Τρεις εταιρείες αναπτύσσουν τεχνολογία για καλλιέργειες στη Σελήνη

Ρουκέτες, ρόβερ και σκάφη προσεδάφισης έχουν τραβήξει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον στη βιομηχανία του εμπορικού διαστήματος, καθώς οι Ηνωμένες Πολιτείες εστιάζουν στην επιστροφή ανθρώπων στη Σελήνη. Ωστόσο, ορισμένες εταιρείες δουλεύουν πάνω στο επόμενο κρίσιμο βήμα: το πώς θα τραφούν οι άνθρωποι όταν φτάσουν εκεί.

Η NASA στοχεύει να συγκροτήσει βάση στη Σελήνη από το 2028 και η παραγωγή τροφής θα είναι καθοριστική για τη διαρκή παρουσία εκεί, ώστε οι αστροναύτες να μπορούν να ανταποκριθούν σε αποστολές μεγάλης διάρκειας. Η υπηρεσία μελετά εδώ και χρόνια την ανάπτυξη φυτών σε συνθήκες μικροβαρύτητας στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Όμως θα χρειαστούν ακόμη χρόνια μέχρι οι αστροναύτες να μπορούν να φτιάξουν μια σαλάτα με προϊόντα που έχουν καλλιεργηθεί εξ ολοκλήρου στο διάστημα. Πιθανότατα θα χρειαστεί ακόμη περισσότερος χρόνος μέχρι οι πρόσθετες δοκιμές και οι νέες δυνατότητες να επιτρέψουν την κλιμάκωση της παραγωγής.

Κάποιες εταιρείες έχουν ήδη αναλάβει συμβάσεις για να αναπτύξουν την αναγκαία τεχνολογία, με στόχο τη δημιουργία ενός αξιόπιστου και θρεπτικού συστήματος τροφής για ανθρώπους στη Σελήνη — και ενδεχομένως πέρα από αυτήν.

Την άνοιξη, η NASA ζήτησε προτάσεις στο πλαίσιο του προγράμματος Small Business Innovation Research (SBIR) για τεχνολογίες ανάπτυξης φυτών και διαθέτει ήδη πολλαπλές ευκαιρίες συμβάσεων για παρόμοιες καινοτομίες.

Για τις επιχειρήσεις που ήδη αναπτύσσουν τέτοιου είδους τεχνολογία, αυτό είναι ένα ενθαρρυντικό σημάδι ότι τα συστήματα διαστημικής γεωργίας μπορεί να εξελιχθούν σε μεγαλύτερο κομμάτι της εμπορικής διαστημικής βιομηχανίας και ότι τα πειράματα και οι τεχνολογίες τους ίσως βάζουν τα θεμέλια για παραγωγή τροφής σε μεγάλη κλίμακα στη Σελήνη, στον Άρη και στο βαθύ διάστημα.

Σε όλο τον κλάδο, εταιρείες και ερευνητικές ομάδες κατασκευάζουν αρθρωτές μονάδες καλλιέργειας, βελτιώνουν σχέδια μεγαλύτερων σεληνιακών θερμοκηπίων, προετοιμάζονται να καλλιεργήσουν φυτά που είναι δύσκολο να αναπτυχθούν στη σεληνιακή επιφάνεια και αναπτύσσουν συστήματα παρακολούθησης που μπορούν να εντοπίζουν το στρες των φυτών πριν εμποδίσει την ανάπτυξή τους.

Μαζί, αυτές οι τεχνολογίες δίνουν μια εικόνα για το πώς θα μπορούσε να μοιάζει η παραγωγή τροφής εκτός Γης — σε διαστημικούς σταθμούς, στη Σελήνη και στον Άρη.

«Αν η αυτόνομη γεωργία σε ελεγχόμενο περιβάλλον και οι εμπορικές διαστημικές υποδομές συνεχίσουν να αναπτύσσονται όπως αναμένεται, η διαθέσιμη αγορά θα μπορούσε τελικά να στηρίξει μια εταιρεία με ετήσια έσοδα δεκάδων εκατομμυρίων δολαρίων», δήλωσε ο Fartash Vasefi, συνιδρυτής και τεχνολογικός διευθυντής της SafetySpect, εταιρείας που αναπτύσσει τεχνολογία περιβαλλοντικής και διατροφικής ασφάλειας.

Καλλιέργειες εκτός Γης

Η Σελήνη δεν αποτελεί φυσικό περιβάλλον για κήπο. Οι αστροναύτες θα πρέπει, λοιπόν, να μεταφέρουν μαζί τους όλα τα απαραίτητα για να τον δημιουργήσουν.

