Avancerade biologiska ingenjörstekniker växer snabbt fram som kan leda till innovativa metoder för in situ biologiska tillverkningstekniker med användning av mikrober och växter, och tillhandahålla medel för att skapa hållbar teknik för både framtida rymdutforskning och markbaserade tillämpningar. Kredit:NASA
Kan jordbor leva på Mars? Det kan de om de utvecklar självförsörjning. NASA satsar på ett team med flera institutioner av de bästa och smartaste, inklusive forskare från Utah State University, att skapa den nödvändiga tekniken och lägga den i händerna på framtida Mars-pionjärer.
Biokemisten Lance Seefeldt och botanikern Bruce Bugbee står i centrum för de 15 miljoner dollar, femårigt projekt tillkännagav 16 februari, 2017, av NASA för att initiera det nya Space Technology Research Institute, "Centrum för utnyttjande av biologisk teknik i rymden" eller KUBER.
"Det är en riktigt spännande satsning, säger Seefeldt, professor vid USU:s institution för kemi och biokemi. "NASA går bortom jordnära projekt och investerar i teknik för att göra långvariga rymduppdrag möjliga och hållbara."
Tänk på utmaningen som väntar Mars-astronauter, han säger.
"Det tar minst två år att få leveranser från jorden till Mars, ", säger Seefeldt. "Den tillförselledningen är för långsam och kostsam, så nyanlända Mars-utforskare kommer att behöva skapa sin egen mat, läkemedel och infrastruktur."
Bugbee säger att varje uns av en rakets nyttolast driver upp kostnaden för att få den uppskjuten i rymden.
"Det vanliga ordspråket att allt är värt sin vikt i guldringar, särskilt i rymden, " han säger.
En professor vid USU:s institution för växter, Jordar och klimat, Bugbee har samarbetat med NASA i mer än 30 år för att studera regenerativa system och effekterna av mikrogravitation på växter.
Att odla mat och producera andra förnödenheter även på syre- och kväverik jord är ingen liten utmaning. Det var knappt ett sekel sedan tyska kemister Haber och Bosch kom på ett sätt att fånga upp kväve, som allt levande är beroende av men inte kan komma åt från luften, och producera kommersiella kvantiteter av livsuppehållande gödselmedel. Hur kommer Marsbönderna att klara en mer komplicerad uppgift?
"För Mars, vi har bara koldioxid, lite kväve och lite ytvatten att arbeta med, säger Seefeldt.
Avbildning av en Mars-station, där Mars-utforskare skapar en självförsörjande gemenskap. Utah State University-forskarna Lance Seefeldt och Bruce Bugbee är en del av det NASA-finansierade Space Technology Research Institute 'CUBES' som syftar till att göra det möjligt att odla mat på Mars. Kredit:Bossinas, NASA
Lyckligtvis, USU kemisten når redan bortom Haber-Bosch eftersom, hur revolutionerande det än var, 1900-talets teknologi är beroende av fossila bränslen och har ett tungt koldioxidavtryck.
"Vi vet att vi kan initiera kvävefixering - processen genom vilken kväve omvandlas till ammoniak - med hjälp av bakterier och detta är den riktning vi kommer att följa för att bestämma hur vi ska utföra denna uppgift på Mars, " säger Seefeldt. "För att göra detta, vi behöver ljus och även om det är mer spritt på Mars än jorden, Den är tillgänglig."
När det hindret är undanröjt, det handlar om livsmedelsproduktion och vem är bättre att ta sig an denna utmaning än Bugbee, vars arbete med alla aspekter av att odla växter i slutna system har hjälpt astronauter och kosmonauter att odla växter ombord på skytteln och den internationella rymdstationen (ISS). Men det arbetet har inte varit med den ena lilla och noggrant skötta grödan efter den andra eftersom, för nästan 12 år sedan, finansieringen för NASA skars ned och byrån stoppade nästan all biologisk forskning. Bugbee och USU-kollegor Scott Jones, markforskare och Gail Bingham, emeritus professor i växtvetenskap, fortsatt, med ryska kollaboratörer, att samla in data och skicka växter och växtkammare till ISS på ryska raketer.
"Den centrala utmaningen är att odla mat från återvunnet avfall i en liten, slutet system, " Bugbee säger. "Att utforska Mars innebär nästan perfekt återvinning av vatten, näringsämnen, gaser och växtdelar som inte förbrukas. Vi börjar med en återvinning, hydroponiska systemet och gradvis expandera till att omfatta marsjord."
Utah State University professorer Bruce Bugbee, vänster, och Lance Seefeldt är utredare på NASA:s nystartade 'CUBES' rymdteknologiforskningsinstitut, som utvecklar sätt att göra långvariga rymduppdrag hållbara. Kredit:Mary-Ann Muffoletto, Utah State University
Han tillägger att livet på Mars kommer att upprätthållas av en strikt vegansk kost, eftersom animaliska produkter är för dyra att producera. Vissa föreslår att långvariga rymdfarare bara borde leva på vitaminpiller, torkad mat och vatten, men Bugbee varnar för att det finns mycket vi inte vet om vikten av kostmångfald.
"Varje dag, vi äter produkter från hundratals växter, ” han säger. ”De flesta dietister rekommenderar en diet baserad på minst hundra olika växter; NASA-ingenjörer skulle bara vilja odla cirka fem växter. Svaret ligger någonstans mittemellan."
Seefeldt säger att sätta mat på bordet, oavsett om det är på jorden eller Mars, ska inte tas för givet.
"Här på jorden, i områden som det torkadrabbade Afrika, där infrastrukturen ännu inte är på plats för att dra nytta av hundraårig teknik, vi står fortfarande inför utmaningen att producera tillräckligt med protein för att mata hungriga människor, " säger han. "Det vi lär oss av att mata människor på Mars kommer att främja våra ansträngningar på denna planet."
Seefeldt berömmer multiinstitutionsteamets insatser, som inkluderar forskare från University of California, Berkeley; University of California, Davis och Stanford University, samt industriella partners Autodesk och Physical Sciences, Inc.
"Vi applåderar särskilt huvudutredaren Adam Arkin vid UC Berkeley, som tog denna mångsidiga samling av vetenskapsmän och expertis och gav den en, stark röst, " säger han. "Detta är ett exceptionellt team och dess ansträngningar kommer att skapa fantastiska möjligheter för studenter vid vart och ett av dessa universitet."
