فضانوردان در ایستگاه فضایی بین المللی در تلاش هستند گیاه در فضا پرورش دهند

یکی از مهم ترین پروژه های ناسا در چند سال اخیر، کشت گیاهان در فضا به منظور تامین غذای فراوان، متنوع و تازه برای فضانوردان، بهبود وضعیت روحی آنها و کاهش هزینه های ارسال غذا به فضا بوده است. این پروژه وجی (Veggie) نام دارد و ماموریت نهایی آن تهیه منابع غذایی طولانی مدت برای فضانوردان است.

اسکات کلی (Scott Kelly) رکورددار اقامت طولانی مدت پیوسته در فضا برای فضانوردان آمریکایی، یکی از معروف ترین افرادی است که در این پروژه فعالیت می کند. او در 27 دسامبر 2016 در توییتی که از ایستگاه فضایی بین المللی فرستاده بود، عنوان کرد به نظر می رسد گیاهانی که ما پرورش داده ایم، خیلی خوب نیستند. حق با او بود، زیرا تصویر پیوست شده نشان می داد از 4 گل آهاری، 3 تا تغییر رنگ داده و به دور خودشان پیچ خورده بودند.

گل های آهار (Zinnias) گل های رنگارنگی از خانواده نرگس (Daisy) هستند که در پروژه آزمایشی وجی مورد استفاده قرار گرفته اند. در آزمایش های قبلی، فضانوردان موفق به کشت کاهو شده بودند. گل های آهار دوره رشد طولانی تری (بین 60 تا 80 روز) نسبت به کاهو دارند و گیاه که در این مدت فرصت شکفتن داشت، با کمک نور نئون شکوفه داد.

در این مقاله شما می توانید با شروع پروژه کاشت گیاه در فضا و آینده آن آشنا شوید.

جویا ماتسا (Gioia Massa) از مدیران پروژه آزمایشگاه گیاهان ناسا می گوید این سیستم تولید گیاه بسیار ساده است. فضانوردان در سفرهای فضایی دوردست و طولانی مدت نمی توانند همه غذاهای مورد نیاز خود را حمل کنند و در جیره های غذایی آنها همه مواد مغذی وجود ندارد؛ به همین منظور به انباری جهت ذخیره مواد غذایی با ویتامین های اضافی نیاز دارند. همچنین آنها نیاز به روش هایی برای کسب اکسیژن بیشتر و بازیافت زباله دارند. باغ های فضایی از نظر تئوری می توانند به انجام همه این امور کمک کنند.

وجی و سیستم های دیگر فضایی به محققان کمک می کنند تا چگونگی تابش، فقدان تاثیر جاذبه و مقدار آب مورد نیاز برای رشد گیاهان را در شرایط دور از زمین و همچنین تاثیر مواد گیاهی را بر عملکرد مغز و بدن فضانوردان بررسی کنند. وجی، دستگاهی تاشو به وزن 18.6 کیلوگرم است. در بالای آن، جعبه مستطیلی کرم رنگی مشابه دستگاه های ضبط VCR قدیمی وجود دارد و یک روکش پلاستیکی روشن از آن آویزان کرده است که تا 158 سانتیمتر مربع از سطح کشت را پوشش می دهد و جو داخل آن را کنترل می کند و در آن از لامپ های LED قرمز، آبی و سبز برای نوردهی در آن استفاده می شود.

فضانوردان از قبل تعیین می کنند که چه میزان نور در هر روز باید بتابد، چقدر نور قرمز برای بهینه سازی فتوسنتز باید ساطع شود و چقدر نور آبی برای کنترل شکل و عملکرد گیاهان لازم است. پنکه ای داخلی برای تنظیم رطوبت هم در آنها وجود دارد. در واقع این نورهای مصنوعی و پنکه ها جایگزین نور خورشید و باد هستند. دانه ها در کیسه های کوچکی به نام بالش های گیاهی که از جنس تفلون کولار هستند، رشد می کنند. البته این کیسه ها پُر از دانه، کود و خاک هستند.