Η NASA έχει χρηματοδοτήσει πολλές πρωτοβουλίες για την ανάπτυξη περιβάλλοντος καλλιέργειας, ώστε να τρέφονται πληρώματα σε τροχιά, στη Σελήνη ή σε άλλους πλανήτες, με διαφορετικές ομάδες να σχεδιάζουν θαλάμους ανάπτυξης, θερμοκήπια και άλλες τεχνολογίες για γεωργία εκτός Γης.

Δύο χαρακτηριστικές περιπτώσεις δείχνουν πώς οι ίδιες έννοιες και τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην καλλιέργεια τροφής στη Γη μπορούν να προσαρμοστούν σε εχθρικά περιβάλλοντα. Το Lunar Effects on Agricultural Flora (LEAF), ένα επιστημονικό πείραμα που αναπτύσσει η Space Lab Technologies για αποστολή προσεδάφισης Artemis στη Σελήνη, θα μελετήσει πώς το περιβάλλον της Σελήνης επηρεάζει την ανάπτυξη και τη θρεπτική αξία των φυτών.

Την ίδια ώρα, η Interstellar Lab εργάζεται πάνω σε ένα θερμοκήπιο που, σύμφωνα με την εταιρεία, θα μπορεί τελικά να συντηρεί ανθρώπινα πληρώματα σε άλλους πλανήτες.

Το LEAF επιλέχθηκε τον Μάρτιο του 2024 ως ένα από τα τρία επιστημονικά πειράματα της αποστολής Artemis 3 και περιλαμβάνει την κατασκευή ενός μικρού θαλάμου ανάπτυξης με ηλιακή τροφοδοσία, ο οποίος θα τοποθετηθεί στη σεληνιακή επιφάνεια κατά τη διάρκεια μελλοντικής επανδρωμένης αποστολής.

Ο θάλαμος θα φιλοξενεί τρία φυτά — δύο ποικιλίες brassica rapa, που ανήκουν στην οικογένεια της μουστάρδας, και το thale cress — τα οποία επιλέχθηκαν για το ιστορικό τους στην ανάπτυξη στο διάστημα, τη διατροφική τους αξία, το μικρό τους μέγεθος και την ταχεία ανάπτυξή τους. Με την ενέργεια των ενσωματωμένων ηλιακών πάνελ, ο στιβαρός, κουτιόσχημος θάλαμος θα στηρίζεται στη σεληνιακή επιφάνεια πάνω σε τέσσερα ανοιχτά πόδια και θα παρέχει αυτόνομα το απαραίτητο φως, τα θρεπτικά στοιχεία, το νερό και την ατμόσφαιρα ώστε τα φυτά να αναπτυχθούν για τρεις έως πέντε ημέρες. Το πλήρωμα θα αφαιρέσει δείγματα σποροφύτων και θα τα επιστρέψει στη Γη για ανάλυση.

Το πείραμα θα μελετήσει πώς η μερική βαρύτητα της Σελήνης και η διαστημική ακτινοβολία επηρεάζουν τη φωτοσύνθεση και τη θρεπτική σύσταση των φυτών. Θα εξετάσει επίσης αν υπάρχουν γενετικά χαρακτηριστικά που συμβάλλουν στην ανθεκτικότητα των φυτών στο σεληνιακό στρες. Ο στόχος είναι διπλός: να μάθουν οι ερευνητές πώς να επιλέγουν ή να διασταυρώνουν καλλιέργειες που είναι καταλληλότερες για ανάπτυξη, διατροφή και μετατροπή διοξειδίου του άνθρακα σε οξυγόνο στο διάστημα, και να βελτιώσουν τον εξοπλισμό ώστε τα φυτά να αναπτύσσονται καλύτερα σε σεληνιακές συνθήκες.

Με δεδομένες τις αλλαγές στα αρχικά σχέδια της NASA για το Artemis, το LEAF δεν έχει προγραμματισμένη εκτόξευση, αλλά αναπτύσσεται για μία από τις δύο σεληνιακές προσεδαφίσεις Artemis που σχεδιάζει η υπηρεσία για το 2028.

