Avaruuden ruoka – Kuinka ruokkia ihmiskunnan seuraava pioneerien aalto?

Uusi avaruustutkimuksen tyyppi

After several decades of stagnation following the Moon landing, a new space race is heating up. The trigger was SpaceX’s 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.

Lähde: Visual Capitalist

SpaceX saattaa olla vaikuttavin avaruusyritys, mutta monet ovat sen perässä – mukaan lukien erilaiset kiinalaiset rakettayritykset, sekä yksityiset että valtion rahoittamat.

Samanaikaisesti NASA ja sen kumppanit suunnittelevat paluuta Kuuhun ja pysyvän tukikohdan perustamista siellä; Kiinalla ja Venäjällä on myös samankaltaisia tavoitteita. Seuraavien kymmenen vuoden aikana SpaceX aikoo nähdä ensimmäisten miesten kävelevän Marsilla.

Joten on lähes varmaa, että näemme paljon enemmän astronautteja tulevina vuosikymmeninä kuin avaruustutkimuksen kultakauden jälkeen. Toisin kuin 1960-luvulla, he tulevat elämään avaruudessa kaukaisissa asuinympäristöissä, eivätkä vain matkustaa muutaman päivän ajan Kuuhun tai oleskella matalassa Maan kiertoradassa avaruusasemilla.

Tämä tarkoittaa enemmän ihmisiä, kauempana, ja Marsin tapauksessa kuukausien matkaa. Kaikki tämä johtaa tarpeeseen toimittaa heille kalliita kulutustarvikkeita. Tämä kallistaa astronauttien huollon taloutta kohti paikallista tuotantoa. 3D-tulostus todennäköisesti näyttelee suurta roolia varaosien toimittamisessa. Ja ruoka täytyy kasvattaa ainakin osittain paikan päällä.

Kustannusten lisäksi tuoreen ruoan kasvattaminen paikalla auttaa myös astronauttien terveyttä tarjoamalla korkealaatuisia C-vitamiineja ja antioksidanttirikkaita ruokia, jotka vähentävät kosmisista säteistä ja aurinkomyrskyistä aiheutuvaa säteilyvaaran riskiä.

Avaruuden ruoan prototyypit

Tämä ei ole uusi käsite, ja NASA sekä muut avaruusvirastot ovat tutkineet ideoita useiden vuosikymmenten ajan. Silti Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) tilan puute tarkoittaa, että toistaiseksi vain pilottihanke ja prototyyppi on testattu, eikä nykyisiä suunnitelmia ole tuottaa merkittävää määrää ruokaa avaruudessa.

Testattu käsite #1: Aeroponinen kasvien viljely

Kasvien kasvattaminen ilman maata tai vettä, aeroponia on menetelmä, joka vaikuttaa erityisen sopivalta painottomiin olosuhteisiin kuten avaruusasemilla, joissa nesteet ja pöly ovat vakavia ongelmia, jotka voivat aiheuttaa oikopolkuja ja tulipaloja. Voit lukea lisää siitä, miten aeroponia toimii ja miten sitä jo käytetään maapallolla artikkelissamme “Aeroponia – Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää”.

Aeroponia on erityisen tehokas tuoreiden tuotteiden kasvattamisessa ennätysajassa ja rajallisessa tilassa, mikä tekee siitä ihanteellisen ahtaissa olosuhteissa Marsiin suuntautuvassa avaruusaluksessa tai kiertoradalla olevassa avaruusasemassa.

Se voi myös kasvattaa erittäin energiapitoisia juurikasveja, kuten perunoita, jotka on helppo syödä ilman monimutkaista ruoanlaittoa, toisin kuin viljatuotteet.

Prototyyppi on jo testattu ISS:ssä eXposed Root On-Orbit Test System (XROOTS) -tekniikkademo-ohjelman alla.

Lähde: NASA

Vastaavat järjestelmät voisivat kasvattaa tuoreita tuotteita astronautteja varten pitkillä matkoilla, kuten 6–18 kuukauden matkoilla Marsiin (riippuen propulsiojärjestelmästä). Näihin voisi sisältyä aiemmin testattu Veggie (kasvintuotantojärjestelmä), Veggie PONDS ja Plant Habitat-04 (PH-04), jotka ovat onnistuneesti kasvattaneet monenlaisia kasveja, mukaan lukien kolme salaattityyppiä, kiinalainen kaali, mizuna-sinappi, punainen venäläinen lehtikaali, zinnia-kukat, vehnä ja paprikat.

