Een bakkerij op 400 miljoen kilometer van de aarde

Mars is een barre planeet. Aan de oppervlakte is het gemiddeld –60°C, en de atmosfeer bestaat voor zo’n 95 procent uit koolstofdioxide. Hier overleeft geen mens. Toch zijn ruimtevaartorganisaties en privéondernemingen erop gebrand om mensen naar de rode planeet te sturen. Elon Musk (SpaceX) gaf al te verstaan dat hij in 2050 een kolonie van een miljoen mensen op Mars wil vestigen.

Als we ooit mensen sturen naar Mars, dan moeten ze zich kunnen voeden. Moestuintjes zitten er met die extreme omgevingsomstandigheden niet in. Toch is voedselproductie op de rode planeet niet uitgesloten. Als het van bakkersleverancier Puratos afhangt, eten de eerste mensen op Mars zelfs gewoon brood.

Sinds vrij kort staat bij Puratos in Groot-Bijgaarden een vierledig containercomplex dat dienstdoet als een gesloten ecosysteem voor gewasteelt. Wetenschappers verbonden aan zeven Vlaamse instellingen proberen er tarwe te telen en brood te bakken. Het uiteindelijke doel van het zogeheten Space­Bakery-project is om het systeem mee te nemen op een Marsmissie.

In het SpaceBakery-project moet alle tarwe onafhankelijk van aardse omstandigheden en het aardse klimaat worden geteeld. Wetenschappers bepalen zelf de voedingsbodem, de oogstperiode en het lichtregime voor de gewassen. ‘In een ruimtemissie is elke kilo van belang. Je kunt onmogelijk grondstoffen in grote hoeveelheden meebrengen’, zegt microbioloog Natalie Leys (SCK CEN) die het project leidt. ‘Daarom moeten we erop toezien dat het productieproces zich met zo weinig mogelijk water, meststoffen en voedingsbodem kan voltrekken.’

De gewassen in de containers groeien in een hydroponisch systeem. De planten worden rechtstreeks in water gekweekt. De voedingsstoffen worden in het water opgelost. Alle water dat de plant niet opneemt, vangen de onderzoekers op in een filter. Daarvan beoordelen ze de voedingswaarden. Als bepaalde voedingsstoffen ontbreken, voegen ze die opnieuw toe.

Dankzij die hele gesloten kringloop vermijden de onderzoekers het verlies van kostbaar water. Door ook nog eens te letten op de lichtcondities en de gewassen zo goed mogelijk onderling te plaatsen, slaagden ze erin om het waterverbruik te reduceren tot slechts 5 procent van wat tegenwoordig nodig is bij de reguliere tarweteelt.

Een bijkomend voordeel is dat er geen aarde nodig is – weer wat kilo’s uitgespaard op de missie. En om ruimte te besparen worden de planten in lagen op elkaar gestapeld. Die verticale opstelling vraagt een veel kleinere oppervlakte.

Wel wordt aan het groeisubstraat biochar toegevoegd. Deze duurzame en voedingsrijke meststof wordt aangeleverd door onderzoekers verbonden aan de UHasselt, die biochar produceren uit reststromen als kaf en stro. De meststof wordt in zorgvuldig bepaalde doses toegediend: te veel biochar kan de plantgroei belemmeren.

Aan het project komt heel wat technologie te pas. Magics, een spin-off van de KU Leuven en SCK CEN, bouwt nanodrones die voor de bestuiving moeten zorgen van niet-zelfbestuivende gewassen. De zeg maar mechanische bijen herkennen bloemen via objectdetectietechnologie en vliegen er op eigen houtje heen. Door de lange afstanden die signalen vanaf de aarde naar de ruimte overbruggen treedt een vertraging van gegevensoverdracht op. Autonome drones voeren zelf bewegingen uit op basis van plaatselijk ingevoerde algoritmes.

