غذاء الفضاء – كيف سنطعم الجيل القادم من رواد البشرية؟

نوع جديد من استكشاف الفضاء

بعد عدة عقود من الركود عقب هبوط القمر، تتصاعد سباق فضائي جديد. كان الدافع هو النجاح الاستثنائي لسبيس إكس في إنشاء صاروخ قابل لإعادة الاستخدام، مما خفض تكلفة الإطلاق إلى المدار بمقدار عشرة أضعاف. ومع اختبار المركبة الإطلاقية الأخيرة، ستارشيب، من المتوقع أن تنخفض التكاليف أكثر.

المصدر: Visual Capitalist

قد تكون سبيس إكس الشركة الفضائية الأكثر إثارة للإعجاب، لكن هناك العديد من الشركات التي تلاحقها – بما في ذلك مختلف شركات الصواريخ الصينية، سواء الخاصة أو الممولة من الدولة.

في الوقت نفسه، تخطط وكالة ناسا وشركاؤها للعودة إلى القمر وإنشاء قاعدة دائمة هناك؛ كما أن الصين وروسيا لديهما طموحات مماثلة. خلال العقد القادم، تعتزم سبيس إكس أن تشهد أولى خطوات البشر على المريخ.

لذا، من شبه المؤكد أننا سنشهد عددًا أكبر بكثير من رواد الفضاء في العقود القادمة مقارنةً بالعصر الذهبي لاستكشاف الفضاء. وعلى عكس الستينيات، سيعيشون في الفضاء داخل مستوطنات بعيدة، وليس مجرد السفر لبضعة أيام إلى القمر أو الإقامة في محطات منخفضة الأرض.

هذا يعني مزيدًا من الأشخاص، وعلى مسافات أبعد، وفي حالة المريخ، رحلات تستغرق شهورًا. كل ذلك يتطلب إمدادهم بمواد استهلاكية مكلفة. وهذا يغيّر اقتصاديات إمداد الرواد نحو إنتاج ما يحتاجون إليه في الموقع. من المرجح أن يلعب الطباعة ثلاثية الأبعاد دورًا كبيرًا في توفير قطع الغيار. وستحتاج الطعام إلى أن يُزرع جزئيًا على الموقع.

إلى جانب التكاليف، سيساعد زراعة الطعام الطازج في الموقع على الحفاظ على صحة الرواد من خلال توفير فيتامينات C عالية الجودة وأطعمة غنية بمضادات الأكسدة التي تُقلل خطر الإشعاع الناتج عن الأشعة الكونية والعواصف الشمسية.

نماذج غذاء الفضاء

ليس هذا مفهومًا جديدًا، فقد قامت وكالة ناسا وغيرها من الوكالات الفضائية بدراسة هذه الأفكار لعدة عقود. ومع ذلك، فإن نقص المساحة على محطة الفضاء الدولية يعني أنه حتى الآن تم اختبار المشروع التجريبي والنموذج الأولي فقط، ولا توجد خطط حالية لإنتاج كمية كبيرة من الطعام في الفضاء.

المفهوم المختبر رقم 1: زراعة النباتات بالأيروبونيك

من خلال زراعة النباتات دون تربة أو ماء، تُعدّ الأيروبونيك طريقة تبدو ملائمة بشكل فريد للظروف انعدام الوزن مثل محطات الفضاء، حيث تُعدّ السوائل والغبار مشكلات جدية قد تتسبب في اختصارات وحرائق. يمكنك قراءة المزيد عن كيفية عمل الأيروبونيك وكيفية استخدامها بالفعل على الأرض في مقالتنا “الأيروبونيك – كل ما تحتاج إلى معرفته”.

تُعدّ الأيروبونيك فعّالة بشكل خاص في زراعة المنتجات الطازجة في وقت قياسي ومع مساحة محدودة، مما يجعلها مثالية للظروف الضيقة لسفينة فضائية متجهة إلى المريخ أو محطة فضائية مدارية.

يمكنها أيضًا زراعة محاصيل جذريّة عالية الكثافة الطاقية، مثل البطاطس، التي يمكن تناولها بسهولة دون طهي معقد، على عكس الحبوب.

تم اختبار نموذج أولي بالفعل في محطة الفضاء الدولية تحت برنامج نظام اختبار الجذر المكشوف في المدار (XROOTS) للعرض التقني.

