Avaruuruoka – Miten Ruokkimme Seuraavan Aallon Uraauurtajia?

Uusi Tyyppi Avaruustutkimusta

Useat vuosikymmenet Kuun laskeutumisen jälkeen seuranneen stagnaation jälkeen uusi avaruuskilpailu kuumenee. Katalysaattorina on toiminut SpaceX:n poikkeuksellinen menestys uudelleenkäytettävän rakettiteknologian kehittämisessä, mikä on leikannut laukaisukustannuksia kiertoradalle yhden kertaluokan verran. Uusimman laukaisuvälineen, Starshipin, testaamisen myötä kustannukset pitävät laskua.

Source: Visual Capitalist

SpaceX saattaa olla vaikuttavin avaruusyhtiö, mutta moni on sen kannoilla – mukaan lukien useat kiinalaiset rakettiyhtiöt, sekä yksityiset että valtion rahoittamat.

Samaan aikaan NASA ja sen kumppanit aikovat palata Kuuhun ja perustaa sinne pysyvän tukikohdan; Kiina ja Venäjä ovat esittänyt samanlaisia pyrkimyksiä. Seuraavassa vuosikymmenessä SpaceX aikoo nähdä ensimmäiset miehet kävelevän Marsissa.

On melko varmaa, että näemme seuraavien vuosikymmenien aikana paljon enemmän avaruuslentäjiä kuin avaruustutkimuksen kultaisella ajalla. Toisin kuin 1960-luvulla, he asuvat avaruudessa kaukaisissa asuinpaikoissa, eivät vain matkusta muutamia päiviä Kuuhun tai oleile low Earth orbitissa avaruusasemilla.

Tämä tarkoittaa enemmän ihmisiä, kauempana, ja Marsin tapauksessa, kuukausien matkan päässä. Kaikki tämä johtaa siihen, että heidän on ruokittava erittäin kalliilla kulutushyödykkeillä. Tämä vääristää avaruuslentäjien ruokkimisen taloutta kohti paikallista tuotantoa. 3D-tulostus liittynee suurelta osin varaosien toimittamiseen. Ja ruoka on kasvatettava ainakin osittain paikan päällä.

Kustannusten lisäksi paikan päällä kasvatettu tuore ruoka auttaa myös pitämään avaruuslentäjät terveinä tarjoamalla korkealaatuisia C-vitamiineja ja antioksidanttipitoisia ruokia, jotka ovat hyödyllisiä kosmisten säteiden ja auringon myrskien vaaran vähentämisessä.

Avaruuruoka Prototyypit

Tämä ei ole uusi käsite, ja NASA sekä muut avaruusvirastot ovat tutkineet näitä ideoita useita vuosikymmeniä. Silti, avaruusaseman ISS tilanpuute tarkoittaa, että toistaiseksi vain koeprojekti ja prototyyppi on testattu, eikä ole suunnitteilla tuottaa vakavasti merkittävä määrä ruokaa avaruudessa.

Testattu Käsite #1: Aeroponinen Kasvihuone

Kasvattaessa kasveja ilman maata tai vettä, aeroponinen menetelmä näyttää olevan ainutlaatuinen sovellus painottomiin olosuhteisiin, kuten avaruusasemilla, joissa nesteet ja pöly voivat aiheuttaa lyhyitä piikkejä ja tulipaloja. Voit lukea lisää siitä, miten aeroponics toimii ja miten sitä käytetään jo Maassa artikkelissamme “Aeroponics – Kaikki Mitä Sinun Tarvitsee Tietää”.

Aeroponics on erityisen tehokas tuoreiden tuotteiden kasvattamisessa ennätyksellisessä ajassa ja rajoitetussa tilassa, mikä tekee siitä ihanteellisen avaruusaluksen tai kiertoradalla olevan avaruusaseman ahtaiden olosuhteiden kannalta.

Se voi myös kasvattaa erittäin energiadense root crops, kuten perunaa, joka on helppo syödä ilman liian monimutkaista ruoanvalmistusta, toisin kuin viljat.

Prototyyppi on jo testattu ISS:llä eXposed Root On-Orbit Test System (XROOTS) teknologiaesittelyohjelman alla.