تاریخچه صد ساله

بیش از یک قرن است که مردم کشاورزی فضایی را در داستان های علمی – تخیلی پیش بینی کرده اند. در سال 1880 نویسنده علمی – تخیلی پرسی گرگ (Percy Greg) کتاب در امتداد منطقه البروج (Across the Zodiac) را در مورد فضانوردی که برای دفع زباله ها همراه با گیاهان به مریخ سفر کرد، نوشت. 15 سال بعد، کنستانتین تسیولکوفسکی (Konstantin Tsiolkovsky) دانشمند روس و ایده پرداز موشک های چند مرحله ای، «رویاهای زمین و آسمان» را نوشت و توضیح داد مسافران فضایی و گیاهان چگونه می توانند همراه با هم در یک سیستم بسته زندگی کنند.

در دهه 1950 بررسی این موضوعات به آزمایشگاه های علمی رسید. ناسا و نیروی هوایی آمریکا اقدام به رشد دادن جلبک کردند؛ البته به نظر می رسد جلبک ها طعم بدی داشته باشند، پُر از دیواره های سلولی غیر قابل تحمل هستند و بیش از حد پروتئین دارند. سپس دانشمندان شوروی آزمایش هایی را با کمک اکوسیستم های تقریباً خودکار و در نظر گرفتن پارامترهای اکسیژن – آب انجام دادند. در طولانی ترین دوره این آزمایش ها که 180 روز طول کشید، در اکوسیستم بسته ای به نام BIOS-3، خدمه 80 درصد غذای خود را از گندم و سبزیجات آن دریافت کردند.

سرانجام در سال 1982 وجود گیاهان در فضا به یک واقعیت تبدیل شد؛ زمانی که شوروی موفق به رشد یک گونه گلدار مربوط به کلم و خردل به نام شاهی گوش موشی یا Arabidopsis Thaliana در ایستگاه فضایی سالوت 7 شد. البته این عملکرد کوچکتر از آن بود تا به عنوان منبع غذایی در نظر گرفته شود.

در همین زمان در دهه 1980، جویا ماتسا در دبیرستان به مطالعات و آزمایش های کشاورزی مشغول بود و ناسا شروع به ساخت ماشین آلات گیاهی مدرن و سیستم تولید زیست توده کرد که برای آزمایش ایستگاه فضایی طراحی شده بود. هر وجه این دستگاه مستطیل شکل تقریباً به اندازه طول یک بازو بود و چهار حفره رشد مکعبی شکل در آن قرار داشت. این سیستم تولید زیست توده در شرکت اوربیتال تکنولوجیز (Orbitec) در ایالت ویسکانسین طراحی شد و در سال 2001 به ایستگاه فضایی ملحق شد. در این سیستم، خردل (Brassica Rapa) با کمک نور فلوئورسنت سفید به سرعت رشد می کرد. زمانی که محققان محصول بدست آمده را برای کنترل با گیاهان روی زمین مقایسه کردند، متوجه شدند که به علت رطوبت بالای حاصل از تعریق گیاهی، خردل فضایی باکتری و قارچ بیشتری دارد که این مشکل در مطالعات بعدی با کمک پنکه های موجود در دستگاه و کاهش رطوبت تا حدی برطرف شد.

پیشرفت های قرن جدید

سال 2002 ناسا سیستم تولید زیست توده را کنار گذاشت، اما روسیه به این آزمایش ادامه داد. در آن دهه گیاهان گندم کوتوله، نخود کوتوله و میزونا با موفقیت کشت شدند و در چهار نسل بعدی آنها هیچگونه اختلال ژنتیکی مشاهده نشد. در این زمان اوربی تک با مشورت ناسا، گیاهان دیگری را کشت داد؛ بنابراین زمانی که ناسا در 2012 جایزه ای برای باغ جدید فضایی در نظر گرفت، این شرکت چیزی برای نشان دادن خودش داشت؛ همان ابزار وجی که هدف آن تولید مواد غذایی در مقیاس خوراکی بود.