المصدر: NASA

يمكن للأنظمة المشابهة زراعة منتجات طازجة لرواد الفضاء خلال رحلات طويلة، مثل 6-18 شهرًا إلى المريخ (حسب نظام الدفع). قد تشمل هذه الأنظمة نظام Veggie (نظام إنتاج الخضروات) وVeggie PONDS وPlant Habitat-04 (PH-04)، الذي نجح في زراعة مجموعة متنوعة من النباتات، بما في ذلك ثلاثة أنواع من الخس، والكرنب الصيني، وخردل الميزونا، والكرنب الروسي الأحمر، وأزهار الزينيا، والقمح، والفلفل.

المفهوم المختبر رقم 2: الكائنات الدقيقة في العلب

كان برنامج البحوث البيولوجية في العلب (BRIC) يهدف إلى دراسة تأثيرات الفضاء على الكائنات الصغيرة بما يكفي للنمو في أطباق بتري، مثل الخميرة والميكروبات. لكن مثل هذه الطريقة في الزراعة ستستنزف الركائز الغنية بالطاقة من الأرض لتحويلها إلى أي شيء صالح للأكل.

إصدار محدث، BRIC-LED هو الإصدار الأخير، الذي يستخدم صمامات ثنائية باعثة للضوء (LED) إضافية لدعم الكائنات الحية، مثل النباتات والطحالب والطحالب الزرقاء التي تحتاج إلى الضوء لتصنيع طعامها. يمكن للألواح الشمسية أو المفاعلات النووية تشغيل هذه المصابيح LED (مشابهة لتلك المستخدمة في الأيروبونيك) والسماح بزراعة الطعام في الموقع.

المفهوم المختبر رقم 3: صوبات زراعية فضائية قابلة للنفخ

قامت وكالة ناسا أيضًا بتطوير مفهوم صوبات الزراعة الهيدروبونية القابلة للنفخ، مع نموذج أولي بطول 18 قدمًا وعرض 7 أقدام وقطر 3 بوصات تم اختباره من قبل مركز الزراعة في البيئة المتحكم فيها بجامعة أريزونا.

المصدر: Inside Hook

تعمل الصوبة القابلة للنفخ وفق مبدأ الزراعة الهيدروبونية، وهو ما يمكنك تعلمه في مقالتنا المتخصصة “الهيدروبونية – كل ما تحتاج إلى معرفته”.

في الخطوات الأولية للمستعمرة، قد تكون الصوبات القابلة للطي أو النفخ خيارًا جيدًا لتوفير الكتلة والمساحة في سفن النقل.

أنظمة غذاء الفضاء المستقبلية

هناك حاجة إلى تمييز سؤال زراعة الطعام في الفضاء حسب البيئة، حيث تكمن الحالات الثلاث الرئيسية الممكنة في محطات/سفن الفضاء، قواعد القمر، وقواعد المريخ.

هذا يخلق قيودًا فريدة ستشكل إمكانية أنظمة الغذاء في كل بيئة بشكل مختلف.

المدار والفضاء العميق

نظرًا للقيود المتعلقة بالمساحة والوزن (سفينة أثقل ستستهلك وقودًا أكثر)، من غير المرجح أن تنمو سفن الفضاء ومحطات الفضاء كل طعامها. من الأرجح أن يحصل الطاقم على إمدادات عندما يكون في مدار الأرض. ومع ذلك، قد يزرعون كمية محدودة من الطعام الطازج مثل الخضروات الورقية أو الميكروالجي.

ستكون الميكروالجي مثيرة للاهتمام بشكل خاص إذا تبين أن أفضل طريقة لحماية طاقم السفينة المتجه إلى المريخ هي طبقة سميكة من الماء (تشير بعض التقديرات إلى أن طبقة ماء بعمق متر واحد قد تكون ضرورية لحماية الطاقم من الأشعة الكونية والعواصف الشمسية المؤقتة).

لذا قد نرى كل سفينة ومحطة فضائية تدور حول المريخ مجهزة بغرفة ملجأ إشعاعي تستخدم كمية كبيرة من الماء. حينها سيكون من المنطقي استخدام الماء أيضًا لزراعة الطعام.

هذه الأنظمة مفهومة جيدًا وتُستخدم بالفعل في التجارب المخبرية، وتظهر مشاريع مثل BRIC-LED كيفية تكييفها للفضاء وانعدام الوزن.

المصدر: MDPI

كإضافة، يتطلب الهواء المتاح المحدود إعادة تدوير مكثفة، مما يمكن أن تساهم فيه النباتات أو الطحالب المنتجة للأكسجين.

