Uzay gıdası – yeni nesil uzay öncülerini nasıl besleyeceğiz?

Uzay araştırmalarında yeni dönem

Ay’a inişten sonra uzay araştırmaları durmadı; robotik görevler ve uzay istasyonları gelişti. Son yıllarda yeniden kullanılabilir roketler yeni bir ivme yarattı. SpaceX (SPCX )’in başarıları bazı fırlatma maliyetlerini düşürdü, ancak tüm görevlerde maliyetin tam on kat azaldığı söylenemez. 2024’te test edilen Starship daha düşük maliyet hedefliyordu; bu hedef henüz tümüyle kanıtlanmış değildi.

Kaynak: Visual Capitalist

SpaceX’in yanı sıra Çin’deki özel ve devlet destekli şirketler dahil birçok kuruluş yeni fırlatma sistemleri geliştiriyor.

NASA ve ortakları Ay’a dönüşü ve uzun süreli faaliyetleri planlıyor. Çin ve Rusya’nın da Ay projeleri var. SpaceX’in insanlı Mars görevleri ise iddialı hedefler; ilan edilen takvimler kesinleşmiş görevler olarak görülmemeli.

Önümüzdeki yıllarda daha fazla insanın uzaya gitmesi mümkün, ancak bunun kapsamı teknik ilerlemeye ve finansmana bağlı. Uzak üslerde uzun süreli yaşam, kısa uçuşlardan veya Dünya’ya yakın istasyonlardan farklı gereksinimler yaratacak.

Daha uzak görevlerde sarf malzemelerinin taşınması pahalı ve yavaş olur. Yerinde üretim, örneğin uygun yedek parçalar için üç boyutlu baskı ve besinin bir bölümünün yetiştirilmesi, bu yükü azaltabilir. Tam bağımsızlık ise ayrıca kanıtlanmalıdır.

Taze ürünler C vitamini ve diğer besin öğeleri sağlayarak dengeli beslenmeye katkıda bulunabilir. Antioksidan içeren yiyecekler, kozmik ışınlar veya Güneş fırtınalarına karşı yeterli fiziksel radyasyon korumasının yerini tutmaz.

Uzay Gıdası Prototipleri

NASA ve diğer uzay ajansları onlarca yıldır uzayda bitki yetiştirmeyi araştırıyor. ISS’deki deneyler önemli bilgiler sağladı, ancak 2024 itibarıyla istasyonun tüm besin ihtiyacını karşılayan büyük bir tarımsal üretim sistemi bulunmuyordu.

Deneysel yaklaşım 1: aeroponik bitki yetiştirme

Aeroponik, kökleri toprak yerine havada tutup su ve besin çözeltisiyle sisleme yöntemidir; susuz yetiştirme değildir. Mikro yerçekiminde sıvıların kontrolü zor olduğundan püskürtme, toplama ve sızıntı önleme sistemleri önemlidir. Yöntem hakkında “Aeroponik – Bilmeniz Gereken Her Şey” yazısında daha fazla bilgi bulunabilir.

Aeroponik, uygun koşullarda alan ve su tasarrufu sağlayabilir. Uzay araçlarında kullanılabilirliği ise ürün türü, enerji, bakım ve güvenilirliğe bağlıdır.

Patates gibi yumrulu ürünler kalori sağlayabilir. Bununla birlikte yetiştirme alanı ve süre, hasat, pişirme ve beslenme dengesi de hesaba katılmalıdır.

ISS’de eXposed Root On-Orbit Test System, yani XROOTS teknoloji gösterimi kapsamında topraksız hidroponik ve aeroponik yöntemler sınandı.

Kaynak: NASA

Bu tür çalışmalar uzun görevlerde taze besin üretimine temel oluşturabilir. Mars yolculuğunun süresi rota ve itki sistemine göre değişir. Veggie, Veggie PONDS ve Advanced Plant Habitat farklı düzeneklerdir; listelenen bütün bitkiler PH-04’te yetiştirilmedi. PH-04 özellikle 2021’de ISS’de biber yetiştirme deneyiydi.

