Замкнутые пищевые системы для Марса

Выращивание пищи вне Земли — это не земледелие, перенесённое под крышу. Это задача инженерии жизнеобеспечения, в которой посев служит одним из узлов контура, замыкающего заодно атмосферу, воду и отходы, и каждый его элемент оценивается против простой альтернативы — взять запас с собой.

Размен, который решает всё#

Сравнение ведут по эквивалентной системной массе: массу оборудования, герметизируемый объём, электрическую мощность, сброс тепла и время экипажа приводят к общему массовому штрафу, и тогда камеру выращивания можно взвесить против вытесняемого ею запаса продовольствия. Взятая с собой еда — это масса, растущая линейно с длительностью экспедиции; растущая система — крупное разовое вложение, которое амортизируется. Ниже некоторой длительности снабжение выигрывает всегда, поэтому вопрос ставят для Марса, а не для недели на орбите.

Решающим членом обычно оказывается энергия. Фотосинтез переводит в биомассу лишь малые проценты падающей фотосинтетически активной радиации, поэтому обеспечение суточной энергетической потребности одного человека означает подведение, а затем и отвод существенной постоянной электрической нагрузки на освещение. На поверхности Марса солнечная облучённость примерно вдвое ниже, чем на орбите Земли, и дополнительно срезается пылью, так что естественный свет нагрузку снижает, но не снимает.

Какие культуры и почему станционные — не они#

Выбор культур подчинён двум отношениям. Уборочный индекс — доля биомассы, приходящаяся на убираемый орган; съедобная доля — сколько из неё человек в самом деле может съесть. Несъедобная биомасса не бесплатна: она израсходовала свет, воду и азот и стала потоком отходов, который контур обязан переработать. Поэтому носителями калорий в замкнутой системе оказываются культуры с высоким уборочным индексом и плотным запасающим органом — пшеница, картофель, батат, — а не листовые.

Растительные эксперименты на Международной космической станции намеренно устроены иначе. Мелкие салатные культуры коротки по циклу, нетребовательны к мощности и мирятся с крошечной камерой; они дают экипажу свежие микронутриенты, аскорбат и калий и документированный психологический эффект, но практически не дают калорий. Это эксперименты по оборудованию и биологии в невесомости, а не источник питания, и различие стоит удерживать, потому что его часто размывают.

Замыкание по азоту и атмосфере#

Азот — самый неудобный элемент. Большая часть потреблённого экипажем выходит мочевиной с мочой, и чтобы вернуть её растению, азот нужно извлечь и подать в виде нитрата или аммония, не накапливая солей, — то есть нужна микробная нитрификация, а значит, живое и устойчивое микробное сообщество внутри системы, которая обязана при этом не накапливать патогены. Стерильность здесь не вариант; вариант — управление.

Замыкание по атмосфере тоже неполно. Дыхание экипажа и ассимиляция растений обменивают кислород и углекислый газ в несовпадающих отношениях, поэтому реальной системе нужны буфер и физико-химический резерв. Опыт герметичных сред даёт предостережение: в «Биосфере-2» содержание кислорода падало месяцами — за счёт дыхания почвы и поглощения твердеющим бетоном, — и на выяснение причины ушло немало времени. Замкнутый контур отказывает по тому члену, который никто не внёс в модель, и до сих пор ни одна система не работала замкнутой, в масштабе экипажа, в течение времени экспедиции.