قواعد القمر

بفضل إمكانية إحضار وحدات مسبقة الصنع أو مواد للطباعة ثلاثية الأبعاد من الأرض القريبة، تصبح المساحة أقل قلقًا. من المتوقع أيضًا أن يتوفر بعض الماء على سطح القمر، لذا لن يتطلب الزراعة جلب أطنان من السوائل الثقيلة بالإضافة إلى الأسمدة لبدء الزراعة في المدار.

هذا يجعل فكرة قاعدة قمرية ذاتية بالكامل، على الأقل طالما أن عدد السكان يتراوح بين المئات أو الآلاف، قابلة للتنفيذ.

ستكون هذه أيضًا ساحة اختبار رائعة لجميع طرق إنتاج الغذاء المطلوبة لاحقًا على المريخ. إذا فشل محصول كامل بطريقة ما، فإن الحصول على إمداد طوارئ من الأرض على بعد ثلاثة أيام لن يكون مشكلة.

مع ذلك، القمر فريد من نوعه في بعض النواحي. يمكن أن تستمر الليالي لفترة طويلة، مما يجعل فكرة الصوبات القبة التي تعتمد على الضوء الطبيعي مستحيلة. لنفس السبب، من المحتمل أن تحتاج المفاعلات النووية إلى توفير الطاقة بدلاً من الألواح الشمسية.

كما أنه لا يمتلك أي غلاف جوي، مما يقلل من إمكانية الحصول على ثاني أكسيد الكربون المجاني وتوازن الأكسجين الزائد. لذا، سيتعين على كل نظام غذائي على القمر أن يكون حلقة مغلقة تمامًا.

مع ذلك، يمتلك القمر جاذبية (1/6 من جاذبية الأرض)، مما يجعل الزراعة الهيدروبونية أو حتى الزراعة المائية خيارًا قابلًا للتطبيق لتوفير المحاصيل وحتى اللحوم للرواد بطريقة أقل جهدًا من الأيروبونيك. يمكنك قراءة كيف يمكن للزراعة المائية دمج تربية الأحياء المائية والهيدروبونية في نظام واحد في مقالتنا “الزراعة المائية – كل ما تحتاج إلى معرفته“.

سيناريوهات الزراعة على القمر

من المحتمل أن تُزرع المنتجات الطازجة محليًا لتوفير تعزيز في الفيتامينات والمعنويات للرواد.

لم يتضح بعد ما سيكون الجزء الأكبر من السعرات الحرارية (البروتينات والكربوهيدرات). في النهاية، ستحدد الاقتصاديات ما إذا كان جزءًا فقط أو كل الطعام لسكان القمر سيُنتج في الموقع.

• إذا كان من الأرخص إحضاره من الأرض بالجملة مقارنةً ببناء مرافق زراعة ضخمة، فستُزرع فقط المنتجات الطازجة على القمر.
• بدلاً من ذلك، إذا تبين أن ذلك مكلف للغاية، قد تكون مزارع البطاطس والفاصوليا والحبوب بالأيروبونيك شبه المؤتمتة هي الطريقة لتقليل تكاليف تشغيل قواعد القمر.

قواعد المريخ

المريخ بعيد جدًا عن الأرض. سيكون إنتاج الطعام محليًا ضرورة اقتصادية وحلًا لمخاطر الأمن.

تم توضيح ذلك بذكاء في كتاب أندي وير “العائد من المريخ”، الذي تم تحويله لاحقًا إلى فيلم مع مات ديمون، حيث يلجأ رائد فضاء عالق إلى زراعة البطاطس بشكل مرتجل للبقاء على قيد الحياة. وأكبر خطر يواجهه ليس الإشعاع أو نقص الهواء أو البرد، بل الجوع.

المصدر: Modern Farmer

هدف قواعد المريخ يختلف أيضًا عن هدف القمر. الهدف النهائي هو الاستعمار الكامل. لذا إذا كان من الممكن إدامة عدد من عشرات المئات من الرواد بتكلفة باهظة من الأرض، فإن عشرات الآلاف أو الملايين لن يكون ذلك ممكنًا.

هذا يعني أن المريخ سيحتاج إلى أن يكون ذاتيًا بالكامل في إنتاج الغذاء.

أنواع الزراعة نفسها كما في القمر ممكنة: الزراعة الهيدروبونية أو الزراعة المائية على نطاق واسع. ولكن بما أن المريخ يمتلك غلافًا جويًا ويومًا يدوم تقريبًا 24 ساعة، فمن الممكن أيضًا بناء صوبات على السطح وجمع ثاني أكسيد الكربون الذي تحتاجه النباتات من الغلاف الجوي الرفيع أثناء استخراج الجليد للحصول على الماء.