Deneysel yaklaşım 2: kaplarda mikroorganizma araştırmaları

Biological Research in Canisters, yani BRIC, maya ve mikroplar gibi küçük organizmaların uzay koşullarına tepkisini araştırır. Böyle bir deney düzeneği tek başına gıda üretim sistemi değildir. Heterotrof mikroorganizmalar için ayrıca uygun organik besin kaynağı gerekir.

Daha yeni bir sürüm olan BRIC-LED, ışığa gereksinim duyan biyolojik araştırmaları desteklemek için LED’ler ekler. Bitki, yosun veya siyanobakteri çalışmaları gelecekteki sistemlere katkı sağlayabilir. Aydınlatma ve diğer işlemler enerji gerektirir; deney donanımı tam ölçekli besin üretimiyle aynı şey değildir.

Deneysel yaklaşım 3: şişirilebilir uzay seraları

NASA, Arizona Üniversitesi ve ortakları Ay veya Mars için şişirilebilir hidroponik sera prototipleri geliştirdi. NASA’nın 2017 açıklamasındaki silindirik prototipler yaklaşık 18 fit uzunluğunda ve 8 fitten fazla çapındaydı. Üç inç çapında değillerdi. Bunlar Dünya’da geliştirilen prototiplerdi, Ay’a kurulmuş seralar değil.

Kaynak: Inside Hook

Şişirilebilir sera kavramı hidroponik yetiştirmeyi kullanabilir. Ayrıntılar “Hidroponik – Bilmeniz Gereken Her Şey” yazısında bulunabilir.

Katlanabilir veya şişirilebilir yapılar taşıma hacmini azaltabilir. Basınç, sızıntı, radyasyon, sıcaklık ve bakım gereksinimleri ayrıca çözülmelidir.

Gelecek Uzay Gıda Sistemleri

Uzayda besin üretiminin koşulları yere göre değişir. Uzay araçları ve istasyonlar, Ay üsleri ve Mars üsleri aynı çevreye sahip değildir. Aşağıdaki karşılaştırma yalnızca genel tasarım gereksinimlerini özetler.

Bu farklılıklar yetiştirme alanını, enerji gereksinimini, geri dönüşüm oranını ve ikmale bağımlılığı belirler.

Yörünge ve Derin Uzay

Uzay araçlarında alan ve kütle sınırlıdır. Bu nedenle tüm besinin yetiştirilmesi yerine, depolanmış gıdayı yapraklı sebzeler veya uygun mikroorganizma ürünleriyle desteklemek daha gerçekçi olabilir. Dünya yörüngesinde ikmal mümkündür; derin uzayda bu seçenek sınırlanır.

Su radyasyon korumasına katkıda bulunabilir. Gerekli miktar, ışınım türüne ve araç tasarımına bağlıdır; bir metre suyun bütün kozmik ışınları güvenle durduracağı şeklinde evrensel bir kural yoktur.

Su depolarının koruyucu yerleşimiyle yetiştirme sistemlerinin birlikte tasarlanması düşünülebilir. Ancak içme suyu güvenliği, mikrobiyal kirlenme, kütle ve ışık gereksinimleri ayrıca değerlendirilmelidir.

Laboratuvar biyoreaktörleri bu fikirler için deneyim sağlar. BRIC-LED gibi araştırmalar mikro yerçekimi etkilerini incelemeye yardımcı olsa da tam ölçekli bir uzay gıda sistemini doğrulamış değildir.

Kaynak: MDPI

Bitki ve algler fotosentezle oksijen üreterek yaşam destek döngüsüne katkı sağlayabilir. Bunun miktarı üretim ölçeğine, aydınlatmaya ve toplam sistem dengesine bağlıdır.

Ay Üsleri

Ay’da önceden hazırlanmış modüller veya yerel malzemelerle daha geniş yapılar düşünülebilir. Kutup bölgelerinde su buzu bulunduğuna dair kanıt vardır, ancak çıkarılması ve arıtılması henüz rutin bir kaynak temini değildir. Su taşınmasının tamamen gereksiz olacağı varsayılamaz.