Source: NASA

Samankaltaisia järjestelmiä voidaan käyttää kasvattamaan tuoreita tuotteita avaruuslentäjille pitkillä matkoilla, kuten 6-18 kuukauden matkalla Marsiin (riippuen propulsiojärjestelmästä). Niihin voivat kuulua aiemmin testatut Veggie (Vihannestuotantojärjestelmä), Veggie PONDS ja Plant Habitat-04 (PH-04), jotka ovat onnistuneesti kasvattaneet erilaisia kasveja, mukaan lukien kolmea eri lehtivihannesta, kiinan kaalia, mizuna maitoa, punaista venäläistä kaalia, zinnia kukkia, vehnää ja paprikoita.

Testattu Käsite #2: Mikro-organismit Pulloissa

Biologinen Tutkimus Pulloissa (BRIC) oli ohjelma, jossa tutkittiin avaruuden vaikutusta organismeihin, jotka ovat tarpeeksi pieniä kasvamaan petri-laatuisissa astioissa, kuten hiivat ja mikrobit. Mutta tällainen kasvatusmenetelmä varastaisi energiarikkaita substraatteja Maasta muuttaakseen ne syötäviksi.

Päivitetty versio, BRIC-LED, on viimeisin versio, jossa käytetään lisäksi valoa emittoivia diodeja (LED) tukemaan biologiaa, kuten kasveja, sammalia, levää ja syanobakteereja, jotka tarvitsevat valoa ruoan valmistamiseen. Aurinkopaneeleita tai ydinreaktoreita voidaan käyttää näiden LED-lampujen voimakkaana (samankaltaisia kuin aeroponicsissa) ja sallia paikan päällä olevan ruoan kasvatuksen.

Testattu Käsite #3: Pehmeät Avaruusviherhuoneet

NASA on myös kehittänyt pehmeiden hydroponisten viherhuoneiden käsitteen, jonka 18-jalkainen, 7-jalkainen, 3-tuumainen prototyyppi on testattu Arizonan yliopiston ohjatun maatalouskeskuksessa.

Source: Inside Hook

Pehmeän viherhuoneen toimintaperiaate noudattaa hydroponiikan periaatetta, jonka voit lukea artikkelistamme “Hydroponics – Kaikki Mitä Sinun Tarvitsee Tietää“.

Siirtokunnan alkuvaiheessa taitettavat tai pehmeät viherhuoneet ovat todennäköisesti hyvä vaihtoehto säästää massaa ja tilaa kuljetuslaivoissa.

Tulevaisuuden Avaruuruoka Järjestelmät

On tarpeen erottaa ruoan kasvattamisen kysymys avaruudessa riippuen ympäristöstä, ja kolme mahdollista tilannetta ovat avaruusasemat/avaruusalukset, Kuun tukikohdat ja Marsin tukikohdat.

Tämä luo yksilöllisiä rajoituksia, jotka muotoilevat mahdollisuuksia ruokajärjestelmiin kussakin ympäristössä eri tavoin.

Kiertorata & Syvä Avaruus

Avaruusalusten ja avaruusasemien tapauksessa on epätodennäköistä, että ne kasvattavat kaiken ruokansa. Todennäköisemmin miehistö uudelleenhuoltuu, kun he ovat Maan kiertoradalla. He voivat kuitenkin kasvattaa rajoitetun määrän tuoreita ruokia, kuten lehtivihanneksia tai mikrolevää.

Mikrolevä olisi erityisen kiinnostava, jos osoittautuu, että parasta keinoa suojella miehistöä, joka matkustaa Marsiin, on paksu veden kerros (jotkut arviot pitävät, että se vaatisi 1-metrin syvyyden vettä suojella miehistöä kosmista säteilyä ja tilapäisiä auringon myrskyjä vastaan).

Näin ollen jokainen avaruusalus ja avaruusasema, joka kiertää Marsia, on varustettu säteilyn suojahuoneella, jossa on runsaasti vettä. Silloin olisi järkevää käyttää vettä myös ruoan tuottamiseen.

Tällaiset järjestelmät ovat jo hyvin ymmärretty ja käytössä laboratoriotutkimuksissa, ja projektit kuten BRIC-LED osoittavat, miten sopeuttaa niitä avaruuteen ja painottomuuteen.

