замкнутой системе, мы будем иметь достаточно чистую воду - и нет необходимости в высокотехнологичных системах фильтрации.
А теперь, после пресс-конференции НАСА, на которой было объявлено, что на Марсе есть соленая вода, можно подумать о системах жизнеобеспечения путем фильтрации соли из воды, которая на планете уже есть. Такая технология уже применяется в городах с ограниченными запасами воды, так что можно использовать этот метод и на Марсе.
Третьей серьезной проблемой является свет, необходимый для фотосинтеза. В отличие от комнатных, культурные растения не могут выжить без яркого света, их процессы фотосинтеза идут быстрее. В обычном (хорошо освещенном!) офисе в сто раз меньше света, чем на улице, и в 30 раз меньше минимального света, необходимого, чтобы вырастить картофель или другие культуры. При этом Марс находится в 1,5 раза дальше от Солнца, чем Земля и, хотя тонкая атмосфера планеты минимально фильтрует солнечное излучение, интенсивность освещения на поверхности составляет около 60 % от земного.
Однако в фильме главный герой Марк Уотни, оказавшись на Марсе, выращивает картофель при помощи офисного освещения в помещении, предназначенном для того, чтобы блокировать электромагнитную радиацию от Солнца. Проектирование марсианской теплицы сопряжено с огромными трудностями. Необходима чрезвычайно прочная, прозрачная мембрана, которая выдержит метеоритную бомбардировку. Она должна фильтровать космическую радиацию, пропуская фотосинтетически активную.
В новейшей на данный момент технологии используются параболические концентрирующие рефлекторы, а солнечный свет передается с помощью оптоволокна. Вычисления показывают, что с такими технологиями, а также оптимальными условиями среды, для одного человека была бы достаточна площадь посадок в 25 квадратных метров.
Что еще в фильме выглядит неправдоподобным? Мы знаем, что Марк Уотни выживал на протеиновых батончиках, витаминах и углеводах из картофеля в течение почти двух лет. Мы еще не знаем долгосрочных последствий такой ограниченной диеты. Мы обычно едим продукты из сотни растений в неделю. Можем ли мы уменьшить рацион до 50 видов растений или даже до 10? Возможно, но нам нужны долгосрочные исследования с людьми в замкнутых системах на Земле, чтобы определить последствия столь ограниченного рациона. Если мы предполагаем, что площадь среды на Марсе будет ограничена, необходимо учитывать, что диета будет строго веганской, без фруктов или орехов, растущих на деревьях.
Ранние исследования указывают на огромную психологическую ценность растений. Марк Уотни вспоминал о растениях картофеля, которых ему не хватало после сбора урожая. Когда космонавты возвращаются на Землю, они часто рассказывают об экспериментах с выращиванием растений и о той связи, которая у них с ними возникала. 10 лет назад космонавт, который провел в космосе год, заявил: «Длительные космические экспедиции без растений невозможны».
Наша планета - эта замкнутая система, которая мчится сквозь космическое пространство. Лучшие умы планеты сейчас сосредоточены на решении проблемы последствий, возникших в результате, казалось бы, незначительного изменения - роста концентрации углекислого газа в атмосфере с 0,03 % до 0,04 %. Мы только начинаем понимать последствия и воздействие этого кажущегося незначительным изменения.
Возможно, приключения Марка Уотни вдохновят молодых людей на дальнейшие научные изыскания и помогут спасти нашу планету от возможной гибели.
Отправить людей на Марс – задача сама по себе непростая, однако основать на Марсе колонию будет куда сложнее. Жизнь вне Земной биосферы потребует либо поставок продовольствия с нашей родной планеты, либо же нам придется выращивать еду уже на месте, и поскольку первый вариант является совершенно непрактичным и крайне затратным в долгосрочной перспективе, нам придется прибегнуть к фермерству на Красной Планете.
Если вы смотрели фильм «Марсианин», то помните, как главный герой выращивал картошку в теплице, используя марсианскую почву, замерзший кал команды экспедиции, и воду, полученную в ходе химической реакции.
«В реальности все обстоит намного сложнее,» - говорит Ральф Фрицше, главный руководитель проекта по производству пищевых продуктов в Космическом центре им. Кеннеди (НАСА).
