Trzy firmy budujące technologię do uprawy roślin na Księżycu
Wśród kosmicznych planów największą uwagę przyciągają rakiety, rovery i lądowniki, podczas gdy USA skupiają się na powrocie ludzi na Księżyc, kilka jednak firm koncentruje się na kluczowym kolejnym kroku - zapewnieniu im jedzenia dopiero po dotarciu na miejsce.
NASA chce zbudować bazę na Księżycu możliwie najszybciej, bo już w 2028 roku, a wytwarzanie żywności będzie kluczowe dla utrzymania stałej obecności, umożliwiając astronautom kontynuowanie długotrwałych badań. Agencja od lat bada wzrost roślin w mikrograwitacji na ISS. Jednak zanim załoga będzie mogła skomponować sałatkę z plonów wyhodowanych w kosmosie, minie jeszcze sporo czasu i konieczne będą dodatkowe eksperymenty oraz nowe możliwości, by zwiększyć produkcję upraw na miejscu.
Jednak niektóre firmy już teraz mają kontrakty na opracowywanie niezbędnych technologii, których celem jest stworzenie niezawodnego i odżywczego systemu żywności dla ludzi na Księżycu - a także być może poza nim.
Wiosną NASA ogłosiła zaproszenia do złożenia wniosków w programie Small Business Innovation Research (SBIR) dotyczących technologii wzrostu roślin i oferuje wiele możliwości kontraktowych w podobnych obszarach innowacji.
Dla firm już pracujących nad tego typu rozwiązaniami to znak, że systemy kosmicznego rolnictwa mogą stać się ważniejszą częścią komercyjnego sektora kosmicznego, a ich testy i technologie mogą ułatwić masową produkcję żywności na Księżycu, Marsie i w dalekiej przestrzeni.
W całej branży firmy i zespoły badawcze tworzą modułowe kapsuły roślinne i dopracowują większe projekty księżycowych szklarni, przygotowując uprawy gatunków roślin trudnych do wyhodowania w warunkach księżycowych i opracowując czujniki potrafiące wykryć stres roślin, zanim ten stres zahamuje wzrost.
Te koncepcje dają wgląd w to, jak mogłaby wyglądać produkcja upraw poza Ziemią ? na stacjach kosmicznych, na Księżycu i na Marsie.
"Jeżeli autonomiczne rolnictwo w kontrolowanych środowiskach i infrastruktura kosmiczna, rozwijane będą zgodnie z planem, adresowalny rynek mógłby w przyszłości generować dziesiątki milionów dolarów rocznego przychodu" ? powiedział Fartash Vasefi, współzałożyciel i dyrektor ds. technologii SafetySpect, firmy rozwijającej technologie związane z ochroną środowiska i bezpieczeństwem żywności.
Księżyc nie zapewnia naturalnego ogrodu. Dlatego astronauci będą musieli zabrać ze sobą składniki niezbędne do ogrodu.
NASA finansuje liczne inicjatywy mające na celu rozwój środowisk wzrostu dla upraw, które mają wyżywić załogi w orbicie, na Księżycu lub na innych planetach, a różne zespoły pracują nad komorami wzrostu, szklarniami i inną technologią dla rolnictwa poza Ziemią.
Dwoma wybitnymi przykładami pokazującymi, jak te same koncepcje rolnictwa mogą być przystosowane do trudnych warunków, są Lunar Effects on Agricultural Flora (LEAF) - misja naukowa Space Lab Technologies przygotowywana dla lądowania Artemis na Księżycu - oraz prace Interstellar Lab nad księżycową szklarnią, które mają umożliwić utrzymanie załóg w kolejnych podróżach.
W międzyczasie Interstellar Lab pracuje nad księżycową szklarnią, która według firmy ma ostatecznie móc utrzymać załogi na innych planetach.
Wybrana jako jeden z trzech eksperymentów naukowych misji Artemis 3 w marcu 2024 roku, LEAF polega na zbudowaniu małej, zasilanej energią słoneczną komory wzrostu, która zostanie rozmieszczona na powierzchni Księżyca podczas jednej z przyszłych misji załogowych.
Komora pomieści trzy rośliny - dwie odmiany Brassica rapa i thale cress - wybrane ze względu na historię wzrostu w kosmosie, potencjał żywieniowy, niewielkie rozmiary i szybki wzrost. Dzięki panelom słonecznym na jej dachu, solidna, pudełkowata konstrukcja będzie stać na powierzchni, autonomicznie zapewniając światło, składniki odżywcze, wodę i powietrze do wzrostu przez trzy-pięć dni. Załoga zabierze ze sobą sadzonki do Ziemi w celach analitycznych.
Eksperyment ma badać wpływ częściowej grawitacji i promieniowania kosmicznego na fotosyntezę i wartość odżywczą roślin, a także poszukiwać cech genetycznych, które mogłyby zwiększyć odporność na stres księżycowy. Celem jest dwufazowe: wyłonienie lub wyhodowanie upraw najlepiej dopasowanych do wzrostu, wartości odżywczych i konwersji CO2 na tlen w kosmosie, a także udoskonalenie sprzętu, by wspomagał rośliny w warunkach księżycowych.