Ο θάλαμος ανάπτυξης φυτών βασίζεται σε σχεδόν 10 χρόνια τεχνολογικής εξέλιξης με υποστήριξη της NASA στη Space Lab. Η πρώτη σύμβαση της εταιρείας με τη NASA, το 2017, τη βοήθησε να κατασκευάσει έναν θάλαμο ανάπτυξης που μπορούσε τόσο να ποτίζει όσο και να συγκομίζει θρεπτικά υδρόβια φυτά σε μικροβαρύτητα, κατά τη διάρκεια πτήσης Blue Origin New Shepard το 2020 και το 2025 — τεχνολογία που αργότερα προσαρμόστηκε για το LEAF. Από τότε, η εταιρεία με έδρα το Boulder του Κολοράντο έχει εξασφαλίσει 19,3 εκατομμύρια δολάρια μέσω 15 συμβάσεων της NASA για τεχνολογία διαστημικής γεωργίας, μεταξύ των οποίων μια αυτόνομη συσκευή παρακολούθησης της υγείας των φυτών και ακόμη και ένα σχέδιο για θόλο θερμοκηπίου στον Άρη.

Τέτοιες βιοαναγεννητικές τεχνολογίες είναι κρίσιμες για τις αποστολές μεγαλύτερης διάρκειας και για πιο μακρινή εξερεύνηση του διαστήματος, είπε η Christine Chamberlain, αντιπρόεδρος και διευθύνουσα επιχειρηματική ανάπτυξη της Space Lab.

«Όταν αρχίσουμε να έχουμε μια πιο βιώσιμη παρουσία στο διάστημα, είτε σε LEO είτε σε μια βάση στη Σελήνη είτε στον Άρη, η ανάγκη να ανακυκλώνουμε, να επαναχρησιμοποιούμε ή να αναγεννούμε ό,τι καταναλώνουμε θα γίνεται όλο και πιο απαραίτητη, ώστε να μπορούμε να στηρίζουμε αυτή την εξερεύνηση χωρίς να χρειάζεται να παίρνουμε από τη Γη όλα όσα χρειαζόμαστε», είπε.

Οι τεχνολογίες διαστημικής γεωργίας έχουν επίσης σημαντικές εμπορικές προοπτικές, πρόσθεσε, επειδή τα φυτά που παράγονται σε αυτά τα συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιοπαραγωγή, οδηγώντας σε άλλα σημαντικά υλικά στο διάστημα, όπως φάρμακα, βιοκαύσιμα ή πλαστικά.

Η Chamberlain το έχει δει αυτό στην πράξη, καθώς η Space Lab έχει εργαστεί σε ξεχωριστό έργο, χρηματοδοτούμενο από τη NASA, για μια αναγεννητική μονάδα εξόρυξης σεληνιακών ορυκτών, η οποία θα καλλιεργεί φυτά για να υποστηρίζει τη διαδικασία εξόρυξης.

Στην ανάπτυξη θερμοκηπίων για άλλους κόσμους εργάζεται και η Interstellar Lab, η οποία ξεκίνησε το 2018 σχεδιάζοντας σεληνιακά θερμοκήπια που θα μπορούσαν να αναπαραχθούν στον Άρη. Από τότε, η νεοφυής επιχείρηση βιοκαλλιέργειας, με γραφείο στο Παρίσι και στο Kennedy Space Center, έχει αναπτύξει μικρότερα αυτόνομα συστήματα κλειστού κυκλώματος για την καλλιέργεια φυτών στο διάστημα.

Ένα από αυτά θα βρίσκεται στον διαστημικό σταθμό Haven-1 της Vast, που αναμένεται να εκτοξευθεί του χρόνου. Κατά τη διάρκεια τεσσάρων αποστολών σε τρία χρόνια, οι αστροναύτες θα μεταφέρουν θήκες με διαφορετικούς σπόρους και καλλιέργειες για τον θάλαμο ανάπτυξης φυτών. Το σύστημα θα χρησιμοποιεί AI για να βελτιστοποιεί και να διαχειρίζεται αυτόνομα σε πραγματικό χρόνο τη θερμοκρασία, τον φωτισμό, την άρδευση και άλλες συνθήκες ανάπτυξης, ενώ στη συνέχεια θα συλλέγει και θα αναλύει δεδομένα για την ανάπτυξη των φυτών.

Η Interstellar Lab έχει επίσης δημιουργήσει πρωτότυπα παρόμοιου συστήματος με έξι θαλάμους καλλιέργειας, το οποίο κέρδισε το μεγάλο βραβείο των 750.000 δολαρίων στο Deep Space Food Challenge της NASA το 2024, για χρήση από τη NASA σε χαμηλή γήινη τροχιά (LEO). Η εταιρεία έχει λάβει 1 εκατομμύριο δολάρια από την υπηρεσία για αυτή την τεχνολογία επιπέδου ετοιμότητας TRL 5.

