Создание постоянных баз на Луне невозможно без автономного производства продуктов питания. Доставка каждого килограмма продовольствия с Земли чрезвычайно дорога, поэтому будущим исследователям потребуется выращивать овощи, злаки и другие культуры непосредственно на поверхности спутника. Однако лунная среда практически не пригодна для земного сельского хозяйства.
Новое исследование японских учёных предлагает необычное решение одной из главных проблем. Исследователи разработали компактную плазменную систему, которая способна производить азотное удобрение из обычного воздуха с минимальными затратами энергии. Эксперименты показали, что такая технология позволяет успешно выращивать рис в имитаторе лунного грунта, значительно улучшая его свойства. Работа открывает перспективы создания практически замкнутых сельскохозяйственных систем для будущих лунных поселений.
Почему выращивать растения на Луне так сложно
На первый взгляд может показаться, что достаточно привезти семена, воду и организовать теплицу. На практике всё значительно сложнее.
Главная проблема заключается в самом лунном грунте — реголите.
В отличие от земной почвы он:
- не содержит органических веществ;
- практически лишён соединений азота;
- не имеет микроорганизмов, поддерживающих плодородие;
- обладает повышенной щёлочностью;
- содержит соединения, затрудняющие развитие растений.
На Земле плодородие почвы формировалось миллиарды лет благодаря деятельности микроорганизмов, растений и животных. На Луне подобных процессов никогда не происходило.
Азот — один из важнейших элементов для жизни растений
Для нормального роста растениям необходим азот.
Он входит в состав:
- белков;
- ферментов;
- хлорофилла;
- нуклеиновых кислот.
Именно благодаря азоту растения формируют зелёную массу, активно растут и образуют урожай.
На Земле азот постоянно поступает в почву благодаря бактериям, удобрениям и естественным природным процессам.
На Луне таких источников практически нет.
Поэтому будущим колонистам придётся самостоятельно производить необходимые соединения.
Учёные решили использовать плазму
Исследователи из Университета Тохоку совместно со специалистами Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) разработали компактное устройство, использующее плазменную технологию.
Плазму иногда называют четвёртым состоянием вещества.
Она представляет собой сильно ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц.
Под действием электрического разряда молекулы азота и кислорода начинают активно вступать в химические реакции, которые в обычных условиях происходят крайне медленно.
Именно этот принцип лёг в основу новой системы получения удобрений.
Удобрение получают буквально из воздуха
Разработанная установка использует в качестве исходного сырья обычный воздух.
При помощи плазмы образуется соединение под названием динитроген пентоксид.
После растворения в воде оно практически полностью превращается в нитраты — именно ту форму азота, которую способны усваивать растения.
Особенность технологии заключается в высокой эффективности процесса.
По данным исследователей:
- установка потребляет менее 100 ватт электроэнергии;
- практически весь образующийся газ растворяется в воде;
- полученный раствор сразу пригоден для использования в качестве удобрения.
В перспективе такую систему можно питать от солнечных батарей, которыми планируется оснащать будущие лунные базы.
Почему использовали именно рис
Рис является одной из важнейших сельскохозяйственных культур на Земле.
Он отличается высокой урожайностью и способен обеспечивать человека значительным количеством калорий.
Кроме того, рис хорошо изучен с точки зрения физиологии растений, поэтому часто используется в научных исследованиях.
В эксперименте семена высевали не в настоящий лунный грунт, а в его высокоточный лабораторный аналог — специальный материал, максимально воспроизводящий свойства настоящего реголита.
Что произошло после внесения нового удобрения
Результаты оказались весьма показательными.
Использование раствора значительно изменило химические свойства грунта.
Прежде всего уменьшилась его щёлочность.
Если первоначально показатель кислотности составлял около 9, то после обработки приблизился к 6,8 — диапазону, значительно более благоприятному для большинства растений.
Из грунта начали высвобождаться полезные вещества
Изменение кислотности оказалось полезным сразу по нескольким причинам.
Оно позволило увеличить доступность ряда необходимых элементов питания.
Растения получили больше:
- кальция;
- магния;
- калия.
Эти элементы участвуют в формировании клеточных стенок, обмене веществ и развитии корневой системы.
Без них полноценный рост растений невозможен.
Одновременно уменьшилось влияние токсичных веществ
Ещё одним важным результатом стало снижение выделения ионов алюминия.
В больших концентрациях алюминий способен:
- повреждать корни;
- замедлять рост;
- ухудшать поглощение воды;
- препятствовать усвоению питательных веществ.
После обработки новым раствором влияние этого элемента значительно уменьшилось, что дополнительно улучшило условия для роста растений.
Рис вырос значительно лучше
В течение нескольких месяцев исследователи наблюдали за развитием растений.
Сравнение с контрольной группой показало заметную разницу.
Там, где использовалась только вода, растения развивались значительно слабее.
После применения нового азотного раствора:
- ускорился рост;
- увеличилась зелёная масса;
- растения выглядели более здоровыми;
- спустя четыре месяца появилось колошение — важнейший этап формирования будущего урожая.
Это свидетельствует о том, что полученное удобрение действительно обеспечивает растения доступным азотом.
Технология помогает не только питать растения
Во время работы учёные обнаружили ещё один интересный эффект.
Если небольшое количество газа воздействовало непосредственно на листья растений, активировались механизмы их естественной защиты.
Исследователи зафиксировали усиление работы гормональных систем, связанных с устойчивостью к стрессу и болезням.
Кроме того, у растений уменьшалось чрезмерное вытягивание стеблей.
Такое свойство может оказаться особенно полезным в условиях пониженной гравитации, где рост растений способен отличаться от привычного земного.
Почему низкое энергопотребление особенно важно
Любая техника, работающая на Луне, должна максимально экономно расходовать энергию.
Будущие базы будут зависеть главным образом от солнечных батарей.
Чем меньше электричества потребуется для производства удобрений, тем проще окажется обеспечить работу всей сельскохозяйственной системы.
Разработанная установка потребляет менее 100 ватт мощности, что делает её весьма перспективной для автономных лунных теплиц.
Польза может оказаться не только космической
Авторы исследования подчёркивают, что технология представляет интерес не только для освоения Луны.
Сегодня производство азотных удобрений во всём мире в значительной степени зависит от ископаемого топлива и сопровождается большими затратами энергии.
Плазменный метод использует только электричество и атмосферный воздух.
Если подобные установки удастся масштабировать, они смогут стать экологически более чистой альтернативой существующим способам получения азотных удобрений.
Это особенно актуально для удалённых районов, где отсутствует крупная промышленная инфраструктура.
Ещё один шаг к автономным лунным базам
Новое исследование показывает, что даже крайне бедный лунный реголит можно сделать значительно более пригодным для выращивания сельскохозяйственных культур. Компактная плазменная установка не только обеспечивает растения необходимым азотом, но и одновременно улучшает химические свойства самого грунта, снижая его щёлочность и повышая доступность важных минеральных элементов.
До появления полноценных лунных теплиц ещё предстоит решить множество задач, включая организацию водоснабжения, освещения и замкнутого круговорота веществ. Однако разработка подобных технологий приближает момент, когда будущие исследователи смогут получать часть продуктов питания непосредственно на Луне, существенно снизив зависимость от регулярных поставок с Земли.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
