Что такое космическое фермерство и почему Бразилия отправляет растения за пределы Земли

В апреле прошлого года семена нута и растения батата, выращенные в Бразилии, отправились в суборбитальный полет частной компании Blue Origin, что стало важным шагом для бразильского космического сельского хозяйства.

Но что такое космическое фермерство? И почему бразильские исследователи отправляют овощи за пределы земной атмосферы?

История началась в 2020 году, когда НАСА и Государственный департамент США при участии коммерческих космических компаний и международных партнеров заключили соглашение «Артемида», целью которого является возвращение людей на Луну, исследование дальнего космоса и, возможно, первая высадка на Марс.

В отличие от программы «Аполлон», которую НАСА осуществляло в период с 1961 по 1972 год, идея новых миссий заключается не только в том, чтобы временно достичь естественного спутника Земли, но и в создании постоянных баз с присутствием людей , что положит начало устойчивой экономике на Луне и, в долгосрочной перспективе, на Красной планете, в сценарии, отсылающем к фильму «Марсианин» (2015).

Первоначально в соглашении участвовало восемь стран, но в настоящее время его подписали 55 государств, включая Бразилию , которая присоединилась к программе в 2021 году. В следующем году были опубликованы цели Artemis, некоторые из которых были связаны с выращиванием растений в космосе, поскольку стоимость отправки продуктов питания, произведенных на Земле, сделала бы невозможным поддержание рациона астронавтов.

Страны, подписавшие Соглашение Артемиды

• Германия
• Ангола
• Саудовская Аравия
• Аргентина
• Армения
• Австралия
• Австрия
• Бахрейн
• Бангладеш
• Бельгия
• Бразилия
• Болгария
• Канада
• Чили
• Кипр
• Колумбия
• Южная Корея
• Дания
• Объединенные Арабские Эмираты
• Эквадор
• Словакия
• Словения
• Испания
• Эстония
• Соединенные Штаты
• Финляндия
• Франция
• Греция
• Индия
• Исландия
• Израиль
• Италия
• Япония
• Лихтенштейн
• Литва
• Люксембург
• Мексика
• Нигерия
• Норвегия
• Новая Зеландия
• Панама
• Нидерланды
• Перу
• Польша
• Великобритания
• Доминиканская Республика
• Чешская Республика
• Румыния
• Руанда
• Сингапур
• Швеция
• Швейцария
• Таиланд
• Украина
• Уругвай

«Поскольку Бразилия получила международное признание за свои сельскохозяйственные исследования, мы увидели возможность для Embrapa внести свой вклад, также думая о возвращении бразильскому обществу всех технологий, которые будут разработаны в ходе работы», — объясняет Алессандра Фаверо, исследователь в Embrapa Sudeste и координатор сети Spacing Farm Brasil.

Идея была доведена до сведения руководства Embrapa Pecuária Sudeste, которое поддержало развитие сотрудничества по этой теме с исследователями из других подразделений учреждения, таких как отделы агроэнергетики, приборостроения, овощеводства, тропической агропромышленности и сои, а также с Бразильским космическим агентством (AEB) и несколькими университетами и научно-исследовательскими институтами.

Сегодня в сети Space Farming Brazil Network работают 56 исследователей из 22 учреждений, включая четыре международных, с различным опытом .

