Космические грядки: что и зачем выращивают в космосе?
Люди давно мечтали о космических полетах, о покорении вселенной, о путешествиях по дальним галактикам. Но в любое дальнее путешествие с собой нужно брать большой набор продуктов. А если полёт планируется на годы? А может дальше и дольше?
У учёных родилась идея — создать на космическом корабле оранжерею, которая будет обеспечивать путешественников не только овощами и фруктами, но и кислородом, и водой… Легко придумать, а как реализовать?
Космический конус Циолковского
Первым идею — выращивать растения в космосе — выдвинул основоположник космонавтики Константин Циолковский. Задолго до начала пилотируемых полетов он заявил, что в будущем растения станут главным источником питания и поддержания атмосферы на космических кораблях. Он придумал и сделал зарисовку, как можно решить проблему невесомости и отсутствия гравитации в условиях космоса.
«Вообразим себе длинную коническую поверхность или воронку, основание или широкое отверстие которой прикрыто прозрачной шаровой поверхностью. Она прямо обращена к Солнцу, а воронка вращается вокруг своей длинной оси (высоты). На непрозрачных внутренних стенках конуса — слой влажной почвы с насаженными в ней растениями».
К.Э. Циолковский «Цели звездоплавания» 1929 год
В этой работе К. Э. Циолковский подробно описал не только, как можно искусственно создать гравитацию для растений, но и продумал, какие это должны быть растения: плодовитые, мелкие, без толстых стволов. По его задумке такие растения смогут обеспечивать колонизаторов космоса биологически активными веществами и микроэлементами, а также регенерировать кислород и воду.
За много десятилетий до полётов в космос Константин Эдуардович понял проблему с которой в будущем столкнулись космонавты — от консервированной и сублимированной пищи многие из них теряли аппетит, начиналась депрессия и ели только потому, что это было необходимо для поддержания сил.
Первым обратил на это внимание норвежский биолог Силе Вольф, который не мог найти логичного объяснения — почему космонавты в полёте часто теряют в весе. А причина оказалась проста — недостаток аппетита.
На орбите — горох и пшеница
Самые первые растения, которые побывали в космосе — это кукуруза, пшеница, горох и лук. Впервые семена этих растений поднялись на орбиту Земли в августе 1960 года — семьдесят лет назад. Этот полёт был во много необычным. Он известен, как полёт знаменитых собак Белки и Стрелки, которые не только побывали в космосе, но и благополучно вернулись на землю. Но далеко не все знают, что вместе с двумя собаками в этом полёте побывали сорок мышей, две крысы и семена растений.
Первое растение, выращенное и съеденное в космосе — это обычный зелёный лук. Это произошло в 1978 году на космической станции «Салют-4». Космонавтам Владимиру Ковалёнку и Александру Иванченкову удалось вырастить перья лука в установке «Оазис».
Эксперимент предусматривал не только вырастить растение, но и добиться процесса цветения и получение семян. Центральный пункт управления полётами разрешил срезать несколько перьев лука, чтобы он не гнил. Только позже стало известно, что часть лука космонавты съели без разрешения начальства — таким сильным было желание настоящей растительной пищи. Сейчас эта установка «Оазис-1» находится в Мемориальном музее космонавтики.
Безусловно, первые установки для выращивания растений в космосе были не совершенны. Их постоянно дорабатывали, модернизировали, придумывали новые: «Оазис»,»Вазон», «Лютик» и другие установки сначала проходили испытания на Северном полюсе, потом отправлялись в космос, но результаты каждый раз были непредсказуемыми…
Вот только один случай, описанный космонавтом Георгием Гречко в книге «Космонавт № 34». Гидропонная установка была без земли, и горошины прорастали в марле с водой и раствором. Космонавт заметил, что в одной кювете воды почти нет, а в другой — слишком много и горошины начали подгнивать. Воды во второй кювете было так много, что капли срывались и плавали по всей станции.
В итоге космонавт несколько часов собирал летающие капли салфеткой, Потом поливал горошины вручную. И едва не погубил весь эксперимент. Он решил, что ростки запутались в марле, и стал руками разбирать их. В итоге выяснилось, что он перепутал корешки и стебельки.
