Cuando los seres humanos comiencen a vivir en el espacio durante largos períodos de tiempo, deberán ser lo más autosuficientes posible. Lo mismo se aplica a los asentamientos construidos en la Luna, Marte y otros cuerpos del Sistema Solar. Para evitar depender por completo de las misiones de reabastecimiento de la Tierra (que es costosa y lleva mucho tiempo), los habitantes deberán recolectar recursos localmente, también conocido como. Utilización de recursos in situ (ISRU).
Esto significa que tendrán que conseguir sus propias fuentes de agua, materiales de construcción y cultivar sus propios alimentos. Si bien la ISS ha permitido todo tipo de experimentos relacionados con la hidroponía en el espacio, se ha hecho poco para ver cómo le va al suelo en microgravedad (o gravedad más baja). Para abordar esto, Morgan Irons, director científico de la empresa emergente con sede en Virginia Ecología del espacio profundo (DSE) – le envió recientemente Salud del suelo en el espacio experimento a la ISS.
El experimento, Determinación de los efectos gravitacionales sobre la estabilidad del suelo para la agricultura en ambiente controladofue patrocinado a través de la beca de Morgan con el Instituto Norfolk – que proporcionó subvenciones de numerosas empresas (incluida DSE). Un acuerdo entre el Instituto Norfolk y rodio científico, llc (un socio oficial de implementación de vuelos espaciales de la ISS Laboratorio Nacional de EE. UU.) proporcionó acceso a las oportunidades de lanzamiento de la NASA y la ISS.
El experimento lanzado para la ISS el 2 de octubre de 2020, de la instalación de vuelo Wallops de la NASA cerca de Wattsville, Virginia. Como una de varias cargas útiles científicas y demostradores de tecnología, esta tiene el honor de ser la primera de su tipo en ser enviada a la ISS. Si bien se han enviado semillas y plantas al espacio desde el comienzo de la era espacial, nunca se ha lanzado ningún suelo terrestre.
De hecho, todos los intentos anteriores para estudiar si las plantas terrestres pueden crecer en entornos no terrestres se han centrado en obtener muestras de regolito como la Luna, Marte, asteroides y otros lugares del Sistema Solar para ver si pueden usarse como suelo. Y en su mayor parte, los experimentos han involucrado simuladores en lugar de algo real (dado el costo de obtener muestras de regolito).
Este experimento, que examina los efectos que tienen los vuelos espaciales y la microgravedad en los agregados del suelo formados por hongos y bacterias, representa la culminación de años de trabajo y estudio del dúo padre-hija Lee y hierros morganquien cofundó Ecología del espacio profundo juntos. Como Lee le dijo a Universe Today por correo electrónico:
“La ecología del espacio profundo tiene que ver con la seguridad alimentaria. Debido a que Marte es el problema de seguridad alimentaria más desafiante, si podemos resolver el problema de Marte, entonces podemos resolver los problemas de seguridad alimentaria en cualquier parte de la Tierra, desde las salinas bajo el nivel del mar hasta el alto Himalaya, desde el Sahara hasta el Ártico, desde los lugares más remotos de la Tierra hasta los centros urbanos más densos”.
Lo correcto
La historia de DSE comenzó en 2016, poco después de que Morgan y Lee asistieran a la Cumbre de humanos a Marte (H2M) en Washington DC. Este evento anual, organizado por Explora Martereúne a investigadores de múltiples campos de estudio junto con expertos de la industria y personas de todo el mundo para discutir las últimas noticias en la exploración de Marte, así como lo que se necesita para que los humanos finalmente puedan vivir en Marte.
Mientras asistían a la conferencia, a Morgan y Lee les preocupaba que el enfoque de esta y otras conferencias como esta todavía estuviera en la historia de la exploración de Marte y la tecnología que se necesitará para hacer el viaje. Lo que faltaba era la pregunta de qué harán los humanos una vez que lleguen a Marte; es decir, ¿cómo van a cultivar sus propios alimentos de una manera que sea sostenible? Como relató Lee:
“Cuando vi que todavía se alentaba a los jóvenes a postularse para ser astronautas si deseaban trabajar en la industria espacial, supe que la industria espacial tal como existía no iba a hacer el trabajo. Y no somos los únicos que vieron esto. Conocemos a muchos que comenzaron sus negocios de New Space más o menos al mismo tiempo”.