ماتسا بعد از گذراندن دوره فوق دکتری، انواع رسانه ها و محصولات مختلف را برای بالش های گیاهی مورد آزمایش قرار داد و این، عملی کردن تفکری بود که از دوازده سالگی به آن مشغول بود. اولین باغ فضایی آمریکا در 2014 به فضا فرستاده شد، مدت کمی بعد ماتسا به عنوان یک دانشمند پروژه گیاهی در آژانس فضایی شروع به فعالیت کرد.

همه چیز برای وجی به خوبی پیش می رفت تا اینکه گل ها پژمرده شدند. بیشتر خوراکی های اولیه آن، گیاهان یک نوع کاهوی سرخ به نام Outredgeous بودند که تا 2014 جوانه زدند و فضانوردان آنها را برای آزمایش به زمین برگرداندند. طبق گفته های ماتسا همه آن گیاهان با نمونه های زمین مشابه هستند.

در کوتاه مدت، اولویت زمان مصرف غذا بود تا فضانوردان بتوانند همه محصولات بدست آمده را مصرف کنند و از طرفی سلامت مواد غذایی برای همه مهم بود. خوشبختانه از نظر میکروبی همه گیاهان بدست آمده مشکلی نداشتند. با این حال، زمانی که فضانوردان یک دوم دانه ها را در تابستان 2015 کاشتند، ماتسا با چالش جدیدی روبرو شد؛ زیرا با نزدیک شدن برداشت، ناسا موافقتی از طرف فضانوردان برای مصرف همه محصولات خود بدست نیاورد. با گذشت زمان، مدیریت ناسا راهی پیدا کرد تا بطور رسمی کاهو را به رژیم غذایی فضانوردان اضافه کند.

اثرات روانی

مدتی بعد تلویزیون ناسا تصاویری از اسکات کلی را در حال خوردن کاهو کشت شده در فضا بطور زنده پخش کرد. به نظر می رسد این موضوع مسئله خیلی مهمی نباشد، اما حتی یک برگ تازه برای کسی که ماه ها خوراک های خیس خورده (Rehydrate) خورده است، می تواند خیلی متفاوت باشد.

به گفته ماتسا، فضانوردان بعد از مدتی از رژیم های غذایی خود خسته می شوند؛ حتی اگر صدها آیتم در آن وجود داشته باشد و اضافه کردن طعم یا بافت جدید مانند مواد خوراکی ترد یا آب دار می تواند به غذاهای روزمره آنها تنوع دهد. مطمئناً این تغییر و ارتقای رژیم غذایی تنها به منظور تقویت قدرت مغز فضانوردان نیست، بلکه بیشتر جنبه روانی آن مد نظر است؛ زیرا در شرایط دور از خانه حضور موجودی سبز که بتواند فتوسنتز و رشد کند، به بهبود شرایط روحی، ایجاد آرامش و تشویق آنها کمک می کند.

ماجرای گل های آهاری

در چرخه رشد بعدی فضانوردان گل های آهاری بیماری را پرورش دادند و با شکست مواجه شدند. در آن دو هفته یل لینگرن اولین علائم هشدار را دید. آب از بخش مکنده (Wick) که دانه ها را نگه می دارد می چکید؛ سپس رطوبت از برگ های جوانه خارج می شد و برگ ها به دور خودشان پیچ و تاب می خوردند. کارشناسان وجی در زمین که مسئول عملکرد این سیستم هستند، تصمیم گرفتند تا جریان هوا را از پایین به بالا هدایت کنند؛ اما به علت تاخیری که ایجاد شد برگ ها شروع به مردن کردند.

در 22 دسامبر 2015 با دستورالعمل هایی که از مرکز کنترل در زمین ارسال شد، اسکات کلی، بخش های کپک زده آن را دور انداخت و باقیمانده گل های آهاری را با دستمال مرطوب تمیز کرد و برای تخلیه بهتر آب، پنکه ها را در بالا نصب کرد. این کار تلاش خوبی بود، اما منجر به تشنه شدن گیاهان شد و آنها مجبور شدند گیاه را به زمین برگردانند. سرانجام از مرکز زمین به فضانوردان، دستورالعمل مراقبت از این گیاه داده شد تا در سفرهای طولانی تر مثل مریخ خود آنها مسئول تصمیم گیری برای گیاهان باشند، چرا که امکان برگرداندن گیاه وجود ندارد و از طرفی فضانوردان ممکن است با مشکل اتمام ذخیره مواد غذایی مواجه شوند.

در ادامه کار طبق این دستورالعمل نیمی از گل های آهاری دوباره رشد کردند و پیچ خوردگی برگ های آنها برطرف شد. اکنون آنها می دانستند که چگونه می توانند محصولات را نسبت به مشکلاتی مثل بیماری های قارچی، بی آبی و آب زیاد محافظت کنند. کلی عاشق شکوفه های آن گیاه شده بود و می خواست همه محصولات را در نیمه زمستان برداشت کند. ناسا به او اجازه داد تا دسته گلی با آنها بسازد و این یکی از لحظه های مورد علاقه ماتسا بود. در آزمایش های آینده وجی، دانشمندان بیشتر در مورد جنبه های روانی باغبانی و سرگرم کننده بودن آن برای فضانوردان تحقیق می کنند.

ابزار جدید

آزمایش های وجی با یک برند جدید با نام Type-A ادامه پیدا می کند، این زیستگاه گیاهی پیشرفته، آزمایشگاهی به وسعت 116 سانتیمتر مربع و دارای بیش از 180 سنسور و مجهز به آبیاری خودکار است. دانشمندان می توانند متغیرهای مورد نظر را به آن اعمال کنند و شرایط خاص را از بین ببرند و گیاهان را کشت دهند. سیستم کنترل، دمای هوای آن را با دقت 0.5 درجه سانتیگراد نگه می دارد. حسگرها اطلاعاتی را در مورد دمای هوا، نور، رطوبت و سطح اکسیژن به بخش پایه می دهند.

در حالی که زیستگاه گیاهی پیشرفته برنامه ای برای باغبانی موفقیت آمیز طراحی می کند، وجی به کیفیت، چگونگی و روش هایی که انسان ها می توانند غذای خودشان را در فضا تامین کنند، می پردازد؛ به عبارت دیگر از طریق این زیستگاه محققان یاد می گیرند بهترین گیاهان را پرورش دهند. سپس با استفاده از این پارامترها می توانند سیستمی شبیه وجی طراحی کنند که فضانوردان با آن ارتباط برقرار کنند.

در اکتبر 2017، شش ساعت طول کشید تا فضانوردان، زیستگاه را مونتاژ کنند. در این زیستگاه سیم ها به صفحه کنترل متصل می شوند. درون اتاق زیستگاه، LEDها از سقف نور می تابانند و گیاهان از پایین با یکسری ترکیب رنگ روشن می شوند. آنها شبیه وجی چراغ های قرمز، سبز و آبی دارند، به علاوه نور سفید و فروسرخ هم در آن بکار رفته است.

پشتیبانی زمینی

رابرت ریشتر (Robert Richter) مدیر سیستم های محیطی در سیرا نوادا (Sierra Nevada)، پیشرفت این زیستگاه را از طریق تسهیلات پردازش ایستگاه فضایی کنترل می کند. او به طراحی و ساخت یک آزمایشگاه دیگر علاوه بر وجی و زیستگاه گیاهی پیشرفته هم کمک کرده است. این تیم، ابزار جدید خود را در نوامبر 2017 تاسیس کرد و تا فوریه 2018، نوعی خردل به نام Arabidopsis Thaliana و گندم کوتوله کاشتند. به زودی هم آزمایش هایی مانند بررسی DNA و تغییرات فیزیولوژی گیاه شروع خواهد شد.

