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
Растения в космосе — Plants in space
Рост растений в космосе вызвал большой научный интерес. В конце 20-го и начале 21-го века растения часто отправляли в космос на низкой околоземной орбите для выращивания в невесомой, но находящейся под давлением контролируемой среде, иногда называемой космическими садами. В контексте полета человека в космос их можно употреблять в пищу и / или создавать освежающую атмосферу. Растения могут метаболизировать углекислый газ в воздухе для производства ценного кислорода и могут помочь контролировать влажность в салоне. Выращивание растений в космосе может принести психологическую пользу экипажам космических полетов. Обычно растения были частью исследований или технических разработок для дальнейшего развития космических садов или проведения научных экспериментов. На сегодняшний день растения, доставленные в космос, представляют в основном научный интерес, с ограниченным вкладом в функциональность космического корабля, однако проект лунного дерева Аполлона был более или менее вдохновлен лесными работами, а деревья — частью празднования двухсотлетия страны.
Первая проблема при выращивании растений в космосе — это заставить растения расти без гравитации. Это сталкивается с трудностями, связанными с влиянием силы тяжести на развитие корней, обеспечением соответствующих типов освещения и другими проблемами. В частности, снабжение корнями питательными веществами, а также биогеохимические циклы питательных веществ и микробиологические взаимодействия в почвенных субстратах особенно сложны, но, как было показано, делают возможным космическое земледелие в условиях гипо- и микрогравитации.
НАСА планирует выращивать растения в космосе, чтобы накормить астронавтов и обеспечить психологическую поддержку при длительных космических полетах. В 2017 году на борту МКС в одном устройстве для выращивания растений 5-й урожай китайской капусты ( Brassica rapa ) с него включал надел для потребления экипажем, а остальной был сохранен для изучения. Одним из первых обсуждений космических растений были деревья на космической станции « Кирпичная луна » в рассказе 1869 года « Кирпичная луна ».
СОДЕРЖАНИЕ
История
В 2010-х годах возросла потребность в длительных космических полетах, что привело к желанию выращивать растения из космоса в качестве пищи для космонавтов. Примером этого является выращивание овощей на Международной космической станции на околоземной орбите. К 2010 году на борту Международной космической станции было проведено 20 экспериментов по выращиванию растений .
Несколько экспериментов были сосредоточены на том, как сравнивать рост и распространение растений в условиях микрогравитации, в космических условиях и на Земле. Это позволяет ученым исследовать, являются ли определенные модели роста растений врожденными или обусловленными окружающей средой. Например, Аллан Х. Браун проверил движение проростков на борту космического корабля » Колумбия» в 1983 году. Движение проростков подсолнечника было зарегистрировано во время нахождения на орбите. Они заметили, что сеянцы по-прежнему росли во вращении и кружили, несмотря на недостаток силы тяжести, показывая, что такое поведение является инстинктивным.
Другие эксперименты показали, что растения обладают способностью проявлять гравитропизм даже в условиях низкой гравитации. Например, Европейская модульная система выращивания ЕКА позволяет экспериментировать с ростом растений; Действуя как миниатюрная оранжерея , ученые на борту Международной космической станции могут исследовать, как растения реагируют на условия переменной силы тяжести. В эксперименте Gravi-1 (2008 г.) использовалась EMCS для изучения роста проростков чечевицы и движения амилопластов по кальций-зависимым путям. Результаты этого эксперимента показали, что растения могли чувствовать направление силы тяжести даже на очень низких уровнях. Более поздний эксперимент с EMCS поместил 768 проростков чечевицы в центрифугу, чтобы стимулировать различные гравитационные изменения; Этот эксперимент, Gravi-2 (2014), показал, что растения изменяют кальциевую сигнализацию в сторону роста корней при выращивании с несколькими уровнями силы тяжести.
Во многих экспериментах используется более общий подход к наблюдению за общими моделями роста растений в отличие от одного конкретного поведения роста. Один такой эксперимент, проведенный Канадским космическим агентством , например, показал, что саженцы белой ели росли в антигравитационной космической среде иначе, чем саженцы, привязанные к Земле; космические сеянцы продемонстрировали усиленный рост из побегов и хвои, а также имели рандомизированное распределение амилопластов по сравнению с контрольной группой, связанной с Землей.
Ранние усилия
Первыми организмами в космосе были «специально разработанные сорта семян», запущенные на расстояние 134 км (83 мили) 9 июля 1946 года на ракете Фау-2, запущенной США . Эти образцы не были восстановлены. Первыми семенами, запущенными в космос и успешно восстановленными, были семена кукурузы, запущенные 30 июля 1946 года. Вскоре последовали рожь и хлопок . Эти ранние суборбитальные биологические эксперименты проводились Гарвардским университетом и Военно-морской исследовательской лабораторией и касались радиационного воздействия на живые ткани. 22 сентября 1966 года « Космос 110» был запущен с двумя собаками и увлажненными семенами. Некоторые из этих семян прорастали первыми, в результате чего были получены салат, капуста и некоторые бобы, урожайность которых превышала их урожайность на Земле. В 1971 году , 500 семена деревьев ( Лоблолли сосна , платан , Sweetgum , Redwood , и ель Дугласа ) были доставлены вокруг Луны на Apollo 14 . Эти лунные деревья были посажены и выращены с помощью средств управления еще на Земле, где не было обнаружено никаких изменений.
