A NASA Artemis 1 küldetésének novemberi Holdra indítása újabb lépést jelentett azon az úton, amely egy napon eljut majd ahhoz, hogy az emberek meglátogassák legközelebbi bolygószomszédunkat, a Marsot. Emberi küldetés következik végül több robot űrhajó nyomán, amelyek közül a legutóbbi a Perseverance rover leszállása volt 2021 februárjában a vörös bolygón. Az emberi Marsra tett utazások során számos technológiai kérdést kell megoldani, amelyek közül kulcsfontosságú. ezek védelmet nyújtanak a napsugárzással szemben és a személyzet egészségét, beleértve azt is, hogyan lehet a legjobban tápláló ételeket biztosítani. Ez utóbbit vizsgáló sok szakértő számára az a fókusz és kihívás, hogy miként lehet elkerülni a fagyasztva szárított élelmiszerek folyamatos fogyasztásából adódó rejtett hiányosságokat. A friss élelmiszerek elérhetősége nyilvánvalóan jelentős egészségügyi és pszichológiai előnyt jelent, ehhez pedig útközben növénytermesztésre és betakarításra lesz szükség. Ebben a cikkben a szerzők a táplálkozással, az orvosi és pszichológiai előnyökkel, valamint a mélyűrben történő termesztés lehetséges módszereivel kapcsolatos aktuális adatokat és kutatásokat tekintik át.
A NASA szerint a hosszú űrrepülések során öt fő veszélyforrás jelenik meg: az űrsugárzás, az elszigeteltség és bezártság, a Földtől való távolság, az alacsony gravitáció, valamint az űrhajó ellenséges és zárt környezete. Az élő növények és a frissen termesztett élelmiszerek nagy szerepet játszhatnak ezek közül három támogatásában: a táplálkozás, az orvosi szükségletek és a személyzet pszichológiája.
Táplálás
Az űrmissziókhoz szállított élelmiszerek táplálkozási egyensúlyát tökéletesen hozzá kell igazítani ahhoz, hogy a legénység jó egészségben tudjon hosszú utat megtenni.
Az űrmissziókhoz szállított élelmiszerek tápanyag-egyensúlyának tökéletesen igazodnia kell ahhoz, hogy a legénység jó egészségben tudjon megtenni egy hosszú utat. Mivel a Földről származó utánpótlás nehéz lesz, a megfelelő étrend és annak pontos formájának meghatározása kritikus cél.
Az alapvető tápanyagok hiányának elkerülése a legnyilvánvalóbb kihívás, és a NASA részletes táplálkozási igényeket vizsgált. A jelenlegi űrélelmiszer-rendszer nagy része azonban hiányosnak bizonyult. Pontosabban, az élelmiszerek hosszú környezeti tárolása az A-, B1-, B6- és C-vitamin lebomlását idézi elő.
Az űrhajósok összesített átlagos súlyvesztése mikrogravitációban 2.4 naponként 100 százalék, még szigorú rezisztív gyakorlati ellenintézkedések mellett is. Kimutatták, hogy az űrhajósok kálium-, kalcium-, D-vitamin- és K-vitamin-hiányban szenvednek, mivel a táplálékkal nem tudják kielégíteni a napi beviteli igényüket.
A növények természetesen tartalmaznak vitaminokat és ásványi anyagokat, és a friss élelmiszerek azonnali elfogyasztása elkerülné a tárolás problémáját. Fogyasztásuk tehát remek kiegészítője lenne a fagyasztva szárított élelmiszereknek.
Scott Kelly űrhajós ápolta a haldokló űrcinniákat az ISS-en. Fényképezett egy virágcsokrot a Kupolában a Föld hátterében, és 2016-ban Valentin-nap alkalmából megosztotta a fotót Instagramján.
