Судя по планам, уже в следующем десятилетии человечество колонизирует Луну и Марс. В процессе придется решить много проблем, в том числе понять, где колонистам брать пищу. Один из вариантов — выращивать на месте. Но чтобы поэкспериментировать с этим на Земле, необходимо добыть достаточный объем почвы с другой планеты. С Луны уже привезли несколько центнеров, а вот с Марса еще никто не возвращался. 

Впрочем, есть компании, которые создают субстраты, близкие по составу к лунному и марсианскому грунтам, в лаборатории и продают их за приличные деньги. Однако покупка на стороне задорого — это не путь гика. Гораздо интереснее провести пару лет в экспериментах и сделать более точный и качественный симулянт, чем предлагают на рынке. Затем вырастить на нем что-то из полезных растений и выяснить, что употреблять это в пищу отнюдь не безопасно.

Далее — детальный рассказ Андрея Макашова, молекулярного биолога, биоинформатика и популяризатора астробиологии и космонавтики, о том, как он производит такую экспериментальную почву в домашних условиях и почему так трудно вырастить на ней что-то съедобное. Этот пост мы создали по мотивам лекции Андрея в одной из Точек кипения.

Луна — хороший кандидат на роль стартовой площадки для миссий в дальний космос. Гравитация там ниже, поэтому при равном объеме потраченного топлива космический аппарат, стартующий с Луны, можно отправить намного дальше, чем при запуске с Земли. 

Марс — планета интересная, но удаленная от Земли. Пока ее исследуют роботы, но их возможности ограничены. Продуктивнее изучать самим. Для этого нужно будет создавать колонии и стационарные исследовательские станции с астронавтами, работающими вахтовым методом, а не гонять туда-сюда дорогостоящие миссии.

Доставлять пищу в такие колонии будет накладно. Да и никто не отменял нештатные ситуации — у колонистов должны быть способы обеспечить себе резерв питания прямо на месте. Поэтому для Луны и Марса разрабатывают техники выращивания пищи в доступном на небесных телах грунте.

Почему речь именно о грунте, если есть такая технология, как гидропоника? Все просто. Гидропоника действительно хороша: она позволяет контролировать потребление растениями минеральных веществ и экономить их. Но не все растения подходят для такого способа выращивания. Например, злаки на гидропонике выращивать затруднительно. Поэтому совсем без грунта обойтись не получится.

Мне, как биологу, хотелось присоединиться к этим исследованиям — поиграть со смесью оксидов и посмотреть, смогу ли я вырастить что-нибудь на симулянте марсианского или лунного грунта.

Все это началось как идея just for fun. Но прежде чем поговорить о том, что из этого вышло, обсудим химический состав реголитов.

Что собой представляет грунт на Луне и Марсе

Реголитом называют любой грунт на любых планетах, который является продуктом, скажем так, выветривания породы. Термин «выветривание» неточен, потому как, например, на Луне нет атмосферы и нет ветров, зато есть беспрепятственная бомбардировка метеоритами. Давайте с Луны и начнем.

Луна

Земля и Луна имеют общее происхождение. Раньше на месте нашей планеты было небесное тело чуть меньшего диаметра, в которое врезалась протолуна. Вещество двух небесных тел перемешалось, и так возникли современные Земля и Луна. 

Учитывая происхождение, по своему минеральному составу Луна должна быть похожа на Землю, с тем исключением, что на Земле есть такой мощный окислитель, как кислород.

Конечно, немало грунта вывезли со спутника для изучения. Те же «Аполлоны» за шесть миссий доставили на Землю около 360 кг лунного реголита. СССР тоже возил реголит с Луны, но в гораздо меньшем объеме. Образцы с «Аполлонов» детально исследовали и описали в книге Lunar Sourcebook (она доступна бесплатно в библиотеке LPI). Для наглядности я сравнил данные исследования с составом земного грунта:

Если брать макрокомпоненты, то в целом химический состав схож. Отличие в том, что на Луне есть оксиды железа в степени окисления два. На Земле оксид железа в степени окисления три, поскольку у нас есть вода, которая успешно окисляет двухвалентное железо до трехвалентного.

А еще на Луне значительно больше оксидов щелочноземельных металлов. Поэтому если мы будем поливать лунный реголит водой, эта масса будет иметь щелочную реакцию. 

На Земле можно найти минералы, похожие на лунный реголит. Этим воспользовалась компания Orbitec, которая до недавнего времени добывала в США один из таких минералов и потом делала на его основе симулянт лунного грунта JSC-1A. Его химический состав практически повторяет лунный, за исключением трехвалентного железа.