Source: MDPI

Lisäksi rajoitettu saatavilla oleva ilma vaatii laajaa kierrätystä, johon happi tuottavat kasvit tai levä voivat myös vaikuttaa.

Kuun Tukikohdat

Kiitos mahdollisuudesta tuoda esivalmisteltuja moduuleja tai 3D-tulostusmateriaaleja läheltä Maata, tila on vähemmän ongelmallista. Kuu odotetaan myös olevan jonkin verran vettä paikan päällä, joten viljely ei vaatisi tuomista tonneittain raskaita nesteitä kiertoradalle.

Tämä tekee Kuun täysin autonomisen tukikohdan ajatuksen, ainakin niin kauan kuin väestö on satoja tai tuhansia, toteuttamiskelpoiseksi.

Tämä olisi myös erinomainen kokeilukenttä kaikille ruoan tuotantomenetelmille, jotka myöhemmin vaaditaan Marsiin. Jos jollain tavoin koko sato epäonnistuu, hätäruoan toimittaminen Maasta, joka on vain 3 päivän päässä, ei olisi ongelma.

Kuulla on kuitenkin joitakin yksilöllisiä piirteitä. Yö voi kestää hyvin pitkään, mikä tekee mahdottomaksi ajatuksen kupolimaisista viherhuoneista, jotka riippuvat luonnollisesta valosta. Samasta syystä ydinreaktorit tarvitaan todennäköisesti voimanlähteenä aurinkopaneeleiden sijaan.

Kuulla ei myöskään ole ilmakehää, mikä vähentää mahdollisuutta saada ilmaista CO2:ta ja tasapainottaa ylijäämäistä happea. Kaikki Kuun ruokajärjestelmät on siis suunniteltava täydelliseksi suljetuksi silmukaksi.

Kuulla on kuitenkin (1/6 Maan) painovoima, mikä tekee hydroponiasta tai jopa akvaponiikasta toteuttamiskelpoisen vaihtoehdon tarjoamaan kasveja ja lihaa avaruuslentäjille vähemmän työvoimaa vaativalla tavalla kuin aeroponics. Voit lukea, miten akvaponiikka yhdistää akva- ja hydroponiikan samassa järjestelmässä artikkelistamme “Akvaponics—Kaikki Mitä Sinun Tarvitsee Tietää.”

Kuun Maatalous Skenaariot

Tuoreet tuotteet kasvatetaan todennäköisesti paikan päällä vitamiinien ja moraalin kohentamiseksi avaruuslentäjille.

Ei ole vielä selvää, mitä tulee olemaan pääasiallinen lähde kaloreille (proteineille ja hiilihydraateille). Lopulta talous päättää, tuotetaanko vain osa vai koko Kuun asukkaiden ruoka paikan päällä.

• Jos se on halvempaa tuoda se Maasta suuressa määrin kuin rakentaa massiivisia viljelytiloja, vain tuoreet tuotteet kasvatetaan Kuussa.
• Alternatiivisesti, jos se osoittautuu estottomasti kalliiksi, puolivaltiot aeroponiset peruna-, papu- ja viljatilat voivat olla keino vähentää Kuun tukikohdan toimintakustannuksia.

Marsin Tukikohdat

Mars on erittäin kaukana Maasta. Paikallinen ruoan tuotanto on sekä taloudellinen välttämättömyys että turvallisuusriskien ratkaisu.

Tämä on esitetty loistavasti Andy Weirin kirjassa The Martian, josta myöhemmin tehtiin elokuva Matt Damonin tähdittämänä, jossa haaksirikkoisseen avaruuslentäjään turvautuu improvisoidusti perunoiden viljelyyn selviytymiseksi. Ja suurin vaara, jota hän kohtaa, ei ole säteily, ilman puute tai kylmyys, vaan nälkiintyminen.

Source: Modern Farmer

Marsin tukikohdan tavoitteena on myös erilainen kuin Kuun. Lopullinen tavoite on täysimittainen siirtokunnan perustaminen. Jos väestöä, joka on kooltaan muutamia satoja tai tuhansia, voidaan ylläpitää suurella kustannuksella Maasta, kymmeniä tuhansia tai miljoonia ei voi.

Tämä tarkoittaa, että Mars tarvitsee täydellisen itsenäisyyden ruoan tuotannossa.