Gyógyszer
A vitaminokon és ásványi anyagokon kívül a növények számos másodlagos metabolitot szintetizálnak. Ezek a vegyületek nagy segítséget jelenthetnek az egészségügyi problémák megelőzésében. Például a folát részt vesz a DNS-javításban, de követelményei csak a repülési napok 64 százalékán teljesülnek. Mivel a telomerekről, a kromoszómák végéről bebizonyosodott, hogy jelentősen megváltoznak a hosszú repülések során, a friss növényeken keresztüli folsavpótlás segíthet csökkenteni a genetikai öregedést és a rák előfordulását.
Többek között a karotinoidban gazdag zöldségek megelőzhetik a mikrogravitáció okozta szemtorzulást, míg az aszalt szilva diéta segíthet megelőzni a sugárzás által kiváltott csontvesztést. Sok növény tartalmaz antioxidánsokat, amelyek nagy segítséget jelenthetnek az emberi DNS megvédésében a sugárzás által kiváltott mutációktól. A növényi alapú étrend azonban nem elegendő, más megoldásokat kell kidolgozni az űrhajósok sugárzás elleni védelmére.
Pszichológia
A vitaminokon és ásványi anyagokon kívül a növények számos másodlagos metabolitot szintetizálnak
Mivel az elszigeteltség és a távolság jelentősen megterheli az űrhajósok mentális egészségét, az étkezés az egyik legfontosabb alkalom a hangulat enyhítésére. A fagyasztva szárított ételek fogyasztása minden étkezésnél kimeríti a menüt, és az űrhajósok idővel kevesebbet esznek. A friss ételek fogyasztása csökkentheti ezt a fáradtságot, nem utolsósorban a forma és az állag változatossága révén.
Egy másik, a legénység mentális egészsége szempontjából előnyös tevékenység a kertészet. Bebizonyosodott, hogy a növények termesztésének rendkívül jótékony hatásai vannak, mivel az űrhajósoknak olyan érzést kelthetnek, mintha egy darab földdel utaznának. Egyes tanulmányok megpróbálták megtalálni a legkedvezőbb pszichológiai hatású növényeket, mivel ezek nagyon fontos tényezői lehetnek a legénység mentális egészségének. Például az eper javíthatja a pozitív pszichológiai válaszokat, például az erőnlétet és az önbecsülést, csökkentheti a depressziót és a stresszt, míg a koriander javíthatja az alvás minőségét.
A növényi alapú űrgazdálkodás tehát táplálkozási, pszichológiai és orvosi szempontból is érdekes. A helyhiány és a sajátos termesztési feltételek azonban korlátozzák a növények számát és választékát.
A felhasznált termények tényleges választéka a vizsgált kritériumoktól és az előnyben részesített területtől (táplálkozás, pszichológia és orvostudomány) függően változik. Néhány hosszú eltarthatósági idejű növény kényelmes lehet, például a búza vagy a burgonya, de megvan az a hátránya, hogy fogyasztás előtt meg kell főzni. Egy másik figyelembe veendő tényező a szaporodási rendszer és a növények beporzási módja, mivel állatokat (például rovarokat) nem engednek be a fedélzetre.
Összeállították az űrben termeszthető növények listáját, amelyek közül néhányat már a fedélzeten termesztettek. A szerzők a táplálkozási és agronómiai kritériumokat választották ki választásukhoz. Így a pszichológiai hatások esetében egy (min) és négy (max) közötti értéket tulajdonítottak a termés vagy az ehető növényi rész ízének és megjelenésének.
Táblázat a különböző növények táplálkozási, orvosi, agronómiai és pszichológiai jellemzőivel, amelyek alkalmasak hosszú űrutakra.
Növénytermesztés űrhajóban
Az űr két fő stresszforrást jelent a növények számára: a kozmikus sugárzást és a mikrogravitációt.
A sugárzás negatívan befolyásolja a növények növekedését, és növeli a genetikai mutációk kockázatát, ezért a növények sugárzás elleni védelmét prioritásként kell kezelni. Míg a sugárzás visszatartható ólom- és/vagy vízpajzsokkal, ez további tömeget jelent, amelyet a pályára kell helyezni. Egy jó megoldás, amely a Lockheed Martin Mars-bázistáborából (2018) származik, az üzemanyag-tároló használata sugárpajzsként.