من المرجح أيضًا أن المريخ يمتلك، مثل الأرض، رواسب محلية من الفوسفور والنيتروجين والبوتاسيوم يمكن استخراجها وتحتاجها الزراعة المكثفة.

تحتاج هذه الصوبات إلى تدفئة وتسميد وإحكام إغلاقها، لكنها ستوفر طريقة زراعة أكثر كفاءة ومرونة وتستهلك طاقة أقل.

جعل المريخ خصبًا

قد يفيد الزراعة المريخية أيضًا إذا تم الزراعة مباشرة في التربة، مما يتطلب آلات أقل مقارنةً بالهيدروبونية. سيفتح ذلك المجال لتحرير المعدات والعمالة والموارد لاستخدامات أخرى.

إحدى المشكلات التي يجب حلها هي أن تربة المريخ (الريغوليث) غنية ببيروكسيد الهيدروجين (H2O2). هذا المركب المؤكسد بشدة يمكن أن يقتل النباتات والبكتيريا، خاصةً عند التركيزات الموجودة على المريخ.

لحسن الحظ، يمكن أيضًا استخدام البيروكسيد لإنتاج الأكسجين. تم إثبات ذلك بفضل تجربة استخراج الأكسجين من موارد المريخ في الموقع (MOXIE) التي اختُبرت على مركبة بيرسيفيرانس. لذا يمكننا بسهولة تخيل مهمات مستقبلية “تستخرج” الريغوليث لإنتاج الأكسجين للرواد، وكذلك لاستخدامه كوقود صواريخ.

ثم تحويل هذا الريغوليث المعالج الخالي من البيروكسيد إلى تربة خصبة للصوبات.

خيار آخر قد يكون إنشاء برك صناعية، ربما فوق حفر صغيرة، حيث يمكن للطحالب والأصداف المائية العذبة والأسماك أن تنمو “طبيعيًا” مع صيانة قليلة، بمجرد الحفاظ على دفء وإحكام صوبات القبة.

تقنيات غذاء الفضاء الأخرى

حتى الآن، ناقشنا في الغالب زراعة الطعام عبر الأيروبونيك، الهيدروبونيك، والزراعة المائية، بالإضافة إلى الصوبات المغلقة. لكن قد يتم استكشاف خيارات أخرى. أحد هذه الخيارات هو الطعام الصناعي.

في عام 2021، العلماء الصينيون طوروا أول طريقة للتصنيع الاصطناعي الخالي من الخلايا للنشا (C6H10O5) من ثاني أكسيد الكربون. نظرًا لأن النشا هو المكوّن الحراري الرئيسي للحبوب مثل الأرز والذرة والقمح، فإن هذا يستحق الانتباه. وعلى صعيد ذلك، فإن غلاف المريخ الجوي يتكون من 95% ثاني أكسيد الكربون.

المصدر: Science.org

استخدم النظام محفزًا قائمًا على الزركونيوم وحقق معدل تخليق أعلى بنحو 8.5 مرة مقارنةً بتخليق النشا في الذرة.

لذا، ربما يمكننا تصور وحدة متكاملة ومؤتمتة تُصنع النشا باستمرار، حرفيًا من الهواء الرقيق. يمكن أن توفر الجزء الأكبر من السعرات الحرارية المطلوبة لتغذية الحيوانات أو الأساسيات البشرية، مع ترك الزراعة التقليدية تركز فقط على الأطعمة عالية الجودة والغنية بالفيتامينات.

في أي حال، يمكننا تخيل تشغيل هذه الأنظمة بشكل ذاتي قبل أن يهبط أي رائد فضاء على المريخ، لإنشاء مخزون هائل من السعرات الحرارية في الموقع قبل الهبوط لتجنب سيناريو مشابه لما في “العائد من المريخ”.

توجد خيارات أخرى أيضًا، لا سيما أنواع أخرى من الطعام الصناعي، بما في ذلك البروتينات (انظر أدناه Solein من Solar Foods)، أو اللحم المزروع مخبريًا، أو بدائل اللحم مثل اللحم القائم على الفطريات الذي تم اختباره في محطة الفضاء الدولية في 2022، الذي تنتجه شركة Nature’s Fynd.