Verder volgen de SpaceBakery-onderzoekers het waterverbruik van de tarweplanten op via recent ontwikkelde 3D-geprinte sapstroomsensors, afkomstig van de UGent. De metingen van die sensors stoppen ze in een virtueel plantmodel. Op basis van de output beslissen ze hoeveel licht en water het groeiproces van de tarwe precies nodig heeft.

Nog niet alles aan het project is helemaal duurzaam. De kunstmatige lichtbronnen die de omgevingstemperatuur regelen vreten nog wel heel wat energie. In een volgende fase van het testproject hopen de onderzoekers dat probleem te kunnen verhelpen.

Alles en iedereen die een reis naar Mars maakt, wordt onderweg blootgesteld aan een verhoogde dosis straling. Buiten het beschermende magnetische veld rondom de aarde verstoort ioniserende straling de werking van digitale circuits en apparaten. Ook plantzaden en biologische processen kunnen door de straling worden beïnvloed.

Om na te gaan in elke mate hun tarwe onder de ruimtestraling te lijden zou krijgen, bootsen onderzoekers van SCK CEN tijdens het proefproject verschillende dosissen straling na. Ze meten het effect ervan op de voedingswaarden van de planten die uit de zaden ontkiemen. ‘Vezels zijn belangrijke indicators voor de voedzaamheid van een gewas, net als het vet-, suiker-, zetmeel- en eiwitgehalte ervan’, zegt radio-ecoloog Nele Horemans (SCK CEN). ‘Vooral die bestanddelen zullen we monitoren.’

De voedingsstoffen aan boord van de ruimtemissie zijn niet onuitputtelijk. De eerste Mars­reizigers zullen minstens 21 maanden op de planeet verblijven. Om al die tijd brood te kunnen bakken, zijn extra voedingsstoffen nodig. Daarvoor zijn dan weer bacteriën nodig. Microbes rond de plantwortels helpen de plant om voedingsstoffen op te nemen. Daarom selecteren de wetenschappers momenteel bacteriën die geschikt zijn om voedingsstoffen voor tarwe uit het basaltgesteente op Mars te halen. De autonome drones van Magics kunnen daarbij van pas komen. Zij kunnen de uitdagende Marsomgeving verkennen en nuttig materiaal naar de basis transporteren.

Het team achter het SpaceBakery-project is niet het enige dat zich bezighoudt met duurzame methodes om mensen in de ruimte te voeden. Internationaal onderzoek naar waterrecycling en andere fysiochemische processen heeft al tot succesvolle resultaten geleid. Wetenschappers doen onderzoek naar bioreactors die afvalstoffen recyclen en via bacteriën omzetten in zuurstof, voedsel en drinkbaar water. Tot 90 procent van het vocht van urine en uitgeademde lucht kan als water gerecycled worden. Voor voedsel kijken onderzoekers naast tarwe ook naar soja en bladgewassen.

Met deze projecten reiken de ambities van wetenschappers verder dan enkel de ruimtevaart. Zowel de gebruikte technologieën voor het SpaceBakery-project als de nieuwe inzichten in gewasteelt zijn wellicht toepasbaar voor aardse doeleinden. ‘De technologie die we ontwikkelen voor nanodrones zullen we kunnen gebruiken in andere autonome machines’, zegt Magics-CEO Jens Verbeeck. ‘Die machines zullen risicovol handwerk uitvoeren en menselijke arbeid vervangen bij bijvoorbeeld een nucleaire ontmanteling. Automatisering zal bovendien een belangrijke rol spelen in de productie van nieuwe duurzame energie.’

Verticale landbouw in een gesloten omgeving moet dan weer de voedselvoorziening verbeteren bij kleine gemeenschappen op voedselarme bodems, waar de huidige landbouwsystemen ontoereikend zijn. Zo pikken we op aarde nog een graantje mee van het Marsonderzoek.

Dit artikel verscheen ook in de Eos-special Astronomie en Ruimtevaart, te koop in onze online tijdschriftenwinkel.