Wat is ruimtelandbouw en waarom stuurt Brazilië planten naar buiten de aarde?

Afgelopen april werden in Brazilië geteelde kikkererwtenzaden en zoete aardappelplanten door het particuliere bedrijf Blue Origin meegenomen op een suborbitale vlucht. Dit was een belangrijke stap voor de Braziliaanse ruimtelandbouw.

Maar wat is ruimtelandbouw precies? En waarom sturen Braziliaanse onderzoekers groenten naar gebieden buiten de atmosfeer van de aarde?

Het verhaal begint in 2020, wanneer NASA en het Amerikaanse ministerie van Buitenlandse Zaken, met medewerking van commerciële ruimtevaartbedrijven en internationale partners, het Artemis Accord opzetten. Het doel is om mensen terug naar de maan te brengen, de diepe ruimte te verkennen en mogelijk voor het eerst voet op Mars te zetten.

In tegenstelling tot het Apolloprogramma, dat tussen 1961 en 1972 door NASA werd uitgevoerd, is het idee van de nieuwe missies niet alleen om tijdelijk de natuurlijke satelliet van de aarde te bereiken, maar om permanente bases met menselijke aanwezigheid te vestigen, een duurzame economie op de maan te starten en, op de lange termijn, op de rode planeet, in een scenario dat verwijst naar de film "The Martian" (2015).

Aanvankelijk sloten acht landen zich aan bij de overeenkomst, maar inmiddels hebben 55 landen zich aangesloten, waaronder Brazilië , dat zich in 2021 bij het programma heeft aangesloten. Het jaar daarop werden de doelstellingen van Artemis gepubliceerd. Enkele daarvan hadden betrekking op de teelt van planten in de ruimte, omdat de kosten voor het verzenden van op aarde geproduceerd voedsel het onmogelijk zouden maken om het dieet van de astronauten te handhaven.

Landen die het Artemis-akkoord hebben ondertekend

• Duitsland
• Angola
• Saoedi-Arabië
• Argentinië
• Armenië
• Australië
• Oostenrijk
• Bahrein
• Bangladesh
• België
• Brazilië
• Bulgarije
• Canada
• Chili
• Cyprus
• Colombia
• Zuid-Korea
• Denemarken
• Verenigde Arabische Emiraten
• Ecuador
• Slowakije
• Slovenië
• Spanje
• Estland
• Verenigde Staten
• Finland
• Frankrijk
• Griekenland
• Indië
• IJsland
• Israël
• Italië
• Japan
• Liechtenstein
• Litouwen
• Luxemburg
• Mexico
• Nigeria
• Noorwegen
• Nieuw-Zeeland
• Panama
• Nederland
• Peru
• Polen
• Verenigd Koninkrijk
• Dominicaanse Republiek
• Tsjechische Republiek
• Roemenië
• Rwanda
• Singapore
• Zweden
• Zwitserland
• Thailand
• Oekraïne
• Uruguay

"Omdat Brazilië internationaal bekend staat om zijn landbouwkundig onderzoek, zagen we een kans voor Embrapa om hieraan bij te dragen. Daarbij dachten we ook aan de terugkeer naar de Braziliaanse samenleving van alle technologieën die tijdens het werk zouden worden ontwikkeld", legt Alessandra Fávero uit, onderzoeker bij Embrapa Sudeste en coördinator van het netwerk Spacing Farm Brasil.

Het idee werd voorgelegd aan het management van Embrapa Pecuária Sudeste, dat de samenwerking op dit gebied met onderzoekers van andere afdelingen van de instelling, zoals Agro-energie, Instrumentatie, Groenten, Tropische Agro-industrie en Soja, en met het Braziliaanse ruimtevaartagentschap (AEB) en diverse universiteiten en onderzoeksinstellingen ondersteunde.

Tegenwoordig bestaat het Space Farming Brazil Network uit 56 onderzoekers van 22 instellingen, waaronder vier internationale, met uiteenlopende expertises .

Instellingen die deel uitmaken van het Space Farming Brazil Network

• Braziliaanse ruimtevaartorganisatie (AEB)
• Centrum voor kernenergie in de landbouw van de Universiteit van São Paulo (Cena-USP)
• Braziliaanse Landbouwonderzoeksmaatschappij (Embrapa)
• Luiz de Queiroz College voor Landbouw van de Universiteit van São Paulo (Esalq-USP)
• Agronomisch Instituut (IAC)
• Instituut voor Geavanceerde Studies (IEAv)
• Instituut voor Geowetenschappen van de Universiteit van São Paulo (IGc-USP)
• Nationaal Instituut voor Ruimteonderzoek (INPE)
• Instituut voor Chemie van de Universiteit van São Paulo (IQ-USP)
• Technologisch Instituut voor Luchtvaart (ITA)
• Florida Tech Universiteit (FIT)
• Technologisch Innovatiepark van São José dos Campos (PITSJC)
• Universiteit van Florida (UFL)
• Universiteit van Newcastle (NCL)
• Federale Universiteit van ABC (UFABC)
• Federale Universiteit van Lavras (Ufla)
• Federale Universiteit van Pelotas (UFPel)
• Federale Universiteit van Rio Grande do Norte (UFRN)
• Federale Universiteit van São Carlos (UFSCar)
• Federale Universiteit van Santa Maria (UFSM)
• Federale Universiteit van Vicosa (UFV)
• Winston Salem State University (WSSU)