شركات غذاء الفضاء

1. Aleph Farms

حققت Aleph Farm نمو أول تجربة للحم المستزرع (ستيك) في انعدام الجاذبية على متن محطة الفضاء الدولية خلال مهمة Rakia. نظرًا لأن أي شكل من أشكال التربية قد يكون مستحيلًا في المراحل الأولية من استعمار الفضاء، فمن المحتمل أن يُنتج اللحم فقط عبر هذه الطريقة.

بعد أن اختبرت العملية بالفعل في انعدام الجاذبية، تتفوق Aleph Farms على معظم شركات اللحم المزروع مخبريًا في سوق غذاء الفضاء. وافقت إسرائيل على منتجاتها اللحمية للتسويق في 2024.

تعمل الشركة أيضًا على إنتاج كولاجين خالي من الذبح، وهو مكوّن أساسي في العديد من الأطعمة ومستحضرات التجميل والمنتجات الطبية.

2. Solar Foods

تسعى هذه الشركة إلى “إنتاج الطعام من الهواء الرقيق”. جمعت ٨ ملايين يورو في نهاية 2023 لمتابعة هذا الهدف.

الفكرة هي استخدام الكهرباء لتفكيك الماء إلى أكسجين وهيدروجين واستخدام الهيدروجين، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون الجوي والمواد المغذية المعدنية، لإطعام الكائنات الدقيقة التي ستنتج مسحوقًا جافًا مكوّنًا من 70% بروتين.

تم تسويقها تحت العلامة التجارية Solein، هذا المصدر البروتيني الذي يحتوي على جميع الأحماض الأمينية الأساسية التسعة يمكن دمجه في مكونات أخرى لصنع مصدر غذائي عالي الكثافة.

المصدر: Solar Foods

تستهدف الشركة صراحةً سوق استكشاف الفضاء. ومع ذلك، تتصور أيضًا أنه على المدى الطويل، يمكنها إحداث ثورة في إنتاج الطعام على الأرض أيضًا، حيث تقدم مصدر بروتين يحول الطاقة إلى بروتين بكفاءة عالية.

“نحن نغذي الميكروب كما تغذي النبات، ولكن بدلاً من سقيه وتسميده، نستخدم مجرد هواء وكهرباء. مع عمليتنا الحالية، هذا أكثر كفاءة بـ 20 مرة من عملية التمثيل الضوئي (و200 مرة أكثر من اللحم).”

حصلت Solar Foods على أول موافقة تنظيمية للغذاء المبتكر على Solein من وكالة الغذاء في سنغافورة (SFA) في سبتمبر 2022.

التكيف مع غذاء الفضاء

على مر التاريخ، اضطر زراعة الطعام والتغذية إلى التكيف مع بيئتها. كان هذا صحيحًا بالنسبة للمزارعين الذين يزرعون الأرز على المدرجات في آسيا ولشعوب الإينويت الذين يعتمدون تقريبًا بالكامل على نظام غذائي قائم على اللحم.

الفضاء لن يكون مختلفًا، رغم أنه سيتميز بغياب الخصوبة الطبيعية أو النظام البيئي البري تمامًا. وهذا يعني أن أي إنتاج غذائي في الفضاء سيعتمد بالكامل على الآلات أو الأنظمة البيئية المصممة من الصفر بواسطة البشر.

من المرجح أن تهيمن الأنظمة المدمجة والفعّالة مثل الطعام الصناعي أو الأيروبونيك في أكثر البيئات عدائية، مثل سفن الفضاء أو القمر الخالي من الهواء.

على كواكب مثل المريخ، قد يكون شيء أقرب إلى الزراعة التقليدية ممكنًا. سيعمل ضوء الشمس الطبيعي بالتعاون مع أضواء LED وأنظمة الزراعة فائقة الكفاءة داخل صوبات محكمة الإغلاق ومُدفأة.

كما هو الحال غالبًا مع تقنيات الفضاء، قد يكون لهذا المفهوم تأثير هائل على الأرض. حياتنا اليومية تستخدم بالفعل تقنيات تم تطويرها في البداية للفضاء، مثل مرشحات المياه، الشرائح الدقيقة، الأدوات اللاسلكية، العدسات المقاومة للخدش، أو كاشفات الدخان.

من الممكن أنه خلال بضعة عقود، ستُضاف النشا والبروتين الصناعيين، ومزارع الأيروبونيك المؤتمتة، والصوبات الفائقة الكفاءة التي تُنشر في المناطق الصحراوية والقطبية إلى هذه القائمة.