Симулянт от Orbitec вполне можно использовать для биологических экспериментов, в частности для выращивания растений. Вопрос лишь в цене.

Марс

Марс относится к планетам земной группы. Как и Земля, это силикатная планета, образовавшаяся из планетарной туманности. Однако данных по нему гораздо меньше, чем по Луне, потому что из результатов исследования почвы есть лишь спектральный анализ.

Марс — это холодная пустыня. Атмосферы там практически нет, давление в 100 раз меньше, чем на Земле. Температурный диапазон от –63 до +35 градусов по Цельсию. На планете когда-то была жидкая вода — реки, озера и океаны. Но после потери атмосферы Марс начал терять и гидросферу. Часть воды ушла в подповерхностный слой.

Марс высох не моментально. По геологическим меркам это произошло быстро, но биологические системы могли успеть приспособиться к новым условиям. Поэтому есть гипотеза, что жизнь могла сохраниться в подповерхностной воде до сегодняшнего дня.

Кстати, сейчас китайская миссия к Марсу высадилась в районе долины Утопия — это обширный регион, где сконцентрировано большое количество подповерхностного водяного льда, — одно из тех мест, где можно искать следы существовавшей ранее или даже дожившей до сегодняшнего дня жизни.

На Марсе есть система пещер.

Считается, что марсианские пещеры — это лавовые трубки, уходящие далеко вглубь планеты.

Если вход в пещеру герметично завален, там может поддерживаться необходимое давление и более-менее стабильная температура. Подповерхностный лед, да и весь марсианский реголит, очень богат перхлоратами — солями хлорной кислоты. Они, конечно, токсичны для большинства известных нам организмов, но зато могут помочь воде в этих пещерах оставаться в жидком состоянии. Больше того, на Земле есть вид бактерий, которые умеют поглощать хлораты и перхлораты из окружающей среды и выделять из них кислород для метаболизма: 

Результаты изучения бактерии Dechloromonas aromatica опубликовали в журнале Nature в работе Microbial perchlorate reduction: rocket-fuelled metabolism. Если такая система возникла на Земле, где перхлоратов в почве и воде немного, то она могла появиться и на Марсе. Возможно, жившие там бактерии эволюционировали в нечто подобное и поселились в подповерхностных водах.

Поэтому с точки зрения исследования эти пещеры весьма интересны. Все космические агентства, планирующие миссии к Марсу, высказывают идеи, как туда заглянуть.

Свою лепту к этому интересу добавляют периодические выбросы метана на Марсе. Их зарегистрировали уже несколько штук. Скорее всего, выбросы происходят из-за растрескивания породы в тех местах, где полости, в которых этот метан накапливался сотни и тысячи миллионов лет, теряют герметичность. Но откуда он там взялся? Это может быть реакция серпентинизации, в ходе которой минерал оливин взаимодействует с водой, а в результате формируется метан. Другое объяснение — деятельность микроорганизмов, которые вымерли или, наоборот, живы и продуцируют газ прямо сейчас:

Марсианский реголит похож на земной, но он очень богат оксидом железа (трехвалентного). Именно поэтому Марс красный. Как и на Луне, на Марсе проблемы с нехваткой нитратов — если мы захотим на этом реголите что-то выращивать, придется в том или ином виде их туда доставлять.

Та же компания Orbitec успешно наладила производство симулянта марсианского реголита. До недавнего времени его мог себе купить любой желающий по несколько десятков долларов за полкило.

Что нужно растению на другой планете

Предположим, мы хотим выращивать что-то на Луне, Марсе или другой планете. Что нужно растению?

Свет

На Луне солнце светит с той же интенсивностью, что и на Земле. На Марсе света чуть меньше. Но на обоих небесных телах в открытом грунте ничего не вырастет, так что нам в любом случае придется строить теплицы.

Скорее всего, эти теплицы мы разместим под поверхностью планеты. Недавно я прочитал отчет с ровера Curiosity, согласно которому доза радиации, которую получат будущие колонисты в ходе жизни и работы на поверхности Марса, не сильно превышает дозу, которую получают специалисты на МКС. Марс чуть безопаснее, чем мы думали. Но для длительного пребывания лучше всего закопаться. Для размещения баз можно использовать кратеры, куда не заглядывает Солнце, — значит, там нет перепада температур. А солнечные панели, необходимые для питания базы, можно вынести на стенки кратера, которые как раз освещаются интенсивно:

В подземных теплицах в любом случае придется использовать искусственное освещение. Оно все упрощает, позволяя подобрать оптимальную длину волны для выращивания культур.

