Космическое сельское хозяйство открывает огромные возможности для человечества и колонизации соседних планет. О перспективах растениеводства в космосе рассуждал ещё К.Э. Циолковский, а его последователи активно развивают и совершенствуют его идеи. 

В новой статье расскажем, насколько человечество продвинулось в космическом сельском хозяйстве и что сегодня выращивают на орбите.

Из истории космического растениеводства 

Космическое сельское хозяйство — это эквивалент агрономии на Земле, то есть культивирование зерновых культур и других материалов для еды в космосе или на астрономических объектах вне земли.

Земледелие на небесных телах, таких как Луна или Марс, имеет много общего с сельским хозяйством на космической станции или в космической колонии. Но, в зависимости от размеров небесного тела, может встать вопрос отсутствия микрогравитации, присущей некоторым космическим объектам.

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, кислорода и так далее.

Идея выращивать растения в космосе принадлежит Константину Эдуардовичу  Циолковскому. Задолго до начала пилотируемых полётов он заявил, что зеленая флора в будущем станет главным источником питания и поддержания состава атмосферы на космических кораблях. 

Ещё в 1933 году учёный создал проект космической оранжереи, который нашли в его рукописях.

Идея К.Э. Циолковского развивалась

Спустя почти тридцать лет, в 1962 году, главный конструктор ОКБ-1 Сергей Королёв поставил задачу перед инженерами, проектировавшими станцию «Салют»: «Надо бы начать разработку «Оранжереи (ОР) по Циолковскому», с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями».

С 70-х годов в СССР проводили эксперименты по замкнутым системам. В 1972 году началась работа «БИОС-3» — эта система действует и сейчас. Комплекс оснащён камерами для выращивания растений в регулируемых искусственных условиях — фитотронами. В них выращивали пшеницу, сою, салат чуфу, морковь, редис, свёклу, картофель, огурцы, щавель, капусту, укроп и лук. Учёные смогли достичь производства замкнутого цикла: на 100% по воде и воздуху и на 50-80% по питанию. Главные цели Международного центра замкнутых экологических систем — изучить принципы функционирования таких систем различной степени сложности и разработать научные основы их создания.

На орбитальной станции «Салют-4», запущенной в 1974 году, была установка «Оазис» для культивирования растений в невесомости. Георгий Гречко писал в книге «Космонавт №34», что работа с системой была одним из самых интересных экспериментов в его полёте. Установка была гидропонная, земли в ней не было, семена гороха должны были прорастать в пропитанной марле. Вскоре после начала работы с «Оазисом» космонавт заметил, что в одну кювету вода не поступает, а в другую поступает слишком обильно, заставляя горошины подгнивать. Однажды из установки вылетели несколько огромных капель воды, за которыми Гречко гонялся по станции с салфетками. В итоге он отрезал шланг и начал поливать горошины вручную, пока несколько часов возился с аппаратом.

Эксперимент завершился успешно. Впервые в космосе растения прошли цикл от семени до взрослого стебля гороха. Но из 36 зерен взошли и выросли только три.

Первый лук в космосе и успешные проекты

Первым растением, съеденным в космосе, стал лук. Его вырастили в 1978 году на космической станции «Салют-4» в установке «Оазис» космонавты Владимир Ковалёнок и Александр Иванченков. Задачей эксперимента было — отработать условия выращивания растений и получить от них цветы и плоды с семенами. У лука нужно было срезать несколько стрелок, чтобы он не сгнил. Александр Машинский, в то время один из руководителей биологической группы НПО «Энергия», рассказывает, что часть этих стрелок космонавты съели, даже не спросив разрешения начальства.

В 2000 году на станции «Мир» установили первую в мире автоматическую оранжерею «Свет». С этим новейшим на тот момент изобретением космонавтам удалось провести шесть экспериментов – в условиях полного отсутствия гравитации вырастить несколько видов салата, а также редис и пшеницу. 

Многочисленные эксперименты в космосе показали, что семена в открытых емкостях прорастают, но не дают плодов. Поэтому основной упор биологи сделали на закрытых мини оранжереях. В российском сегменте Международной космической станции действует оранжерея «Лада-01» для эксперимента «Растения-2». В оранжереи можно выращивать:

• салат-латук;

• сою;

• ячмень;

• горох;

• редис;

• перец чили;

• картофель;

• карликовую пшеницу.

  

  

  В 2016 году на МКС планировалось доставить научный комплекс «Лада-2». Он был отправлен на борту корабля «Прогресс МС-04», но этот аппарат потерпел катастрофу. В результате, новая оранжерея была утрачена.