A mikrogravitáció viszont nem rontja jelentősen a növények növekedését, bár lelassíthatja azt. A növény reakciója azonban fajonként eltérő, mivel a mikrogravitáció befolyásolja a növény genom-expresszióját. Felfedezték, hogy a mikrogravitációban a növények több stresszel kapcsolatos gént, például hősokkgént expresszálnak, és fokozzák a stresszhez kapcsolódó fehérjék termelését. Ezenkívül azt találták, hogy a magvak különböző koncentrációjú metabolitokkal és késleltetett csírázással rendelkeznek.
A mikrogravitáció a növény mikrokörnyezetére is hatással van, például a légkör mozgásának hiányát, szokatlan légköri összetételt és az öntözés nehézségeit (támogatással vagy anélkül). A világűrben nincs légkonvekció, így ha a termesztőállomás nincs kellően szellőztetve, a növény által kibocsátott gáz a felszíne körül marad. Kimutatták, hogy a gáznemű etilén felhalmozódása a növények levelei körül rendellenes levélfejlődést eredményez. Más gázok, például a szén-dioxid, amelyek nagy koncentrációban vannak jelen az űrhajókban, halálosak lehetnek egyes növények számára. Ugyanez a probléma merül fel a növények öntözésénél is, ezért olyan módszert kell kidolgozni, amely nem fojtja meg a gyökereket.
Az üzem reakcióját a térkörnyezetre nehezebb értékelni. Ennek a környezetnek bizonyos aspektusai, például a korlátozott hely, a törpe fajták felé irányíthatják a választásunkat. Néhány más szempont azonban, például a növény mikrogravitációra adott válasza, fajtól és fajtától függően változik. Bár a kísérleteket folytatni kell, bizonyos számú növényt már teszteltek és leírtak, hogy képesek az űrben növekedni, és ezeket felhasználhatjuk alapként.
Az űrhajósok minden tápanyagszükségletét kielégítő, önfenntartó növényi kamra kialakítása akár évtizedekig is eltarthat, de a kis kamrák kiegészítő intézkedésekként történő alkalmazása segíthet a legénységnek a vitamin- és tápanyaghiányban (amelyek a csomagolt élelmiszerekben megváltoznak), és csökkenthetik a diétás fáradtságot.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide és Megan McArthur, a Space X Crew-02-ből, 2021-ben az ISS-en szüretelt piros és zöld chilipaprikával pózolnak a Plant-Habitat 04 vizsgálat során.
Bioregeneratív életfenntartó rendszer
A fagyasztva szárított ételek fogyasztása minden étkezésnél kimeríti a menüt, és az űrhajósok idővel kevesebbet esznek
Egy űrhajóban a hely korlátozott. Ezért a küldetés sikere az életfenntartó rendszerekbe (LSS) beágyazott regeneratív rendszereken múlik, amelyek újrahasznosíthatják a használt anyagot használható anyaggá. A Nemzetközi Űrállomásra (ISS) telepített Environmental Control and Life Support System (ECLSS) oxigént és vizet állít elő szén-dioxid és vizelet újrahasznosításával; hasonló rendszerre lesz szükség a hosszú űrrepülésekhez.
A bioregeneratív LSS (BLSS) ötlete az 1960-as években született meg, hogy az élelmiszer-előállítást és a hulladékanyagok (például bélsár) újrahasznosítását is bevonja az ECLSS-be. A baktériumokat és algákat tartalmazó BLSS-t fel lehetne használni a szilárd hulladékban lévő nitrogén újrahasznosítására a szerves nitrogén hasznos formájába, amelyet a növények fel tudnak venni. Az Európai Űrügynökség az 1990-es évek óta egy ilyen elvet követő kísérletet – a Micro Ecological Life Support System Alternative-t (MELiSSA) – fejlesztett ki és folytat le.
