Солёные брызги на листьях красного мангрового дерева, запах прибрежного ила и шум волн — казалось бы, что общего у этой картины с безмолвными пустынями Луны или Марса? Однако именно в лабораториях Университета Южной Флориды (USF) эта связь обретает вполне конкретные очертания. Исследователи из Центра аэрокосмической науки, технологий, исследований и приложений (ASTRA) замахнулись на задачу, без решения которой колонизация других планет останется фантастикой: как накормить астронавтов вдали от Земли, где нет ни плодородной почвы, ни привычного климата, а каждый грамм груза на счету.

Ответ, который прорабатывают в USF, не сводится к одной дисциплине. Инженеры, биологи, специалисты по растениям и здоровью собрались в междисциплинарные команды, чтобы создать устойчивые системы космического земледелия. И, как это часто бывает, многие эксперименты даже не покидают пределов кампуса: внеземные условия моделируются прямо в лабораториях, где растения, микробы и целые биологические системы проходят проверку теми же стрессами, что ждут их на Луне и Марсе. «Мы выстраиваем междисциплинарные команды, которые вносят вклад в космические проекты и одновременно находят применение этим разработкам на Земле, — говорит Стефани Кэри, доцент и главный исследователь центра ASTRA. — Это даёт USF шанс стать лидером в данной области».

Почему мангры заинтересовали космических ботаников

В лаборатории доцента Кристины Ричардс привычные объекты изучения — дикие растения, приспособленные к суровым условиям побережий: спартина (Spartina alterniflora), трава, выживающая в солёных маршах, и красные мангровые деревья. На первый взгляд, прыжок от прибрежных экосистем к космическому сельскому хозяйству кажется неочевидным. Но для Ричардс связь стала ясна, когда её аспирантка Джессика Бейнс заинтересовалась космической ботаникой.

«Космическое земледелие — это понимание того, как выращивать растения в экстремально трудных условиях, — объясняет Ричардс. — Поначалу я видела в этой теме возможность применить наши подходы в геномике, чтобы понять, как растения регулируют свои реакции на стрессы внеземной среды». Мангры и без того чрезвычайно живучи: они справляются с загрязнением, перепадами качества воды и прочими ударами среды. Теперь исследователи изучают, как сами растения и микробы, обитающие вокруг их корней, помогают им адаптироваться. В планах — совместные испытания мангров в имитированных космических условиях с привлечением других подразделений USF.

Но Ричардс настаивает на строгости. «Мы хотим, чтобы это была настоящая наука, а не просто восторг от того, что мы занимаемся “космической работой”, — подчёркивает она. — Цель — начать с крепкой биологии растений, основанной на земных системах, и лишь затем расширяться до сельского хозяйства и настоящих условий выращивания в космосе». В лаборатории уже подрастают сеянцы мангров, за которыми ведётся пристальное наблюдение: исследователи отслеживают их рост, чтобы лучше понять, как эти выносливые прибрежные растения отвечают на стрессы, связанные с избытком питательных веществ и другими факторами.

Замкнутый круг: как отходы становятся пищей для растений

Устойчивость в космосе — это не только про растения, но и про ресурсы. Каждый лишний килограмм, отправленный на орбиту, стоит колоссальных денег, а на длительных миссиях пополнять запасы и вовсе неоткуда. В Лаборатории мембранной биотехнологии профессора Дэниела Йе эту проблему решают радикально: превращают отходы обратно в ресурсы.

Здесь разработали систему органического процессора, которая задействует анаэробные микроорганизмы для расщепления человеческих отходов и извлечения питательных веществ. На выходе получается насыщенная жидкость, напоминающая водный раствор удобрений. «Транспортировка припасов в космос невероятно дорога, и каждый фунт полезной нагрузки на счету, — поясняет Александра Смит, аспирантка лаборатории Йе. — Вместо того чтобы удалять питательные вещества как отходы, мы перерабатываем их в системы для выращивания растений, которые смогут поддерживать астронавтов в длительных миссиях». С помощью этих переработанных нутриентов в лаборатории уже успешно вырастили бок-чой без использования почвы.

Технология не замыкается на космосе. Йе отмечает, что последние 20 лет его лаборатория создаёт автономные системы очистки сточных вод и восстановления ресурсов — например, установку NEWgenerator, которую успешно внедрили в Индии и Южной Африке. В регионах без централизованной канализационной инфраструктуры такие децентрализованные системы могут стать устойчивым решением. Йе работал над проектами в Южной Африке, где системы очистки сточных вод поддерживают школы, и на Гавайях, где вулканическая порода делает прокладку обычных труб крайне сложной. «В конце концов наша технология привлекла внимание NASA, — рассказывает Йе. — Последние восемь лет мы сотрудничаем с Космическим центром Кеннеди, разрабатывая космические версии нашего мембранного биореактора для будущей лунной базы».

Мини-теплицы на орбите: уроки с CubeSat

Пока одни учёные возятся с манграми и переработкой отходов, другие отправляют эксперименты прямиком в космос — хотя и в миниатюрном формате. Речь о CubeSat, небольших коробчатых спутниках на низкой околоземной орбите, внутри которых размещаются автоматизированные теплицы. Эти проекты NASA реализует в сотрудничестве с университетами, и USF под руководством профессора Араша Такши играет в них заметную роль.

«NASA понадобились дополнительные способы изучения растений в космосе, когда миссии на Луну и Марс стали более серьёзными приоритетами», — говорит Такши. Первый прототип он собрал буквально у себя в чулане, используя красный салат ромэн. Простая на первый взгляд установка с датчиками, камерами и системами мониторинга газов со временем превратилась в сложную платформу, способную поддерживать рост растений в космических условиях. Эксперименты показали, насколько чувствительны растения к переменным среды: небольшие колебания в составе газов, влажности, освещении или уровне влаги существенно влияли на рост.

Работа выявила, как много взаимосвязанных биологических и средовых факторов приходится контролировать одновременно в замкнутом объёме. Эта сложность подтолкнула команду выйти за рамки ботаники и обратить внимание на грибы. Некоторые грибы растут быстрее и устойчивее к экстремальным условиям, чем растения, а отдельные виды проявляют необычные свойства, связанные с радиацией, что интересует NASA. Исследователи проверяют, смогут ли грибы стать частью пищевых систем или биологической поддержки в длительных миссиях. В лаборатории уже сконструированы CubeSat, предназначенные как для выращивания растений, так и для экспериментов с грибами, а специально разработанная в USF сенсорная электроника отслеживает здоровье растений и параметры среды.

«Поначалу я подходил к работе чисто с инженерной точки зрения, сосредоточившись на датчиках и электрических системах, — признаётся Такши. — Но со временем мы поняли, что необходимо привлечь и других экспертов USF, таких как доктор Ричардс и доктор Йе, с их знаниями в биологии и космосе». Это сотрудничество — лишь один из примеров того, как в USF разрастается космическое направление, где учёные и инженеры решают задачи от сельского хозяйства и устойчивости до здоровья человека и передовых технологий для будущих миссий.

Пока марсианские оранжереи остаются делом завтрашнего дня, работа в USF уже приносит плоды — в прямом смысле слова. И кто знает, возможно, первые колонисты на Красной планете будут жевать салат, выращенный на переработанных отходах, под сенью карликовых мангров, чьи предки когда-то шумели листвой под солёным ветром Флориды.