Как сделать марсианский грунт в домашних условиях
В связи с увеличением роста населения и сокращением пахотных земель на Земле, астроземледелие в будущем может оказаться жизненно важной отраслью. В частности, большое значение будет играть марсианская почва, которая на данный момент не считается плодородной. Однако ученые нашли способ улучшить рост растений в грунте Красной планеты.
В идее колонизации Марса пока слишком много пробелов, и обеспечение колонизаторов пищей — один из них. Поэтому на Красной планете придётся выращивать еду на месте, но дело осложняет бесплодная марсианская почва. Новое исследование показало, что удобрение растений грамотрицательными бактериями может значительно улучшить их рост даже в марсианском грунте — ученые это с успехом и продемонстрировали.
Чрезвычайно сухая, пыльная и каменистая грязь, придающая Красной планете характерный оттенок, бесперспективна для сельского хозяйства. В реголите, как известно, не хватает обычной органики от растений и животных, которая и обеспечивает питательные вещества для сельскохозяйственных культур. Это означает, что попытки выращивать что-то в такой почве безуспешны.
Азот является относительно важным питательным веществом для растений, поэтому отсутствие азотсодержащих молекул в реголите Марса — серьезная проблема. В рамках нового эксперимента исследователи из Университета штата Колорадо решили добавить его в грунт с помощью почвенных бактерий, которые фиксируют азот из воздуха.
Команда ученых вырастила клевер в образцах смоделированной марсианской почвы, причем некоторые растения были привиты азотфиксирующими бактериями Sinorhizobium meliloti. Эти бактерии также образуют симбиотические отношения с некоторыми бобовыми.
Выяснилось, что растения с симбиотическими бактериями развивались намного лучше: корни и побеги росли у них на 75% быстрее, чем у клевера, который рос просто в искусственном реголите без бактериальной инокуляции.
Клевер, выращенный в искусственной марсианской почве, растёт намного лучше в сочетании с азотфиксирующими бактериями (слева), чем без них (справа). Изображение: Государственный университет Колорадо
Ученые также исследовали концентрацию азота в почве, чтобы оценить способность клубеньковых растений и симбионтов к улучшению качества грунта. Однако они получили интересный результат: уровень азотсодержащих молекул в почве вокруг инокулированных растений не увеличивался, то есть существенных различий в составе почвы, где были растения с бактериями, и имитацией реголита не обнаружили.
Если бы количество азотсодержащих молекул увеличивалось в первом варианте, то можно было бы сделать вывод, что реголит улучшается с течением времени, становясь все более подходящим для выращивания в нем сельскохозяйственных культур.
Тем не менее, результаты исследования, опубликованного в PLOS ONE, показывают, что азотфиксирующие бактерии Sinorhizobium meliloti образуют клубеньки на корнях растений в марсианском реголите, в конечном итоге значительно улучшая рост клевера (Melilotus officinalis) в тепличных условиях, так как переводят азот в усваиваемые растениями соединения. То есть они могут значительно усилить развитие растений в реголите и стать важным ингредиентом для будущих земледельцев на Марсе.
Ученые разработали имитационную марсианскую почву для выращивания в ней разных сельскохозяйственных культур. Однако для эффективного результата необходимо получить точный образец почвы с самого Марса и учесть ряд препятствий.
Если у людей есть шанс успешно колонизировать Марсе, ученым необходимо придумать способ как производить на нем пищу, пишет Science Focus.
Читайте лучшие материалы раздела на странице "Фокус. Технологии и наука" в Facebook
В 2016 году Вигер Вамелинк, эколог из Вагенингенского университета, встретился с 50 гостями в нидерландском отеле New World, чтобы отведать единственный в своем роде обед.
При беглом взгляде на меню все могло показаться довольно обычным — гороховое пюре, картофельный и крапивный суп с ржаным хлебом, морковный шербет.
Однако особенность этого меню заключалась в том, что все овощи, использованные для приготовления еды, были выращены Вамелинком и его командой на смоделированных марсианских и лунных почвах.