رابرت مارو (Robert Morrow) از دانشمندان سیرا نوادا عقیده دارد بسیاری از تحقیقات قبلی بر این نکته تمرکز کرده اند که آیا همه گیاهان کاشته شده، رشد می کنند و می توانند از نسلی به نسل دیگر دوباره تولید شوند؟ آیا آنها می توانند به عنوان مولد مواد غذایی در فضا تلقی شوند؟

برای پاسخ به این سوالات دانشمندان باید اکوسیستم های پیچیده تری را بررسی کنند. به عنوان مثال فضانوردان، دی اکسید کربن مورد نیاز برای تنفس گیاهان را فراهم می کنند و سپس گیاهان اکسیژن سازی را تولید می کنند که انسان با آن تنفس می کند. زباله های انسانی می توانند به عنوان کود گیاهی و برای آبیاری استفاده شوند. در واقع هیچ چیزی هدر نمی رود و همه شرایط مورد نیاز فراهم می شوند.

در نهایت مارو معتقد است باغ ایجاد شده در ماموریت فضایی بیشتر شبیه وجی خواهد بود تا زیستگاه گیاهی پیشرفته. او می گوید واقعاً فراهم کردن همه شرایط موجود در APH در یک باغ فضایی قابل پیش بینی نیست. در APH با تعداد زیادی سنسور و لوله، اشتباهات مکانیکی زیادی صورت می گیرد و از طرفی تعمیر وجی آسان تر است؛ اما در حال حاضر دانشمندان به APH به خاطر داشتن دستورالعمل بهینه برای رشد گیاهان و درک چگونگی تغییرات گیاه نیاز دارند و همچنین می توانند به فضانوردان آموزش دهند تا سیستم وجی را در آینده بهتر مدیریت کنند.

برنامه های آینده

ماتسا تمایل دارد در آینده تعامل فضانوردان را با ابزارهای موجود ببیند. او نگران این مسئله است که فضانوردان همیشه می خواهند گوجه فرنگی رسیده بچینند، اما ممکن است بعضی از آنها نخواهند هر روز به گیاهان آب دهند و تنها بخواهند بر وظایف خود تمرکز کنند؛ بنابراین او به دنبال خودکار شدن فرآیند پرورش گیاهان در فضا است. به همین منظور او در اوایل سال آینده می خواهد رشد اولین گوجه فرنگی های کوتوله را به نام Red Robin در وجی بررسی کند.

کشورهای دیگر نیز این آزمایش ها را انجام می دهند. برای مثال چین در نظر دارد امسال تخم کرم ابریشم و سیب زمینی با فضاپیمای چانگ ای 4 به ماه بفرستد. زمانی که کرم های ابریشم از بین می روند دی اکسید کربن ایجاد می کنند و سیب زمینی ها می توانند آن را جذب کنند و تبدیل به اکسیژن کنند که بعدها کرم های ابریشم دیگر از آن استفاده کنند.

تحقیقات صورت گرفته تنها برای کمک به فضانوردان و بررسی رشد گیاهان در شرایط فضا و بدون نور و جاذبه نیست بلکه تجربیات این سیستم های رشد خودکار ممکن است به کشاورزان روی زمین نیز کمک کند تا محصولاتی با پروتئین زیادتر و بازده بالاتر پرورش دهند. روزی این تحقیقات منجر به ایجاد سیستم های باغبانی پایداری می شود که برای تامین غذای فضانوردان کافی خواهد بود.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «فضانوردان در ایستگاه فضایی بین المللی در تلاش هستند گیاه در فضا پرورش دهند»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله فروغ ساقی در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.