Si bien muchas investigaciones se han dirigido a determinar si los cultivos de la Tierra pueden crecer en el regolito marciano, prácticamente no se ha hecho nada para abordar cómo ese suelo podría mantenerse rico en moléculas orgánicas y minerales (es decir, fértil) a lo largo del tiempo. Dado que estaba a punto de completar una tesis de doble honor en Ciencias Ambientales y Biología en Universidad de DukeCarolina del Norte, Morgan estaba fascinado y eminentemente calificado para abordar esta cuestión.
Desde enero de 2015, Morgan había estado investigando un modelo de Sistema Ecológico Cerrado (CES) que permitiría la habitación espacial sostenible. En el año escolar previo a su viaje a la conferencia H2M, desarrolló un procedimiento experimental para probar tratamientos previos en regolito marciano para ayudar a que las plantas crezcan en él. Mientras ella estaba en la conferencia, el Invernadero de la Universidad de Duke estaba recibiendo su envío de simulador de regolito de Marte.
Los frutos de este trabajo incluyen una modelo CES patentado que utiliza tres zonas para garantizar prácticas agrícolas sostenibles y seguridad alimentaria para hábitats fuera del mundo. Las tres zonas, en su disposición simple, forman círculos concéntricos y consisten en una zona de amortiguamiento ecológico (círculo exterior), una zona agrícola (segundo círculo) y habitación humana (círculo más interior).
Según la patente (presentada provisionalmente en julio de 2016 y concedida en mayo de 2018), este modelo “imita la capacidad autosuficiente y resiliente de la Tierra” y permitiría la creación de “habitaciones humanas autosuficientes y resilientes en el Luna y Marte y para la seguridad alimentaria y la mitigación del cambio climático en cualquier parte de la Tierra”.
Actualmente, Morgan está trabajando para obtener su Ph.D. en el Laboratorio Lehmann en la Universidad de Cornell, donde estudia los mecanismos de adhesión orgánica bacteriana en los agregados del suelo y sus efectos sobre la persistencia del carbono orgánico en el suelo. Su principal interés de investigación es comprender cómo se establecen los ciclos biogeoquímicos en los suelos aquí en la Tierra y en otros cuerpos astronómicos.
Él Salud del suelo en el espacio experimento es parte de su Ph.D. investigación, que se centra principalmente en determinar qué papel (si lo hay) juega la gravedad en la agregación del suelo impulsada por microbios y cómo esto afecta la salud general del suelo. Los resultados de este experimento se aplicarán a futuras misiones espaciales, pero también aquí en casa, donde se está degradando el suelo debido a la agricultura intensiva e insostenible y al cambio climático.
Morgan también es becaria de investigación de posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de 2020, becaria del Instituto Norfolk de 2019 y ganadora del premio Ken Souza Memorial Spaceflight de 2019 de la Sociedad Estadounidense de Investigación Gravitacional y Espacial (ASGSR). Su padre, lee hierrostambién es científico, además de ingeniero y empresario.
Su trabajo anterior incluye investigación sobre física de plasma espacial, producción de energía, descontaminación y remediación de entornos peligrosos y proyectos de ingeniería y construcción a gran escala, todo lo cual ha aprovechado para crear soluciones para la vida fuera del mundo.