Учреждения, входящие в сеть Space Farming Brazil Network

• Бразильское космическое агентство (AEB)
• Центр ядерной энергетики в сельском хозяйстве Университета Сан-Паулу (Cena-USP)
• Бразильская корпорация сельскохозяйственных исследований (Embrapa)
• Сельскохозяйственный колледж Луиса де Кейруша Университета Сан-Паулу (Esalq-USP)
• Агрономический институт (АИ)
• Институт перспективных исследований (ИПИ)
• Институт геонаук Университета Сан-Паулу (IGc-USP)
• Национальный институт космических исследований (INPE)
• Институт химии Университета Сан-Паулу (IQ-USP)
• Технологический институт аэронавтики (ИТА)
• Флоридский технический университет (FIT)
• Парк технологических инноваций Сан-Жозе-дус-Кампус (PITSJC)
• Университет Флориды (UFL)
• Университет Ньюкасла (NCL)
• Федеральный университет ABC (UFABC)
• Федеральный университет Лавры (Уфла)
• Федеральный университет Пелотас (UFPel)
• Федеральный университет Риу-Гранди-ду-Норти (UFRN)
• Федеральный университет Сан-Карлоса (UFSCar)
• Федеральный университет Санта-Мария (УФСМ)
• Федеральный университет Викосы (UFV)
• Университет штата Уинстон-Сейлем (WSSU)

14 апреля сеть установила беспрецедентный рубеж, отправив нут и батат в космос на миссии NS-31 компании Blue Origin — той самой, которая вывела певицу Кэти Перри за пределы земной атмосферы. Коммерческая аэрокосмическая компания принадлежит американскому миллиардеру Джеффу Безосу, также основателю и генеральному директору Amazon.

В течение примерно пяти минут продукты подвергались воздействию условий микрогравитации, которые могли бы обеспечить параметры для развития космических культур.

В настоящее время образцы находятся в Соединенных Штатах, где семена и растения документируются для отправки обратно в Бразилию. После возвращения они пройдут генетический анализ, чтобы понять эффекты, вызванные воздействием суборбитального полета.

Виды были выбраны по пищевой ценности и адаптивности.

Выбор нута и батата для первых бразильских экспериментов не был случайным. Помимо того, что бобовые богаты белком, а клубни богаты низкогликемическими углеводами, оба универсальны в приготовлении пищи, производят мало отходов, быстро растут и просты в обращении.

Нут можно использовать для приготовления блюд от хумуса до бургеров, он богат триптофаном, предшественником серотонина, который полезен в стрессовых ситуациях. В исследованиях использовался сорт BRS Aleppo, выведенный самой Embrapa.

В случае батата использовались сорта Борегард, содержащие в десять раз больше бета-каротина, чем наиболее распространенные в стране сорта, и Ковингтон, выведенный с учетом ускоренного роста, адаптивности, высокой питательной ценности и простоты ухода.

Бобовые богаты антиоксидантами, что является преимуществом для здоровья человека и для самого растения, поскольку они делают его более устойчивым к ионизирующему излучению, присутствующему в космосе. Кроме того, его листья, богатые клетчаткой и белком, также можно употреблять в пищу, что снижает производство отходов.

Первый этап исследования – моделирование на Земле.

Первым этапом бразильских исследований является моделирование на Земле, которое включает подготовку материала, как видов растений, так и условий выращивания в защищенной среде, систем освещения и ускоренного роста растений.

После завершения этого этапа планируется перейти к испытаниям в условиях околоземной орбиты, чтобы адаптировать урожай к тому времени, когда миссия вернется на Луну, а затем достигнет Марса, создаст постоянные базы и сможет начать посадку на небесных телах.

«До тех пор мы будем продолжать вносить коррективы, что должно произойти только в следующем поколении», — говорит Алессандра. «Мы всегда говорим, что программа Artemis все еще находится в зачаточном состоянии. Мы знаем, что это очень долгосрочный проект, но нам нужно начать в какой-то момент, как и при разработке любой крупной технологии».

Проблемы космического земледелия включают ионизирующее излучение и отсутствие почвы, гравитации и атмосферы.

Координатор сети Space Farming Brazil объясняет, что в среднесрочной перспективе есть и другие виды-кандидаты, которые будут включены в исследования, но в настоящее время основное внимание уделяется модельным растениям. Другие страны, сотрудничающие с проектом космического фермерства, работают с сортами, которые включают английский картофель, салат, томаты и другие продукты питания.

В дальнейшем исследования должны также охватывать овощи, предназначенные не обязательно для употребления в пищу, а для производства волокон, биопластика, биомассы, фармацевтических препаратов и других производных, необходимых для поддержания жизни человека за пределами Земли.