С тех пор они вырастили 10 разных культур, включая киноа, кресс-салат, рукколу и помидоры, используя имитационные грунты, созданные из измельченных вулканических пород, собранных здесь, на Земле.
Команда создала имитирующую почву, отсортировав частицы породы по разным размерам и смешав их в пропорциях, соответствующих марсианском грунте.
Изначально почва была разработана так, чтобы марсоходы и скафандры можно было испытать на Земле, дабы увидеть, насколько хорошо они обрабатывают поверхностные материалы Марса и Луны. Но мало кто думал, что их вообще можно будет когда-нибудь обрабатывать.
Во-первых, были опасения по поводу текстуры грунта, особенно после того, как ранние попытки создать модель лунной почвы были затруднены из-за крошечных, острых осколков камней, проткнувших корни растений.
Однако на Марсе, движение древней воды и продолжающаяся ветровая эрозия оставили на планете более мягкий поверхностный покров, и моделирование почв оказалось успешным.
С точки зрения питания, Вамелинк говорит, что нет никакой разницы между "марсианскими" культурами и теми, которые выращиваются на местных грунтах.
В настоящее время он и его команда пытаются повысить урожайность сельскохозяйственных культур, наполняя имитационную марсианскую почву богатой азотом, человеческой мочой — ресурсом, который, вероятно, будет легко доступен при полетах экипажей на Красную планету.
Он также планирует ввести бактерии, которые будут выделять больше атмосферного азота, а также питаться, присутствующими в почве Марса, токсичными солями перхлората.
В свою очередь профессор Эдвард Гуинэн и Алисия Эглин из Университета Вилланова в Пенсильвании, возглавляющие проект Red Thumbs, добились нескольких успехов в выращивании собственной марсианской модели.
Исследователи из университета Вилланова расширили свою модельную почву (первоначально полученную из горных пород, собранных в пустыне Мохаве) с помощью дождевых червей, а именно благодаря их способности выделять азот из мертвого органического вещества во время рытья нор и пропитания.
После того как Гуинэну и Эглин для создания марсианского пива удалось успешно производить ячмень и хмель (используемые для придания пиву приятной горечи и хорошо растущие в марсианской почве), проект Red Thumbs в 2018 году даже попал в заголовки газет.
Не совсем идеальная почва
Пару лет спустя Гуинэн и Эглин добавили в свои теплицы помидоры, чеснок, шпинат, базилик, капусту, салат, рукколу, лук и редис. Качество урожая варьировалось.
Главный успех имела капуста, которая на марсианской почве росла лучше, чем на местных грунтах, в то время как другие культуры испытывали трудности, например, столь необходимый и высококалорийный картофель.
Как оказалось, он предпочитает более рыхлую, неуплотненную почву и не может расти на имитационном грунте, так как он становится тяжелым при поливе и быстро теряет влагу, в результате чего картофелю сложно пустить в него корни.
Эглин считает, что ключом к успеху может быть выращивание менее урожайных культур, которые могут иметь больше естественных экосистем, чем позволяет однотипная установка.
Даже на Земле сельскохозяйственные монокультуры часто страдают с течением времени, поскольку питательные вещества, необходимые для выращивания одного растения, постепенно истощаются и не заменяются после каждого сбора урожая.
Чтобы противодействовать этому эффекту, в ту же зону выращивания фермеры часто вводят второстепенные виды. Они не будут конкурировать с основной культурой, потому что их корневая система более мелкая, но для повышения плодородия почвы они будут обеспечивать дополнительное выделение азота.
Теперь Эглин планирует проверить это, выращивая соевые бобы, которые могут оказаться жизненно важным источником белка, а также кукурузу и амарант.
"Но как бы ни были успешны эти проекты, мы должны помнить, что имитационные почвы имеют ограничения", — объясняет Кристель Пайль из Европейского космического агентства (ЕКА).