Este mismo propósito motivó a Lee y dan lopez (empresario, tecnólogo y miembro de la Instituto SETI‘s Consejo de Asesores) para crear el Instituto Norfolk. Al igual que DSE, esta organización sin fines de lucro se dedica a crear sistemas de seguridad alimentaria que garanticen la resiliencia humana en el espacio y en la Tierra. Lee dijo:
“Hay una cierta cantidad de investigación y desarrollo que se logra mejor con medios sin fines de lucro mediante intereses con fines de lucro para ayudar a industrias enteras. Creamos el Norfolk Institute para realizar este tipo de trabajo en apoyo de las misiones de empresas como Deep Space Ecology, que intentan ayudar a la especie humana a sobrevivir y prosperar en nuestra Tierra y en nuestro universo.“
Gravedad y Suelo
Lejos de estar muerto o inertes, los suelos son entidades vivas que respiran y que están llenas de microorganismos, fauna del suelo, nutrientes, materia orgánica y minerales. Su capacidad para formar aglomeraciones (agregados) es fundamental para garantizar que mantenga su estructura y calidad a lo largo del tiempo, ya que los agregados juegan un papel importante en la regulación de los importantes procesos biogeoquímicos que hacen que el suelo sea fértil. Como explicó Morgan Irons a Universe Today a través de Zoom:
“Los agregados son parte de la estructura del suelo y, según el tamaño del agregado, afectará la porosidad de su suelo. La porosidad es, tal como suena, los poros que se encuentran en la estructura de su suelo. Los poros son tan importantes porque permiten que el agua se infiltre en la columna del suelo, [they] permiten que el aire entre y se intercambie y también permiten que las raíces de las plantas penetren fácilmente. Los agregados crean esta estructura de porosidad en su suelo que permite que sucedan estas cosas.“
Pero, como agregó Morgan, el papel de los agregados va más allá de simplemente ayudar a mantener la estructura del suelo. De acuerdo con múltiples líneas de evidencia, se teoriza que también protegen la materia orgánica a largo plazo. Esto se debe al hecho de que no toda la materia orgánica que se agrega al suelo es descompuesta automáticamente por los microorganismos en sus componentes químicos que las plantas consumen inmediatamente o se filtran a las columnas del suelo.
En algunos casos, las moléculas orgánicas tendrán minerales del suelo ocluidos, creando una envoltura protectora que las bacterias no pueden penetrar. Morgan dijo:
“La materia orgánica se puede proteger dentro de estos agregados del suelo, y esto conduce a la retención a largo plazo oa la persistencia a largo plazo de la materia orgánica del suelo. Materia orgánica del suelo o persistencia del carbono orgánico es muy importante para la fertilidad del suelo porque usted no quiere que su fuente de nutrientes simplemente corra a través de la columna del suelo o se descomponga rápidamente. Si no está alcanzando la tasa de entrada a la tasa de absorción, su suelo será bastante deficiente en nutrientes. Por lo tanto, tener materia orgánica secuestrada puede ayudar con la fertilidad a largo plazo de su suelo”.
El propósito de su Salud del suelo en el espacio experimento es ver qué efecto (si lo hay) tendrá la microgravedad en la capacidad de una muestra de suelo para formar microagregados o macroagregados que secuestrará los nutrientes. Macroagregados son grandes montones de tierra que uno encontraría si hundiera sus manos en un montón de tierra, los microagregados son mucho más finos.
Dado que el suelo viene en muchas variedades diferentes, lo que influye en su capacidad para cultivar plantas, Morgan y sus colegas eligieron tres muestras de suelo para sus experimentos. Estas muestras se dividen en tres categorías distintas: fibroso, orgánicoy rico en arcilla (limosos), y fueron elegidos en base a sus composiciones y texturas particulares.
Él muestra fibrosa fue proporcionado por bio365, un fabricante comercial de suelos ricos en nutrientes para la agricultura comercial con sede en Ithaca, NY. Este suelo fue específicamente diseñado y fortificado con biocarbón (carbón vegetal natural producido a partir de biomasa descompuesta) para garantizar que estuviera cargado de nutrientes y material orgánico.
Él muestra organicapor su parte, es un suelo mineral aportado por Dr. Matthias Rillig (profesor de biología) en Universidad Freie de Berlín. Compuesto principalmente de arena concentrada, este suelo es altamente poroso y está formado por partículas de arena más grandes. También contiene mucho material orgánico y tiene una alta densidad, lo que lo hace “hidrofóbico (lo que significa que no absorbe bien el agua).