Вода

Как показал анализ спектров и исследования с помощью ударного зонда, на Луне достаточно воды, чтобы обеспечить все потребности будущих колонистов. В основном она находится на дне кратеров, куда не заглядывает солнце: там холодно, и вода не испаряется. Как мы обсуждали выше, на Марсе вода тоже присутствует.

Углекислый газ и кислород

На Марсе атмосфера состоит из углекислого газа. Она разреженная, но для добычи хватит простого аппарата по сжатию или сжижению газа прямо из атмосферы. Кстати, этот углекислый газ можно использовать и для получения кислорода.

Минеральные вещества

Констатирую: состав реголита, за некоторыми исключениями, очень похож на земной, так что, по идее, на грунте с Марса и Луны все должно отлично расти. 

Что уже вырастили

Когда мне пришла в голову идея что-то вырастить на лунном или марсианском грунте, я стал анализировать литературу. Выяснил, что эксперименты проводили неоднократно.

В 2006 году опубликовали исследование Growing pioneer plants for a lunar base о том, как растения выращивали на анортозите — минерале, похожем по составу на лунный реголит:

В 2014 году вышла статья голландских исследователей Can Plants Grow on Mars and the Moon: A Growth Experiment on Mars and Moon Soil Simulants. Они закупали симулянт у компании Orbitec и добавляли в него кокосовый субстрат, чтобы сделать грунт более рыхлым и растениям было проще на нем укорениться. Дело в том, что на Луне и Марсе поверхность постоянно подвергается ударам микрометеоритов, которые превращают грунт в мелкую пыль. Если просто полить его водой, субстрат получится слишком плотный.

На лунном грунте, разрыхленном кокосом, у них отлично росли кресс-салат, редис и горох. А еще они добавили туда немного органики (прелых листьев) и поселили дождевых червей, которые прекрасно себя чувствовали, даже несмотря на щелочную среду:

На саму Луну (ее обратную сторону) несколько лет назад китайцы отправили свой посадочный модуль. В нем были капсулы с земной почвой и семенами льна. Лен пророс. Потом из-за сбоя в системе обогрева экспериментальной капсулы все замерзло, однако эксперимент показателен тем, что в условиях лунной гравитации растения чувствовали себя хорошо. К слову, растения отлично растут и в условиях гравитации МКС.

В работе Growth of methanogens on a Mars soil simulant ученые проверяли, могут ли металлогалогенные бактерии выжить в симулянте марсианского грунта. Да, они действительно могут, если добавлять воду и необходимые компоненты. В другой работе голландцы показывали, что те же самые кресс-салат, горох и редис отлично растут в симулянте марсианского грунта:

Но есть проблема — тяжелые металлы

С овощами, выращенными на Луне и Марсе, есть одна проблема: они содержат слишком много тяжелых металлов (железа, кадмия, хрома, свинца). Их количество сильно превышает предельно допустимые концентрации, то есть употреблять такие овощи в пищу нельзя. Что делать?

Обнаружив упомянутую выше статью коллег из Голландии, выращивающих растения на симулянте Orbitec, я задал им вопрос, как они планируют поступать с тяжелыми металлами. Они ответили, что в данный момент как раз разрабатывают физические и химические методы очистки реголита (в основном марсианского) от тяжелых металлов и перхлоратов.

Понимая, что эта ниша занята, я решил сконцентрироваться на Луне, поскольку с лунным реголитом они почти не работают. И раз уж я биолог, а это мой домашний проект, в котором физические и химические методы очистки почвы и растений реализовать сложно, я начал искать биологический метод. Как выяснилось, он существует и уже отработан на Земле при устранении последствий техногенных катастроф.

Метод называется фиторемедиация. В почву высаживают растения-гипераккумуляторы, которые в силу своих биологических особенностей активно всасывают тяжелые металлы и накапливают их в себе.

После удаления и утилизации растений (и некоторой доли вредных элементов вместе с ними) в почве можно выращивать то, что будет пригодно для использования в пищу.

Чтобы провести эксперимент с фиторемедиацией, необходим симулянт лунного грунта. В рамках полномасштабного эксперимента покупать его в Европе показалось мне достаточно дорогим решением. Тем более за свои деньги и для личного эксперимента. Так я пришел к мысли сделать свой симулянт.