Она участвует в программе альтернативных микроэкологических систем жизнеобеспечения (MELiSSA), которая изучает ряд технологий для использования в дальних полетах с экипажем, например, таких как бактериальные биореакторы, перерабатывающие отходы космонавтов в воздух, воду и пищу.
Хотя MELiSSA и оказала поддержку Вамелинку, Пайль отмечает, что даже несмотря на успехи модельных почв, должен учитываться тот факт, что они основаны на ограниченной географической выборке.
Марсоход Perseverance
30 июля с мыса Канаверал стартовал марсоход NASA Perseverance, нацеленный на древние отложения дельты реки в кратере Езеро. Если все пойдет по плану, то в феврале следующего года марсоход окажется на одной из самых плодородных земель Красной планеты.
Благодаря своей системе питания на основе плутония марсоход сможет провести до десяти лет, анализируя поверхность Марса. Более того, и это очень важно для тех, кто надеется выращивать пищу на Марсе, марсоход будет собирать образцы горных пород и почвы, храня их в рамках подготовки к потенциальной будущей роботизированной миссии по возвращению на Землю для анализа. А пока остается работать только с имитационными грунтами.
К тому же многому еще предстоит научиться. Например, вместо того чтобы заниматься отдельными видами, MELiSSA предпочитает оценивать растения в рамках автономной, поддерживающей жизнь экосистемы.
Здесь преимущества съедобной биомассы, производства кислорода и даже очистки воды уравновешиваются с ресурсами для выращивания каждого растения и управления их отходами. Но для прогнозирования урожайности на Марсе потребуется более фундаментальное понимание биологии растений.
"Речь идет о переходе на молекулярный уровень. Нам нужно охарактеризовать то, что происходит под землей, например, при корневом дыхании. Как такие газы, как кислород, поглощаются и доставляются к корню?И как на самом деле выделяется углекислый газ?", — говорит Пайль.
Препятствия для роста
Даже если подходящая модель и будет разработана, ученым все равно придется преодолеть и другие проблемы.
Марс находится на орбите размещенной примерно на 70 млн. км дальше от Солнца, чем Земля. В результате чего солнечный свет дает лишь 43% энергии, снижая среднюю температуру до -60 °C. Кроме того, из-за наклона планеты и довольно эллиптической орбиты сезонные колебания являются экстремальными.
Еще одно препятствие — марсианская атмосфера, которая намного тоньше земной и не имеет азота, необходимого для роста растений. Вместо этого в нем преобладает углекислый газ, который жизненно важен для фотосинтеза, но его концентрация настолько низкая, что для стимуляции роста, любым растениям, растущим на поверхности, придется изо всех сил пытаться использовать его в достаточной мере.
Помимо этого, разреженная атмосфера подвергает марсианскую почву воздействию космической радиации, создавая тем самым враждебную среду для любых микроорганизмов, которые могут быть занесены для переработки нутриентов из мертвых растительных веществ.
Между тем, Дженнифер Уодсворт из британского Центра астробиологии показала, что солнечное излучение может активировать соединения хлора в марсианской почве, превращая ее в токсичные соли перхлората. Они ядовиты при употреблении в пищу и могут вызвать гипотиреоз, который блокирует высвобождение гормонов, регулирующих метаболизм.
Ядовитые тяжелые металлы, такие как кадмий, ртуть и железо, обнаруженные в почве, создают отдельные затруднения.
"Все тяжелые металлы, которе вы можете себе представить, находятся в этих почвах. Для растений они не будут создавать никаких проблем, потому что они смогут хранить эти металлы в отдельном месте. А вот для людей употребляющих подобные растения это может быть опасно", — подчеркивает Вамелинк.
Другой вариант — безпочвенные методы, уже используемые на Земле. Так, к примеру, аэропоника выращивает растения в воздушной среде без применения почвы, а питательные вещества к корням растений доставляются в виде аэрозоля, гидропоника же наоборот — погружает корни в питательную жидкость.