Yüzlerce veya binlerce kişilik tamamen kendi kendine yeterli bir Ay üssünün uygulanabilirliği kanıtlanmış değildir. Kapalı döngülerin güvenilirliği ve kaynak maliyeti belirleyicidir.

Ay, daha uzak görevlerden önce gıda sistemlerini sınamak için bir ortam sağlayabilir. Dünya’ya uçuşun günlerle ölçülmesi, acil ikmalin her an ve sorunsuz yapılabileceği anlamına gelmez.

Ay’ın birçok yerinde geceler yaklaşık iki Dünya haftası sürer. Doğal ışığa dayalı seralar bu döngüyü yönetmelidir. Nükleer güç bir seçenek, güneş enerjisi ve depolama da diğer seçeneklerdir; konuma göre çözümler değişir.

Ay’ın ihmal edilebilir atmosferi bitkilere kullanılabilir bir dış CO₂ kaynağı sağlamaz. Mürettebatın solunumu ve atıkların işlenmesi dahil kaynakların geri dönüşümü gerekir. Hiç kayıp vermeyen kusursuz bir kapalı döngü varsaymak gerçekçi değildir.

Ay’ın yaklaşık Dünya’nın altıda biri kadar yerçekimi, hidroponik ve akuaponik sistemlerin tasarımını etkiler. Balık ve bitki yetiştirmek düşünülebilir, ancak aeroponikten mutlaka daha az emek gerektireceği kanıtlanmış değildir. “Akuaponik – Bilmeniz Gereken Her Şey” yazısı akuakültürle hidroponiğin birleştirilmesini açıklar.

Ay Tarım Senaryoları

Yerel taze ürünler besin çeşitliliğini ve mürettebatın moralini destekleyebilir.

Kalorinin ve proteinin ne kadarının yerinde üretileceği henüz belli değildir. Maliyet kadar güvenilirlik, iş gücü ve beslenme dengesi de önemlidir.

• Toplu taşınan kuru gıda daha ekonomik olursa, yerel üretim bir süre yalnızca taze ürünlere odaklanabilir.
• İkmal pahalılaşırsa patates, baklagil ve tahıl gibi ürünlerin otomasyonla yetiştirilmesi araştırılabilir. Hangi yöntemin en uygun olduğu ürün ve ortam koşullarına bağlıdır.

Mars Üsleri

Mars’ın uzaklığı, yerel besin üretimini hem ikmal maliyeti hem de görev güvenliği açısından önemli kılar. Ancak hiçbir üretim yöntemi yedek gıda ve acil durum planlarını gereksiz yapmaz.

Bu risk Andy Weir’in Marslı romanında ve Matt Damon’ın oynadığı film uyarlamasında dramatize edilir. Mahsur kalan astronot patates yetiştirir; bu kurgu, Mars tarımının teknik olarak çözülmüş olduğu anlamına gelmez.

Kaynak: Modern Farmer

Mars’ta küçük araştırma üsleriyle büyük yerleşimlerin hedefleri farklı olabilir. Nüfus büyüdükçe Dünya’dan gıda taşımanın maliyeti ve lojistik yükü artar.

Bu nedenle uzun vadeli büyük yerleşimler yüksek oranda yerel üretime ihtiyaç duyabilir. Tam bağımsızlığın ne zaman sağlanabileceği bilinmiyor.

Hidroponik veya akuaponik sistemler Mars’ta da düşünülebilir. Bir Mars günü yaklaşık 24 saat 39 dakikadır. Seyrek atmosferdeki CO₂ işlenebilir ve buz su kaynağı olabilir, ancak seraların basınçlı, sıcaklık kontrollü ve gerektiğinde ek aydınlatmalı olması gerekir.

Azot, fosfor ve potasyum gibi besin öğelerinin yerel kaynaklardan sağlanması araştırılmalıdır. Bir elementin gezegende bulunması, tarıma uygun biçimde ekonomik olarak çıkarılabileceği anlamına gelmez.