Лунный реголит в домашних условиях

Я снова обратился к «духам интернета», чтобы понять, делал ли кто-то подобное. И такие работы действительно нашлись.

В статье Synthesis of a spinifex-textured basalt as an analog to Gusev crater basalts, Mars описывали создание аналога марсианского базальта. Правда, целью были не биологические эксперименты, а испытания марсоходов.

А в работе Mars global simulant MGS-1: A Rocknest-based open standard for basaltic martian regolith simulants, опубликованной в 2019 году, команда из NASA сделала почти идеальный симулянт марсианского реголита, который одобрили для биологических экспериментов. Дело в том, что во всех остальных симулянтах не было перхлоратов, и упомянутая команда из Голландии не учитывала их содержание в грунте.

В последней публикации биологи учли все мелочи. Команда даже имитировала размер частиц. Но я начал свою работу раньше, чем они опубликовали отчет. К тому же моей целью был лунный реголит, и на момент старта никто еще не делал ничего подобного. Можно сказать, что я первый, кто задался целью воспроизвести его максимально точно.

Сначала я по ошибке подумал, что для получения нужного симулянта мне достаточно смешать оксиды в нужной пропорции. Но в грунте оксиды не просто перемешиваются — они сплавляются. Химические свойства полученного сплава отличаются от свойств оксидов по отдельности.

Для сплавления нужна печь. Я обратил свое внимание на муфельные печи, но они не дают температуры в 1700 градусов и выше, позволяющей расплавить все нужные оксиды. Так я пришел к идее создания собственной печи.

На одном из старых форумов я нашел заметку о том, как человек в далеких 90-х на спор плавил вольфрам. Напомню, температура плавления вольфрама — около 3400℃. Спорщик сделал ванну из огнеупорного кирпича, по ее краям поместил графитовые электроды, сделанные из токоприемников электропоезда, а в центр засыпал графитовый порошок (его он получил из тех же токоприемников с помощью напильника):

Я решил сделать нечто аналогичное. Сначала собрал ванну из огнеупорного кирпича. К счастью, чтобы наполнить ее, мне не пришлось пилить ничего напильником. В магазине химреактивов сейчас можно купить практически все, в частности графитовую пудру.

Электроды я тоже решил сделать из токоприемников, но троллейбусных. Дело в том, что около конечной станции водители часто меняют вставки в токоприемники, а использованные выкидывают в кусты. Они валяются там в больших количествах. Зачастую поколотые, но мне повезло найти целые — оставалось только просверлить дырки для контактов. Ток к электродам подвел от сварочного трансформатора.

Смесь оксидов в нужной пропорции я помещаю в графитовый тигель (специальная емкость для нагрева), чтобы они не смешивались с графитовой пудрой, и сплавляю. Печь имеет достаточное сопротивление и позволяет расплавить практически любой оксид. 

Минус моей установки в том, что за раз она может расплавить небольшой объем оксидов — около 200 грамм. При этом один цикл сплавления занимает примерно сутки, а результат сильно зависит от того, при каких условиях проходил процесс.

Первый образец я отдал геологам. По их оценке, я создал базальт, который не имеет ничего общего ни с одним известным базальтом (тем более лунным), поэтому я продолжил эксперименты.

Прикрутил Arduino и запрограммировал его на разные скорости нагрева и охлаждения (скорость регулируется повышением и понижением напряжения). Постепенно перепробовал различные температурные режимы и наконец получил симулянт, идеально похожий на лунный.

В итоге, чтобы получить нужный по составу реголит, у меня ушло около двух лет.

Основная установка, которую я использую для плавления симулянта лунного грунта, неподъемная. Я планирую привести ее в презентабельный вид и сделать по ней отдельную статью, если, конечно, дойдут руки. А пока покажу демостенд, который я собрал для Geek Picnic и других мероприятий:

На нем можно получить температуру около 1000 градусов. Ее недостаточно, чтобы «варить» реголит, но для выставочных экспериментов она подходит. Внешне стенд выглядит просто. На фото не хватает только трансформатора, он прячется под столом.

Сейчас у меня есть два килограмма симулянта лунного грунта. Добавив в качестве разрыхлителя кокосовую стружку, я уже попытался вырастить на нем редиску. Эксперимент удался. Следующим шагом планирую выращивать гипераккумуляторы, чтобы оценить скорость очистки грунта от тяжелых металлов. Надеюсь, что в свое время смогу рассказать об этом в деталях.