  Как рассказал заместитель директора Института медико-биологических проблем Российской академии наук (ИМБП РАН) Владимир Сычев, создавать аналог установки «Лада-2» не планируется.

  Витацикл-Т- новинка космического растениеводства

  Наибольшее внимание сегодня уделяется разработке технологий выращивания растений в конвейерной цилиндрической витаминной космической оранжерее «Витацикл-Т». Предполагается, что эта установка позволит выращивать в космических условиях салат и морковь.

  Установка полностью автоматизирована. Ее особенности можно перечислять долго, но в первую очередь это цилиндрическая форма, которая позволяет выращивать разные зеленные культуры — от семян до листьев товарного размера — и снимать урожай каждые четыре дня. Когда соседние растения в космосе растут на цилиндрической поверхности, а светодиодный светильник, расположенный на цилиндрической поверхности большего радиуса, светит внутрь на посев, то стебли и листья растений тянутся к свету и растут перпендикулярно посадочной поверхности, как на цилиндрической щетке. При этом по мере роста верхушки растений отдаляются друг от друга, а верхние листья меньше затеняют нижние. Кроме того, свет от такого светильника концентрируется к центру цилиндра и лучше освещает нижние листья, которые в обычных условиях оказываются в положении светового дефицита. Так мы сильно экономим и световую энергию, и объем, который установка занимает внутри космического аппарата. При одинаковом количестве растений объем цилиндрической оранжереи выходит практически в два раза меньше, чем плоской.

  С оранжереей «Витацикл-Т» очень удобно работать — и посев растений, и сбор урожая выполняются через один и тот же люк. В лаборатории учёные отбирают культуры для выращивания в этой перспективной оранжерее. Несколько лет команда потратила на то, чтобы отработать оптимальный режим выращивания листовой капусты российской селекции. В планах — выращивание редиса, японской репы и листовой горчицы. 

   Учёные научились в лабораторных условиях управлять системами контроля влажности — добавляя ровно столько воды, сколько нужно растениям в определенных условиях, чтобы экономить воду.

  В планах отправить установку на российский сегмент МКС и начать испытания в невесомости ориентировочно в 2024 году.  Тогда учёные смогут получить бесценную информацию и начать готовить новые модули под разные культуры: морковь, томаты и перец. 

  

Растения в открытом космосе

Первыми растениями, вышедшими в открытый космос стали несколько сельскохозяйственных растений и модельных объектов: горчица, рис, томат, редис, ячмень, арабидопсис и никандра. 

В 2007-2008 годах их семена провели тринадцать месяцев в специальном контейнере на внешней обшивке МКС, в рамках второго этапа эксперимента «Биориск». 

Первый этап, завершившийся в 2006 году, включал только бактерии и грибы — ученые пытались понять, насколько эти микроорганизмы могут повредить внешнюю обшивку станции. 

На втором этапе к эксперименту добавили и другие биологические объекты: семена растений, икринки рыб, яйца раков, личинки насекомых. Томаты не выдержали условий открытого космоса, а вот семена других растений сохранили всхожесть, и из них уже на Земле выросли нормальные растения.

В 2013 году голландские ученые под руководством Вигера Вамелинка провели эксперимент по выращиванию 14 видов растении в «марсианской» и «лунной» почвах: томаты, рожь, морковь, кресс-салат и несколько видов дикорастущих растений. Их вырастили на созданных в НАСА образцах почвы, по составу таких же, как марсианский и лунный грунт. На «лунной» почве семена плохо прорастали, растения выросли мелкими и хилыми. В свою очередь на «марсианской» почве растения прижились и проросли как в обычной земле. А кресс-салат и дикорастущая полевая горчица даже дали семена.

Лунный рис

В наземной лаборатории взошли некоторые из семян риса, побывавшие на Луне в рамках миссии «Чанъэ-5». Китайская автоматическая межпланетная станция (АМС) «Чанъэ-5» стала первым китайским космическим аппаратом, достигшим Луны и вернувшимся на Землю. Запуск миссии состоялся в ноябре 2020 года, а возвращаемая капсула с пробами лунного грунта была доставлена на Землю в декабре.

Одной из целей миссии являлось проведение экспериментов по селекции сельскохозяйственных культур в условиях космоса. В частности, на борту «Чанъэ-5» находилось около 40 г семян риса, которые были возвращены на Землю после лунной миссии.

Cемена были переданы научно-исследовательскому центру Южно-Китайского сельскохозяйственного университета. И некоторые из этих семян успешно проросли. Как считают ученые, результаты этого эксперимента помогут выявить влияние космических условий на сельскохозяйственные структуры, а также вывести сорта риса с уникальными свойствами.

И на Марсе будет расти рис!