Testattu käsite #2: Mikro-organismit säiliöissä

Biologinen tutkimus säiliöissä (BRIC) oli ohjelma, jonka tarkoituksena oli tutkia avaruuden vaikutuksia organismeihin, jotka ovat tarpeeksi pieniä kasvamaan petrimaljoissa, kuten hiiva ja mikrobit. Mutta tällainen kasvatusmenetelmä varastaisi energiarikkaita alustoja Maasta muutettavaksi syötäväksi.

Päivitetty versio, BRIC-LED on uusin versio, joka käyttää lisättyjä valoa lähettäviä diodeja (LED) biologian tukemiseen, kuten kasvit, sammalet, levät ja syanobakteerit, jotka tarvitsevat valoa ruoan valmistamiseen. Aurinkopaneelit tai ydinreaktorit voisivat virvoittaa tällaisia LED-lamppuja (samankaltaisia kuin aeroponiassa käytetyt) ja mahdollistaa paikallisen ruoanviljelyn.

Testattu käsite #3: Täytettävät avaruuskasvihuoneet

NASA on myös kehittänyt täytettävien hydroponisten kasvihuoneiden konseptin, jossa on 18 jalan pitkä, 7 jalan leveä ja 3 tuuman halkaisijan prototyyppi, jonka Arizona-yliopiston Controlled Environment Agriculture Center on testannut.

Lähde: Inside Hook

Täytettävän kasvihuoneen toiminta noudattaa hydroponiikan periaatetta, josta voit oppia omassa artikkelissamme “Hydroponics – Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää”.

Siirtokunnan alkuvaiheissa taitettavat tai täytettävät kasvihuoneet olisivat todennäköisesti hyvä vaihtoehto massan ja tilan säästämiseksi kuljetusaluksissa.

Tulevaisuuden avaruusruokajärjestelmät

On tarpeen erottaa ruoan kasvattamisen kysymys avaruudessa ympäristön mukaan, ja kolme pääasiallista tilannetta ovat avaruusasemat/avaruusalukset, Kuun tukikohdat ja Marsin tukikohdat.

Tämä luo ainutlaatuisia rajoitteita, jotka muokkaavat ruokajärjestelmien mahdollisuuksia kussakin ympäristössä eri tavoin.

Kiertorata ja syvä avaruus

Tilavuuden ja painorajoitusten (raskas alus kuluttaisi polttoainetta) vuoksi avaruusalukset ja avaruusasemat eivät todennäköisesti kasvata kaikkea ruokaa itse. Todennäköisemmin miehistö saa täydennykset Maata kiertäessä. He voivat kuitenkin kasvattaa rajallisen määrän tuoretta ruokaa, kuten lehtivihanneksia tai mikroleviä.

Mikrolevä olisi erityisen mielenkiintoinen, jos paras tapa suojata Marsiin matkustavaa aluksen miehistöä on paksu vesikerros (joidenkin arvioiden mukaan tarvittaisiin metrin syvä vesikerros suojautumaan kosmisilta säteiltä ja tilapäisiltä aurinkomyrskyiltä).

Näin ollen voimme nähdä jokaisen Marsin kiertoradalla olevan avaruusaluksen ja avaruusaseman varustettuna säteilysuojahuoneella, jossa on paljon vettä. Tällöin olisi järkevää käyttää vettä myös ruoan kasvattamiseen.

Tällaiset järjestelmät ovat jo hyvin ymmärrettyjä ja käytettyjä laboratoriokokeissa, ja projektit kuten BRIC-LED osoittavat, miten ne voidaan sovittaa avaruuteen ja painottomuuteen.

Lähde: MDPI

Lisäksi rajoitettu saatavilla oleva ilma vaatii laajaa kierrätystä, johon happia tuottavat kasvit tai levät voivat auttaa.

Kuun tukikohdat

Kiitos mahdollisuuteen tuoda esivalmistettuja moduuleja tai materiaalia 3D-tulostusta varten läheltä Maata, tila on paljon vähemmän huolenaihe. Odotetaan myös, että Kuussa on paikallisesti saatavilla vettä, joten viljely ei vaadi tonnien raskaita nesteitä lannoitteiden päälle kiertoradalla aloittamiseen.

