Διατροφή στο Διάστημα – Πώς θα Τροφοδοτήσουμε το Επόμενο Κύμα Πιόνιερς της Ανθρωπότητας;

Νέος Τύπος Διαστημικής Εξερεύνησης

After several decades of stagnation following the Moon landing, a new space race is heating up. The trigger was SpaceX’s (SPCX ) extraordinary success in creating a reusable rocket, cutting the launch cost to orbit by an order of magnitude. With the latest launch vehicle, Starship, getting tested, the costs should decrease even more.

Πηγή: Visual Capitalist

Η SpaceX μπορεί να είναι η πιο εντυπωσιακή διαστημική εταιρεία, αλλά πολλές βρίσκονται στην άκρη της – συμπεριλαμβανομένων διαφόρων κινεζικών εταιρειών πυραύλων, τόσο ιδιωτικών όσο και κρατικών.

Ταυτόχρονα, η NASA και οι συνεργάτες της σχεδιάζουν να επιστρέψουν στη Σελήνη και να ιδρύσουν μόνιμη βάση εκεί· η Κίνα και η Ρωσία έχουν επίσης παρόμοιες φιλοδοξίες. Στην επόμενη δεκαετία, η SpaceX σκοπεύει να δει τους πρώτους ανθρώπους να περπατούν στον Άρη.

Έτσι, είναι σχεδόν δεδομένο ότι θα δούμε πολλούς περισσότερους αστροναύτες τις επόμενες δεκαετίες σε σύγκριση με την χρυσή εποχή της διαστημικής εξερεύνησης. Αντίθετα με τη δεκαετία του 1960, θα ζουν στο διάστημα σε απομακρυσμένα καταφύγια, όχι μόνο ταξιδεύοντας λίγες ημέρες στη Σελήνη ή παραμένοντας σε χαμηλή γήινη τροχιά σε διαστημικούς σταθμούς.

Αυτό σημαίνει περισσότερους ανθρώπους, πιο μακριά, και στην περίπτωση του Άρη, μήνες ταξιδιού. Όλα αυτά οδηγούν στην ανάγκη να τους προμηθευτούν επιπλέον ακριβά καταναλωτικά αγαθά. Αυτό στρέφει την οικονομία της προμήθειας των αστροναυτών προς την παραγωγή ό,τι χρειάζονται επί τόπου. Η τρισδιάστατη εκτύπωση πιθανότατα θα παίξει μεγάλο ρόλο στην παροχή ανταλλακτικών. Και η τροφή θα πρέπει να καλλιεργείται τουλάχιστον εν μέρει επί τόπου.

Εκτός από το κόστος, η καλλιέργεια φρέσκων τροφίμων επί τόπου θα βοηθήσει επίσης στη διατήρηση της υγείας των αστροναυτών παρέχοντας υψηλής ποιότητας βιταμίνες C και τρόφιμα πλούσια σε αντιοξειδωτικά, χρήσιμα για τη μείωση του κινδύνου της ακτινοβολίας από κοσμικές ακτίνες και ηλιακές καταιγίδες.

Πρωτότυπα Διατροφής στο Διάστημα

This is not a new concept, and NASA and other space agencies have been investigating the ideas for several decades. Still, the lack of space on the ISS means that for now, only the pilot project and prototype have been tested, and there are no current plans to produce a serious amount of food in space.

Δοκιμασμένη Έννοια #1: Καλλιέργεια Φυτών με Αεροπονική

Με την καλλιέργεια φυτών χωρίς έδαφος ή νερό, η αεροπονική είναι μια μέθοδος που φαίνεται ιδανική για συνθήκες αδράνειας όπως οι διαστημικοί σταθμοί, όπου τα υγρά και η σκόνη είναι σοβαρά προβλήματα που μπορούν να προκαλέσουν βραχυπρόθεσμες διαδρομές και πυρκαγιές. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για το πώς λειτουργεί η αεροπονική και πώς χρησιμοποιείται ήδη στη Γη στο άρθρο μας «Aeroponics – Everything You Need to Know».

Η αεροπονική είναι ιδιαίτερα αποδοτική στην καλλιέργεια φρέσκων προϊόντων σε χρόνο ρεκόρ και με περιορισμένο χώρο, καθιστώντας την ιδανική για τις στενές συνθήκες ενός διαστημοπλοίου προς τον Άρη ή ενός τροχιακού διαστημικού σταθμού.