Ze względu na modyfikacje w planach Artemis NASA LEAF nie ma jeszcze ustalonego terminu startu, ale rozwijany jest dla jednej z dwóch misji lądowania Artemis, które agencja planuje na 2028 rok.
Komora wzrostu roślin opiera się na prawie dziesięciu latach rozwoju technologii wspieranej przez NASA w Space Lab. Jej pierwsza umowa NASA z 2017 roku pozwoliła firmie zbudować komorę, która nawadniała i hodowała rośliny w mikrograwitacji podczas lotów Blue Origin New Shepard w 2020 i 2025 roku ? technologia, którą później zaadaptowano dla LEAF. Od tamtej pory Boulder w Kolorado pozyskał 19,3 miliona dolarów w 15 kontraktach NASA na technologię rolnictwa kosmicznego, w tym autonomiczne urządzenie do monitorowania stanu roślin i koncepcję kopuły szklarni na Marsie.
Takie bioregeneracyjne technologie są kluczowe dla dalszych i dłuższych podróży kosmicznych, podkreśliła Christine Chamberlain, wiceprezes Space Lab i dyrektor ds. biznesowych.
"Gdy zaczniemy mieć bardziej zrównoważoną obecność w kosmosie - na LEO, bazie na Księżycu, czy na Marsie - konieczność recyklingu, ponownego użycia lub regeneracji tego, co zużywamy, stanie się coraz bardziej niezbędna, by móc prowadzić eksplorację bez konieczności zabierania wszystkiego z Ziemi" - dodała.
Technologie rolnictwa kosmicznego mają też duży potencjał komercyjny, bo rośliny wyprodukowane w tych systemach mogą trafić do bioprodukcji, otwierając drogę do innych kluczowych materiałów w kosmosie, takich jak leki, biopaliwa czy plastiki.
Chamberlain osobiście przekonała się o tym, gdy Space Lab pracował nad innym projektem finansowanym przez NASA, nad księżycowym projektem wydobywczym, który miałby wykorzystać uprawy do wspierania procesu wydobycia minerałów.
Interstellar Lab, założona w 2018 roku i zajmująca się opracowywaniem koncepcji księżycowych szklarni, rozwija autorskie, autonomiczne systemy zamkniętej pętli do upraw w kosmosie. Mają biura w Paryżu i na Kennedy Space Center, a ich rozwiązania obejmują mniejsze konstrukcje do testów roślin w kosmosie.
Jedna z takich kapsuł pojawi się na pokładzie stacji Haven-1 Vast, planowanej na przyszły rok. Podczas czterech misji w trzy lata astronauci będą dostarczać różne nasiona i uprawy do komory wzrostu. System będzie wykorzystywał sztuczną inteligencję do optymalizacji i autonomicznego zarządzania temperaturą, oświetleniem, nawadnianiem i innymi warunkami, a także będzie zbierać i analizować dane dotyczące wzrostu roślin.
Interstellar Lab opracował także prototypy podobnego systemu z sześcioma komorami wzrostu, które zdobyły nagrodę główną w NASA Deep Space Food Challenge w 2024 roku (750 000 USD) i które NASA mogłaby wykorzystać na orbicie, a firma otrzymała od agencji 1 milion dolarów na technologię o gotowości technologicznej (TRL) 5.
Oba systemy w LEO mają stanowić preludium do kapsuł roślinnych na Księżycu. Ich modułowa konstrukcja pozwala na testowanie różnych upraw i warunków wzrostu, aby ostatecznie wyłonić najlepsze opcje dla większego systemu - tak wskazuje Barbara Belvisi, założycielka i dyrektor generalna Interstellar Lab.
Następnie Interstellar Lab planuje wyhodować różę w miniaturowej szklarni na Księżycu, zanim przejdzie do upraw liściastych warzyw. Róże wymagają większej precyzji i kontroli niż inne rośliny, podkreśliła Belvisi.
"Jeśli uda nam się wyhodować różę, praktycznie da się wyhodować prawie wszystko" - dodała Belvisi. Kapsuła zostanie zainstalowana przez FLEX Rover Astrolab w ramach Artemis 4 i będzie badać proces kwitnienia. "Opanowanie kwitnienia pociąga za sobą opanowanie owocowania."
System będzie musiał być bardziej samowystarczalny niż orbitalne komory, aby chronić rośliny przed surowym środowiskiem zewnętrznym i jednocześnie zapewnić wewnątrz optymalne warunki oraz składniki odżywcze.
Belvisi widzi szklarnię jako długoterminowy, bioregeneracyjny system, który skutecznie wychwytuje dwutlenek węgla, produkuje tlen i jednocześnie wspiera załogi - na Księżycu i poza nim.