Mivel azonban magasabb üzemeket is bevonunk a BLSS-be, meg kell vizsgálnunk azok integrációját a többi meglévő környezetszabályozási technológiával, ami új kihívást jelent. Ezeknek a kisebb élelmiszer-növénytermesztési rendszereknek a költségének és fenntarthatóságának meghatározása kritikus információkkal szolgál a nagyobb BLSS felé való fejlődéshez.
A porózus csöves növénytermesztési egység második kialakításának sematikus diagramja.
Növénynövekedési kamra kialakítása
A hidroponikus rendszer használata a növények termesztésére vonzó lehetőség, mivel a növényeket vízben termeszti ahelyett, hogy talajszerű rendszerre támaszkodna. Ez utóbbi növeli az űrhajó súlyát és a részecskék lebegésének kockázatát, ami két szempontból hátrányos. Az ISS-ben telepített Advanced Plant Habitat (APH) már sokféle törpebúzát termesztett hidroponikus rendszerrel, porózus csöves öntözőrendszerrel, amely arcillitet és lassan felszabaduló műtrágyát tartalmazó gyökérmodulba van ágyazva.
A legénység kertészeti tevékenységének megkönnyítése és a növények optimális környezetben történő növekedése érdekében a termesztési ciklust számítógéppel teljes mértékben felügyelni kell. Egy ilyen megfigyelő rendszert 2018-ban teszteltek az Antarktiszon. A növények termesztésére részben automatizált rendszer használata biztosítja, hogy a legénység profitáljon a növények űrhajóban való jelenlétéből (azok manipulálásával), és elkerülhető, hogy a mezőgazdaság túlságosan időigényessé váljon. Valójában a növények termesztéséhez szükséges helyiség még nincs pontosan meghatározva, és számos térszerű környezetben végzett kísérlet (például a HI-SEAS) kimutatta, hogy ez a tevékenység hosszadalmassá válhat.
Bebizonyosodott, hogy a növények termesztésének rendkívül jótékony hatásai vannak, mivel azt az érzést kelthetik az űrhajósok, mintha egy darab földdel utaznának.
Végül a NASA Zöldségtermelő Rendszere, vagy Veggie (2014-ben indult), amely 0.11 m²-es termőterületet biztosít, nagyszerű példa az űrrepülőgép fedélzetén is használható növénytermesztő egységre, mivel már tesztelték ISS. Ami a fényigényt illeti, a LED-eket két különböző hullámhosszal használják: piros (630 nm) és kék (455 nm), mivel a növények hatékonyabban nőnek ezen a hullámhosszon. Szükség lehet egy zöld LED-re is, hogy a növény természetes színét adja, megkönnyítve ezzel a betegségek azonosítását és a legénységet a Földre emlékeztetve.
Mizuna (japán káposzta), vörös római saláta és tokiói bekana (kínai káposzta), amelyet az ISS Veggie egységében termesztenek.
Az űrviszonyok mind az emberek, mind a növények számára stresszt okoznak, ezért jelenleg vizsgálják az űrhajókban nőtt, és az űrhajósok által tapasztalt feszültségek enyhítését segítő növények tervezését.
A növények stresszválaszában szerepet játszó géneket azonosítottak, de e hatások csökkentése vagy mérséklése érdekében a tudósoknak módosítaniuk kell a meglévő gének expresszióját, vagy téradaptációs géneket kell hozzáadniuk a genomokhoz. Ez génszerkesztéssel érhető el, és néhány jelölt gént már konkrétan azonosítottak és tanulmányoztak. Például az ARG1 (Altered Response to Gravity 1), egy olyan gén, amelyről ismert, hogy befolyásolja a földi növények gravitációs válaszait, és 127, az űrrepüléshez való alkalmazkodáshoz kapcsolódó gén expressziójában vesz részt. Az űrrepülés során megváltozott expressziós gének többségéről kiderült, hogy Arg1-függő, ami arra utal, hogy ez a gén jelentős szerepet játszik a differenciálatlan sejtek űrrepüléshez való fiziológiai adaptációjában. A HsfA2 (Heat Shock Factor A2) jelentős hatással van az űrrepüléshez való alkalmazkodásra, például a keményítő bioszintézisén keresztül. A cél a stresszt kiváltó gének károsítása és a jótékony gének elősegítése.