Μπορεί επίσης να καλλιεργήσει πολύ ενεργειακά πυκνές ρίζες, όπως τις πατάτες, που είναι εύκολες στην κατανάλωση χωρίς πολύπλοκη μαγείρεμα, σε αντίθεση με τα δημητριακά.

Ένα πρωτότυπο έχει ήδη δοκιμαστεί στο ISS υπό το πρόγραμμα τεχνικής επίδειξης eXposed Root On-Orbit Test System (XROOTS).

Πηγή: NASA

Similar systems could grow fresh products for astronauts on long travels, like the 6-18 months to Mars (depending on the propulsion system). These could include the previously tested Veggie (Vegetable Production System), Veggie PONDS, and Plant Habitat-04 (PH-04), which has successfully grown a variety of plants, including three types of lettuce, Chinese cabbage, mizuna mustard, red Russian kale, zinnia flowers, wheat, and peppers.

Δοκιμασμένη Έννοια #2: Μικροοργανισμοί σε Κάδους

Η Βιολογική Έρευνα σε Κάδους (BRIC) ήταν ένα πρόγραμμα για τη μελέτη των επιδράσεων του διαστήματος σε οργανισμούς μικρού μεγέθους που μπορούν να καλλιεργηθούν σε πιάτα Petri, όπως ζυμώματα και μικροοργανισμοί. Αλλά μια τέτοια μέθοδος καλλιέργειας θα «κλέβει» ενεργειακά πλούσια υποστρώματα από τη Γη για να μετατραπούν σε κάτι βρώσιμο.

Μια ενημερωμένη έκδοση, BRIC-LED, είναι η πιο πρόσφατη, η οποία χρησιμοποιεί προστιθέμενα φωτεινά διαδρόμια (LED) για να υποστηρίξει τη βιολογία, όπως φυτά, βρύα, άλγη και κυανόβακτρια που χρειάζονται φως για να παράγουν τη τροφή τους. Ηλιακοί πίνακες ή πυρηνικοί αντιδραστήρες θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν τέτοια LED φωτιστικά (παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται στην αεροπονική) και να επιτρέψουν την καλλιέργεια τροφής επί τόπου.

Δοκιμασμένη Έννοια #3: Φουσκωτά Διαστημικά Υποκαλύπτες

Η NASA έχει επίσης αναπτύξει την έννοια των φουσκωτών υδροπονικών θερμοκηπίων, με ένα πρωτότυπο μήκους 18 πόδια, πλάτους 7 πόδια και διαμέτρου 3 ίντσες, το οποίο δοκιμάστηκε από το Κέντρο Ελεγχόμενης Περιβάλλοντος Γεωργίας του Πανεπιστημίου της Αριζόνα.

Πηγή: Inside Hook

Η λειτουργία του φουσκωτού θερμοκηπίου ακολουθεί την αρχή της υδροπονίας, κάτι που μπορείτε να μάθετε στο αφιερωμένο μας άρθρο «Hydroponics – Everything You Need to Know».

Για τα αρχικά βήματα της αποικίας, τα αναδιπλούμενα ή φουσκωτά θερμοκήπια θα ήταν πιθανώς μια καλή επιλογή για εξοικονόμηση μάζας και χώρου στα μεταφορικά σκάφη.

Μελλοντικά Συστήματα Διατροφής στο Διάστημα

There is a need to distinguish the question of growing food in space depending on the environment, with the 3 main possible situations being space stations/spaceships, Moon Bases, and Mars bases.

This creates unique constraints that will shape the possibility for food systems in each environment differently.

Τροχιά & Βαθύ Διάστημα

Because of the space, but also weight constraints (a heavier ship would waste fuel), spaceships and space stations are unlikely to grow all their food. More likely, the crew will resupply when in the orbit of Earth. They could, however, be growing a limited amount of fresh food like leafy greens or microalgae.

Microalgae would be especially interesting if it turns out that the best way to shield a ship’s crew traveling to Mars is a thick layer of water (some estimates judge that it would require a 1-meter-deep layer of water to protect the crew against cosmic rays and temporary sun storms).

So we could see every spaceship and space station orbiting Mars equipped with a radiation shelter room using a lot of water. It would then make sense to use the water to grow food as well.

Such systems are already well understood and used for lab experiments, and projects like BRIC-LED show how to adapt them to space & weightlessness.

Πηγή: MDPI

As a bonus, the limited available air also requires extensive recycling, which oxygen-producing plants or algae could help contribute.