Και τα δύο συστήματα LEO θα λειτουργήσουν ως προπομποί για σεληνιακές μονάδες καλλιέργειας φυτών. Ο αρθρωτός σχεδιασμός τους επιτρέπει τη δοκιμή διαφορετικών καλλιεργειών και συνθηκών ανάπτυξης, ώστε να βρεθούν τελικά οι καλύτερες επιλογές για ένα μεγαλύτερο σύστημα, είπε η Barbara Belvisi, ιδρύτρια και διευθύνουσα σύμβουλος της Interstellar Lab.

Στη συνέχεια, η Interstellar Lab θα επιχειρήσει να καλλιεργήσει ένα τριαντάφυλλο σε ένα μίνι θερμοκήπιο στη Σελήνη, πριν περάσει σε καλλιέργειες. Τα τριαντάφυλλα απαιτούν μεγαλύτερη ακρίβεια και έλεγχο από τα φυλλώδη λαχανικά ή τα microgreens, είπε η Belvisi.

«Αν μπορούμε να καλλιεργήσουμε ένα τριαντάφυλλο, μπορούμε να καλλιεργήσουμε σχεδόν τα πάντα», είπε η Belvisi. Η μονάδα θα εγκατασταθεί από το FLEX Rover της Astrolab στο πλαίσιο της Artemis 4 και θα μελετήσει τη διαδικασία άνθισης. «Αν μπορείς να ελέγξεις την άνθιση, μπορείς να ελέγξεις και την καρποφορία».

Αυτό το σύστημα θα πρέπει να είναι πιο αυτάρκες από τους τροχιακούς θαλάμους, ώστε να προστατεύει το φυτό από το σκληρό σεληνιακό περιβάλλον έξω από τα τοιχώματά του και ταυτόχρονα να παρέχει στο εσωτερικό τις ιδανικές συνθήκες και τα απαραίτητα στοιχεία.

Η Belvisi ποντάρει στα θερμοκήπια ως σε ένα μακροπρόθεσμο βιοαναγεννητικό σύστημα που αξιοποιεί με τον πιο αποδοτικό τρόπο το διοξείδιο του άνθρακα, παράγει οξυγόνο και συμβάλλει ταυτόχρονα στη σίτιση των αστροναυτών — στη Σελήνη και πέρα από αυτήν.

«Ένας αυτάρκης πολιτισμός στον Άρη χωρίς θερμοκήπιο δεν πρόκειται να υπάρξει», είπε. «Η Σελήνη προετοιμάζει την ανθρωπότητα να γίνει διαπλανητική, και προϋπόθεση για να ζήσουν άνθρωποι στον Άρη θα είναι να μπορούν να καλλιεργούν μόνοι τους την τροφή τους και να βρίσκουν ένα σύστημα που θα παράγει και οξυγόνο, γιατί αυτό χρειαζόμαστε για να επιβιώσουμε».

Αυτό καθιστά την εμπορική αγορά για θερμοκήπια στο διάστημα «τεράστια», είπε, αλλά η ανάπτυξή της εξαρτάται από το πόσο γρήγορα θα φτάσουν στη Σελήνη πύραυλοι, σκάφη προσεδάφισης και άνθρωποι. Εκεί, οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι στην πραγματικότητα δυσκολότερες από του Άρη, είπε η Belvisi, καθώς δεν υπάρχει ατμόσφαιρα, οι θερμοκρασίες είναι ακραίες και υπάρχουν μεγάλα διαστήματα σκοταδιού. Όμως η καλλιέργεια στον Άρη, που η εταιρεία ελπίζει να καταφέρει τελικά, θα φέρει ένα διαφορετικό σύνολο προκλήσεων — κυρίως το πώς θα διατηρούνται τα φυτά σε λήθαργο για τους περίπου εννέα μήνες που απαιτεί το ταξίδι εκεί.

Προς το παρόν, η Σελήνη είναι ο άμεσος στόχος και, προς το τέλος του έτους, η Interstellar Lab σχεδιάζει να επικαιροποιήσει τον σχεδιασμό του σεληνιακού της θερμοκηπίου. Η NASA έχει πρόσφατα δημοσιεύσει αιτήματα για πληροφορίες σχετικά με παρόμοια τεχνολογία.