Samanlaiset viljelymenetelmät kuin Kuussa ovat mahdollisia: laajamittainen hydroponiikka tai akvaponiikka. Mutta koska Marsilla on ilmakehä ja päivä, joka kestää melkein täsmälleen 24 tuntia, on myös mahdollista rakentaa pinta viherhuoneita ja kerätä tarvittava CO2 ohuiden ilmakehän läpi, samalla kun kaivetaan jäätä veden saamiseksi.

On myös todennäköistä, että Marsilla on, kuten Maassa, paikallisia fosforin, typen ja kaliumin esiintymiä, joita voidaan kaivaa ja joita tarvitaan intensiiviseen maatalouteen.

Nämä viherhuoneet on lämmitettävä, lannoitettava ja ilmatiivisteisiä, mutta ne tarjoavat paljon tehokkaamman, kestävämman ja vähemmän energian vaativan maatalousmenetelmän.

Tehokkaampi Marsin Viljely

Olisi myös hyödyllistä viljellä suoraan maaperässä, mikä vaatisi vähemmän koneita kuin hydroponiikka. Tämä vapauttaisi laitteita, työvoimaa ja resursseja muihin tarkoituksiin.

Yksi ratkaistava ongelma on, että Marsin maaperä (regolith) on rikas vetyperoksidilla (H2O2). Tämä voimakkaasti oksidatiivinen kemikaali voi tappaa kasveja ja bakteereja, erityisesti pitoisuuksissa, joita löytyy Marsissa.

Onneksi peroksidi voidaan myös käyttää hapen tuottamiseen. Tämä on osoitettu Marsin Hapen In-Situ Resurssien Käyttöön (MOXIE) kokeella, joka testattiin Perseverance -luotaimella. Voimme siis helposti kuvitella tulevia tehtäviä, jotka “kaivavat” regolithia luodakseen happea sekä avaruuslentäjille että rakettipolttoaineille.

Ja sitten käytetään tätä prosessoitua, peroksidia sisältämätöntä regolithia muuttamaan sitä hedelmälliseksi maaperäksi viherhuoneisiin.
Toinen vaihtoehto voisi olla luoda keinotekoisia lampia, ehkä yli pieniä kraattereita, joissa levä, makean veden nilviäiset ja kalat voivat kasvaa “villisti” vähäisellä ylläpidolla, vain pitämällä viherhuoneen kupolia lämpimänä ja ilmatiiviinä.

Muu Avaruuruoka Teknologia

Tähän asti olemme pääasiassa keskittyneet kasvattamaan ruokaa aeroponicsin, hydroponiikan ja akvaponiikan avulla sekä suljettujen viherhuoneiden avulla. Mutta muitakin vaihtoehtoja voidaan tutkia. Yksi näistä on synteettinen ruoka.

Vuonna 2021 kiinalaiset tutkijat kehittivät ensimmäisen menetelmän tärkkelyksen (C6H10O5) keinotekoiselle, soluttomalle synteesille CO2:sta. Ottaen huomioon, että tärkkelys on pääasiallinen kalorien lähde viljoissa, kuten riisi, maissi ja vehnä, tämä on huomionarvoista. Ja Marsin ilmakehä on 95% CO2.

Source: Science.org

Järjestelmä käytti zirkonium-pohjaista katalysaattoria ja saavutti noin 8,5-kertaisen synteesinopeuden verrattuna tärkkelyn synteesiin maississa.

Voimme siis kuvitella itsessään toimivan, automaattisen moduulin, joka syntetisoi tärkkelystä jatkuvasti, käytännössä ilmasta. Tämä voisi tarjota kalorien pääosan eläinrehuun tai ihmisten perusruokaan, ja perinteinen maatalous keskittyisi vain korkealaatuiseen, vitamiinirikkaaseen ruokaan.
Muita vaihtoehtoja on myös, kuten muut synteettiset ruoat, mukaan lukien proteiinit (ks. Solar Foodsin Solein), tai laboratoriossa kasvatettu liha tai lihan korvikkeet, kuten sienipohjainen proteiini, jota testattiin ISS:llä vuonna 2022, tuotettu Nature’s Fynd -yhtiössä.

