Op Mars gelden andere regels om te overleven dan op Aarde. De temperatuur schommelt er sterk tot ver onder nul, de dunne atmosfeer bevat bijna uitsluitend CO2 en ze laat bijzonder veel ruimtestraling door. Het klimaat is er dus guur. De eerste Marsbewoners zullen daarom oplossingen moeten vinden om zich aan deze omgeving aan te passen. Maar daarvoor zijn nieuwe disruptieve technologieën nodig. En net die innovatieve technologieën kunnen ook hier op Aarde een grote meerwaarde bieden in het kader van klimaatadaptatie.
Maak kennis met het SpaceBakery-verhaal
Twee jaar geleden besloot een consortium van 7 Belgische partners de uitdaging met de rode planeet aan te gaan. Het doel: op een duurzame manier gewassen telen in een gesloten omgeving met aandacht voor gezondheid en mentaal welzijn van de mens. En dit om onze landbouwsystemen op aarde ook klaar te maken voor de toekomst. Zo ontstond het SpaceBakery-project, een samenwerking tussen Puratos, Urban Crop Solutions, Magics Technologies, Universiteit Gent, Universiteit Hasselt, SCK CEN en Flanders’ FOOD.
Met steun van het Agentschap Innoveren en Ondernemen werkten de partners 2 jaar lang aan de ‘Space Bakery’. Dit is een gesloten biosfeer waar toekomstige marsbewoners gewassen duurzaam kunnen telen, oogsten en tot een gezond zuurdesembrood kunnen verwerken.
Maar wat heb je nu nodig om een zaadje te laten uitgroeien tot een oogstbare plant in een gesloten biosfeer? Laat ons beginnen met de basis: een goede infrastructuur.
Hoe ziet een gesloten biosfeer eruit?
De ‘Space Bakery’ is een modulair gebouw dat afgesloten is van de buitenwereld en onder het Marsoppervlak zal geïnstalleerd worden, wat ook nodig is gezien de gure omgevingsomstandigheden op Mars. Alle grondstoffen worden maximaal gerecycleerd en het klimaat en daglicht worden kunstmatig in de biosfeer geregeld.
In de biosfeer heb je een privéruimte voor de bewoners met slaapvertrekken. Er is een operationele ruimte om te zaaien, oogsten, poetsen en de software te controleren. Je hebt groei- en kiemingskamers voor planten, volgens het principe van verticale landbouw met kunstlicht. En tenslotte is er een technische ruimte waar alles voor irrigatie en elektronica geregeld wordt. Dit 'Space Bakery' concept werd bedacht door Urban Crop Solutions en Serge Amey en werd verder uitgewerkt door alle partners van het SpaceBakery-project.
Lay-out van de gesloten biosfeer met ruimtebakkerij
De meerwaarde van kosmische straling
We hebben nu de infrastructuur voor een ruimtebakkerij geïnstalleerd onder het Marsoppervlak. Maar de graankorrels die we meenamen, hebben een ruimtereis van ongeveer 6 maand moeten doorstaan. Dit betekent dat de graankorrels blootgesteld werden aan een verhoogde dosis kosmische straling in vergelijking met de dosis die het aardoppervlak bereikt. Om precies te zijn ongeveer 200 mGy aan ioniserende straling gedurende die 6 maanden. Ter vergelijking acute stralingsziekte (ARS) treedt op na een korte en intense blootstelling aan ioniserende straling van minstens 700 mGy over enkele minuten.
Om het effect van ruimtestraling op de graankwaliteit van tarwe na te bootsen, werden tarwekorrels in de labo’s van SCK CEN bestraald met gammastralen. In een eerste experiment werden de tarwekorrels blootgesteld aan vrij hoge dosissen gammastraling en in een tweede experiment werden de planten gedurende hun hele levenscyclus blootgesteld aan representatieve dosissen voor een missie naar Mars.
