Przełom w kosmicznym rolnictwie! Ten prosty wynalazek pozwoli hodować warzywa na Marsie!

Podczas przyszłych misji kosmicznych, zwłaszcza tych realizowanych daleko od Ziemi, uprawa własnej żywności może stać się koniecznością. Jednym z największych wyzwań będzie jednak zapewnienie roślinom odpowiedniego dostępu do wody i składników odżywczych w warunkach mikrograwitacji.

Naukowcy z Norwegii opracowali koncepcję specjalnej membrany, która pozwala korzeniom pobierać roztwór odżywczy ze zbiornika, jednocześnie ograniczając jego wyciekanie. Technologia może w przyszłości znaleźć zastosowanie w kosmicznych systemach hydroponicznych.

Hydroponika w kosmosie. Problem z wodą w mikrograwitacji

Systemy hydroponiczne są jednym z obiecujących rozwiązań dla uprawy roślin podczas misji kosmicznych. Pozwalają im rosnąć bezpośrednio w roztworze odżywczym, bez konieczności wykorzystywania ciężkiej gleby lub podłoży kompostowych. Ułatwiają również recykling wody i składników odżywczych, a także kontrolowanie składu roztworu na poszczególnych etapach wzrostu roślin.

Jednym z popularnych rozwiązań jest system głębokowodny, w którym rośliny są zawieszone nad zbiornikiem z roztworem odżywczym, a ich korzenie wrastają do cieczy. Na Ziemi grawitacja utrzymuje wodę na dnie zbiornika. W przestrzeni kosmicznej sytuacja wygląda jednak zupełnie inaczej. W warunkach mikrograwitacji ciecz może przemieszczać się w dowolnym kierunku i przylegać do różnych powierzchni. W rezultacie korzenie mogą mieć utrudniony dostęp do wilgoci, podczas gdy woda może gromadzić się wokół liści i łodyg.

Rozwiązaniem tego problemu zajęli się naukowcy z norweskiego ośrodka NTNU Samfunnsforskning AS – CIRiS. W ramach projektu SULEROMO, finansowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) z programu Discovery, sprawdzili, czy można opracować membranę, przez którą korzenie roślin będą mogły przerastać do zbiornika, a jednocześnie utrzyma ona roztwór odżywczy w odpowiednim miejscu.

– Grawitacja wykonuje za nas na Ziemi tę pracę separacyjną. Po jej usunięciu woda może swobodnie przemieszczać się w dowolne miejsce i to jest główny problem, który ma rozwiązać ta membrana – wyjaśnił Achim Gerstenberg, starszy badacz w CIRiS i kierownik projektu SULEROMO.

Membrana RSM ma zatrzymywać wodę przy korzeniach

Opracowane rozwiązanie nazwano Root Sealing Membrane (RSM). Jego konstrukcja łączy dwie cechy, które trudno uzyskać w jednym materiale: umożliwia korzeniom przerastanie, a jednocześnie ogranicza przepływ wody.

Membrana składa się z dwóch warstw. Pierwszą jest filc, który umożliwia kiełkowanie nasion i rozwój korzeni. Drugą stanowi hydrofobowa powłoka na bazie silikonu, odpowiadająca za ograniczenie przecieków. Po zwilżeniu filcu nasiona kiełkują, a korzenie stopniowo przerastają przez obie warstwy, docierając do znajdującego się pod nimi roztworu odżywczego. Elastyczność materiału pozwala korzeniom rozwijać się i rozszerzać, natomiast powłoka ma uszczelniać przestrzeń wokół łodygi.

Aby sprawdzić skuteczność rozwiązania, naukowcy przeprowadzili eksperymenty z wykorzystaniem zbiorników głębokowodnych wydrukowanych w technologii 3D. Do badań wybrali dwa gatunki roślin: jarmuż i pak choi, różniące się budową. Porównali wzrost roślin na zwykłym, niepowlekanym filcu oraz na membranie RSM, w której powłokę silikonową nanoszono metodą sitodruku.

Nasiona kiełkowały bezpośrednio na filcu umieszczonym w specjalnych pojemnikach membranowych. Dziewiątego dnia sadzonki przeniesiono do zbiorników hydroponicznych. Około 75 proc. z nich zdołało przerosnąć przez membranę i rozwinąć korzenie sięgające roztworu odżywczego.

Po sześciu tygodniach wszystkie rośliny wyglądały zdrowo i nie wykazywały widocznych oznak stresu. Badacze zauważyli jednak, że egzemplarze uprawiane z wykorzystaniem RSM wytworzyły mniej biomasy niż rośliny w standardowym systemie głębokowodnym, w którym zastosowano wstępnie przycięty filc, ułatwiający rozwój łodygi. Przyczyną mogły być opóźnienia związane z przerastaniem korzeni przez materiał oraz pewne ograniczenia w rozwoju łodyg.

Testy szczelności i kolejne wyzwania dla naukowców

Istotną częścią eksperymentu było sprawdzenie, jak skutecznie membrana zatrzymuje roztwór odżywczy. Testy wykazały, że zwykły filc przepuszczał ciecz swobodnie, natomiast RSM znacząco ograniczała wycieki. Przy niewielkim ciśnieniu ich wielkość wynosiła nieco ponad mililitr na minutę.

Szczelność pogarszała się jednak wraz ze wzrostem roślin. Kiedy łodygi stawały się grubsze i poruszały się, przecieki występowały częściej. Naukowcy zaobserwowali przy tym, że część z nich potrafiła samoistnie się uszczelnić.

Wstępne wyniki wskazują, że membrana RSM może pomóc w opracowaniu hydroponicznych systemów uprawy o ograniczonym poziomie wycieków, przeznaczonych do pracy w warunkach obniżonej grawitacji. Badacze podkreślają jednak, że konieczne będzie znalezienie kompromisu między szczelnością instalacji a swobodnym wzrostem roślin.

Zespół wskazał dwa możliwe kierunki dalszych prac. Pierwszy zakłada udoskonalenie materiałów i metod produkcji membrany, tak aby lepiej dopasowywała się do poruszających się i zwiększających swoją grubość łodyg. Drugi polega na modyfikacji samego systemu uprawy. Można byłoby ograniczyć ruch roślin poprzez zastosowanie mechanicznych podpór lub zmniejszyć ciśnienie wykorzystywane do cyrkulacji roztworu odżywczego.

Zespół pracuje obecnie nad publikacją wstępnych wyników i poszukuje finansowania na kontynuację badań.

– Niezawodne, bezsubstratowe systemy uprawy będą ważną technologią dla przyszłych misji eksploracyjnych, gdzie każdy kilogram sprzętu i każda godzina pracy załogi są na wagę złota. Ta inicjatywa dała nam znacznie wyraźniejszy obraz wyzwań inżynieryjnych – podkreślił Christel Paille, inżynier systemów ECLS i kierownik projektu z ramienia ESA.

Pomysł na projekt SULEROMO powstał w ramach Open Space Innovation Platform – inicjatywy Europejskiej Agencji Kosmicznej, której celem jest poszukiwanie nowych, obiecujących koncepcji badań i technologii kosmicznych. Prace sfinansowano ze środków programu Discovery, realizowanego w ramach podstawowych działań ESA.

Źródło: ESA

Czytaj też: Księżyc wcale nie jest martwy w środku? Zaskakujące odkrycie naukowców!

Grafika tytułowa: Daniel Öberg / Unsplash