Эксперименты по самообеспечению людей в замкнутой экосистеме уже в 1970-х помогли полностью снабдить их растительной пищей. Однако они требовали земной почвы, да и создать замкнутые системы по обеспечению людей животным белком тогда не удалось. Теперь ученые пробуют другой подход к обеспечению поселений на Марсе.
В 1972 году в СССР провели эксперимент БИОС-3. Тогда в 315 кубометрах полностью изолированных помещений три человека получали весь нужный им объем кислорода и растительной пищи только от выращиваемых там же растений. Кислород давали микроводоросли, они же поглощали СО2, а пшеница, соя, овощи и другое давали 80% всех потребляемых людьми калорий. Только 20% калорий, что приходились на животную пищу, брали из консервов.
При всей успешности эксперимента ясно, что возить консервы на тот же Марс будет крайне сложно. Следовательно, подобные системы не были вполне замкнутыми, требуя подвоза части продовольствия с Земли.
Другое узкое место такой схемы: сам субстрат для выращивания сельхозрастений должен быть земного происхождения, иначе достаточно высокой урожайности не будет. Если речь идет о почве для прокорма троих в БИОС-3, то проблемы нет. Но крупные марсианские базы могут потребовать многих тонн привезенной почвы или ее заменителя.
Ученые из Университета Гринвича (Великобритания) отметили, что это большая проблема, поскольку минимальная оценка стоимости доставки груза на Марс в научной литературе сегодня — 175 тысяч долларов за килограмм. Они пишут о том, как обойти эту проблему, в популярном материале на сайте The Conversation, а также в научной работе, вышедшей в этом году.
Предложенный подход известен как аквапоника. В нем сочетается аквакультура — выращивание рыб в пластиковых емкостях — с чем-то вроде гидропоники, то есть выращиванием растений на искусственной среде, без использования обычной почвы. Аквакультуру выбрали как более перспективный источник белка, чем другие аналоги. Например, нильская тиляпия, использованная в экспериментах, требует 1,6-2,0 килограмма растительных кормов для получения одного килограмма собственного веса.
Для домашней птицы этот коэффициент сходный, а для более крупных сельхозживотных — намного выше. Однако птицеводство вне Земли — сомнительная идея, поскольку потребует существенных площадей и создаст проблемы с уборкой отходов. А вот аквакультура намного компактнее (рыбам надо меньше места) и проще решает проблемы с уборкой отходов жизнедеятельности животных.
Исследователи из Гринвичского университета сконцентрировались на другом плюсе аквакультуры — возможности ее использования для модификации почв. Они приобрели два коммерчески доступных симулятора марсианского реголита (стерильные продукты измельчения скальных пород), чтобы во время эксперимента поливать их не обычной водой, а «рыбной». То есть той, которая образуется при периодическом очищении емкостей с тиляпией, или той, что сливается из микробиореактора (маленький септик), где продукты жизнедеятельности тиляпии разлагаются бактериями.
В горшки с аналогом марсианского реголита ученые посадили картошку, томаты, карликовую фасоль, морковь, салат-латук, весенний лук, шнитт-лук и базилик. Затем те же культуры посадили в горшки с обычной почвой, продающейся в магазинах для садоводов. Обе группы горшков поставили в закрытое помещение под светодиодные лампы общей мощностью 600 ватт. В помещении поддерживались нужные растениям температура (плюс 25-26 градусов) и влажность. Эксперимент по выращиванию продлился 72 суток.
Авторы исследования отметили, что в горшках с аналогом марсианского грунта растения проросли существенно позже, чем в обычной земной почве (например, через семь и четверо суток соответственно для картофеля). Причиной, видимо, стала существенно более высокая соленость «марсианского» грунта, мешавшая прорастанию.
Однако дальнейшее развитие того, что посадили в аналоге марсианского реголита, шло лучше, чем можно было ожидать. Все виды растений показались всхожесть и достаточно здоровую зеленую биомассу.
Напротив, ряд овощей в земном садоводческом грунте давали желтоватые листья из-за недостатка фосфора в почве. Исследователи отнесли это на счет необходимости вноса удобрений, чего они не делали ни для земного, ни для аналога марсианского грунта. Это и логично: ведь на Марсе магазина, торгующего удобрениями, явно не будет.
Масса плодов у растений в земном грунте, несмотря на это, была значительно выше, чем в аналоге реголита. Например, картофель показал трехкратный разрыв по массе клубней. Отдельные культуры за 72 суток вообще не успели дать плодов.
Тем не менее эксперимент выглядит достаточно успешным. «Рыбная вода», полученная от компактных замкнутых емкостей с рыбами и их отходами жизнедеятельности («рыбный ил»), обеспечила аналог марсианского реголита довольно высокими концентрациями фосфора, калия и азота. В земном садоводческом грунте этих элементов было значительно меньше. Даже если урожайность на «марсианском» аналоге почвы была невысока, с практической точки зрения лучше иметь треть урожайности земной теплицы на Марсе, чем необходимость везти туда тонны земного грунта.
Особенно важно то, что аквапоника позволяет и получать нужные объемы белка от разведения рыб и вещества, необходимые для выращивания растений с очень малых площадей. Все это работает без вноса любых дополнительных удобрений. Молодь рыб и семена земных растений довольно компактны, их можно доставить на Марс на космическом корабле. На самой Красной планете, как земная наука уже знает, вполне достаточно водного льда, чтобы обеспечить большие емкости для массового разведения рыб и получения от них веществ, нужных для удобрения местного реголита.