Эпоха космической станции
В 1982 году экипаж советской космической станции Салют-7 провел эксперимент, подготовленный литовскими учеными ( Альфонсас Меркис и др.), И вырастил несколько арабидопсисов с помощью экспериментальной микротеплицы Фитон-3, став, таким образом, первыми растениями, которые зацвели и дали урожай. семена в космосе. Skylab эксперименте изучалось влияние гравитации и света на рисовых растений. Svet-2 Space Теплица успешно достигнуты семена для выращивания растений семян в 1997 году на борту космической станции Мира . Бион 5 осуществляется морковь дикая и Бион 7 осуществляется маис (кукуруза) иначе.
Исследования растений продолжались на Международной космической станции . Система производства биомассы использовалась в 4-й экспедиции МКС . Система производства овощей (Veggie) позже была использована на борту МКС. Перед полетом в космос в Veggie были испытаны такие растения, как салат, мангольд, редис, китайская капуста и горох. Салат красный ромэн выращивали в космосе в рамках 40-й экспедиции , собирали созревшие, замораживали и тестировали на Земле. Участники экспедиции 44 стали первыми американскими астронавтами, которые съели растения, выращенные в космосе 10 августа 2015 года, когда был собран урожай красного ромена. С 2003 года российские космонавты съедают половину своего урожая, а другая половина идет на дальнейшие исследования. В 2012 году на борту МКС под присмотром астронавта НАСА Дональда Петтита зацвел подсолнух . В январе 2016 года американские астронавты объявили, что на борту МКС зацвела цинния .
В 2017 году для МКС была разработана система Advanced Plant Habitat , которая представляла собой почти самоподдерживающуюся систему выращивания растений для этой космической станции на низкой околоземной орбите. Система устанавливается параллельно с другой системой выращивания растений на борту станции, VEGGIE, и главное отличие от этой системы состоит в том, что APH спроектирована таким образом, чтобы не требовать меньшего ухода со стороны людей. APH поддерживается менеджером реального времени Plant Habitat Avionics . Некоторые растения, которые должны были быть протестированы в APH, включают карликовую пшеницу и арабидопсис. В декабре 2017 года на ISS были доставлены сотни семян для выращивания в системе VEGGIE.
В 2018 году эксперимент Veggie-3 на МКС проводился с подушками для растений и корневыми матами. Одна из целей — выращивать пищу для потребления экипажем. В настоящее время протестированы культуры: капуста , салат и мизуна . В 2018 году была протестирована система доставки питательных веществ PONDS в условиях микрогравитации.
В декабре 2018 года Немецкий аэрокосмический центр запустил спутник EuCROPIS на низкую околоземную орбиту. Эта миссия включает в себя две теплицы, предназначенные для выращивания томатов в условиях имитации гравитации сначала Луны, а затем Марса (по 6 месяцев каждая) с использованием побочных продуктов присутствия человека в космосе в качестве источника питательных веществ.
Серия экспериментов по выращиванию рассады для изучения механизмов тропизмов и клеточного цикла была проведена на МКС в период с 2013 по 2017 год. Эти эксперименты также включали использование модельного растения Arabidopsis thaliana и были результатом сотрудничества НАСА ( John Z. Kiss as PI) и ESA (Ф. Хавьер Медина как PI).
30 ноября 2020 года космонавты на борту МКС собрали первый урожай редиса, выращенного на станции. Всего было собрано и подготовлено к транспортировке на Землю 20 растений. В настоящее время планируется повторить эксперимент и вырастить вторую партию.
Лунная поверхность — с 2019 г.
Лунный посадочный модуль Chang’e 4 в январе 2019 года нес 3-килограммовую (6,6 фунта) герметичную «биосферу» с семенами и яйцами насекомых, чтобы проверить, могут ли растения и насекомые вылупляться и расти вместе в синергии. В эксперимент были включены семена картофеля, томатов и Arabidopsis thaliana (цветущее растение), а также яйца тутового шелкопряда . Они стали первыми растениями, выращенными на Луне . Экологические системы сохранят контейнер гостеприимным и земным, за исключением низкой лунной гравитации. Если яйца вылупятся, личинки будут производить углекислый газ, а проросшие растения будут выделять кислород посредством фотосинтеза . Есть надежда, что вместе растения и тутовые шелкопряды смогут создать простую синергию внутри контейнера. Миниатюрный фотоаппарат сфотографирует любой рост. Биологический эксперимент был разработан 28 китайскими университетами.
Источник