Op 14 april bereikte de keten een ongekende mijlpaal door kikkererwten en zoete aardappelen de ruimte in te sturen met de NS-31-missie van Blue Origin – dezelfde missie die zangeres Katy Perry buiten de atmosfeer van de aarde bracht . Het commerciële lucht- en ruimtevaartbedrijf is eigendom van de Amerikaanse miljardair Jeff Bezos, tevens oprichter en CEO van Amazon.

Gedurende ongeveer vijf minuten werd het voedsel blootgesteld aan microzwaartekracht, wat parameters kan opleveren voor de ontwikkeling van ruimtegewassen.

De monsters bevinden zich momenteel in de Verenigde Staten, waar de zaden en planten worden gedocumenteerd om teruggestuurd te worden naar Brazilië. Na terugkomst zullen ze een genetische analyse ondergaan om de effecten van blootstelling aan suborbitale vlucht te begrijpen.

Soorten werden gekozen op basis van voedingswaarde en aanpassingsvermogen

De keuze van de kikkererwten- en zoete aardappelsoorten voor de eerste Braziliaanse experimenten was niet willekeurig. Naast het feit dat de peulvrucht rijk is aan eiwitten en de knol rijk is aan koolhydraten met een lage glycemische index, zijn beide veelzijdig in voedselbereiding, produceren ze weinig afval, groeien ze snel en zijn ze gemakkelijk te verwerken.

Kikkererwten kunnen worden gebruikt voor de bereiding van gerechten variërend van hummus tot hamburgers en zijn rijk aan tryptofaan, een voorloper van serotonine, wat gunstig is in stressvolle situaties. De variëteit die in de studies werd gebruikt, is BRS Aleppo, een cultivar die door Embrapa zelf is ontwikkeld.

Voor de zoete aardappel werden de rassen Beauregard gebruikt. Deze bevatten tien keer meer bètacaroteen dan de meest voorkomende rassen in het land. Ook werd de Covington gebruikt, een ras dat is ontwikkeld vanwege de snellere groei, het aanpassingsvermogen, de hoge voedingswaarde en het eenvoudige onderhoud.

De peulvrucht is rijk aan antioxidanten, een voordeel voor de menselijke gezondheid en voor de plant zelf, omdat het de plant beter bestand maakt tegen ioniserende straling in de ruimte. Bovendien kunnen de bladeren, rijk aan vezels en eiwitten, ook gegeten worden, waardoor de afvalproductie wordt verminderd.

De eerste onderzoeksfase is de simulatie op aarde

De eerste fase van het Braziliaanse onderzoek is simulatie op aarde. Hierbij worden het materiaal voorbereid: zowel de plantensoorten als de kweekomstandigheden in een beschermde omgeving, verlichtingssystemen en versnelde plantengroei.

Zodra deze fase is afgerond, is het de bedoeling om over te gaan op testen in een baan om de aarde om de omstandigheden te kunnen aanpassen totdat een missie terugkeert naar de maan en later Mars bereikt, permanente bases vestigt en kan beginnen met planten op hemellichamen.

"Tot die tijd zullen we aanpassingen blijven doorvoeren, wat pas in de volgende generatie zou moeten gebeuren", zegt Alessandra. "We zeggen altijd dat het Artemis-programma nog in de kinderschoenen staat. We weten dat het een project voor de lange termijn is, maar we moeten er op een gegeven moment mee beginnen, net als met de ontwikkeling van elke belangrijke technologie."

Uitdagingen bij ruimtelandbouw zijn onder meer ioniserende straling en de afwezigheid van grond, zwaartekracht en atmosfeer.

De coördinator van het Space Farming Brazil-netwerk legt uit dat er op de middellange termijn nog andere kandidaatsoorten in de studies kunnen worden opgenomen, maar dat de focus momenteel ligt op modelplanten. Andere landen die aan het ruimtevaartproject meewerken, werken met variëteiten zoals Engelse aardappelen, sla, tomaten en andere voedingsmiddelen.

In de toekomst zou onderzoek ook gericht moeten zijn op groenten die niet per se bedoeld zijn voor consumptie, maar voor de productie van vezels, bioplastics, biomassa, farmaceutische producten en andere derivaten die essentieel zijn voor het voortbestaan ​​van het menselijk leven buiten de aarde.