Эксперимент закончился благополучно — космонавту удалось добиться полного цикла: от семечка до взрослого стебля. Но из 36 зерен гороха, которые были в установке «Оазис», взошли и выросли только три.
Космические сады
1971 год
Мало кто знает — первый космический сад уже есть. Правда он существует не в космосе, а на Земле. Он был создан через восемь лет после выхода фильма — в 1971 году, когда на корабле «Аполлон-14» в космическое путешествие отправились семена пяти хвойных и лиственных пород: сосна, пихта, секвойя, платан и ликвидамбар. Эти семена не просто побывали в космосе, но вместе с астронавтом Стюартом Руса на командном модуле облетели вокруг Луны.
Когда «Аполлон-14» вернулся на Землю, семена высадили и получилось 450 саженцев, которые разослали по всему миру. Несколько растений специально были высажены рядом со своими собратьями и ровесниками. Прошли годы. «Лунные» деревья выросли и уже ничем не отличаются от своего окружения.
1980 год
Советские учёные разработали и отправили в космос установку для выращивания растений «Малахит». Перед ними была поставлена задача — чтобы в космосе цвели орхидеи. Эти цветы были выбраны неслучайно. Известно, что они прекрасно растут на створах деревьев, в самых неблагоприятных условиях. Орхидеи отправили на станцию уже цветущими. К сожалению, эксперимент не удался, лепестки опали, но листья и воздушные корни продолжали благополучно развиваться…
Что только не придумывали учёные, чтобы помочь растениям справиться с невесомостью и зацвести! Они стимулировали корневую систему электромагнитными волнами и создавали центрифуги, наподобие той, что была описана К.Э. Циолковским.
1982 год
Добиться цветения удалось только во время полёта космической станции «Салют-6», которая была выведена на орбиту в 1977 году и вернулась на землю в 1982 году. Именно в этом полёте (на космической станции за пять лет сменилось пять экипажей) удалось добиться невозможного. В установке «Светоблок» зацвёл арабидопсис.
Это скромное растение с мелкими белыми цветами ещё называют резуховидка Таля, и она является родственницей горчицы и обычной капусты. Она не просто расцвела на космической станции, но и дала семена. Впервые в космосе прошёл полный цикл развития растения: от семян до семян!
Это чудо удалось осуществить благодаря бортовой оранжерее «Светоблок», в которой учёные соединили систему дозированного полуавтоматического полива, аэрации и электрического стимулирования корней, а также перемещение вегетационных сосудов с растениями относительно источника света.
2000 год
На космическую станцию была отправлена первая в мире автоматическая оранжерея. С её помощью космонавты в рамках эксперимента вырастили салаты, редис и пшеницу. Но настоящий прорыв произошел в 2014 году. На американской космической станции астронавтам в автоматической плантации удалось вырастить зелень не для опытов, а для обогащения рациона питания.
С тех пор космические путешественники могут питаться свежими салатами, и добавлять лук, петрушку, укроп и сельдерей в другие блюда. Нужно только помнить, что питание на орбите — процесс специфический и мало напоминает земное застолье.
Какие растения выращивают на космическом огороде?
Картофель, морковь, свёкла и помидоры — привычные овощи и корнеплоды наших огородов ещё не скоро доберутся до космических просторов. Им требуется много земли и особые условия. Поэтому жареной картошечкой на орбите космонавты не смогут себя побаловать ещё пару десятилетий.
Так что же растёт на грядках в космосе?
На первом месте японская салатная капуста Мизуна — родственница нашего салата «Русалочка». Она осваивает космическое пространство уже более двадцати лет и восполняет витамины в организме космонавтов.
На втором месте — карликовый горох. Он поразил космонавтов: горох давал жизнеспособные семена пять раз подряд. Их снова и снова отправляли в космическую оранжерею и он благополучно рос, цвел и плодоносил. Поколение за поколением!
На третьем месте — пшеница, которая тоже несколько раз давала семена в космосе: и на станции «Мир», и на международной космической станции (МКС).