Avaruuruoka Yritykset

1. Aleph Farms

Aleph Farms onnistui kasvattamaan ensimmäisen kasvatetun lihan (pihvin) kokeen painottomuudessa ISS:llä Rakia-mission aikana. Koska mikään eläintenkasvatus ei ehkä ole mahdollista siirtokunnan alkuvaiheessa, lihaa tuotetaan todennäköisesti tällä menetelmällä.

Sen jälkeen, kun prosessi on testattu painottomuudessa, Aleph Farms on edelläkävijä avaruuruoka-markkinoilla. Israel hyväksyi sen lihatuotteet kaupalliseen myyntiin vuonna 2024.

Yhtiö työskentelee myös teurastamattoman kollageenin tuottamisessa, joka on tärkeä ainesosa monissa elintarvike-, kosmetiikka- ja lääketuotteissa.

2. Solar Foods

Tämä yhtiö aikoo “tuottaa ruokaa ilmasta”. Se keräsi 8 miljoonaa euroa loppuvuodesta 2023 tavoitteensa saavuttamiseksi.

Käsite on käyttää sähköä veden hajoittamiseen hapen ja vedyksi, ja käyttää vetyä, ilmakehän CO2:ta ja mineraaliravinteita ravitsemaan mikro-organismeja, jotka tuottavat kuivajauhoa, joka sisältää 70% proteiinia.

Kauppanimellä Solein myytäväksi tuleva proteiinilähde sisältää kaikki 9 välttämätöntä aminohappoa.

Source: Solar Foods

Yhtiö kohdistaa selvästi avaruuslenkkimarkkinoita. Se kuitenkin näkee myös, että pitkällä aikavälillä se voi vallankumouksellistaa ruoan tuotannon Maassa, tarjoamalla proteiinin, joka muuttaa energian proteiiniksi erittäin tehokkaasti.

“Me ruokkimme mikrobejä niin kuin kasveja, mutta sen sijaan, että kastelisimme ja lannoittaisimme, käytämme ilmaa ja sähköä. Nykyisellä prosessilla tämä on 20-kertaisesti tehokkaampaa kuin fotosynteesi (ja 200-kertaisesti tehokkaampaa kuin liha).”

Solar Foods sai ensimmäisen uuden elintarvikkeen sääntelyn hyväksynnän Soleinille Singaporen elintarvikeviranomaiselta (SFA) syyskuussa 2022.

Avaruuruokaan Soveltaminen

Historian saatossa ruoanviljely ja ravitsemus on joutunut sopeutumaan ympäristöönsä. Tämä oli totta niin viljelijöille, jotka viljelivät riisiä terasseilla Aasiassa, kuin inuiitteille, jotka riippuivat lähes yksinomaan liha-pohjaisesta ruokavaliosta.

Avaruus on ei ole poikkeus, vaikka se on yksilöllinen ominaisuus, jolla ei ole luonnollista hedelmällisyyttä tai villiä ekosysteemiä. Tämä tarkoittaa, että avaruusperäinen ruoan tuotanto riippuu täysin laitteista tai ekosysteemeistä, jotka on suunniteltu alusta alkaen ihmisille.

Erittäin kompaktit ja tehokkaat järjestelmät, kuten synteettinen ruoka tai aeroponics, hallitsevat todennäköisesti kaikkein vihamaisimmissa ympäristöissä, kuten avaruusaluksissa tai ilmaton Kuussa.

Marsissa, joka on planeetta, voi olla mahdollista jotain, mikä muistuttaa normaalia maataloutta. Luonnonvalo työskentelee yhdessä LED-valojen ja erittäin tehokkaiden maatalousjärjestelmien kanssa suljetuissa, lämmitetyissä viherhuoneissa.

Kuten usein avaruusteknologioissa, tämä käsite voi myös vaikuttaa suuresti Maahan. Arkiset elämämme käyttävät jo teknologiaa, jota alun perin kehitettiin avaruuteen, kuten veden suodattimet, mikropiirit, langattomat työkalut, naarmuuntumattomat linssit tai savuilmoittimet.

On mahdollista, että muutaman vuosikymmenen kuluttua synteettinen tärkkelys ja proteiini, automaattiset aeroponiset viljelmät ja erittäin tehokkaat viherhuoneet, joita voidaan käyttää aavikoilla ja arktisilla alueilla, lisätään tähän luetteloon.