Uit het eerste experiment bleek dat hoe lager de radiatiedosis was des te beter de nutritionele kwaliteit van het graan. Voor de laagste dosis (43 mGy/h) gebruikt in het eerste experiment werd zelfs vaak een betere nutritionele kwaliteit waargenomen dan voor de controleplanten. De geteste kwaliteitsparameters waren onder andere ammonium-, stikstof- en koolstofgehalte, alfa-amylase activiteit en antioxidantcapaciteit.
In het tweede experiment werden de graankorrels en de planten zelf blootgesteld aan een lagere dosissen (maximaal 0.041 mGy/h) gedurende de hele levencyclus van de tarweplant, wat overeenstemt met de effectieve radiatie tijdens een ruimtereis naar Mars (200 mGy). Uit dit onderzoek bleek dat straling wel degelijk het percentage zetmeel in de graankorrels kan verhogen en dat een lage dosis straling in combinatie met biochar als voedingsbron ook leidt tot een algemeen verhoogd gehalte aan oplosbare suikers. De resultaten hiervan is SCK CEN nog verder aan het verwerken. SCK CEN voert nog verder onderzoek uit om de optimale radiatie dosis te bepalen om zaadkwaliteit te verhogen.
Nutriënten zijn schaars op Mars
Wat hebben onze graankorrels vervolgens nodig om uit te groeien tot een plant? Een zaadje heeft contact met een groeisubstraat nodig om te kunnen ontkiemen. Dit kan een vloeibaar of vast groeisubstraat zijn. Essentieel is de aanwezigheid van nutriënten en water. Soms is er ook nog een andere factor nodig om kieming te starten, zoals bv. een koude shock of een donkerbehandeling, maar dit geldt niet voor elke plant.
Mineralen uit basaltgesteente op Mars
Op Mars is er geen ‘grond’ zoals op aarde. Het oppervlak bestaat er voornamelijk uit basalt rotsen, een vulkanisch stollingsgesteente. Deze rotsen bevatten wel mineralen die nuttig kunnen zijn voor de plant, maar het is de vraag hoe de planten die mineralen kunnen onttrekken aan die rotsen.
Om dit te onderzoeken ontwikkelde SCK CEN een uitlogingskolom om abiotische uitloging van mineralen uit verschillende substraten te testen. De geselecteerde substraten waren commercieel beschikbare poreuze lavagesteentes, basaltgesteente uit de Eiffel en Martian Global Simulant (MGS-1). MGS-1 is een korrelig mengsel van verschillende mineralen dat qua samenstelling vergelijkbaar is met de basaltrotsen op het Marsoppervlak, een samenstelling die de Marsrover Curiosity in kaart heeft gebracht.
Abiotische uitloging van mineralen met gedemineraliseerd water bleek succesvol voor de commerciële lavagesteentes. Deze techniek stelde behoorlijk wat minerale nutriënten vrij, zoals calcium, kalium en magnesium. En ook micronutriënten zoals ijzer, koper, zink, mangaan, nikkel, silicium, en natrium. Uit het experiment bleek zelf dat ongeveer 1kg lavagesteente voldoende was om 5L groeimedium te maken dat equivalent is aan 1/10 Hoagland groeimedium. Dit maakt lavagesteente dus interessant om hier op aarde toe te passen in hydroculturen.
Met deze abiotische techniek konden ook mineralen uit het basaltgesteente vrijgesteld worden, maar wel in veel lagere concentraties. En uit MSG-1 werden vooral zouten geloogd in hoge concentraties die potentieel toxisch zijn voor de plant.
Tarwe recycleren tot biochar
Nutriënten hoeven natuurlijk niet enkel van buitenaf te komen. In een gesloten biosfeer moet er ook efficiënt gerecycleerd worden aangezien alle bronnen zoals water en nutriënten schaars zijn.
Vandaar dat Universiteit Hasselt ook aan de slag ging om de resten van tarwe die achterblijven na de oogst te verwerken tot biochar, een soort kool die rijk is aan nutriënten en die aan het groeisubstraat kan toegevoegd worden. Biochar wordt gevormd met behulp van pyrolyse, een proces waarbij materiaal aan hoge temperaturen wordt blootgesteld. Maar in tegenstelling tot verbranding gaat dit proces door in afwezigheid van zuurstof en komt er dus ook geen CO2 vrij.