Эти подходы позволяют выращивать более крупные и быстрорастущие культуры и уже успешно используются для выращивания латука на Международной космической станции (МКС).
Дефицит калорий
Несмотря на популярность латука на МКС, одного только воздушного или водного земледелия может быть недостаточно для поддержания жизнеспособности астронавтов в дальних полетах на Марс.
"Выращивать картофель в гидрокультуре очень трудно, а есть один салат и помидоры — недостаточно, потому что организму нужны калории. Картофель намного лучше растет на почвах, где много урожая можно получить с одного кубического метра, а органические вещества, которые не съедаются, можно перерабатывать", — утверждает Вамелинк.
Независимо от того, будет она выращена в почве или воде, пища, сыграет важную роль в любом марсианском форпосте. Сесть и покушать полноценным обедом окажется бесценным для психического и физического здоровья любого космонавта-первопроходца, живущего в миллионах километров от дома. И кто знает, может, в меню все-таки появится ржаной хлеб и гороховое пюре.
Да, по функционалу это сильно меньше, но, в принципе, для работы на другой планете у марсохода Грищенко все есть. Учитывая разницу в цене и сложность производства, хочется спросить: а не проще ли и дешевле посылать на другую планету не один многоцелевой аппарат, а несколько более специализированных?
a) Если нужно сделать специализированный аппарат для, скажем, анализа погоды, как бы он выглядел? Или только сейсмозонд? Желательно, чтоб устройство было компактным, надежным, дешевым и простым в эксплуатации. Ну и, конечно, чтоб его можно было собрать дома
б) Кьюриосити ездит на колесах, которые постоянно ломаются. Какую бы альтернативную систему передвижений вы бы могли предложить для такого марсохода? Было бы здорово увидеть сделанный в домашних условиях прототип такого устройств.
Вариант-победитель: Давайте пошлем на Марс лом
a) Ну по идеи самая сложная часть жизни марсохода это его полет к марсу и приземления. Как показывает практика отключая колеса, или используя их как доп. инструмент исследования не сильно осложняет жизнь аппарата.
Метеозонд можно было бы сделать по двум принципиально разным моделям: 1) которая бы не спускалась на поверхность марса вовсе. На подобие метеозонда, с баками сжатого газа (для поддержания устройства на необходимой высоте); 2) Виде втыкающихся в землю "лома" металлические пруты различного назначения, сейсмомониторинг, измерения ветра и давления атмосферы, и всё там такое.
Изменение способа посадки даст экономию топлива, что можно будет уже использовать инженерам по своему усмотрению и техническом заданию.
б) Два основных требования можно предъявить движителям марсохода: 1) надежность; 2) экономия энергии. Кроме этого необходима маневренность, скорость передвижения, возможность передвигаться по различным грунтам и наклонам. Поэтому предлагаю сделать шагающий марсоХОД, как тут.
2-е место: Засыпем Красную планету шариками
Автор: Сергей Порохов
a) Аппарат лучше представить в виде нескольких независимых систем. Засылать их можно одной ракетой. В этом случае сам марсоход будет представлять собой несколько, скажем шаров. Внутри шаров могут располагаться разные модули. Например, какой-нибудь гироскоп, как у мобильного телефона, способный регистрировать колебания. Когда шар катится, система не работает. Когда стоит на месте - считывает вибрации.
б) Система передвижения шаров должна быть простой. Скажем, это может быть машинка. Сам шар надувается после посадки. Машинка ездит по внутренней поверхности шара, шар катится. При этом сам шар может использоваться, как, например, антенна для передачи данных.
3-е место: Аппараты будут вести себя как паровоз
Автор: Глеб Пискурев, Михаил Бурмистров
Интереснее другой вопрос- имеет ли смысл марсоходу таскать с собой бортовой радиокомплекс? Возможно, намного дешевле разместить на одной из возвышенностей платформу либо спутник-ретранслятор, который мог бы коммутировать несколько роверов с их управляющими сигналами с НКУ.
