Zemědělci ve vesmíru: Jak nakrmit Marťany?

V americké agentuře NASA takoví lidé doopravdy jsou a zcela vážně se připravují na pěstování plodin na jiných planetách či vesmírných stanicích. Patří k nim i fyziolog rostlin Ray Wheeler, který vede výzkum pokročilé podpory života v rámci Exploration Research & Technology Program v Kennedyho vesmírném středisku. A nejde o žádné plané teoretizování. Wheeler a jeho kolegové pracují se skutečnými rostlinami, aby zjistili, nakolik je scénář filmu Marťan Ridleyho Scotta z roku 2015 reálný (viz Marťan alias rudý botanik).

Veggie úspěchy

V NASA teď připravují celou řadu projektů pro výzkum vesmíru, včetně nosného systému Space Launch System (SLS) a lodi Orion pro pilotované mise k Měsíci i dál do Sluneční soustavy. Pozornosti se tak dostává rovněž programům, jež mají za úkol zajistit dlouhodobější chod pilotovaných expedic ve větších vzdálenostech od Země. A pěstování plodin k nim nepochybně patří.

Wheeler a jeho kolegové zkoumají různé postupy, jak zemědělské plodiny co nejlépe získávat mimo Zemi. Nedávno na palubě Mezinárodní vesmírné stanice testovali The Vegetable Production System pro pěstování zeleniny, přezdívaný Veggie: Astronauti na oběžné dráze vypěstovali a také s chutí snědli římský salát. Veggie vytvořila společnost Orbitec v rámci programu NASA nazvaného Small Business Innovative Research Program. Sám Wheeler patří k těm, kdo pracovali na vývoji systému a na jeho přípravě pro fungování na orbitě: Před startem musel Veggie projít celou řadou testů a vyhovět náročným požadavkům, jež se kladou na všechna zařízení pro ISS.

Brambory pro cizí světy

Podle Wheelera by astronauti-zemědělci mohli na jiných planetách začít s bramborami, sladkými bramborami čili batáty a sójou. Uvedené plodiny se totiž docela snadno pěstují a obsahují dostatek sacharidů, přičemž sója je i solidním zdrojem proteinů. Wheelera a kolegy zaujaly v tomto ohledu hlavně brambory: Tvoří podzemní hlízy a při určitém osvětlení mohou produkovat dvakrát víc potravy než řada jiných rostlin, z nichž se sklízejí jedlá semena. Brambory a salát také před konzumací vyžadují jen minimální úpravu. Jak říká Wheeler, pokud by si astronauti pěstovali brambory, pšenici, sóju a k tomu ještě salát, pokryli by většinu nezbytných živin.

Aby vědci z NASA zjistili, jaké typy brambor by se mohly na Marsu nejlépe uplatnit, zahájili experimenty ve spolupráci s mezinárodním centrem pro výzkum brambor International Potato Center (CIP) v peruánské Limě. Společně hodlají pěstovat 100 vybraných odrůd v podmínkách, jež se co nejvíc podobají prostředí Marsu. Odborníci zvolili 40 odrůd, které pocházejí z And, rostou na rozmanitých místech velehor, dovedou čelit drsnému klimatu a přežijí v kamenitém a suchém terénu. Zbývajících 60 odrůd představují geneticky vylepšené druhy, jež zvládají růst v prostředí s nedostatkem vody a v zasolené půdě a jsou také odolné vůči virům. Všechny pak splňují ještě jednu významnou podmínku: Mají velký výnos, aby se jejich pěstování vyplatilo.

Badatelé z NASA se snaží co nejlépe napodobit prostředí rudé planety. Zvolili si oblast Pampas de La Joya v jižním Peru, která patří coby součást pouště Atacama k nejsušším místům na Zemi. Právě tam nabrali 100 kg zeminy a převezli ji do laboratoří centra CIP v Limě, kde budou simulovat marsovskou atmosféru, tedy především oxid uhličitý a ultrafialové záření, jež zalévá povrch planety.

Štěrk a voda 

Ve filmu Marťan použil opuštěný astronaut Mark Watney pro své rostliny svrchní vrstvu marsovských hornin čili regolit. Ve skutečnosti však tamní regolit tvoří štěrk, jenž postrádá většinu potřebných živin. Wheeler využíval v pozemních experimentech hydroponický systém, i když s kolegy museli dbát na to, aby nebyly brambory příliš ponořené ve vodě. Kde však vzít životodárnou tekutinu pro bramborové farmy ve vesmíru? Dopravit cokoliv na Mars je – a ještě dlouho bude – velice nákladné. Určitou část vody bychom mohli při pěstování recyklovat, jinak by ovšem bylo velmi žádoucí získat ji přímo na místě. 

Podle Roba Muellera ze zmíněného Exploration Research & Technology Program jsme nyní svědky příznivého vývoje, neboť se na Marsu daří objevovat zdroje vody. Drahocenná tekutina přitom může posloužit mnoha způsoby: Astronauti z ní mohou vyrábět palivo pro raketové motory, využít ji pro své životní potřeby – anebo v ní pěstovat zemědělské plodiny. Mueller však jedním dechem dodává, že voda na Marsu jistě nebude úplně čistá a tamní zemědělci budou muset počítat s rozpuštěnými solemi. 

