Превращение Красной планеты в зеленую. Как сделать Марс пригодным для жизни

Фото: Kevin Gill/flickr

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

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. 

Фото: Wieger Wamelink

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. 

Фото: Wieger Wamelink

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.

"Мы всегда очень осторожно относимся к имитационному материалу. В одной модели очень сложно уловить все характеристики поверхности Марса. Возможно, единственный способ решить это — собрать образец с его поверхности и отправить на Землю", — говорит она.

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. 

Фото: Shutterstock

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. 

Фото: ESA

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. 

Фото: Jonathan Gust

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.

Фото: Jonathan Gust

"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. 

Фото: Jonathan Gust

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.