НАСА планирует отправить астронавтов на Марс к 2030-ому году, а компания SpaceX под руководством Илона Маска предлагает агрессивную программу по колонизации Марса, основой которой должна послужить Система Межпланетного Транспорта (ITS). Но даже если SpaceX удастся отправить людей на Марс, у них пока нет никакого плана относительно того, как они будут выращивать там пищу.
Чтобы содержать хотя бы одного человека на Марсе потребуется как минимум 1 миллиард долларов в год – только лишь на еду. Очевидно, что здесь нужен иной подход.
«Илон Маск предложил миру вызов,» - сказал Дэниел Бэтчельдор, профессор физики и космических наук во Флоридском технологическом институте, руководитель Космического Института Базза Олдрина. – «Мы знаем, что мы не в состоянии содержать колонию на Марсе на одних лишь поставках с Земли. Колония должна стать самодостаточной, чтобы выжить на Красной Планете».
Фрицше и его коллега из НАСА Трент Смит объединились вместе с учеными из Космического Центра Базза Олдрина, чтобы разобраться в том, как же все-таки вырастить что-либо на Марсе. Биологически отходы астронавтов могут стать неплохим подспорьем в этом деле, однако для того, чтобы создать аналог земной почвы нам потребуется много чего еще – от средств для детоксикации почвы до искусственных бактерий.
«В Марсианском реголите органика отсутствует,» - говорит Брук Вилер из Флоридского Технологического колледжа Аэронавтики – «Для того, чтобы использовать отходы, будь то экскременты или остатки пищи для компоста, потребуются редуценты, организмы, минерализующие органические вещества (бактерии или грибы) – лишь в их присутствии растения могут потреблять находящиеся в отходах питательные вещества».
Вилер и ее коллега Дрю Палмер, доцент кафедры биологических наук во Флоридском Технологическом Институте, используют почву, имитирующую марсианскую, надеясь на то, что им все же удастся придумать способ выращивать пищу на Марсе. Использующийся аналог марсианской почвы – это вулканический песок из Гавайев, в котором отсутствуют необходимые для растений питательные вещества.
Имитация марсианского реголита – это неплохое начало, однако Вилер и Палмер осознают, что имитация неполная. Одной из основных проблем, с которыми будущим колонизаторам придется столкнуться, является токсичность марсианской почвы. Марсианский реголит набит под завязку токсичными для человека солями-перхлоратами, которые используются в производстве на Земле и способны вызывать серьезные заболевания щитовидной железы. Прежде чем превратить Марс в сельскохозяйственное угодье, нам потребуется способ избавить марсианскую почву от перхлоратов.
«Мы крайне заинтересованы в создании искусственных микроорганизмов, способных очищать почву от токсичных веществ,» - говорит Палмер – «Такое вполне возможно, здесь, у нас на Земле».
Исследователи также предлагают отправить роботизированную миссию на Марс за несколько месяцев до того, как первый человек ступит на поверхность планеты. Роботы смогут подготовить марсианский реголит к использованию, избавив его от токсичных веществ, и начнут высаживать растения. Идея заключается в том, чтобы по прибытию астронавтов на Марс предоставить им уже рабочую ферму, которая не только снабдит их провизией, но и поможет в поддержании систем жизнеобеспечения, давая дополнительный кислород и регулируя токсичность воздуха.
Помимо практической задачи, ферма на марсе будет выполнять еще и функцию по поддержанию психологического здоровья участников экспедиции. Трент Смит, руководя проектом «Вегги» на Международной Космической Станции, где для снабжения растений питательными веществами в условиях микрогравитации используется гидропоника, видел, с каким удовольствием астронавты на МКС занимались выращиванием растений в иначе безжизненном месте.
«Так как они находятся на космической станции, в, можно сказать, враждебных условиях, со всеми этими кабелями и проводами, с одним лишь металлом и пластиком вокруг… когда у них есть эти маленькие растущие листочки и корешки, о которых они заботятся – для них это как кусочек дома, небольшой кусочек природы,» - замечает Смит. «Там, на Марсе, это будет очень много значить».