Seralar ısıtma, gübreleme, basınç kontrolü ve radyasyon yönetimi gerektirir. Hidroponikten veya diğer yöntemlerden mutlaka daha az enerji harcayacakları henüz gösterilmiş değildir.

Mars’ı Verimli Hale Getirmek

İşlenmiş yerel regolitin yetiştirme ortamı olarak kullanılması, taşınan malzeme ihtiyacını azaltabilir. Ham regolit, Dünya’nın verimli toprağıyla aynı değildir.

Mars regolitindeki önemli sorunlardan biri toksik perklorat tuzlarıdır. Bunu yaygın ve yüksek miktarda hidrojen peroksit bulunduğu şeklinde anlatmak doğru değildir. Tuzluluk, besin dengesi ve fiziksel yapı da tarım açısından değerlendirilmelidir.

Oksijen üretimi için ayrı bir yaklaşım ise Perseverance üzerindeki MOXIE deneyiyle sınandı. MOXIE, atmosferdeki CO₂’yi elektrokimyasal olarak parçalayarak oksijen üretir; regolitten peroksit çıkarmaz. Üretilen oksijen solunumda veya roketin oksitleyicisi olarak kullanılabilir.

Perkloratların giderilmesi tek başına regoliti verimli toprağa dönüştürmez. Uygun besinler, su yönetimi ve bitki güvenliği ayrıca sağlanmalıdır.

Basınçlı yapılarda alg, kabuklu canlı veya balık yetiştirilen kapalı su sistemleri de düşünülebilir. Bunlar yalnızca ısıtılıp kendi haline bırakılacak vahşi göletler değildir; su kalitesi, besin döngüsü ve hastalık kontrolü gerektirir.

Diğer Uzay Gıda Teknolojileri

Aeroponik, hidroponik, akuaponik ve seraların yanında, hücresiz sentez veya mikroorganizma üretimi gibi başka yaklaşımlar da araştırılıyor.

2021’de araştırmacılar CO₂ ve hidrojenden hücresiz, kimyasal ve enzimatik bir yolla nişasta sentezledi. Nişastanın tekrarlayan birimi (C₆H₁₀O₅)ₙ olarak gösterilir. Mars atmosferinin yaklaşık %95’i CO₂ olsa da süreç ayrıca enerji, hidrojen, katalizörler ve enzimler gerektirir.

Kaynak: Science.org

Çalışma, CO₂’nin kimyasal dönüşümünü enzimatik adımlarla birleştirdi. Bildirilen yaklaşık 8,5 katlık fark, belirli laboratuvar koşullarındaki nişasta sentez hızıyla ilgilidir; tüm üretimin enerji veriminin veya maliyetinin mısır tarımından 8,5 kat iyi olduğunu göstermez.

Böyle bir yöntem gelecekte otomatik modüllerde kalori kaynağı sağlayabilir. Ancak sürekli üretim, hammadde geri dönüşümü, gıda güvenliği ve toplam enerji bilançosu uzay koşullarında ayrıca doğrulanmalıdır.

İnsanlar gelmeden önce güvenilir bir sistemin besin stoku oluşturması görev güvenliğini artırabilir. Bu, henüz gerçekleşmiş büyük ölçekli Mars üretimi değil, olası bir görev tasarımıdır.

Diğer seçenekler mikrobiyal protein, kültür eti ve 2022’de ISS’de araştırılan mantar temelli protein üretimi gibi yöntemlerdir. İlgili çalışmalar Nature’s Fynd ile bağlantılıdır; deneysel biyoreaktör testi, istasyonda tam bir et ürününün seri üretildiği anlamına gelmez.

Uzay Gıda Şirketleri

1. Aleph Farms

Aleph Farms, 2019’da ISS’de et dokusu oluşturma deneyi yaptı. 2022’deki Rakia görevi, sığır hücrelerinin mikro yerçekimindeki büyümesi ve olgunlaşmasına ilişkin ikinci bir deneydi. İlk deney Rakia sırasında yapılmadı. Kültür eti olası bir protein kaynağıdır, fakat uzayda et sağlamanın tek zorunlu yolu olduğu söylenemez.