Él muestra rica en arcilla también procedía de Ithaca, concretamente de una granja orgánica en el campus de la Universidad de Cornell. Este tipo de suelo es común en el estado de Nueva York y se remonta al último período glacial (hace aproximadamente 115 000 – 11 700 años). Sus orígenes materiales (material parental) son «glaciolacustres», porque provino de las capas de hielo en retirada que rasparon material de la región de los Grandes Lagos y se depositaron en otros lugares como suelo.
En comparación con las otras muestras, este suelo tiene tamaños de poro más pequeños y una mejor probabilidad de agregación que el suelo arenoso (la muestra de Berlín). Entre estas muestras, Morgan está investigando los efectos de la gravedad (o la falta de ella) en la producción de micelio fúngico y la producción de adhesivo orgánico bacteriano (retención) en el suelo, los efectos resultantes en la estabilidad de los agregados del suelo y la oclusión de carbono orgánico dentro de esos agregados.
Comprender los efectos gravitatorios sobre la dinámica funcional y ecológica de los microorganismos del suelo y, por lo tanto, la biogeoquímica del suelo permitiría la agricultura en el espacio. apoyando así los objetivos de la ecología del espacio profundo. Como dijo Morgan:
“Las diferentes texturas entre estos suelos minerales nos permiten estudiar la formación potencial de microagregados frente a macroagregados, para ver si realmente pueden formarse en un ambiente de microgravedad. Y si se forman en un ambiente de microgravedad, hacemos la pregunta, ¿Es por la microorganismos, produciendo adhesivos orgánicos en el suelo que crean las interacciones orgánico-minerales necesarias?’ Si estos agregados aún se están formando, probablemente significa que el mecanismo microbiano que permite que esto suceda no depende necesariamente de la gravedad”.
En definitiva, el experimento busca investigar si la gravedad forma parte o no del mecanismo que permite a los microorganismos realizar la función de formación de agregados. Dado que estos microorganismos evolucionaron en los suelos aquí en la Tierra, se supone ampliamente que si se los saca de la gravedad de la Tierra, es posible que no funcionen de la misma manera. Pero como indicó Morgan, los estudios de plantas a bordo de la ISS ya han demostrado que este no es siempre el caso.
“A veces, la gravedad, siendo este enorme vector de fuerza, tiene este efecto de enmascaramiento, donde cubre u oculta lo que realmente está sucediendo en ese nivel mecánico fundamental”, dijo. “Entonces, si elimina ese enorme vector de fuerza de esa ecuación, y todo sigue funcionando de la misma manera, debe preguntarse qué es lo que realmente impulsa a esta planta, este sistema, a funcionar de esta manera”.
El experimento
Él Salud del suelo en el espacio El experimento consiste en dividir las tres muestras de suelo y colocarlas en 12 viales de 4 ml (0,135 onzas líquidas). Luego, cada conjunto de 12 se subdividió en dos grupos de seis, que Morgan llama el grupo de «flotación libre» y «movimiento restringido». En el primero, el suelo puede flotar libremente en microgravedad, mientras que el segundo estaba equipado con tapones de malla que sujetan el suelo pero permiten el paso del agua y el aire.
Como dijo Morgan, el propósito de esto es ver qué efecto tendrá en el microbioma del suelo permitir que floten libremente en lugar de mantenerse juntos. Y anticipan que los resultados serán un poco mixtos:
“Permitir la flotación libre frente al movimiento restringido nos permite probar el efecto abiótico de la estructura del suelo en el microbioma del suelo. Esto entra en una de nuestras hipótesis en las que pensamos que los hongos no necesariamente lo harán tan bien si se permite que el suelo flote libremente. Entonces, podríamos ver un cambio en la población donde las poblaciones de hongos podrían disminuir mientras que las poblaciones de bacterias permanecen iguales o aumentan.
“Las bacterias tienden a decir dónde están: se adhieren a un mineral, se adhieren a la materia orgánica y están listas para funcionar. Mientras que con los hongos, confían en su red de micelio a través de la muestra de suelo. Y si rompes esa estructura, donde ahora está flotando libremente, es posible que los hongos no funcionen tan bien. Esto, por supuesto, afectará la abundancia y la estabilidad de los agregados que podemos encontrar o no en las muestras”.