«Если бы мы планировали экспедицию на месяцы, одной лишь гидропоники было бы вполне достаточно – этот способ крайне эффективен,» - говорит Смит. – «Но так как мы хотим, чтобы экспедиция осталась там надолго, есть смысл в том, чтобы переключиться на земледелие. Можно использовать и тот, и другой метод.»
Как бы там ни было, нам придется использовать всю нашу изобретательность как вида, чтобы вновь научиться земледелию, только на этот раз – во враждебных условиях другой планеты.
«Мы словно вернемся в состояние раннего аграрного общества, когда мы учились тому, как обрабатывать землю,» - говорит Батчельдор. «Однако вместо использования плодородной почвы нашей планеты, нам буквально придется создать новую почву на Марсе».
Результаты оказались многообещающими
Научная организация под названием Международный центр картофеля и американскок аэрокосмическое агентство NASA провели эксперимент по выращиванию картошки в условиях, приближенных к марсианским. Несмотря на характерную для Марса сухую почву, необычный воздух и низкое атмосферное давление, многим сортам удалось успешно прорасти.
Об эксперименте сообщалось ещё в начале прошлого года, когда специалисты , наиболее подходящие для выращивания в «марсианских» условиях. Около половины этих сортов были выведены искусственно таким образом, чтобы требовать мало воды и быть невосприимчивыми к вирусам. Прочие сорта, которые были отобраны для эксперимента произрастают в Андах - они способны расти на каменистой почве в засушливой местности и хорошо переносят резкие климатические изменения.
Учёные посадили картофель в специальной «теплице» на базе спутника CubeSat. Внутри этой установки располагалась земля из пустыни Пампа де ла Хойя (одного из самых засушливых мест на Земле), Атмосферное давление, а также состав атмосферы соответствовали «марсианским», температура воздуха также соответствовала той, что обычно наблюдается на Красной планете. В почву добавлялись характерные для марсианского грунта минералы.
Эксперимент показал, что вырастить картофель на Марсе, скорее всего, реально,однако для этого потребуется предварительно насытить почву питательными веществами и разрыхлить ее - в этом случае клубни будут получать достаточное количество воды и кислорода.
Подобные эксперименты специалисты проводят, чтобы выяснить, сколь высоки будут шансы действительно растить те или иные продукты питания на Марсе - к примеру, если на Марс будет отправлена экспедиция, и подобный «огород» позволил бы обеспечивать пищей её участников.
В середине прошлого года специалисты из Голландии , что им удалось вырастить на почве, аналогичной марсианскому грунту, редис, горох, рожь и помидоры, причём все эти продукты оказались пригодны для употребления в пищу.
Чтобы понять, смогут ли марсианские первопроходцы выращивать еду на Красной планете, ученые попытались вырастить картофель на Земле в условиях, подобных марсианским. Первые результаты подобного эксперимента явно были положительными.
Сегодня ученые уже планируют основать колонию на Марсе. Однако, учитывая местный высокий уровень радиации, разреженную атмосферу и холодную температуру, первым людям, которые приземлятся на Марсе, придется выживать в суровых условиях. И даже если если удастся решить вопросы выживания, одной из самых больших проблем является то, чем будут питаться колонисты.
Данный проект был запущен в феврале прошлого года Международным центром картофеля совместно с NASA. Ученые пытались вырастить картофель в пустыне Пампас-де-Ла-Хойя на юге Перу, где условия (самая сухая и бесплодная почва) максимально похожи на Марс.
Идея заключалась не только в том, чтобы понять, каким образом можно вырастить картофель на Марсе, а также ученые хотели узнать, может ли это клубненосное травянистое питательное растение процветать в экстремальных условиях на Земле. Если эксперимент был положительным, то это могло бы решить проблемы продовольственной безопасности и голода во всем мире, вызванные изменением климата.
Команда ученых установила герметичный контейнер Cubesat в пустыне, чтобы полностью имитировать условия на Марсе. Внутри «куба» исследователи разместили светодиодное освещение для имитации солнечного излучения на Красной планете, установили средства регулирования температуры, чтобы имитировать марсианскую дневную и ночную температуру, а также приборы для регулирования уровня давления воздуха и содержания в нем кислорода с углекислым газом.
