Belgisch brood op Mars?

Uitdagingen op Mars vertalen in opportuniteiten voor oplossingen op Aarde

Voedselproductie opstarten op Mars brengt heel wat uitdagingen met zich mee. Zo is er geen zuurstof, is het CO₂-gehalte erg hoog en schommelt de gemiddelde dagtemperatuur rond -60°C. Het Marsoppervlak wordt bovendien geteisterd door frequente zandstormen. Het spreekt voor zich dat ‘open lucht’ teelt van gewassen dus niet zomaar mogelijk is.

Vandaar dat het consortium het project SpaceBakery als concept ontwikkelde. In SpaceBakery ontwikkelde het consortium een hermetisch afgesloten en volledig gecontroleerde hub met ruimte om gewassen te telen via verticale landbouw en om deze te verwerken tot gezond en lekker basisvoedsel. En bovenal is het ook een leefomgeving voor de toekomstige Marsbewoners.

In dit project onderzocht het consortium de teelt van tarwe in een gesloten systeem en de productie van nutritioneel gezien hoogwaardig zuurdesembrood uit deze tarwe.

Ook op Aarde lopen we tegen verschillende uitdagingen aan die veerkrachtige en duurzame landbouw moeilijk maken. De inzichten en technologieën die voor deze SpaceBakery werden ontwikkeld, komen dus niet enkele toekomstige Marsbewoners ten goede. Ze zullen ook een veerkrachtige landbouw hier op Aarde helpen ondersteunen.

Van graan tot brood

Wat heb je nodig om van een tarwe korrel een zuurdesembrood te maken op Mars? Wel:

1. Een hermetisch afgesloten systeem met alle uitrusting voor teelt en verwerking
2. Een geschikt groeisubstraat voor de gewassen
3. Een systeem om grondstoffen of nutriënten te recupereren en te hergebruiken
4. Sensoren en voorspellende modellen om de groei en ontwikkeling van gewassen te optimaliseren
5. Autonome nanodrones om de (bloemdragende) gewassen te bestuiven
6. Een systeem om microbiële aanwezigheid te monitoren, zowel in de lucht, in het water, in het groeisubstraat als op de gewassen

Hoe we dit concreet aanpakken in SpaceBakery kom je hieronder te weten.

Biochar in het groeisubstraat

Biochar kan je vergelijken met houtskool. Het wordt net als houtskool van organisch materiaal gemaakt. Dit organisch materiaal kan hout zijn, maar ook andere groenafval of resten van mestverwerking zijn mogelijk. Het levert een solide, zwart product op. Biochar onstaat uit pyrolyse, een proces waarbij het organisch materiaal chemisch wordt gekraakt door het te verhitten tot hoge temperaturen in afwezigheid van zuurstof. Daardoor kan er geen koolstof verloren gaan onder de vorm van CO2, wat wel het geval is bij houtskool dat in aanwezigheid van zuurstof verbrand wordt. 

Naast de verlaagde CO2-productie, is biochar ook een ideale grondverbeteraar. Biochar stelt namelijk nutriënten vrij, kan de pH van de grond verbeteren, verhoogt de waterretentie en kan toxische metalen capteren. Biochar is dus een geschikte methode om nutriënten uit organisch materiaal te recycleren. Toch is er verder onderzoek nodig om het ideale ingangsmateriaal en de optimale pyrolysecondities te bepalen per gewas. In SpaceBakery werd de biocharproductie verder onderzocht voor stro en kaf van tarwe dat na de oogst achterblijft.

De gezondheid van de plant

Als je overleving afhangt van een beperkt areaal gewassen kan je maar beter de gewassen zo gezond mogelijk houden. Maar hoe monitor je nu de gezondheid van planten? Voor het SpaceBakery project werden sensoren ontwikkeld om de waterhuishouding, bladdikte en variaties in de stengeldikte van de tarweplanten in real-time in kaart te brengen. Met deze sensoren wordt waardevolle informatie over de groei en fysiologische status van de tarweplant verzameld in een gesloten omgeving. Bovendien werd een FSPM-model (functional-structural plant model) ontwikkeld om de groei en ontwikkeling van de tarweplant te simuleren en voorspellen. Op deze manier kan in een virtuele omgeving getest worden wat de optimale licht- en watercondities zijn. Maar ook bijvoorbeeld wat de ideale groeidensiteit is in functie van de opbrengst van het gewas.

Om dit groeimodel te ontwikkelen werd onderzocht in welke mate temperatuur, relatieve vochtigheidsgraad, CO2-concentratie en lichtintensiteit een impact hadden op de groei van tarwe. Daarnaast werd ook het effect verschillende golflengtes in het lichtspectrum onderzocht met behulp van RAYN Growing Systems en het effect van een korte dag-nacht licht cyclus.

Meer info over sapstroomsensoren vind je in dit artikel.

Bestuiven met nanodrones

Misschien is bestuiving wel één van de grootste uitdagingen om gewassen op Mars te kweken. Het is namelijk niet evident om een geschikt ecosysteem te creëren voor bv. bijenkolonies in een gesloten systeem. Autonome robots lijken daarom een geschiktere oplossing. Onze oplossing: autonome nanodrones die aan de hand van machine learning zelfstandig bloemen kunnen herkennen en bestuiven.

Zo'n nanodrone bestaat uit een standaard drone platform waarop een neurale netwerkprocessor is bevestigd. Deze processor is verbonden met een camera en afstandssensor. De software bestaat uit een ‘computer vision’ en ‘flight controller’ component. De ‘computer vision’ component ontvangt een beeld via de camera en berekent de locatie van de bloem ten opzichte van de drone. Deze informatie wordt vervolgens doorgestuurd naar de ‘flight controller’ component, die de drone in beweging zet richting de locatie van de bloem.

Hoe werkt dan de bestuiving? Wel met behulp van de ‘computer vision’ component leert de drone zowel de bloem zelf als de meeldraden te detecteren. Hiervoor worden twee aparte neurale netwerken getraind met foto’s van een 3D-model van zonnebloemen. In dit 3D-model zitten ook de coördinaten van de positie van de zonnebloem vervat, waardoor de neurale netwerken leren afstand in te schatten. De drone die in SpaceBakery werd ontwikkeld is in staat zowel een zonnebloem te herkennen als te bestuiven en kan zelfs twee zonnebloemen sequentieel bestuiven. Ook wanneer ze er identiek uitzien. Bovendien werkt de drone erg energie-efficiënt.