Tämä tekee täysin autonomisen Kuun tukikohdan ajatuksen, ainakin kun väkiluku on sadoissa tai tuhansissa, toteuttamiskelpoiseksi.

Tämä olisi myös loistava testialusta kaikille myöhemmin Marsilla tarvittaville ruokantuotantomenetelmille. Jos jostain syystä koko sato epäonnistuu, hätäruokatoimitus Maalta, joka on 3 päivän päässä, ei olisi ongelma.

Kuitenkin Kuu on ainutlaatuinen joissakin suhteissa. Yö voi kestää hyvin pitkään, mikä tekee luonnonvaloon perustuvien kupolimaisien kasvihuoneiden ideasta mahdottoman. Samasta syystä ydinreaktorit todennäköisesti tarvitsevat toimittaa energiaa aurinkopaneelien sijaan.

Siinä ei ole lainkaan ilmakehää, mikä vähentää mahdollisuutta saada ilmaista CO2:ta ja tasapainottaa ylimääräistä happea. Siksi jokaisen Kuun ruokajärjestelmän on oltava täydellisesti suljettu kierto.

Kuitenkin Kuulla on gravitaatio (1/6 Maapallon gravitaatiosta), mikä tekee hydroponiikasta tai jopa akvaaponikasta käyttökelpoisen vaihtoehdon tarjota satoja ja jopa lihaa astronautteille vähemmän työvoimavaltaisella tavalla kuin aeroponia. Voit lukea, miten akvaaponikka voi yhdistää vesiviljelyn ja hydroponiikan samassa järjestelmässä artikkelissamme “Akvaaponikka – Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää.”

Kuun maatalousskenaariot

Tuoreita tuotteita todennäköisesti viljellään paikallisesti tarjoamaan vitamiini- ja moraalista piristystä astronautteille.

Ei ole vielä selvää, mistä suurin osa kaloreista (proteiinit ja hiilihydraatit) koostuu. Lopulta talous päättää, tuotetaanko vain osa vai kaikki Kuun asukkaiden ruoka paikallisesti.

• Jos on edullisempaa tuoda se Maasta irtotavarana kuin rakentaa massiivisia viljelylaitoksia, vain tuoreet tuotteet viljellään Kuussa.
• Vaihtoehtoisesti, jos se osoittautuu kohtuuttoman kalliiksi, puoliksi automatisoidut aeroponiset peruna-, papu- ja vilja-farmit voivat olla tapa vähentää Kuun tukikohtien toimintakustannuksia.

Marsin tukikohdat

Mars on valtavan kaukana Maasta. Paikallinen ruoan tuotanto on sekä taloudellinen välttämättömyys että turvallisuusriskin ratkaisu.

Tämä esitettiin loistavasti Andy Weirin kirjassa The Martian, myöhemmin elokuvana Matt Damonin kanssa, jossa hylätty astronautti turvautuu improvisoituun perunaviljelyyn selviytyäkseen. Ja suurin vaaran hän kohtaa ei ole säteily, ilman puute tai kylmyys, vaan nälkä.

Lähde: Modern Farmer

Martian tukikohtien tavoite eroaa myös Kuun tavoitteesta. Lopullinen tavoite on täysimittainen kolonisaatio. Joten jos kymmenien satojen astronauttien väestö voitaisiin ylläpitää suurella kustannuksella Maasta, kymmenet tuhannet tai miljoonat eivät koskaan voisi.

Tämä tarkoittaa, että Marsin on oltava täysin itsenäinen ruokatuotannossa.

Samat viljelytyypit kuin Kuussa ovat mahdollisia: laajamittainen hydroponiikka tai akvaaponikka. Mutta koska Marsilla on ilmakehä ja päivä kestää lähes tarkalleen 24 tuntia, on myös mahdollista rakentaa pintakasvihuoneita ja kerätä kasvien tarvitsema CO2 ohuesta ilmakehästä samalla kun louhitaan jäätä vedeksi.

On myös erittäin todennäköistä, että Marsilla on, kuten Maassa, paikallisia fosfori-, typpi- ja kaliumvarantoja, joita voidaan louhia ja jotka ovat tarpeen intensiiviseen viljelyyn.