Más géneket, amelyeket téradaptációs géneknek neveznek, mint például a sugárzással, a perkloráttal, a törpeséggel és a hideg hőmérséklettel kapcsolatos géneket, érdemes tanulmányozni, mivel ezek segíthetnek a növényeknek ellenállni az űr zord körülményeinek. Például a hipersós környezethez alkalmazkodó mikroorganizmusok rendelkeznek UV-rezisztencia és perklorát rezisztencia génekkel. Sok törpefajtát (pl. búzát) már termesztettek az ISS-en, és a 'Red Robin' törpe koktélparadicsom termesztésére is sor kerülhet a NASA Veg-05 kísérletének részeként.
Az űrhajósok egészségét szolgáló növényeket is tervezhetünk. A hasznos vegyületek felhalmozódásának elősegítése, az egész testet ehető növények előállítása a hulladék csökkentése érdekében, vagy olyan növények tervezése, amelyek gyógyszereket állítanak elő az űr űrhajósokra gyakorolt mellékhatásai ellen, lehetséges módjai annak, hogy a növényeket hasznossá tegyük a legénység számára.
A teljes test ehető és elit növény (WBEEP) stratégiát alkalmazták a burgonyanövényeken, így a burgonya szárát és leveleit ehetővé tették a szolanin eltávolításával. Termelődésének gátlása érdekében vagy az azt termelő géneket elnémítják, vagy génszerkesztéssel mutálják. A WBEEP burgonya létrehozásának előnyei vannak, mivel könnyen termeszthető növény, amely jó energiaforrás, és bizonyítottan képes növekedni olyan nehéz körülmények között is, mint például a hely. A növényeket is dúsították, hogy teljes mértékben kielégítsék az emberi szervezet tápanyagszükségletét.
A sugárzás negatívan befolyásolja a növények növekedését és növeli a genetikai mutációk kockázatát, ezért a növények sugárzás elleni védelmét prioritásként kell kezelni
Az űrhajósok egészségének egyik fő kérdése a mikrogravitációban a csontsűrűség csökkenése. Csontjaink folyamatosan egyensúlyban vannak a növekedés és a felszívódás között, lehetővé téve a csontoknak, hogy reagáljanak a sérülésekre vagy a testmozgás változásaira. A mikrogravitációban eltöltött idő felborítja ezt az egyensúlyt, a csontok a reszorpció felé billentik, így az űrhajósok csonttömeget veszítenek. Ez kezelhető a mellékpajzsmirigyhormonnak vagy PTH-nak nevezett gyógyszerrel, de rendszeres injekciókat igényel, és nagyon rövid az eltarthatósága, ami hosszú űrrepüléseknél problémás. Ezért egy transzgenikus salátát készítettek, amely PTH-t termel.
Az űrben növekedni képes és az űrhajósok számára hasznos növények tervezése még a kutatás korai szakaszában van. A kilátások azonban nagyon ígéretesek, és minden nagyobb űrügynökség tanulmányozza. A növénynövekedési kamra felépítése az űr kellemetlen környezetében még munkát igényel. Az egyik kihívás az lesz, hogy a BLSS bioregeneratív részét hozzá kell adni a már meglévő LSS-hez. Egy másik kihívás a fedélzeten termesztendő növények jobb választékának szükségessége, hogy ellenálljanak a helyviszonyoknak és jelentős hozamot kínáljanak. A növénynemesítési ismeretek elterjedésének köszönhetően azonban a kiválasztott növények génszerkesztése lehetővé teszi, hogy azok jobban alkalmazkodjanak az űrviszonyokhoz, és megfeleljenek a legénység táplálkozási és egészségügyi igényeinek.
Egy forrás: https://room.eu.com