"Księżyc przygotowuje ludzkość do wieloplanetarności, a kluczowe będzie umiejętność wyhodowania własnego jedzenia i znalezienie systemu, który także generuje tlen, bo to właśnie potrzebujemy, by przetrwać."
To powoduje, że rynek komercyjnych szklarni kosmicznych jest - przynajmniej na razie - ogromny, ale jego rozwój zależy od tempa dostarczania rakiet, lądowników i ludzi na Księżyc. Warunki w tym środowisku są mniej sprzyjające niż na Marsie, z powodu braku atmosfery, skrajnych temperatur i długich okresów ciemności. Mars będzie jednak stawiać przed innymi wyzwaniami - między innymi jak utrzymać rośliny w stanie uśpienia podczas długiej podróży.
Na tę chwilę Księżyc pozostaje najbliższym celem, a pod koniec roku Interstellar Lab planuje zaktualizować koncepcję księżycowej szklarni. NASA niedawno opublikowała zapytania dotyczące podobnych technologii.
Poza zapewnieniem odpowiednich warunków do wzrostu, uprawy będą wymagały ścisłego monitorowania, aby utrzymać zdrowie roślin i zapewnić załogom stałe dostawy roślinnej żywności.
SafetySpect rozwija monitor stanu zdrowia roślin, który ma wspierać uprawy księżycowe i opiera się na technologii opracowanej do monitorowania jakości żywności na Ziemi.
Firma z Dakoty Północnej, która zdobyła ponad 700 tys. dolarów w nagrodach SBIR w latach 2020-2024, opracowała i doskonaliła przenośne urządzenie pomagające różnym agencjom rządowym potwierdzać skład i świeżość żywności, aby zapobiegać oszustom i błędnym opisom produktu.
Urządzenie korzysta ze spektroskopii do analizowania interakcji między materią a światłem, by określić molekularny i biologiczny skład próbki oraz jej okres przydatności do spożycia. Następnie łączy te dane z algorytmami uczenia maszynowego, aby identyfikować próbkę i jej status świeżości.
To stanowi fundament technologii wykrywania stresu roślin, którą SafetySpect rozwija dla NASA. W zeszłym roku firma otrzymała 156 000 dolarów w fazie 1 NASA SBIR na opracowanie urządzenia obrazującego, które skanuje rośliny w poszukiwaniu wczesnych oznak stresu i łączy je z warunkami środowiskowymi, takimi jak wilgotność, temperatura, patogeny i natężenie światła.
Po konsultacjach z NASA i innymi interesariuszami SafetySpect złożył niedawno wniosek o nagrodę w fazie 2 na stworzenie ręcznego monitora z wbudowaną sztuczną inteligencją, łatwiejszego w użyciu w kosmosie.
"Możemy dosłownie przenieść model treningowy do środowiska kosmicznego w urządzeniu przypinanym do dłoni, bo widzimy, co dzieje się z rośliną" - stwierdził Vasefi. "Dlatego upewniamy się, że model jest ponownie skalibrowany, aby żaden przypadek zgonu rośliny nie miał miejsca."
Urządzenie jest przenośne, zasilane bateryjnie i wyposażone w jednostkę obliczeniową na krawędzi od firmy NVIDIA, umożliwiając uruchomienie modelu AI bez łączności z chmurą. Ponadto może oceniać obciążenie bakteryjne, co otwiera perspektywę użycia w analizie bezpieczeństwa żywności w kosmosie, dodał Vasefi.
Nagroda w fazie 2 wesprze pilotażowe testy jako krok w kierunku pełnej komercjalizacji urządzenia. Firma planuje przeprowadzić testy w Kennedy Space Center i w inflatywnym habitatzie księżycowym Uniwersytetu w Dakocie Północnej, zbierając dane dotyczące wielu roślin i ich reakcji na różne poziomy stresu, aby wytrenować model. Prowadzone są również rozmowy z Vast w celu przetestowania sprzętu w środowisku symulowanym. Docelowo projekt ma być użyty na stacji kosmicznej przed udaniem się na Księżyc i Marsa.
"Jesteśmy na bardzo wczesnym etapie, by potwierdzić, że to narzędzie faktycznie może obserwować stres lub jego wczesne sygnały i stać się wartościowym systemem ostrzegania dla operatora, zapewniając astronautom dostęp do roślin" - powiedział Vasefi.
Urządzenie jest przenośne, zasilane baterią i zawiera procesor NVIDIA na brzegu, co umożliwia uruchamianie modelu AI bez połączenia z siecią. Dzięki możliwości oceny obciążenia bakteryjnego, narzędzie mogłoby w przyszłości wspierać także bezpieczeństwo żywności w kosmosie.
Wnioski o nagrodę fazy 2 podkreślają plany przeprowadzenia pilotaży i krok w stronę komercjalizacji, a firma planuje testy w wielu lokalizacjach NASA i w innych placówkach - z perspektywą zastosowań na stacji kosmicznej przed ewentualnym wysłaniem załóg na Księżyc i Marsa.
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł!