Bu deneyler şirketin uzay koşullarındaki hücre kültürü deneyimini artırdı, ancak büyük ölçekli üretimin hazır olduğunu göstermedi. İsrail, belirli Aleph Cuts ürünü için pazarlama iznini 2024’te verdi; bu bütün ürünlere veya tüm ülkelere yayılan bir onay değildir.

Şirket ayrıca hayvan kesimi gerektirmeyen kolajen geliştirmeye çalışıyor. Kolajen gıda, kozmetik ve tıbbi ürünlerde kullanılabilen bir proteindir.

2. Solar Foods

Solar Foods, mikroorganizmalarla protein üretimini tarımsal araziden daha bağımsız hale getirmeyi amaçlıyor. Bu amaçla 2023 sonunda 8 milyon avro topladı.

Süreçte elektrik kullanılarak sudan hidrojen elde edilir. Mikroorganizmalar hidrojen, CO₂, mineral besinler ve suyla yetiştirilir. Elde edilen kuru Solein ürünü yaklaşık %65–70 protein içerir; yalnızca havadan ve hiçbir girdi olmadan gıda üretilmez.

Ürün Solein markasıyla sunulur ve dokuz temel aminoasidi içerir. Başka gıda bileşenlerine eklenebilir; protein içeriği tek başına bütün beslenme ihtiyaçlarını karşılamaz.

Kaynak: Solar Foods

Şirket, uzay görevleri dahil farklı kullanım alanlarını araştırıyor. Dünya’daki uygulanabilirlik de enerji kaynağına, üretim ölçeğine, maliyete ve düzenleyici izinlere bağlıdır.

Solar Foods, sürecin bazı karşılaştırmalarda fotosentezden 20 kat, et üretiminden 200 kat daha verimli olabileceğini öne sürüyor. Bunlar şirketin belirli ölçüt ve varsayımlara dayalı iddialarıdır; her koşulda toplam enerji veya maliyet üstünlüğü anlamına gelmez.

Solein, ilk yeni gıda iznini Singapur Gıda Ajansından Eylül 2022’de aldı. Bu izin diğer ülkelerde otomatik onay sağlamaz.

Besin üretimini uzay koşullarına uyarlamak

Tarih boyunca tarım ve beslenme çevreye göre şekillendi. Asya’daki teras tarımı ve Arktik toplulukların farklı mevsimsel besin kaynakları buna örnektir; bütün İnuit beslenmesini tek bir kalıba indirgememek gerekir.

Uzayda bilinen bir yerel tarımsal ekosistem bulunmuyor. İnsanların yaşayacağı ortamlarda üretim, tasarlanmış makineler ve kontrollü biyolojik döngülere dayanacaktır.

Kompakt aeroponik ve biyoreaktör sistemleri uzay araçlarında veya Ay’da avantaj sağlayabilir. Hangi yöntemin baskın olacağı henüz belli değildir.

Mars’ta doğal ışığın LED’lerle desteklendiği basınçlı ve ısıtılmış seralar araştırılabilir. Yeryüzündeki tarıma benzemeleri, çevresel ve güvenlik sorunlarının aynı olduğu anlamına gelmez.

Uzay araştırmaları Dünya’daki su arıtma, malzeme ve hassas üretim uygulamalarına katkıda bulunmuştur. Mikroçip, kablosuz alet veya duman dedektörü gibi bütün teknolojilerin ilk kez uzay programında icat edildiğini söylemek ise yanlıştır; bazıları uzay kullanımı için geliştirilmiş veya uyarlanmıştır.

Gelecekte nişasta ve protein üretimi, otomatik tarım ve verimli seralar Dünya’daki zorlu koşullarda da fayda sağlayabilir. Bu potansiyel, teknik başarı ve ekonomik uygulanabilirlik doğrulandıkça değerlendirilebilir.