На четвертом месте — обычная редиска. После долгих экспериментов удалось выбрать сорт, который наиболее хорошо чувствует себя на орбите. Это редис сорта «Cherry bomb», который успешно формируют корнеплоды даже в невесомости!
Можно ли вырастить урожай без земли?
Космические технологии, основа которых зародилась еще на Земле, доказывают, что многие растения прекрасно растут и развиваются вовсе без почвы. Идея не нова. Считается, что впервые она была предложена ещё в начале 17 века английским философом, политиком, экономистом Френсисом Бэконом.
Пришли столетия. Сегодня существуют две основные методики выращивания растения в космосе без почвы:
- Гидропоника — растения получают питательные вещества из субстрата, пропитанного водой.
- Аэропоника — когда корни оголены, а рядом установлены распылители, которые время от времени обволакивают корни легкой дымкой из крохотных капель питательного раствора.
«Космические растения живут в специальной оранжерее с искусственным субстратом. Она снабжена автоматическим поливом: там стоят датчики влажности, которые проводят измерения через определённые промежутки времени. Система сама подсчитывает, сколько воды нужно добавить, и сама поливает. При этом в поливную воду ничего не добавляется: питаются растения за счёт удобрений пролонгированного действия, внесённых в субстрат.
С невесомостью «зелёные космонавты» справляются так: корни удерживаются субстратом, а надземные части всегда тянутся к искусственному свету».
Маргарита Левинских, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем»
Но и это — не окончательный вариант! Прообраз огромной космической оранжереи уже построен на немецкой антарктической станции «Neumayer-Station III», где учёные Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера выращивают огурцы, помидоры, сладкий перец и зелень. Это ещё раз подтверждает — все космические технологии берут своё начало на Земле.
Человечество готовится к дальним космическим путешествиям. А успех любой экспедиции на 99 процентов зависит от её подготовки. Поэтому нужно набраться терпения, и ждать когда «на Марсе будут яблони цвести»!
Источник
Космическое земледелие — Space farming
Пространство сельского хозяйства относится к выращиванию сельскохозяйственных культур для производства продуктов питания и других материалов в космосе или на внедорожных Земли небесных объектов — эквивалентных сельского хозяйства на Земле .
Земледелие на небесных телах, таких как Луна или Марс , имеет много общего с сельским хозяйством на космической станции или в космической колонии . Однако земледелие на небесных телах может не обладать сложностью 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.
СОДЕРЖАНИЕ
Вступление
Поставки еды на космические станции и другие длительные миссии тяжелы и невероятно дороги . На одного астронавта на Международной космической станции требуется примерно «1,8 килограмма еды и упаковки в день». Для долгосрочной миссии, такой как трехлетняя марсианская миссия с экипажем из четырех человек, это число может вырасти до 24 000 фунтов (или около 10 886 кг).
Из-за стоимости пополнения запасов и непрактичности пополнения запасов межпланетных миссий перспектива увеличения количества продовольствия в полете невероятно привлекательна. Существование космической фермы будет способствовать созданию устойчивой окружающей среды, поскольку растения можно использовать для рециркуляции сточных вод, выработки кислорода, непрерывной очистки воздуха и повторного использования фекалий на космической станции или космическом корабле. Всего 10 м² сельскохозяйственных культур производят 25% суточной потребности 1 человека, или около 180-210 граммов кислорода. По сути, космическая ферма превращает космический корабль в искусственную экосистему с гидрологическим циклом и переработкой питательных веществ.
В дополнение к сохранению срока хранения и снижению общей массы, возможность выращивать пищу в космосе поможет сократить дефицит витаминов в рационе космонавтов и обеспечить свежие продукты с улучшенным вкусом и текстурой. В настоящее время большая часть пищи, поставляемой космонавтам, подвергается термообработке или сублимационной сушке . Оба эти метода по большей части сохраняют свойства предварительной обработки пищевых продуктов. Однако при хранении может произойти разложение витаминов. Исследование 2009 года показало, что значительное снижение содержания витаминов A , C и K , а также фолиевой кислоты и тиамина может произойти всего за один год хранения. Миссия на Марс может потребовать хранения продуктов на срок до пяти лет; таким образом, потребуется новый источник этих витаминов.