Pero no termina ahí. Para el siguiente tratamiento experimental, las muestras de movimiento restringido y de flotación libre se subdividieron cada una en dos grupos de tres, a los que luego se les administró agua al 60 % y al 30 % de sus respectivas capacidades de retención. como morgan explicó, todas las muestras debían secarse al aire de antemano y solo podían regarse en el sitio de lanzamiento (lo que ella misma hizo) poco antes del despegue:
“Justo antes del lanzamiento, justo antes de entregarlos, yo [gave them] agua para activarlos. Porque tan pronto como el agua los golpea y se les permite ingresar a ese entorno, los microorganismos comienzan a amplificar sus procesos microbianos. El uso de una capacidad de retención de agua del 30 % frente al 60 % nos permite probar el efecto biótico de la actividad microbiana en el suelo: el 30 % son condiciones similares a las de sequía, mientras que el 60 % son condiciones óptimas de agua. Los microorganismos en los tubos al 30 % podrían no funcionar con la misma capacidad que los microorganismos en los tubos al 60 %”.
A partir del 15 de octubre, la NASA indicó a través del Informe de estado en órbita de la ISS que la tripulación había retirado las cinco cámaras del experimento de su ubicación de almacenamiento a bordo de la nave espacial Cygnus y había colocado las muestras en almacenamiento en frío.
Resolviendo para la Tierra
Para citar al famoso comunicador científico, el Dr. Sian Proctor, «Resolver para el espacio resuelve para la Tierra». Esto es especialmente cierto cuando se describe la ecología del espacio profundo y sus experimentos, que se centran en el desarrollo de sistemas que aprovechan la ciencia y la biología modernas con conocimientos antiguos y «mejores prácticas» que permitirán a los humanos cultivar en entornos extremos.
Después de todo, la agricultura es la ciencia más antigua conocida por la humanidad, que existe desde hace más de 11.500 años. Y como dijo Morgan, nuestros antiguos ancestros que lo practicaban eran científicos, en cierto modo:
“Durante miles de años, hemos tenido grupos indígenas de personas que practican la agricultura y han podido hacerlo de manera sostenible porque han [learned] a través de prueba y error. Ellos mismos [were] Los científicos al aprender lo que funcionó y lo que no funcionó, entendieron cómo trabajar con su entorno de una manera sostenible que tuvo en cuenta cómo funcionan los ecosistemas y cómo se puede mantener durante generaciones y generaciones”.
Un buen ejemplo, que cita Morgan, es la civilización nabatea que vivió en el desierto de Negev, entre la actual Jordania, Egipto y Arabia Saudita, desde el 4el siglo a. C. al 106 d. C., centrado alrededor de la antigua ciudad de Petra. En su apogeo, esta civilización pudo mantener una población de 30.000 personas en el desierto gracias a su sistema de agricultura y transporte acuático.
Las hazañas de ingeniería que condujeron a esto, según Morgan, continúan asombrando a los arqueólogos hasta el día de hoy:
“Cuando los científicos y arqueólogos modernos comenzaron a investigar esta área e investigaron la ciudad de Petra… lo que encontraron fue el sistema de recolección de agua, las cisternas de almacenamiento de agua, [and] los sistemas de irrigación de tecnología de tuberías que usaron durante el siglo IV a. C. hasta el 106 d. C. eran todos ‘mejores prácticas’.
“En otras palabras, los ingenieros no podrían hacerlo mejor como si trataran de recrearlo en la actualidad con los mismos materiales y es porque los nabateos buscaron entender su paisaje. [and] como el agua naturalmente se movió a través de su paisaje to desarrollar la tecnología más eficiente y sostenible.“
Hoy en día, la agricultura es muy diferente, debido a una combinación de factores. Por un lado, la colonización europea de América, África y Asia (16el a principios de 20el siglo) condujo a la destrucción y traslado forzoso de las comunidades indígenas. También condujo a que el conocimiento y las prácticas locales que tenían que ver con vivir de manera sostenible con la tierra fueran reemplazadas por prácticas agrícolas europeas (que enfatizaban el rendimiento).