Американские учёные утверждают, что в будущем на Марсе можно будет выращивать рис. К такому выводу исследователи пришли после проведения ряда экспериментов. Для опыта учёные взяли три сорта риса: дикий вид и два с генетическими мутациями, которые помогают преодолевать засуху, засоление или нехватку сахара в почве.

 В качестве почвы учёные использовали имитатор марсианского грунта (модель сделана из богатой базальтом почвы из пустыни Мохава), чистую почвенную смесь, а также гибридный материал из имитатора марсианской почвы и почвенной смеси.

 Эксперименты показали, что генетически модифицированные сорта риса могут выжить в марсианском грунте, однако, урожай в горшках из гибридных почв был гораздо лучше.

 По мнению учёных, создание нового генетически модифицированного сорта риса, устойчивого к особенностям Марса, реально. Это вопрос времени. Также в планах исследователей – выведение новых сортов картофеля, бобовых и салата, пригодных для выращивания на Марсе и Луне.

Лук, петрушка и другая зелень на Марсе

 В апреле 2014 года грузовой корабль Dragon SpaceX доставил на Международную космическую станцию установку для выращивания зелени Veggie, а в марте астронавты начали тестировать орбитальную плантацию. В августе 2015-го в меню астронавтов включили свежую зелень, выращенную в условиях микрогравитации.

Оснащение помогает выращивать растения, контролируя свет и питательные вещества. В ходе экспериментов астронавты выясняют, насколько удобно пользоваться оснащением, какое количество растений можно выращивать и сколько времени на это потребуется.

Часть урожая астронавты упаковали и заморозили, чтобы отправить на Землю для научного анализа.

Как выращивали и пробовали космическую зелень можно посмотреть тут.

16 января 2016 года, в космической оранжерее Veggie на американском блоке МКС зацвела цинния (популярное декоративное красивоцветущее растение). Так астронавт Скотт Келли в своем твите назвал ее «первым цветком, который зацвел в космосе». 

Самый первый цветок в космосе

Стоит сказать, что первым растением, цветущим в космосе, стала резуховидка Таля или Arabidopsis thaliana. Арабидопсис зацвел в 1982 году на советской космической станции «Салют-7», в микрооранжерее «Фитон-3», благодаря усилиям космонавтов Анатолия Березового и Валентина Лебедева.  Это мелкий сорняк, который живет пару месяцев и цветет крохотными белыми цветочками,  при этом дает множество семян.

Когда Veggie отслужит своё, ее планируют заменить более крупной установкой — полностью автоматической «теплицей» Advanced Plant Habitat (APH). В ней можно будет регулировать множество параметров, в том числе влажность, давление, освещенность, объем подаваемого кислорода и питательных веществ, и даже измерять температуру отдельных листьев.

Ученые возлагают на APH большие надежды: устройство, в отличие от своего предшественника, более автоматизировано и оснащено множеством (около 200) умных датчиков, которые могут измерять температуру чуть ли не каждого листа. И это лишь одна из возможных функций космической теплицы.

Картофель марсианина

Картофельные поля Марка Уотни — астронавта из недавнего фантастического фильма «Марсианин» совсем не художественный вымысел.

Исследователи из Международного центра картофеля (The International Potato Center — CIP) совместно с консультантами из НАСА (National Aeronautics and Space Administration in Ames Research Center — NASA ARC) провели успешный эксперимент и посадили «на Марсе» картофель, который взошёл.

 Герметичная теплица CIP, которую назвали CubeSat, находилась на Земле — в одной из лабораторий Перуанского Инженерно-технологического университета. Грунт для нее — очень сухой и засоленный, собирали  на юге страны в местной пустыне.

 Представитель НАСА Крис Маккейн заверил, что этот грунт очень похож на тот, который имеется на Марсе. И условия внутри теплицы создали максимально приближенные к марсианским — низкое давление, минимум кислорода, обилие углекислого газа. Продолжительность дня и ночи, освещенность тоже были как на соседней планете — должную имитацию обеспечивали специальные светодиодные лампы.

 Почву, конечно же, поливали и удобряли, но не экскрементами, как это делал Марк Уотни, а минеральными веществами.

 К исходу февраля 2017 года росток взошел, а значит, картофель сможет расти на Марсе.

В следующей серии экспериментов в рамках проекта «Картофель на Марсе» (Potatoes on Mars project ) ученые намерены опробовать другие сорта и выбрать наиболее подходящий для «марсиан».  Но на данный момент о проекте нет новостей уже 5 лет, возможно, он не увенчался успехом или перешел в разряд секретных.