Поставка продуктов питания другим, вероятно, будет основной частью ранних поселений вне Земли. Производство еды — нетривиальная задача и, вероятно, будет одной из самых трудоемких и жизненно важных задач ранних колонистов. Среди прочего, НАСА изучает возможности космического земледелия.
Технические проблемы
Колонисты, пытающиеся заниматься земледелием за пределами Земли, столкнутся с множеством технических проблем. К ним относятся эффект уменьшения силы тяжести, освещения и давления, а также повышенное излучение. Хотя теплицы могут решить многие проблемы, связанные с космосом, их строительство сопряжено со своим набором технических проблем.
Растения, выращиваемые в полете, испытывают микрогравитацию , а растения, выращенные на поверхности Марса, испытывают примерно 1/3 гравитации, чем земные растения. Однако при наличии направленного света растения растут нормально. Нормальный рост классифицируется как противоположное направление роста корней и побегов. При этом многие растения, выращенные в условиях космического полета, были значительно меньше, чем растения, выращенные на поверхности Земли, и росли медленнее.
В дополнение к различным эффектам гравитации, растения, выращенные на поверхности Марса, будут подвергаться гораздо более высоким уровням радиации, чем на Земле, если они не защищены. Воздействие высоких уровней радиации может повредить ДНК растений, что происходит в результате того, что высокореактивные гидроксильные радикалы нацелены на ДНК. Деградация ДНК оказывает прямое влияние на прорастание, рост и размножение растений. Ионизирующее излучение также влияет на функцию ФСII и может вызвать потерю функции и образование радикалов, ответственных за фотоокисление. Интенсивность этих эффектов варьируется от вида к виду.
Окружающая среда с низким давлением на поверхности Марса также является поводом для беспокойства. Гипобарические условия могут повлиять на чистую скорость фотосинтеза и эвапотранспирации. Тем не менее, исследование 2006 года предполагает, что поддержание повышенных концентраций CO 2 может смягчить последствия гипобарических условий до 10 кПа для достижения нормального роста растений.
Марсианская почва содержит большинство минералов, необходимых для роста растений, за исключением реактивного азота, который является продуктом минерализации органических веществ. Поскольку поверхность Марса бедна органическими веществами, реактивный азот отсутствует. Реактивный азот является необходимым компонентом почвы, используемой для роста растений, и возможно, что азотфиксирующие виды, такие как бактерии, могут помочь в поставке реактивного азота. Однако исследование 2014 года показало, что растения могли прорастать 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 требуется дополнительная работа.
Эксперименты
- « GreenHab » на научно — исследовательской станции Mars Desert в штате Юта содержит парник , предназначенный для имитации некоторых проблем , вытекающих из сельского хозяйства на Марсе.
- Лада эксперимент и Культивирование европейской система Modular на Международной космической станции используются для выращивания небольших количеств свежих продуктов.
- В 2013 году НАСА профинансировало исследования по разработке 3D-принтера для еды .
- Система производства овощей НАСА, «Вегги», представляет собой развертываемое устройство, предназначенное для выращивания овощей салатного типа на борту Международной космической станции.
- Лунный спускаемый аппарат Chang’e 4 2019 года несет Lunar Micro Ecosystem, 3-килограммовый (6,6 фунта) герметичный «биосферный» цилиндр длиной 18 см и диаметром 16 см с семенами и яйцами насекомых, чтобы проверить, могут ли растения и насекомые вылупляться и расти вместе. в синергии.
- Будущий АЛИНА лунный посадочный модуль будет нести небольшой «Биосфера» цилиндр под названием Эксперимент Lunar роста растений (LPX), где НАСА попытается прорастают и растут несколько видов растений.
Культуры, с которыми экспериментировали
Следующие культуры были рассмотрены для использования в космических фермах: картофель, зерна, рис, бобы, помидоры, перец, салат, капуста, клубника, лук и перец.
Источник