«Если картофель сможет выдержать экстремальные условия, которым мы подвергаем его в Cubesat, то есть хороший шанс, что он вырастет и на Марсе, - пояснил исследователь Хулио Валдивиа Сильва. - Мы проведем несколько экспериментов, чтобы выяснить, какие сорта картофеля более всего подходят для этого. Также мы хотим узнать, при каких минимальных условиях может выжить картофель».
Тесты в течение последнего года показали, что картофель смог прорасти в почве пустыни внутри Cubesat. При этом лучшие результаты показал солестойкий сорт, разработанный для использования в субтропических низинах, который недавно начали выращивать в прибрежных районах Бангладеша, где наблюдается высокий уровень соли в почве.
И в продолжение космической темы ещё .
Совершенно недавно в мир вышло новое фантастическое произведение кинематографа «Марсианин» режиссера Ридли Скотта. В нем был эпизод, в котором главному герою пришлось выращивать себе пищу на Марсе – абсолютно непригодной для земной сельскохозяйственной деятельности планете. У него практически все получилось, из-за чего многие, кто просмотрел данный фильм, серьезно задумались о предстоящей колонизации Марса. В данной статье мы попробуем разобраться, возможно ли выращивать овощи на «красной планете» на сегодняшний день с научной точки зрения.
Следует сказать сразу, что вырастить картошку на Марсе, удобряя ее фекалиями и поливая мочой, как это делал главный персонаж фильма, невозможно. Такое концентрированное удобрение погубит любое растение. Более того, получившийся урожай, если он вырастет, в пищу употреблять не получится, так как он будет токсичным.
Если подойти к вышеописанному вопросу с точки зрения науки, то воду на «красной планете» для выращивания растений можно добывать более безопасно. Палеонтологи считают, что внутри марсианских лавовых трубок (поверхностных пещер) действительно может быть вода в жидком либо замерзшем состоянии, причем не такая ядовитая, как на поверхности. Вода, которая в прошлом текла по Марсу, была насыщена перхлоратами, которые являются ядовитыми в больших дозах для растений. Чтобы попасть в поверхностные пещеры, жидкость должна была просочиться сквозь грунт, который служит природным фильтром. В нем перхлораты частично оседают, делая воду более безопасной.
Может ли Марс стать плодородным
Используя данные со всемирно известного марсохода, компания НАСА создала аналог марсианского грунта для определенных исследований. Группа ученых во главе с экологом из Голландии В. Вамелинком частично выкупила вышеописанный грунт. В полученные образцы исследователи поместили семена различных растений. В списке испытуемых присутствовали обычные помидоры, салат, горчица и многое другое.
После образцы поливали деминерализованной жидкостью, подобной той, которую можно получить из марсианских лавовых трубок. Результаты эксперимента поразили ученых: большинство растений прекрасно взошли, правда, немного припоздали. После этого растения в имитированном марсианском грунте прекрасно себя чувствовали, дали урожай и даже семена. Поэтому, можно сказать, что сюжет фильма «Марсианин» вполне возможно повторить в реальной жизни.
Следует сказать, что кроме марсианской почвы, группа исследователей использовала имитацию лунной почвы. Так вот, в марсианском грунте растения росли гораздо лучше и быстрее, чем в лунном.
Еще один поразительный факт –грунт земного происхождения занял второе место. Таким образом, марсианская «земля» обошла даже нашу родную. Исследователи отметили, что в реальной жизни в марсианскую почву пришлось бы вносить некоторые удобрения, но она все-таки может считаться пригодной для выращивания земных растительных культур.
При эксперименте растения выращивались хоть и в различных грунтах, но в одинаковых «земных» условиях. Температура в помещении со всходами была стандартной для нашей планеты в урожайные сезоны – примерно +20 градусов. Атмосфера также была земной. Организатор эксперимента предполагает, что для выращивания растительности на Марсе необходимы изолированные помещения, в которых будут создаваться аналогичные условия, что вполне реально в современное время. Растения на Марсе придется подсвечивать специальными лампами, похожими на те, которые используют любители комнатных растений зимой.