Αισθητήρες για τον εντοπισμό στρες των φυτών

Πέρα από το σωστό περιβάλλον για ανάπτυξη, οι καλλιέργειες θα χρειάζονται στενή παρακολούθηση, ώστε να διασφαλίζεται ότι παραμένουν υγιείς και μπορούν να στηρίξουν τα πληρώματα που θα εξαρτώνται από αυτές.

Η SafetySpect αναπτύσσει έναν ανιχνευτή υγείας φυτών για να υποστηρίξει την καλλιέργεια στη Σελήνη, βασισμένο στην τεχνολογία που είχε αναπτύξει για τον έλεγχο τροφίμων στη Γη.

Με περισσότερα από 700.000 δολάρια σε βραβεία SBIR από το 2020 έως το 2024, η εταιρεία από τη Βόρεια Ντακότα ανέπτυξε και βελτίωσε μια φορητή συσκευή που βοηθά διάφορες κυβερνητικές υπηρεσίες να επιβεβαιώνουν τη σύσταση και τη φρεσκάδα των τροφίμων, ώστε να αποτρέπεται η απάτη στα προϊόντα, η λανθασμένη σήμανση και η αλλοίωση.

Η συσκευή χρησιμοποιεί φασματοσκοπία, δηλαδή την ανάλυση του τρόπου με τον οποίο η ύλη αλληλεπιδρά με το φως, για να μετρήσει τη μοριακή και βιολογική σύσταση ενός δείγματος τροφίμου και να εντοπίσει δείκτες φρεσκάδας. Στη συνέχεια, συνδυάζει αυτά τα δεδομένα με αλγορίθμους μηχανικής μάθησης για να αναγνωρίσει το δείγμα και τη διάρκεια ζωής του.

Αυτή είναι η βάση της τεχνολογίας εντοπισμού στρες των φυτών που αναπτύσσει η SafetySpect για τη NASA. Η εταιρεία έλαβε πέρυσι βραβείο φάσης 1 SBIR της NASA ύψους 156.000 δολαρίων για να αναπτύξει μια συσκευή απεικόνισης που σαρώνει τα φυτά για πρώιμα σημάδια στρες και τα συσχετίζει με περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η υγρασία, η θερμοκρασία, οι παθογόνοι μικροοργανισμοί και η ένταση του φωτός.

Αφού έλαβε σχόλια από τη NASA και άλλους εμπλεκόμενους για το αρχικό σύστημα, η SafetySpect υπέβαλε πρόσφατα αίτηση για βραβείο φάσης 2, ώστε να αναπτύξει έναν φορητό ανιχνευτή με ενισχυμένη AI, πιο εύκολο στη χρήση στο διάστημα.

«Μπορούμε κυριολεκτικά να προσαρμόσουμε το μοντέλο εκπαίδευσης στο διάστημα, μέσα στη φορητή συσκευή, επειδή… βλέπουμε τι συμβαίνει στο φυτό», είπε ο Vasefi. «Έτσι φροντίζουμε να επαναβαθμονομήσουμε το μοντέλο μας, ώστε να διασφαλίσουμε ότι αυτό το κακό συμβάν — ο θάνατος του φυτού — δεν θα συμβεί ποτέ».

Η συσκευή είναι φορητή, λειτουργεί με μπαταρία και περιλαμβάνει chip edge computing της NVIDIA για να τρέχει ένα μοντέλο AI ανεξάρτητα από σύνδεση στο cloud, είπε ο Vasefi. Επειδή μπορεί επίσης να αξιολογεί το βακτηριακό φορτίο, η συσκευή θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί και για ανάλυση ασφάλειας τροφίμων στο διάστημα, πρόσθεσε.

Η επιχορήγηση φάσης 2 θα στηρίξει πιλοτικές μελέτες ως βήμα προς την πλήρη εμπορική αξιοποίηση της συσκευής, είπε ο Vasefi. Η εταιρεία σχεδιάζει δοκιμές στο Kennedy Space Center της NASA και στη φουσκωτή σεληνιακή εγκατάσταση του University of North Dakota, συγκεντρώνοντας δεδομένα από πολλαπλά φυτά και την αντίδρασή τους σε διαφορετικές συνθήκες στρες για να εκπαιδεύσει το μοντέλο της. Η εταιρεία βρίσκεται επίσης σε συνομιλίες με τη Vast για να δοκιμάσει τη συσκευή σε προσομοιωμένο περιβάλλον. Στόχος, είπε ο Vasefi, είναι να χρησιμοποιηθεί το σύστημα σε έναν διαστημικό σταθμό.