Белок из воздуха и грибные фермы. Чем будут питаться колонисты на Луне и Марсе?

Космическая гонка в последние годы набирает темп: в проекты колоний на Луне и Марсе вкладывают огромные деньги такие ключевые силы, как Китай, США, Россия и Евросоюз. Китай и Россия планируют создание Международной лунной станции в 2030-е годы, а NASA рассчитывает уложиться в тот же срок, но замахивается на еще более дальнюю экспедицию — к Марсу.

Регулярно доставлять провизию на лунную базу было бы неоправданно дорого, не говоря уже о Марсе. К тому же те, кто отправится осваивать Красную планету, должны быть готовы пробыть в космосе около года, и это только путь в один конец. Без космических огородов и ферм здесь не обойтись.

Бактерии-кормилицы

Как бы футуристично ни звучала эта идея, она старше персонального компьютера. Еще в 1960-х годах ее предложили специалисты NASA. Тогда, на волне первых успехов программы "Аполлон", агентство искало способы производства продуктов для длительных космических миссий.

В отчете под названием "Замкнутая система жизнеобеспечения" авторы предложили идею биореактора, который использует особые бактерии — гидрогенотрофы. Они питаются углекислым газом, то есть могут поглощать выдыхаемый космонавтами воздух. В результате химической реакции с использованием водорода микробы производят белок.

Планы дальних полетов были свернуты из-за дороговизны, но нынешние стартапы взяли идею на вооружение. В 2019 году, ориентируясь на предстоящие миссии на Марс, NASA вернулось к этой идее и запустило конкурс CO2 Conversion Challenge. Буквально: "челлендж по переработке углекислого газа". Сейчас в этом направлении работают уже несколько конкурентов.

Один из них — американская компания Air Protein. Название буквально переводится как "белок из воздуха", но, строго говоря, в рационе бактерий все же не только газ, но и специальная ферментная смесь. На выходе после переработки смеси микробами получается коричневый порошок, который по виду, запаху и вкусу не похож на мясо, но содержит питательные элементы, аналогичные мясным. И уже из него можно попытаться сделать более привычный аналог мяса.

Финский стартап Solar Food использует примерно тот же механизм. По словам разработчиков, процесс чем-то похож на выращивание дрожжей. Дрожжи перерабатывают сахар в спирт, а здесь вместо сахара — электричество и углекислый газ. При помощи электричества молекулы водяного пара разбиваются на кислород и водород, а дальше в дело вступают бактерии, поглощают углекислый газ и производят белки. Белковая масса удобна тем, что можно обогащать ее микроэлементами или придавать ей любую форму.

Один из главных вызовов — снизить затраты электричества и достичь лучшей производительности. Впрочем, бактерии могли бы справиться и с этим. Например, недавно европейские биологи открыли новый тип микробов, способных поглощать молекулы метана и выделять в окружающую среду свободные электроны. То есть, по сути, производить электроэнергию.

"Зеленый хлеб"

Выращивать привычные нам растения в условиях космоса довольно неудобно. Они требуют много места и энергии, а их корни и стебли не участвуют в фотосинтезе и не производят кислород. Кроме того, они достаточно прихотливы и производят мало биомассы в расчете на затраченные ресурсы. Другое дело — водоросли.

Попытки приспособить одноклеточные водоросли для питания космонавтов предпринимались еще в СССР. Сергей Королев занимался проектами по разработке автономной системы жизнеобеспечения. В них центральное место занимала хлорелла. Главным образом ученых интересовала ее роль "генератора" кислорода. Биореактор поглощал углекислый газ, выделяемый человеком при дыхании, а под светом мощной лампы водоросли в нем вырабатывали кислород для дыхания.

Но уже тогда ученые оценили ее химический состав. Почти половину веса водоросли составляют белки. Даже в лучших сортах бобовых содержится до 30% белков, а у пшениц их только 18–24%. Также "зеленый хлеб" может похвастаться почти полным комплектом витаминов: А, В1, В2, В6, В12, С, К и других. В зависимости от режима водоросль может менять состав: к примеру, накапливать больше белков или жиров.

Хлореллу выгодно выращивать и с точки зрения затрат энергии: например, для ее выращивания маломощных (200–300 Вт) светодиодов синего и красного цветов. Подобные фотобиореакторы сейчас проектируют, например, в красноярском Институте биофизики СО РАН совместно с Китайским космическим управлением.

Минус хлореллы и других водорослей в том, что просто так их не съешь. Плотная оболочка не растворяется в желудке и кишечнике. А если даже разрушить клеточную оболочку, на вкус биомасса, мягко говоря, непривычна. Поэтому роль таких реакторов будет скорее вспомогательной: как добавки к пище, чтобы повысить ее питательность.