Nämä kasvihuoneet täytyy lämmittää, lannoittaa ja tehdä ilmatiiviiksi, mutta ne tarjoavat paljon tehokkaamman, kestävämmän ja vähemmän energiatehoa vaativan viljelymenetelmän.

Marsin hedelmälliseksi tekeminen

Marsin maataloutta voisi myös hyödyttää suoraan maaperässä viljely, mikä vaatii vähemmän laitteita kuin hydroponiikka. Tämä vapauttaisi laitteita, työvoimaa ja resursseja muihin käyttötarkoituksiin.

Yksi ratkaistava ongelma on, että Marsin maaperä (regoliitti) on rikasta vetyperoksidilla (H2O2). Tämä voimakkaasti oksidoiva kemikaali voi tappaa kasveja ja bakteereja, erityisesti Marsilla esiintyvinä pitoisuuksina.

Onneksi peroksidia voidaan käyttää myös hapen tuottamiseen. Tämä on osoitettu Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) -kokeen avulla, joka testattiin Perseverance-mönkijällä. Joten voimme helposti kuvitella tulevia tehtäviä, jotka “kaivavat” regoliittia luodakseen happea astronautteja varten, sekä käytettäväksi rakettipolttoaineissa.

Ja käyttämällä tätä prosessoitua, peroksidivapaata regoliittia, siitä muutetaan hedelmällinen maa kasvihuoneita varten.

Toinen vaihtoehto voisi olla luoda keinotekoisia lampia, ehkä pienien kraatterien päälle, joissa levät, makean veden simpukat ja kalat voisivat kasvaa “vapaasti” vähäisellä ylläpidolla, pitämällä vain kasvihuoneiden kupolit lämpiminä ja ilmatiiviinä.

Muut avaruusruokateknologiat

Tähän mennessä olemme enimmäkseen keskustelleet ruoan kasvattamisesta aeroponiikan, hydroponiikan ja akvaaponikan sekä suljettujen kasvihuoneiden avulla. Mutta muita vaihtoehtoja voidaan myös tutkia. Yksi näistä on synteettinen ruoka.

Vuonna 2021 kiinalaiset tutkijat kehittivät ensimmäisen menetelmän keinotekoiseen, soluttaiseen tärkkelyksen (C6H10O5) synteesiin CO2:sta. Koska tärkkelys on tärkein kalorikomponentti viljoissa kuten riisi, maissi ja vehnä, tämä ansaitsee huomiota. Lisäksi Marsin ilmakehä on 95 % CO2.

Lähde: Science.org

Järjestelmä käytti zirkonium-pohjaista katalyyttia ja saavutti noin 8,5-kertaisesti nopeamman synteesinopeuden kuin maissin tärkkelyssynteesi.

Joten ehkä voimme kuvitella integroidun ja automatisoidun moduulin, joka synteettisesti tuottaa tärkkelystä jatkuvasti, kirjaimellisesti ohuesta ilmasta. Tämä voisi tarjota suurimman osan kaloreista, joita tarvitaan eläinrehuksi tai ihmisten peruselintarvikkeiksi, kun perinteinen viljely keskittyy vain korkealaatuisiin ja vitamiinirikkaisiin ruokiin.

Joka tapauksessa voimme kuvitella tällaisten järjestelmien toimivan autonomisesti ennen kuin yksikään astronautti laskeutuu Marsille, luoden paikallisesti ja ennen laskeutumista massiivisen kaloreiden varaston välttääkseen The Martian -kirjassa kuvattua tilannetta.

Muita vaihtoehtoja on myös, erityisesti muut synteettisen ruoan tyypit, mukaan lukien proteiinit (katso alla Solar Foodsin Solein), tai laboratoriossa kasvatettua lihaa, tai lihankorvikkeita kuten sienipohjainen liha, testattu ISS:ssä vuonna 2022, jonka on tuottanut yritys Nature’s Fynd.

Avaruuden ruoka -yritykset

1. Aleph Farms

Aleph Farm saavutti ensimmäisen viljellyn liha (pihvi) -kokeen kasvattamisen mikrogravitaatiossa ISS:ssä Rakia-mission aikana. Koska minkä tahansa karjankasvatuksen muoto voi olla mahdotonta avaruuskolonisaation alkuvaiheessa, liha tuotetaan todennäköisesti vain tämän tyyppisen menetelmän avulla.