«Мы всегда говорим, что самые экстремальные условия для выращивания сельскохозяйственных культур находятся за пределами Земли», — объясняет Алессандра. Среди проблем — микрогравитация, космическое ионизирующее излучение, отсутствие почвы и атмосферы.

Испытания, проведенные Колледжем сельского хозяйства имени Луиса де Кейроса (Esalq) при Университете Сан-Паулу (USP) в Пирасикабе с использованием специального оборудования и CubeSats (миниатюрных спутников), показывают, что растения испытывают значительный стресс в условиях различной гравитации, что ставит под угрозу производство. Моделируя эти условия на Земле, можно предсказать способы сделать сельское хозяйство жизнеспособным на будущих космических станциях.

Космическое ионизирующее излучение требует защиты сельскохозяйственных культур, как и космонавтов, с помощью ограждений из материалов, способных поглощать волны.

«Лунная почва, называемая реголитом, совершенно отличается от нашей, богата алюминием и железом и крайне бедна элементами, важными для питания растений», — объясняет Алессандра. «Поэтому изначально мы можем использовать такие методы, как аэропоника и гидропоника, которые не зависят от почвы, пока мы не сможем адаптировать выращивание с использованием условий поверхности различных небесных тел».

Исследования в Бразилии используют соединения, имитирующие почву с Луны и Марса.

По словам исследователя, в Бразилии продолжаются исследования по выращиванию растений в составах, имитирующих лунный и марсианский грунт.

Другим необходимым условием создания баз на Луне и Марсе является создание искусственных атмосфер, по составу близких к земным, как это уже существует на Международной космической станции.

«Помимо роста растений в закрытой среде, урожай должен быть полностью самодостаточным. Так, урожай должен давать новые семена, вода должна очищаться, отходы должны возвращаться в систему в качестве удобрения, а обмен углекислого газа на кислород должен происходить без потерь, например».

Космическое фермерство также направлено на пользу производству на Земле.

Помимо создания условий для развития сельского хозяйства за пределами Земли, исследования должны благоприятствовать развитию сельского хозяйства на Земле, особенно учитывая неопределенность относительно будущего климата.

Так называемые спин-оффы , или технологии, используемые в нашей повседневной жизни, которые были разработаны в ходе освоения космоса, не являются чем-то новым. Камеры мобильных телефонов, спутниковые навигационные системы (GPS), портативные пылесосы, линзы, устойчивые к царапинам, воздушные фильтры, беспроводные наушники, искусственные протезы и даже материалы, используемые в кроссовках и подушках, — все это получено в результате исследований, проведенных NASA для космических миссий.

В сельском хозяйстве вертикальные фермы, которые повторно используют воду, минимизируют потребление энергии и исключают использование почвы, также являются результатом исследований Североамериканского космического агентства.

В этом контексте исследования в области космического сельского хозяйства, проводимые в Бразилии, должны также привести к созданию новых сортов нута, батата и других видов.

«Это будут сорта, которые более эффективны с точки зрения использования воды, более продуктивны, более адаптивны и обладают другими превосходными характеристиками, которые в конечном итоге будут выпущены на рынок и которые смогут использовать бразильские производители», — говорит Алессандра.

Профилактическое разведение позволяет отобрать растения, устойчивые к более суровым условиям

По словам исследователя, ожидается, что в дополнение к новым сортам будут разработаны технологии, которые могут принести пользу сельскому хозяйству на Земле в условиях проблем изменения климата.

Например, самодостаточная система может использовать технологии, созданные космическим сельским хозяйством, чтобы гарантировать продовольственную безопасность населения в регионах, подвергающихся опустыниванию.

Другое направление исследований касается так называемой превентивной селекции. «Теперь мы можем выбирать растения, которые более устойчивы к температурам, прогнозируемым через 10 или 20 лет, и когда это произойдет, у нас будет готовый материал для распространения».