б)Подходящий вариант, мне кажется, – это шасси на гусеничном ходу и съёмные специалезированные модули (для фото/видео регистрации, метеомодуль (наземная метеостанция и атмосферный зонд), геомодуль (бур, сейсмозонд, сборщик абразцов) и т.д.).
Можно слать одно шасси и прицеп с модулями, либо же просто экономить за счёт серийности и универсальности шасси – так с нуля разрабатывать придётся только модули.
Доставить образцы грунта с поверхности космических объектов — задача сложная. А если речь идёт об образцах с Марса — архисложная. Что для этого нужно, как будет организована миссия и во сколько она обойдётся — в нашей статье.
Доставить образцы грунта с поверхности космических объектов — задача сложная. А если речь идёт об образцах с Марса — архисложная. Что для этого нужно, как будет организована миссия и во сколько она обойдётся — в нашей статье.
Во время виртуальной — из-за пандемии коронавируса — встречи специалисты NASA и Европейского космического агентства ( ESA) приоткрыли завесу тайны вокруг одной из наиболее сложных и масштабных операций по доставке грунта. Предполагается, что уже летом 2020 года стартует операция по забору грунта с Марса. Она продлится более десяти лет, в ней будет задействовано как минимум два марсохода и несколько космических аппаратов, а её итогом в 2031 году должны стать тридцать небольших пробирок с пробами марсианского грунта.
Миссии повышенной сложности
Чтобы сосчитать успешные миссии по доставке грунта с других небесных тел, хватит пальцев на двух руках.
Марш на Марс
Как предположительно будет организована миссия по забору грунта с Марса?
В 2026 году туда отправится следующая миссия, в составе которой будет ещё один марсоход и ракета-носитель. Марсоход заберёт у Perseveranse пробирки с образцами и поместит их в ракету, которая должна будет вывести их на орбиту Марса.
Зачем нужен второй марсоход, неужели Perseveranse не справится сам?
Миссией возврата образцов с орбиты Марса займётся третий космический аппарат. Предполагается, что он будет запущен в стартовое окно 2028 года, заберёт на орбите образцы и вернёт их на Землю. Согласно расчётам, случится это в 2031 году.
Марс не отпускает
Почему так долго? Миссии по доставке грунта на Землю значительно сложнее, чем обычные исследовательские миссии.
Во-первых, слишком много операций, которые могут пойти не так. То скребок и совок откажут, то на обратном пути система мягкой посадки не сработает. Во-вторых, для возвращения образцов на Землю требуется отдельная система, которая уменьшает вес всей станции, увеличивает сложность вывода космического аппарата на нужную орбиту и не требуется до самого конца экспедиции.
Если мы забираем грунт с планеты, появляется ещё одна серьёзная сложность — необходимо поднять образцы на орбиту, преодолев силу притяжения. С Луной это проще — там гравитация составляет примерно одну шестую от земной. А вот поднять космический аппарат на орбиту Марса гораздо сложнее — гравитация на Марсе в три раза больше и составляет 38 процентов от земной. Хорошо ещё, что у красной планеты нет плотной атмосферы, иначе доставка грунта на орбиту стала бы самой сложной проблемой.
Цена грунта
Сколько же будет стоить эта операция? Пока посчитать сложно, ещё неизвестны детали о миссиях 2026 и 2028 годов.
По идее, миссия 2026 года будет ещё дороже, поэтому общую сумму возвращения грунта с Марса можно оценивать примерно в семь миллиардов долларов или даже больше.
Вся эта космическая сумма — за возможность доставить на нашу планету несколько десятков граммов грунта.
И да, сложность этой миссии может очень наглядно показать, насколько в настоящее время мы не готовы к колонизации других планет. ' title=>Какая тут колонизация, если даже доставка нескольких граммов грунта затягивается на десятилетие и требует проведения сразу нескольких дорогих и высокотехнологичных миссий?
Читайте также: