Под космическим сельским хозяйством понимается выращивание сельскохозяйственных культур для производства продуктов питания и других материалов в космосе или на внеземных небесных объектах, что эквивалентно сельскому хозяйству на Луне .
Сельское хозяйство на небесных телах, таких как Луна или Марс , имеет много общего с сельским хозяйством на космической станции или в космической колонии . Однако сельскому хозяйству на небесных телах может не хватать сложности микрогравитации , в зависимости от размера тела. Каждая среда будет иметь различия в доступности ресурсов для процесса космического сельского хозяйства: неорганический материал, необходимый для роста растений , почвенная среда, инсоляция , относительная доступность углекислого газа, азота и кислорода и так далее.
Введение
Растение кабачка в лаборатории Destiny
Поставки продовольствия на космические станции и другие длительные миссии стоят дорого . Одному космонавту на Международной космической станции требуется примерно «1,8 килограмма еды и упаковки в день». [1] Для долгосрочной миссии, такой как трехлетняя марсианская миссия с экипажем из четырех человек, это число может вырасти до 24 000 фунтов (11 000 кг). [1]
Из-за стоимости пополнения запасов и непрактичности пополнения запасов межпланетных миссий перспектива выращивания продовольствия на борту невероятно привлекательна. Существование космической фермы поможет созданию устойчивой окружающей среды, поскольку растения можно использовать для переработки сточных вод, выработки кислорода, непрерывной очистки воздуха и переработки фекалий на космической станции или космическом корабле. [2] Всего 10 м 2 посевов производят 25% суточной потребности 1 человека, или около 180-210 граммов кислорода. [3] По сути, космическая ферма превращает космический корабль в искусственную экосистему с гидрологическим циклом и переработкой питательных веществ. [4] [5]
Помимо сохранения срока годности и снижения общей массы, возможность выращивать продукты питания в космосе поможет сократить дефицит витаминов в рационе космонавтов и обеспечить свежие продукты с улучшенным вкусом и текстурой. В настоящее время большая часть продуктов питания, поставляемых космонавтам, подвергается термической обработке или сублимационной сушке . Оба эти метода по большей части сохраняют свойства предварительной обработки пищевых продуктов. Однако при хранении может произойти деградация витаминов. Исследование 2009 года показало, что уже через год хранения может произойти значительное снижение содержания витаминов А , С и К , а также фолиевой кислоты и тиамина. [1] Миссия на Марс может потребовать хранения продуктов питания в течение пяти лет; таким образом, потребуется новый источник этих витаминов. [1]
Поставка продовольствия другим, вероятно, будет основной частью ранних внеземных поселений. Производство продуктов питания — нетривиальная задача и, вероятно, одна из самых трудоемких и жизненно важных задач первых колонистов. Среди прочего, НАСА исследует способы осуществления космического сельского хозяйства. [6] [7]
Технические проблемы
Эксперимент по выращиванию соевых бобов Advanced Astrocultural
Колонистам, которые попытаются заняться внеземным сельским хозяйством, придется столкнуться с множеством технических проблем. К ним относятся эффект пониженной гравитации, освещения и давления, а также повышенная радиация. [6] Хотя теплицы могут решить многие проблемы, связанные с космосом, их строительство будет сопряжено с рядом технических проблем. [8] [9]
Растения, выращенные в полете, испытывают условия микрогравитации , а растения, выращенные на поверхности Марса, испытывают гравитацию примерно в три раза меньшую, чем земные растения. Однако при наличии направленного света растения растут нормально. [10] Нормальный рост классифицируется как противоположное направление роста корня и побега. При этом многие растения, выращенные в условиях космического полета, были значительно меньше тех, что росли на поверхности Земли, и росли медленнее. [10]
Помимо различных эффектов гравитации, растения, выращенные на поверхности Марса, будут подвергаться гораздо более высокому уровню радиации, чем на Земле, если не будут защищены. Воздействие высоких уровней радиации может повредить ДНК растений, что происходит, когда высокореактивные гидроксильные радикалы поражают ДНК. [11] Деградация ДНК оказывает прямое влияние на прорастание, рост и размножение растений. [11] Ионизирующее излучение также влияет на функцию PSII и может вызвать потерю функции и образование радикалов, ответственных за фотоокисление. Интенсивность этих эффектов варьируется от вида к виду. [12]
Среда низкого давления на поверхности Марса также вызывает беспокойство. Гипобарические условия могут повлиять на чистый фотосинтез и скорость эвапотранспирации. Однако исследование 2006 года предполагает, что поддержание повышенных концентраций CO 2 может смягчить последствия гипобарических условий при давлении всего 10 кПа для достижения нормального роста растений. [13]
Марсианская почва содержит большую часть минералов, необходимых для роста растений, за исключением реактивного азота, который является продуктом минерализации органического вещества. [14] Поскольку на марсианской поверхности наблюдается дефицит органического вещества, химически активный азот отсутствует. Активный азот является обязательным компонентом почвы, используемой для роста растений, и вполне возможно, что азотфиксирующие виды, такие как бактерии, могут способствовать поставке реактивного азота. Однако исследование 2014 года показало, что растения смогли прорасти и выжить в течение 50 дней на марсианской и лунной почве при использовании имитирующих почв. При этом только один из четырех экспериментальных видов показал себя достаточно хорошо, чтобы добиться полного формирования цветка, и для достижения полного роста необходимы дополнительные усилия. [14]
Эксперименты
Интервью с учеными-садоводами из Университета Флориды об их экспериментах по космическому сельскому хозяйству
В 2013 году НАСА профинансировало исследования по разработке пищевого 3D-принтера . [16]
Система производства овощей НАСА «Вегги» представляет собой развертываемую установку, предназначенную для производства салатных культур на борту Международной космической станции. [17]
Лунный посадочный модуль « Чанъэ-4» 2019 года несет на себе лунную микроэкосистему, [18] герметичный «биосферный» цилиндр массой 3 кг (6,6 фунта) длиной 18 см и диаметром 16 см с семенами и яйцами насекомых, чтобы проверить, могут ли растения и насекомые вылупиться. и расти вместе в синергии.
Будущий лунный посадочный модуль ALINA будет нести небольшой «биосферный» цилиндр под названием «Лунный эксперимент по выращиванию растений» (LPX), в котором НАСА попытается прорастить и вырастить несколько типов растений. [19] [20]
Проект EDEN-ISS представлял собой четырехлетний проект в Антарктиде на станции Ноймайер III, призванный продемонстрировать систему выращивания растений для будущих испытаний на борту МКС и теплицу будущего исследования (FEG) для планетарных сред обитания. С тех пор проект был продлен. [21] [22]
Эксперименты с культурами
Following crops have been considered for use in space farms:[3][23]potatoes, grains, rice, beans, tomatoes, paprika, lettuce, cabbage, strawberries, onions, and peppers.
^ a b c dCooper, Maya; Douglas, Grace; Perchonok, Michele (1 March 2011). "Developing the NASA Food System for Long-Duration Missions". Journal of Food Science. 76 (2): R40–R48. doi:10.1111/j.1750-3841.2010.01982.x. ISSN 1750-3841. PMID 21535783.
^"White Paper. The Space Agriculture Endeavour". Open Agriculture. 1 (1): 70–73. 26 May 2016. doi:10.1515/opag-2016-0011. ISSN 2391-9531.
^ a bKijk magazine 9/2015
^Maggi F. and C. Pallud, (2010), Space agriculture in micro- and hypo-gravity: A comparative study of soil hydraulics and biogeochemistry in a cropping unit on Earth, Mars, the Moon and the space station, Planet. Space Sci. 58, 1996–2007, doi:10.1016/j.pss.2010.09.025.
^Maggi F. and C. Pallud, (2010), Martian base agriculture: The effect of low gravity on water flow, nutrient cycles, and microbial biomass dynamic, Advances in Space Research 46, 1257-1265, doi:10.1016/j.asr.2010.07.012
^ a bMoskowitz, Clara (15 May 2013). "Farming on Mars? NASA ponders food supply for 2030 mission". Fox News. Retrieved 18 May 2014.
^Wheeler, Raymond M. (10 February 2017). "Agriculture for Space: People and Places Paving the Way". Open Agriculture. 2 (1): 14–32. doi:10.1515/opag-2017-0002. ISSN 2391-9531.
^Schubert, D. (5 April 2017). "Greenhouse production analysis of early mission scenarios for Moon and Mars habitats". Open Agriculture. 2 (1): 91–115. doi:10.1515/opag-2017-0010. ISSN 2391-9531.
^Zeidler, Conrad; Vrakking, Vincent; Bamsey, Matthew; Poulet, Lucie; Zabel, Paul; Schubert, Daniel; Paille, Christel; Mazzoleni, Erik; Domurath, Nico (25 March 2017). "Greenhouse Module for Space System: A Lunar Greenhouse Design". Open Agriculture. 2 (1): 116–132. doi:10.1515/opag-2017-0011. ISSN 2391-9531.
^ a bPaul, Anna-Lisa; Amalfitano, Claire E.; Ferl, Robert J. (7 December 2012). "Plant growth strategies are remodeled by spaceflight". BMC Plant Biology. 12: 232. doi:10.1186/1471-2229-12-232. ISSN 1471-2229. PMC 3556330. PMID 23217113.
^ a bEsnault, Marie-Andrée; Legue, Florence; Chenal, Christian (2010). "Ionizing radiation: Advances in plant response". Environmental and Experimental Botany. 68 (3): 231–237. doi:10.1016/j.envexpbot.2010.01.007.
^Micco, Veronica De; Arena, Carmen; Pignalosa, Diana; Durante, Marco (1 March 2011). "Effects of sparsely and densely ionizing radiation on plants". Radiation and Environmental Biophysics. 50 (1): 1–19. doi:10.1007/s00411-010-0343-8. ISSN 0301-634X. PMID 21113610. S2CID 28544281.
^Richards, Jeffrey T.; Corey, Kenneth A.; Paul, Anna-Lisa; Ferl, Robert J.; Wheeler, Raymond M.; Schuerger, Andrew C. (1 December 2006). "Exposure of Arabidopsis thaliana to Hypobaric Environments: Implications for Low-Pressure Bioregenerative Life Support Systems for Human Exploration Missions and Terraforming on Mars". Astrobiology. 6 (6): 851–866. Bibcode:2006AsBio...6..851R. doi:10.1089/ast.2006.6.851. ISSN 1531-1074. PMID 17155885.
^ a bWamelink, G. W. Wieger; Frissel, Joep Y.; Krijnen, Wilfred H. J.; Verwoert, M. Rinie; Goedhart, Paul W. (27 August 2014). "Can Plants Grow on Mars and the Moon: A Growth Experiment on Mars and Moon Soil Simulants". PLOS ONE. 9 (8): e103138. Bibcode:2014PLoSO...9j3138W. doi:10.1371/journal.pone.0103138. ISSN 1932-6203. PMC 4146463. PMID 25162657.
^"NASA - European Modular Cultivation System". Archived from the original on 25 November 2010. Retrieved 22 April 2014.
^"NASA grant $125K to fund 3D food printer". 3ders News. 21 May 2013. Retrieved 18 May 2014.
^"NASA - Vegetable Production System". nasa.gov. Retrieved 8 December 2017.
^China Is About to Land Living Eggs on the Far Side of the Moon Archived 2 January 2019 at the Wayback Machine. Yasmin Tayag, Inverse. 2 January 2019.
^Lunar Plants LPX Experiment. NASA. Accessed on 5 January 2019.
^NASA's Next Frontier: Growing Plants On The Moon. Tarun Wadhwa, Forbes. 2013.
^"EDEN ISS | Ground Demonstration of Plant Cultivation Technologies and Operation in Space". Retrieved 21 June 2021.
^"DLR - Institute of Space Systems - EDEN ISS". www.dlr.de. Retrieved 21 June 2021.
^Wheeler, Raymond (2010). "Plants for human life support in space: from Myers to Mars". Gravitational and Space Biology. 23: 25–36.
"HowStuffWorks "How Space Farming Works"". science.howstuffworks.com. 28 May 2008. Retrieved 22 April 2014.
"Advanced Astroculture TM (ADVASC)" ISS Program Scientist's Office. 3/7/2008. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100426041533/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/ADVASC.html
"Analysis of a Novel Sensory Mechanism in Root Phototropism (Tropi)" ISS Program Scientist's Office. 12/21/2007. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100203064705/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/Tropi.html
"Biomass Production System (BPS)" ISS Program Scientist's Office. 2/8/2008. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100324005944/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/BPS.html#backtoTop
Encyclopædia Britannica. "International Space Station." 2008. (5/14/2008) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/747712/International- Space-Station
"European Modular Cultivation System." European Space Agency. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20070813142020/http://spaceflight.esa.int/users/index.cfm?act=default.page& level=11&page=fac-iss-dest-emcs
Halvorson, Todd. "Lettuce and LEDs: Shedding New Light On Space Farming." Space.com. 9/26/2001. (5/13/2008) http://www.space.com/businesstechnology/technology/light_farming_[permanent dead link] 010926.html
Katayami, N. et al. "Entomophagy; a key to space agriculture." Space Agriculture Task Force. (5/13/2008) [1]. ac.jp/space_agriculture/Archive/PDF/Insect_Eating_ASR2006-g. pdf+eating+insects+space+farming&hl=en&ct=clnk&cd=3&gl=us&client =Firefox-a
Mansfield, Cheryl. "Orbiting Agriculture." John F. Kennedy Space Center. 10/20/2005. (5/14/2008) http://www.nasa.gov/missions/science/f_lada.html
"Molecular and Plant Physiological Analyses of the Microgravity Effects on Multigeneration Studies of Arabidopsis thaliana (Multigen)" ISS Program Scientist's Office. 3/21/2008. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100918004023/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/ Multigen.html
"Photosynthesis Experiment and System Testing Operation (PESTO)." ISS Program Scientist's Office. 3/14/2008. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100324005220/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/PESTO.html#top
"Plant Generic Bioprocessing Apparatus (PGBA)." ISS Program Scientist's Office. 12/7/2007. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100918004023/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/ PGBA.html
Quinn, Sheri. "Plants as Important in Space as on Earth." Voice of America 4/8/2008. (5/13/2008) http://www.globalsecurity.org/space/library/news/2008/space-080408- voa02.htm
The Kitchen Sisters. "Beyond Tang: Food in Space." NPR. 6/7/2007. (5/12/2008) https://www.npr.org/2007/06/07/10792763/beyond-tang-food-in-space
"The Optimization of Root Zone Substrates (ORZS) for Reduced Gravity Experiments Program." ISS Program Scientist's Office. 3/28/2008. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100918004023/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/ ORZS.html
"Threshold Acceleration for Gravisensing (Gravi)." ISS Program Scientist's Office. 1/11/2008. (5/14/2008) https://web.archive.org/web/20100918004023/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/ Gravi.html
External links
International Space Station: A First For Space Farming
Greenhouses for Mars
Sunlight on Mars: Is there enough light on mars to grow tomatoes?
Award-winning Mars garden
Plant biology at low atmospheric pressures in support of Earth-orbital, lunar, or Martian plant growth facilities