Грибные дары

Сибирские ученые из Красноярского научного центра СО РАН предложили разнообразить меню участников длительных лунных экспедиций грибами. Вместе с коллегами из Австрии они разработали концептуальную модель грибной фермы, устроить которую предлагают непосредственно на Луне - при возведенной тут базе. 

Польза грибов очевидна - они источник жизненно важного витамина D, которого нет и в земных растениях, не говоря уж о внеземных, выращенных в оранжереях. Грибы богаты белком, пищевыми волокнами и многочисленными микроэлементами, включая железо, магний, цинк, калий, медь фосфор и марганец. Всего этого полно в неприхотливой вешенке. Ее-то и собираются разводить на Луне. Не в открытом грунте, конечно, а в специальных отсеках.

Как рассказал академическому изданию «Наука в Сибири» Владимир Ковалев, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», для выращивания грибов понадобятся два модуля. Один - для подготовки почвы на основе растительных отходов, полученных, к примеру, в процессе культивирования пшеницы. В другом - будут собственно грядки.

Модулями станут соединенные друг с другом алюминиевые трубы с двойной оболочкой. Эксперименты свидетельствуют: двухмодульная ферма будет давать по 28 килограммов грибов каждые 66 дней. Для чего понадобятся 86 килограммов растительных отходов. Одного урожая хватит 14 едокам - так, чтобы каждому два раза в неделю доставалось по 100 граммов вешенок. В дальнейшем количество модулей можно увеличить.

Что можно вырастить в Марсианском саду, на Юпитере и почве Сатурна?

Какие растения можно вырастить на Марсе? Этим вопросом задались студенты-астробиологи  в Университете Вилланова в Пенсильвании. Они под руководством Эдварда Гинана начали проект «Марсианский сад». В ходе проекта они исследуют, какие растения и овощи могли бы расти в богатом оксидом железа имитаторе марсианской почвы. Используя полученные результаты, команда пришла к выводу, что на Марсе, среди чешуйчатых вулканов могут расти одуванчики и другие растения, такие как микрозелень, салат-латук, шпинат, капуста и лук.

Молодые учёные заявили, что микрозелень, такая как салат-латук, капуста, лук, горох и чеснок, исключительно хорошо росла бы на марсианской почве и в условиях освещенности. 

 Одуванчик был бы особенно полезным растением, которое очень быстро росло в марсианской почве, и поскольку каждая часть растения съедобна и обладает высокой питательной ценностью, это принесло бы большую пользу будущим колонистам... 

 Также на Марсе можно вырастить шпинат, ведь он отлично справляется с повышенным
содержанием железа в марсианской почве.

Окружающая среда Юпитера не благоприятствует жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Температуры, давление и материалы, характерные для планеты, слишком экстремальны и изменчивы. Однако большие спутники Юпитера похожи на планеты: они похожи на Меркурий, у каждого из них есть магнитное поле, у них есть атмосфера и океаны, поэтому на них с большей вероятностью может существовать жизнь. Европа — крупнейший спутник планеты, считается лучшим кандидатом для жизни человека, поскольку ученые полагают, что ее подземный океан находится в контакте с горными породами, а это означает, что минералы могут просачиваться в океан и обогащать его. 

Команда исследователей уверена, что на спутнике можно вырастить деревья и кустарники с твердыми стеблями.

Отлично на спутнике Европа приживется земной виноград и ядовитый плющ, который может расти в болотистых районах и водно-болотных угодьях.

По данным NASA, Титан — крупнейший спутник Сатурна, может претендовать на существование на нем жизни. Атмосфера спутника состоит из азота, содержит облака, дожди, реки, озера и моря из жидких углеводородов, таких как метан и этан. Эти океаны могли бы дать начало жизни. Поэтому на одном из спутников Сатурна могут расти табачные растения и затопленный рис. 

Важность сельского хозяйства в космосе

Свежие овощи, фрукты, зелень — основа здорового рациона человека. Выращивание растений в космосе открывает возможности для развития растениеводства, науки, технологий и освоения космоса.

Уже 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.

Благодаря дальнейшему развитию технологий космического растениеводства, человечество сможет получить весомые преимущества перед капризами природы, а космонавты смогут есть свежие овощи и зелень в течение всей миссии.

Человечество готовится к дальним космическим путешествиям и планирует освоить не только Марс. Космическое земледелие — билет в будущее. Владея технологиями огородничества в невесомости, можно колонизировать другие планеты и решить многие проблемы людей. Живые растения способны полностью обеспечить переселенцев кислородом и свежим питанием во время длительного перелета на Луну, Марс, другие планеты.

Нам остается лишь набраться терпения и дождаться, когда «на Марсе будут яблони цвести»!