Грибы на Луне

Грибной белок может стать хорошей заменой мясу. "Есть несколько причин для включения грибов в космическую диету, — говорит Владимир Ковалев, старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН. — В отличие от растений, грибы содержат витамин D. Поэтому, в случае невозможности получения животной пищи, они могут стать единственным источником витамина D в экологической системе жизнеобеспечения".

В 2021 году ученые из Института биофизики СО РАН предложили идею грибной фермы на растительных отходах. По замыслу ученых, ферма будет состоят из двух модулей. Первый — для подготовки и стерилизации питательных веществ, второй — для собственно выращивания.

По подсчетам ученых, один технологический цикл потребует 86 кг отходов и даст очень приличный урожай — 28 кг свежих грибов. Этого должно быть достаточно, чтобы прокормить 15 космонавтов (это два грибных блюда в неделю на человека, содержащих по 100 г грибов).

В качестве культуры для выращивания на лунной ферме ученые предложили вешенки. Они достаточно неприхотливы, содержат много витаминов, а также в их составе мало натрия (он может быть вреден для сосудов), насыщенных жиров и холестерина.

Впрочем, поскольку на Луне грибы еще никогда не выращивали, параметры такой фермы еще предстоит уточнить. И остается вопрос: где брать отходы? Его можно было бы решить, если научиться выращивать настоящие овощи и злаки. Есть и такие планы.

Грядки на Марсе — не фантастика

В фильме "Марсианин" герой использует почву самой планеты для выращивания земных овощей — например, картофеля. Этот момент не так фантастичен, как кажется. Грунт Марса действительно содержит многие минералы, необходимые для роста растений, такие как азот, калий и фосфор. Но есть другие препятствия.

Поверхностный слой планеты очень круто просолен. Всему виной перхлораты, которые наполняют подземные озера. Они губительны для живых организмов — именно из-за них надежды найти жизнь на Марсе пока призрачны. Но сделать грунт пригодным для возделывания можно.

"Перхлораты — серьезный вызов для марсианского земледелия, — говорит Эдвард Гинан, астробиолог из Университета Вилланова в Пенсильвании. — Но его можно нейтрализовать — например, с помощью некоторых земных бактерий. Поедая соль, они выделяют кислород". Гинан полагает, что эти микроорганизмы могли бы не только избавить почву от токсических компонентов, но и, возможно, производить пригодный для дыхания кислород.

Группа ученых из США также придумала способ очистки почвы от перхлоратов с помощью выщелачивания. Для этого используется вещество-катализатор, которое вступает в реакцию с перхлоратами, разлагая их на менее токсичные соединения. Оно не требует дорогостоящих установок очистки с помощью высокой температуры и давления — только воду.

Салат с помидорами для колонистов

На Луне и Марсе нет почвенного покрова, только реголит. Основная составляющая грунта на Марсе — кремнезем (20–25%), содержащий примесь гидратов оксидов железа (именно они придают планете фирменный красноватый цвет), соединений серы, кальция, алюминия, магния, натрия (единицы процентов для каждого). Концентрация водяного льда в грунте — до 2% по весу. Лунный грунт — более сухой и рассыпчатый, похожий на пыль. Однако на Земле встречаются похожие почвы.

Химический состав грунта на Марсе и Луне во многом подобен тефре — пепельному слою, который образуется из осевших вулканических извержений. Например, в 2021 году марсоход Curiosity обнаружил, что грунт планеты очень напоминает по своему составу вулканические породы на Гавайских островах.

Из-за этого сходства ученые используют тефру в опытах по созданию симуляции марсианского и лунного грунта. Сам по себе он очень твердый и сухой. Это преграда для сельского хозяйства, но ее можно преодолеть с помощью удобрений. В 2013 году ученые из Вагенингенского университета даже попробовали вырастить на имитации марсианской почвы овощи: редис, помидоры, горох и салат.

Результаты оказались обнадеживающими. Все культуры дали хороший урожай, причем самым живучим и плодовитым оказался томат. А уровень тяжелых металлов (свинца, меди и кадмия) в плодах не превысил концентраций в обычной земной почве — а в некоторых образцах даже оказался заметно ниже. Хуже всего показали себя "лунные" образцы — выращенные на них растения оказались самыми тощими. Впрочем, удивительно уже то, что семена дали всходы. 

Одна из главных проблем для инопланетного земледелия — риск генетического вырождения. "Растения воспринимают среду лунного и марсианского грунта как стрессовую, — объясняет астробиолог Анна-Лиза Пол, которая не участвовала в исследовании. — Из-за этого могут активизироваться гены, связанные с выживанием. Если это будет продолжаться из поколения в поколение, объем урожая и его питательность будут падать".

Впрочем, это касается и людей. Например, опыты NASA с участием близнецов показали, что в космосе тело человека меняется: стенки сосудов утолщаются, в крови повышается уровень стрессовых (провоспалительных) веществ, в клетках чаще возникают мутации из-за воздействия радиации. Будут ли колонисты здоровыми — зависит не только от их диеты.