Βάσεις στη Σελήνη

Thanks to the possibility of bringing prefab modules or material for 3D printing from nearby Earth, space is much less of a concern. The Moon is also expected to have some water available on site, so cultivation would not require bringing tons of heavy liquids on top of fertilizers to start the cultivation in orbit.

This makes the idea of a fully autonomous Moon base, at least as long as the population is in the hundreds or thousands, viable.

This would also prove to be a great testing ground for all food production methods later required on Mars. If, somehow, an entire crop fails, getting emergency food resupply from Earth 3-days away would not be an issue.

However, the moon is unique in some respects. Night can last very long, making the idea of domed greenhouses relying on natural light impossible. For the same reason, nuclear reactors will likely need to supply power instead of solar panels.

It also has absolutely no atmosphere, reducing the possibility of getting free CO2 and balancing out surplus oxygen. So, every Moon food system will have to be a perfectly closed loop.

However, the Moon has gravity (1/6th of Earth), making hydroponics or even aquaponics a viable option to provide crops and even meat to astronauts in a less labor-intensive way than aeroponics. You can read how aquaponics can mix aquaculture and hydroponics in the same system in our article “Aquaponics—Everything You Need to Know.”

Σενάρια Γεωργίας στη Σελήνη

Fresh products will likely be cultivated locally to provide a vitamin and moral boost to the astronauts.

It is not clear yet what the bulk of calories (proteins and carbs) will be. Ultimately, economics will decide whether only a part or all of the food of the Moon’s residents will be produced on-site.

• Αν είναι φθηνότερο να το μεταφερθεί από τη Γη μαζικά παρά να κατασκευαστούν τεράστια εγκαταστάσεις καλλιέργειας, μόνο φρέσκα προϊόντα θα καλλιεργηθούν στη Σελήνη.
• Εναλλακτικά, εάν αποδειχθεί εξαιρετικά δαπανηρό, οι ημιαυτοματοποιημένες φάρμες αεροπονικών πατατών, φασολιών και δημητριακών θα μπορούσαν να μειώσουν το κόστος λειτουργίας των βάσεων στη Σελήνη.

Βάσεις στον Άρη

Mars is tremendously far from Earth. Producing food locally will be both an economic necessity and a security risk solution.

This was brilliantly illustrated in Andy Weir’s book The Martian, later adapted into a movie with Matt Damon, where a stranded astronaut resorts to improvised potato farming to survive. And the greatest danger he faces is not radiation, lack of air, or cold, but starvation.

Πηγή: Modern Farmer

The goal of Martian bases is also different than that of the Moon. The ultimate goal is full-fledged colonization. So if a population of a few tens of hundreds of astronauts could be sustained at great cost from Earth, tens of thousands or millions never could.

This means that Mars will need to be fully autonomous in food production.

The same types of cultivation as on the Moon are possible: large-scale hydroponics or aquaponics. But because Mars has an atmosphere and a day lasting almost exactly 24 hours, it is also possible to build surface greenhouses and collect the CO2 plants need from the thin atmosphere while mining ice for water.

It is also very likely that Mars has, like Earth, local deposits of phosphorus, nitrogen, and potassium that can be mined and are required for intensive farming.

These greenhouses need to be warmed, fertilized, and airtight, but they will provide a much more efficient, resilient, and less energy-demanding farming method.

Καθιστώντας τον Άρη Καταυλισμένο

It might also benefit Martian agriculture to cultivate directly in the soil, requiring less machinery than hydroponics. This would free equipment, labor, and resources for other uses.

One issue to solve is that the Martian soil (regolith) is rich in hydrogen peroxide (H2O2). This highly oxidative chemical can kill plants and bacteria, especially at the concentrations found on Mars.

Luckily, peroxide can also be used to produce oxygen. This has been demonstrated thanks to the Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) tested on the Perseverance rover. So we can easily imagine future missions “mining” regolith to create oxygen for the astronauts, as well as to be used for rocket fuels.

And then using this processed, peroxide-free regolith turns it into fertile soil for the greenhouses.

Another option could be to create artificial ponds, maybe over small craters, where algae, freshwater shells, and fishes could grow “wild” with minimal maintenance, by just keeping the greenhouse domes warm and airtight.

Άλλες Τεχνολογίες Διατροφής στο Διάστημα

So far, we have mostly discussed growing food through aeroponics, hydroponics, and aquaponics, as well as sealed greenhouses. But other options might also be explored. One of these is synthetic food.