Kun prosessi on jo testattu mikrogravitaatiossa, Aleph Farms on edellä suurinta osaa muita laboratoriossa kasvatettuja lihaa tarjoavia yrityksiä avaruusruokamarkkinoilla. Israel hyväksyi sen lihatuotteet kaupallistamista varten vuonna 2024.

Yritys työskentelee myös teurastamaton kollageeni tuottamisen parissa, joka on keskeinen ainesosa monissa elintarvikkeissa, kosmetiikassa ja lääketieteellisissä tuotteissa.

2. Solar Foods

Tämä yritys pyrkii “tuottamaan ruokaa ohuesta ilmasta”. Se keräsi 8 miljoonaa euroa vuoden 2023 lopussa tavoitteen saavuttamiseksi.

Konsepti on käyttää sähköä veden hajottamiseen hapeksi ja vedeksi ja käyttää vetyä sekä ilmakehän CO2:ta ja mineraaliravinteita ravitakseen mikro-organismeja, jotka tuottavat 70 % proteiinia sisältävän kuivan jauheen.

Kaupallistettu brändin Solein alla, tämä proteiininlähde, joka sisältää kaikki 9 välttämätöntä aminohappoa, voidaan sisällyttää muihin ainesosiin erittäin tiiviin ravintolähteen luomiseksi.

Lähde: Solar Foods

Yritys kohdistaa selvästi avaruustutkimusmarkkinoita. Silti se näkee pitkällä aikavälillä mahdollisuuden mullistaa myös maapallon ruokatuotanto, koska se tarjoaa proteiinilähteen, joka muuntaa energiaa proteiiniksi erittäin tehokkaasti.

“Ravimme mikrobiota kuten kasvia, mutta sen sijaan että kastelisimme ja lannoittaisimme sitä, käytämme pelkkää ilmaa ja sähköä. Nykyisellä prosessillamme tämä on 20‑kertainen tehokkaampi kuin fotosynteesi (ja 200‑kertainen kuin liha).”

Solar Foods sai ensimmäisen novel food -sääntelyn hyväksynnän Soleinille Singapore Food Agencyltä (SFA) syyskuussa 2022.

Soveltaminen avaruusruokaan

Läpi historian ruoan viljely ja ravitsemus on pakotettu sopeutumaan ympäristöönsä. Tämä päti riisiterassien viljelijöihin Aasiassa sekä inuitteihin, jotka luottavat lähes kokonaan lihapohjaiseen ruokavalioon.

Avaruus ei ole poikkeus, vaikka sillä on ainutlaatuinen piirre: täysin puuttuva luonnollinen hedelmällisyys tai villi ekosysteemi. Tämä tarkoittaa, että kaikki avaruuspohjainen ruokantuotanto riippuu kokonaan koneista tai ihmiset alusta alkaen suunnittelemista ekosysteemeistä.

Erittäin kompaktit ja tehokkaat järjestelmät, kuten synteettinen ruoka tai aeroponia, hallitsevat todennäköisesti vihjuisimpia ympäristöjä, kuten avaruusaluksissa tai ilman ilmaa oleva Kuu.

Planeetoilla kuten Mars, jotain lähemmäs tavallista viljelyä voi olla mahdollista. Luonnonvalo toimisi yhdessä LED-valojen ja ultra-tehokkaiden viljelyjärjestelmien kanssa ilmatiiviissä, lämmitetyissä kasvihuoneissa.

Kuten usein avaruusteknologioiden kanssa, tämä konsepti voisi myös vaikuttaa merkittävästi Maahan. Arkielämämme käyttää jo teknologiaa, joka alun perin kehitettiin avaruuteen, kuten vesisuodattimet, mikropiirit, langattomat työkalut, naarmuuntumattomat linssit tai savun havaitsemislaitteet.

On mahdollista, että muutaman vuosikymmenen kuluttua synteettinen tärkkelys ja proteiini, automatisoidut aeroponiset maatilat sekä ultra-tehokkaat kasvihuoneet, jotka voidaan sijoittaa aavikkoalueille ja arktiseen, lisätään tähän listaan.