"We zeggen altijd dat de meest extreme omstandigheden voor het verbouwen van gewassen zich buiten de aarde bevinden", legt Alessandra uit. De uitdagingen zijn onder meer microzwaartekracht, kosmische ioniserende straling en de afwezigheid van bodem en atmosfeer.

Tests uitgevoerd door het Luiz de Queiroz College of Agriculture (Esalq) aan de Universiteit van São Paulo (USP) in Piracicaba, met speciale apparatuur en CubeSats (miniatuursatellieten), tonen aan dat planten aanzienlijke stress ervaren onder verschillende zwaartekrachtomstandigheden, waardoor de productie in gevaar komt. Door deze omgevingen op aarde te simuleren, is het mogelijk om te voorspellen hoe landbouw in toekomstige ruimtestations rendabel kan worden gemaakt.

Vanwege de kosmische ioniserende straling is het nodig dat gewassen, net als astronauten, worden beschermd door behuizingen van materialen die de golven kunnen absorberen.

"De maanbodem, regoliet genaamd, is compleet anders dan de onze: rijk aan aluminium en ijzer en extreem arm aan elementen die belangrijk zijn voor de voeding van planten", legt Alessandra uit. "Dus kunnen we in eerste instantie technieken zoals aeroponics en hydroponics gebruiken, die niet afhankelijk zijn van de bodem, totdat we de teelt kunnen aanpassen aan de oppervlakteomstandigheden van verschillende hemellichamen."

Onderzoek in Brazilië maakt gebruik van verbindingen die de grond van de maan en Mars nabootsen

In Brazilië wordt momenteel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van planten in verbindingen die de bodem van de maan en Mars nabootsen, aldus de onderzoeker.

Een andere noodzakelijke voorwaarde voor het vestigen van bases op de Maan en Mars is het creëren van kunstmatige atmosferen, met een samenstelling die vergelijkbaar is met die van de Aarde, zoals die al bestaat in het Internationale Ruimtestation.

Naast de plantengroei in een gesloten omgeving moet het gewas volledig zelfvoorzienend zijn. Zo moet het gewas nieuwe zaden produceren, moet het water gezuiverd worden, moet het afval als meststof terugkeren in het systeem en moet de uitwisseling van koolstofdioxide door zuurstof zonder verlies plaatsvinden.

Ruimtelandbouw wil ook de productie op aarde ten goede komen

Naast het mogelijk maken van landbouw buiten de aarde, zou onderzoek ook de landbouw op aarde moeten bevorderen, vooral met het oog op de onzekerheden rondom de toekomst van het klimaat.

Zogenaamde spin-offs , oftewel technologieën die we dagelijks gebruiken en die voortkomen uit de ruimtevaart, zijn niets nieuws. Camera's van mobiele telefoons, satellietnavigatiesystemen (gps), draagbare stofzuigers, krasbestendige lenzen, luchtfilters, draadloze hoofdtelefoons, kunstprothesen en zelfs materialen die worden gebruikt in hardloopschoenen en kussens, zijn allemaal afkomstig van studies die NASA heeft uitgevoerd voor ruimtemissies.

In de landbouw zijn verticale boerderijen, die water hergebruiken, het energieverbruik minimaliseren en geen grond gebruiken, ook het resultaat van onderzoek door het Noord-Amerikaanse ruimtevaartagentschap.

Het onderzoek naar ruimtelandbouw dat in Brazilië wordt uitgevoerd, zou in deze context ook moeten leiden tot de creatie van nieuwe soorten kikkererwten, zoete aardappelen en andere soorten.

"Het gaat om cultivars die efficiënter zijn in watergebruik, productiever, beter aanpasbaar en andere superieure eigenschappen hebben. Die komen uiteindelijk op de markt en kunnen door Braziliaanse producenten worden gebruikt", aldus Alessandra.

Preventieve veredeling kan planten selecteren die tolerant zijn voor zwaardere omstandigheden

De verwachting is, aldus de onderzoeker, dat er naast nieuwe variëteiten ook technologieën worden ontwikkeld die de landbouw op aarde kunnen helpen in het licht van de uitdagingen die klimaatverandering met zich meebrengt.

Een zelfvoorzienend systeem kan de technieken die door ruimtelandbouw zijn ontwikkeld, gebruiken om voedselzekerheid te garanderen voor bevolkingsgroepen in gebieden waar bijvoorbeeld sprake is van woestijnvorming.

Een andere onderzoekslijn betreft zogenaamde preventieve veredeling. "We kunnen nu planten selecteren die beter bestand zijn tegen de temperaturen die over 10 of 20 jaar worden verwacht, en wanneer dat gebeurt, hebben we materiaal klaar om beschikbaar te stellen."