In 2021, Chinese scientists developed the first method for the artificial, cell-free synthesis of starch (C6H10O5) from CO2. Considering starch is the main caloric component of grains like rice, corn, and wheat, this is worth paying attention to. And for that matter, Mars’s atmosphere is 95% CO2.

Πηγή: Science.org

The system used a zirconium-based catalyst and achieved an ~8.5-fold higher synthesis rate than starch synthesis in maize.

So, maybe we could imagine an integrated and automatized module that synthesizes starch continuously, literally from thin air. This could provide the bulk of calories required for animal feed or human staples, with traditional farming focusing only on high-quality and vitamin-rich foods instead.

In any case, we can imagine such systems operating autonomously before any astronaut even lands on Mars, to create on-site and ahead of a landing a massive stash of calories to avoid a scenario like in The Martian.

Other options exist as well, notably other types of synthetic food, including proteins (see below Solar Foods’s Solein), or lab-grown meat, or meat substitutes like a fungi-based meat tested in the ISS in 2022, produced by the company Nature’s Fynd.

Εταιρείες Διατροφής στο Διάστημα

1. Aleph Farms

Aleph Farm achieved the growth of the first cultivated meat (steak) experiment in microgravity aboard the ISS during the Rakia Mission. As any form of husbandry may be impossible in the initial stages of space colonization, meat will probably only be produced through this type of method.

Having already tested the process in microgravity, Aleph Farms is ahead of most other lab-grown meat companies in the space food market. Israel approved its meat products for commercialization in 2024.

The company is also working on producing κολλαγόνο χωρίς σφαγή, a key ingredient in many food, cosmetics, and medical products.

2. Solar Foods

This company is looking to “produce food out of thin air”. Συγκέντρωσε €8 εκατομμύρια στο τέλος του 2023 to pursue this goal.

The concept is to use electricity to break water into oxygen and hydrogen and use the hydrogen, as well as atmospheric CO2 and mineral nutrients, to feed microorganisms that will produce a dry powder made of 70% protein.

Commercialized under τη μάρκα Solein, this protein source containing all 9 essential amino acids can be incorporated into other ingredients to make a very dense nutrition source.

Πηγή: Solar Foods

The company is explicitly targeting the space exploration market. Still, it also envisions that in the long term, it could revolutionize food production on Earth as well, as it offers a protein source that converts energy into protein very efficiently.

«Τρέφουμε το μικρόβιο όπως θα τρέφατε ένα φυτό, αλλά αντί για πότισμα και λίπασμα, χρησιμοποιούμε απλώς αέρα και ηλεκτρισμό. Με τη σημερινή μας διαδικασία, αυτό είναι 20 φορές πιο αποδοτικό από τη φωτοσύνθεση (και 200 φορές περισσότερο από το κρέας).»

Solar Foods received the first novel food regulatory approval for Solein from the Singapore Food Agency (SFA) in Σεπτέμβριος 2022.

Προσαρμογή για Διατροφή στο Διάστημα

Throughout history, food cultivation and nutrition have been forced to adapt to their environment. This was true for the farmers cultivating rice on terraces in Asia to the Inuit people relying almost exclusively on a meat-based diet.

Space will be no different, although it will have the unique feature of having absolutely no natural fertility or wild ecosystem. This means that any space-based food production will entirely depend on machines or ecosystems designed from scratch by humans.

Highly compact and efficient systems like synthetic food or aeroponics will likely dominate in the most hostile environment, like in spaceships or on the air-less Moon.

On planets like Mars, something closer to regular farming might be possible. Natural sunlight would work together with LED lights and ultra-efficient farming systems inside airtight, heated greenhouses.

Like often with space technologies, this concept could also have a massive impact on Earth. Our everyday lives already use technology that was initially developed for space, like φίλτρα νερού, μικροτσίπ, ασύρματα εργαλεία, φακοί ανθεκτικοί σε γρατζουνιές ή ανιχνευτές καπνού.

Είναι πιθανό ότι σε λίγες δεκαετίες, το συνθετικό άμυλο και η πρωτεΐνη, οι αυτοματοποιημένες φάρμες αεροπονικής και τα υπερ-αποδοτικά θερμοκήπια για εγκατάσταση σε ερημικές περιοχές και στην Αρκτική θα προστεθούν σε αυτή τη λίστα.