Už dnes víme, že horniny na povrchu rudé planety obsahují chloristany neboli perchloráty, tedy soli kyseliny chloristé, což jsou silná oxidační činidla a zemědělci se jich budou muset zbavit. V NASA počítají s tím, že by si první farmáři na Mars přivezli vodní pumpy, hnojiva a další nezbytné pomůcky, s nimiž by rozjeli zemědělství v hydroponických podmínkách. A později by pěstování rostlin rozšířili i na substrát z marsovských hornin.

Bez světla to nepůjde

Na Zemi je světla pro rostliny dost, přinejmenším přes den. Zajistit jej však v odpovídajícím množství pro vesmírné pěstování může být problematické. Když v roce 2007 jistý student z University of Colorado zmapoval intenzitu světla dopadajícího na povrch Marsu během dvou solů (tamních dní), ukázalo se, že se rudé planetě dostává oproti Zemi jen 43 % záření. V řadě oblastí nízkých zeměpisných šířek Marsu, tedy poblíž rovníku, by sice rostliny získaly světla k růstu dost, ovšem podle Wheelera musíme počítat s prašnými bouřemi, které tvoří významný prvek místního podnebí – a kromě případných rostlin by ohrožovaly i systémy napájené slunečním zářením. Solární energetika tak nebude mít na rudé planetě na růžích ustláno.

Právě kvůli nedostatku slunečního svitu v hloubi naší soustavy nespoléhají meziplanetární vesmírné sondy jako Cassini, Galileo či New Horizons na fotovoltaiku. Ve skutečnosti je pohánějí radioizotopové termoelektrické generátory (RTG), které představují velmi trvanlivý a spolehlivý zdroj elektrického proudu. Články využívají ke svému provozu tepelnou energii rozpadu radioaktivních prvků, zejména plutonia-238 ve formě oxidu plutoničitého. Tento izotop představuje alfa-zářič, takže nepoškozuje okolní zařízení, a má vhodný poločas rozpadu – necelých 90 let.

Pro vesmírné zemědělce jsou zajímavá LED světla, jimž by dodávaly energii právě radioaktivní články. Vývoj technologií LED kráčí rychle kupředu a NASA na tom má velkou zásluhu. Právě její lidé vymysleli, že by bylo možné LED světla využít při pěstování rostlin, a také si zmíněný nápad patentovali. Systém Veggie na ISS tudíž disponuje modrým a červeným LED osvětlením. Badatelé z Kennedyho vesmírného střediska se rovněž jako jedni z prvních pustili do vertikálního farmaření, kdy se plodiny pěstují v mnoha vrstvách nad sebou právě s využitím LED světla. Mimo vesmírný výzkum se už vertikální farmy objevily v Japonsku, Koreji, Číně a na několika místech v Severní Americe. 

Živé recyklátory

Substrát, voda a světlo jsou sice pro zemědělce v kosmu velice důležité, samy o sobě však k úspěchu nestačí. Na Marsu je totiž ještě nutné chránit plodiny před ultrafialovým zářením, mrazem a příliš nízkým atmosférickým tlakem – bude tak muset vzniknout marsovská verze skleníku. Podle botaniků z NASA se ovšem vývoj takového přístřešku stane tvrdým oříškem pro techniky i materiálové vědce. Na druhou stranu, pozemské rostliny dovedou být neuvěřitelně odolné a možná je vhodnými genetickými úpravami přimějeme prostředí rudé planety obstojně snášet. V takovém případě by měli farmáři na Marsu situaci o poznání snazší.

Astronauti si také budou muset zajistit dostatečně velkou úrodu, kterou bude možné sklízet průběžně. U brambor je to docela jednoduché, jak je vidět i ve zmíněném filmu Marťan: Vytvářejí totiž „očka“ čili pupeny, z nichž pak raší nové rostliny. Část sklizně je proto možné zasadit, načež z ní po nějaké době vyroste další generace. Postačí jen kusy určené k sadbě uhlídat před mlsnými strávníky.

TIP: Jak vypadají místa z románu Marťan ve skutečnosti

Rostliny pěstované v kosmu však mohou přinést mnohem širší užitek než „pouhé“ naplnění hladových žaludků astronautů. Především každá zelená rostlina představuje sofistikovaný bioreaktor na výrobu kyslíku a pohlcování oxidu uhličitého: Při intenzivní fotosyntéze oxid uhličitý spotřebovává, vyrábí si nezbytnou energii a jako vedlejší produkt uvolňuje do vzduchu kyslík. Zároveň dokážou rostliny obstojně zpracovat i odpad – nepohrdnou mírně upravenou použitou vodou ani výměšky astronautů. Kromě produkce potravy se tak mohou zapojit do recyklace důležitých látek při vesmírných misích.