Otro factor importante fue la Revolución Industrial (ca. mediados de 18el a principios de 20el siglo) que resultó en la introducción de maquinaria agrícola que podría soportar operaciones a mayor escala. Esta tendencia se ha intensificado con el “Revolución verde” de las décadas de 1950 y 1960, que introdujo más fertilizantes químicos, insecticidas y herbicidas, y manejo intensivo de la tierra, así como la introducción de cultivos genéticamente modificados.
Estas prácticas no son sostenibles y están provocando la degradación del suelo y la desaparición de tierras cultivables en todo el mundo. Esto sucede en un momento en que la población mundial sigue creciendo y cada vez se reserva más tierra para la infraestructura urbana. También está contribuyendo al creciente problema del cambio climático. Como resumió Morgan, la degradación del suelo significa que se elimina menos carbono de nuestra atmósfera con el tiempo:
“Nuestro paisaje terrestre es el mayor sumidero de carbono orgánico de la Tierra. El suelo retiene una gran cantidad de ese carbono en formas orgánicas y, por lo tanto, tiene una estructura de suelo que permite que la materia orgánica esté protegida, persista o sea secuestrada en una piscina y no se descomponga y libere como CO.2 regresa a la atmósfera, también es muy importante para el cambio climático.“
En resumen, el desarrollo de métodos para la agricultura sostenible no solo garantizará que las personas que viajen al espacio o vivan en otros planetas tengan suficiente para comer, sino que también permitirá el rejuvenecimiento del suelo aquí en casa. Uno de los primeros pasos es determinar si la salud del suelo y las plantas terrestres necesitan gravedad para crecer y prosperar.
La respuesta a esta pregunta tendrá implicaciones drásticas para la producción de alimentos en el espacio, en la Luna, en Marte y en cualquier otro lugar del Sistema Solar que la humanidad elija para establecer una presencia duradera. Morgan y sus colegas sospechan que la presencia de la gravedad terrestre (1 gramo) puede no siempre será un factor esencial, lo que significa que las plantas podrían cultivarse en el espacio o en otros cuerpos terrestres usando suelo real (y no solo hidroponía).
Sin embargo, si la gravedad de la Tierra es esencial, eso significa que todas las futuras instalaciones espaciales tendrán que depender de la gravedad artificial para cultivar sus alimentos. En cuanto a lugares como la Luna y Marte, donde la gravedad es menor, se necesitarán más experimentos para determinar en qué medida la gravedad más baja afectará nuestra capacidad para cultivar.
En la actualidad, DSE ha producido conceptos para tres generaciones del Sistema agroecológico casi cerrado de Marte – alias. Mars Epoch X1 a X3: eso permitiría una adaptación y asentamiento graduales en Marte. Como puede ver en las imágenes publicadas arriba (y el video a continuación), estos diseños requieren la creación de sistemas ecológicos cerrados dentro de cúpulas selladas y transparentes, y vienen en muchas formas y tamaños.
En el aspecto comercial, Lee Irons indicó que en 2021, DSE implementará una interfaz de cliente, donde los clientes pueden responder preguntas específicas sobre lo que están buscando. Esto se combinará con un catálogo de productos y servicios que DSE ofrecerá a los clientes potenciales. Esta interfaz incluirá una línea de productos y servicios Earth que se anunciará próximamente.
“Hemos demostrado que nuestro pensamiento está en la dirección correcta”, dijo Lee. “Nuestro director científico, Morgan Irons, es titular de una patente, becario de investigación graduado de la Fundación Nacional de Ciencias y estudiante de doctorado en la universidad agrícola más importante del mundo, la Universidad de Cornell, y actualmente tiene un experimento en la Estación Espacial Internacional. Tenemos soluciones del mercado de la Tierra e iniciativas relacionadas planeadas para las cuales estamos buscando financiamiento de inversión”.
Para obtener más información sobre su investigación, servicios y visión a largo plazo, consulte el Ecología del espacio profundo y Instituto Norfolk sitios web
Otras lecturas: Ecología del espacio profundo, Instituto Norfolk