Можно ли распространить растительность по Марсу за пределы специальных помещений-парников
Недавно исследователь И. Маск шутливо предложил зажечь над полюсами «красной планеты» два пульсирующих искусственно созданных «солнца», которыми могут стать произведенные на Земле термоядерные бомбы. Они бы растопили замерзший углекислый газ, который необходим растениям. К сожалению, реализовать такую идею пока невозможно. Дело в том, что на полярных территориях Марса на сегодняшний день имеется не менее 20 тыс. километров кубических сухого льда. Чтобы его растопить, необходимо подогнать к планете огромные термоядерные бомбы, что невозможно.
Самой мощной термоядерной бомбой, которую когда-либо создал человек, являлась «Кузькина мать». Даже она при взрыве сможет растопить всего четверть кубического км. вышесказанного газа.
Чтобы доставить к «красной планете» достаточное количество таких бомб, как вышесказанная, понадобится сверхгрузоподъемный аппарат. Созданием подобного аппарата занимается ныне тот же самый Маск для насовского проекта «Mars Colonial Transporter».
Но и его аппарат не сможет перенести к планете более ста тонн за один раз. К слову, 100 тонн – это приблизительный вес всего четырех ракет типа «Кузькина мать». В общей сложности, аппарату Маска придется совершить около 10 тыс. рейсов чтобы доставить на «красную планету» необходимое количество бомб, а это нецелесообразно, долго и дорого. Поэтому создать на Марсе пригодные для распространения растительности условия в скором времени практически невозможно.
Анаэробные бактерии могут стать будущими обитателями Марса
В 2015 году, летом специалист в области микробиологии Ребекка Микол произвела интересный эксперимент: взяла анаэробных бактерий и поместила их искусственно созданные марсианские условия (поместила в аппарат с давлением 0,006 нашего земного). Оказалось, что все микроорганизмы спокойно перенесли такие условия, и даже не утратили свои способности вырабатывать метан. Одним из видов бактерий, которые использовала Ребекка, являлся «Methanosarcina barkeri», ранее доказавший, что ему не страшны различные губительные факторы: температурное колебание, высокое содержание перхлоратов, ядовитые микроэлементы, которыми питаются бактерии и так далее.
«Methanosarcina barkeri» и другие подобные бактерии способны вырабатывать не только метан, но и углекислый газ. Кроме этого, следует отметить, что данные газы являются парниковыми, а значит, способными повышать температуру на планете. К сожалению, большинство из таких бактерий нуждаются в водороде, которого на «красной планете» крайне мало, поэтому с их помощью устранить все марсианские проблемы не удастся.
К слову, на Марсе недавно обнаружили несколько территорий, где имеется подозрительно большое количество углекислого газа и даже метан. Ученые считают, что там уже имеются подобные «Methanosarcina barkeri» бактерии внеземного происхождения.
Марс пригодный для сельского хозяйства
Агентство аэрокосмического типа из Германии в 2012-2013 году произвело сенсационное открытие. Его сотрудники выяснили, что определенный вид лишайника, который называют «ксанторией», прекрасно себя чувствует в низкоширотных (+25 до -50 градусов по Цельсию) условиях «красной планеты». Вышесказанный лишайник поместили в искусственно созданные марсианские условия на месяц, после чего изъяли и изучили. Оказалось, что он не только выжил в столь неблагоприятной обстановке, но и продолжал совершать фотосинтез, причем при температуре не выше 0 по Цельсию. Таким образом, растения, подобные «ксантории», могут существовать на «красной планете» уже сейчас, если их туда отправить.
Чтобы проверить вышеописанное, НАСА планирует в ближайшем будущем осуществить проект «Mars Ecopoiesis Test Bed»: отправить на Марс небольшой контейнер с прозрачной крышкой, внутри которого будут находиться экстремофильные водоросли и цианобактерии.
После того, как аппарат с контейнером достигнет Марса, ему необходимо будет установить контейнер таким образом, чтобы в него попала марсианская почва. Установить контейнер необходимо в тех районах, где периодически протекает соленая марсианская жидкость. Дно контейнера будет пропускать внутрь жидкую воду, которую будут использовать вышеперечисленные организмы.
В дальнейшем, если этот эксперимент увенчается успехом, специалисты НАСА планируют создать большие аналогичные контейнеры и доставить их на Марс. Возможно, внутри них когда-то образуется кислород, который потом смогут использовать астронавты-колонизаторы.