Universiteit Hasselt maakte biochar van stro- en kafresten van tarwe onder verschillende pyrolysetemperaturen. En samen met SCK CEN onderzochten zij vervolgens het effect van deze nutriëntrijke biochars op de groei en ontwikkeling van planten.
Uit de testen bleek dat er geen verschil is in kwaliteit van biochar of die nu van stro of kaf gemaakt is. En dat biochar van tarweresten de groei van kiemende tarweplanten kan bevorderen wanneer het in een lage dosis (0.1 – 0.2% biochar) aan het groeisubstraat wordt toegevoegd. Een te hoge dosis zorgde namelijk voor een te hoge pH- en EC-waarde in het groeisubstraat, wat stress bij de plant veroorzaakte.
Er werden 3 verschillende temperaturen voor het pyrolyseproces getest, namelijk 370°C, 450°C en 600°C. Hieruit bleek dat de pyrolysetemperatuur zelf niet bepalend is voor het groeibevorderend effect van biochar. Om het meest energie-efficiënt te zijn, volstaat het daarom de oventemperatuur op 370°C in te stellen. Dit is dus haalbaar met conventionele ovens, waardoor de marsbewoners zelf hun biochar zouden kunnen maken in de ruimtebakkerij.
Is er een plantenarts in de buurt?
De graankorrel is gezaaid in een groeisubstraat al dan niet verrijkt met Marsgesteente en biochar. Het tarweplantje is gekiemd en begint te ontwikkelen. Maar de volgende uitdaging ligt al op de loer. Hoe hou je een tarweplant gezond tijdens de vegetatieve groeifase? En hoe zorg je ervoor dat het graan goed rijpt tijdens de reproductieve fase? In een gesloten biosfeer kan men zich namelijk geen mislukte oogst permitteren. De hele voedselvoorziening hangt er immers vanaf. Een marsbewoner heeft er dus alle baat bij de gezondheidsstatus van de planten nauwgezet te kunnen opvolgen.
Een virtuele 3D-tarweplant als innovatieve tool om duurzaam te telen
En daar heeft Universiteit Gent (UGent, Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen) een innovatieve toepassing voor ontwikkeld in het SpaceBakery-project: een voorspellend functioneel-structureel plant model (FSPM) of virtuele 3D-tarweplant.
Een FSPM is een 3D-simulatiemodel van de plant dat toelaat de groei en ontwikkeling nauwkeurig te voorspellen onder verschillende groeiomstandigheden. Bovendien worden de processen die de fysiologie van de plant beschrijven, zoals vb. fotosynthese en transpiratie, dynamisch (= in functie van de tijd) gesimuleerd en zal de virtuele plant dus reageren op veranderingen in het microklimaat zoals een echte plant dat zou doen.
Een 3D-plantmodel is dus een uitstekende tool die toelaat om op zoek te gaan naar hoe de biosfeer moet ingesteld worden om tarwe op een gewenste, optimale en duurzame manier te telen. Het model kan o.a. bepalen welk licht moet gebruikt worden (bijv. welke intensiteit of welk led spectrum), welke temperatuur en CO2 -concentratie moeten ingesteld worden of hoe de nutriënten duurzaam kunnen toegediend worden. Universiteit Gent ontwikkelde zo’n 3D-plantmodel voor tarwe, een cruciaal basisgewas voor voedselproductie, ook op Mars.
Virtuele 3D-tarweplant ontwikkeld door UGent als innovatieve tool om duurzaam tarwe te telen
Uniek aan het model is dat Universiteit Gent dit 3D-plantmodel ontwikkelde op basis van gegevens verzameld met hun eigen ontwikkelde sensoren die op de plant worden geplaatst. Deze ‘PhytoClips’ en ‘ExoBeat sapstroom’ sensoren meten in real-time en continu de blad- en stengeldikte, maar ook de sapstroom en het totale waterverbruik van de plant zonder de plant daarbij te beschadigen. Deze innovatieve sensoren tonen op elk moment de gezondheidstoestand van de plant. En zo kan stress door bijvoorbeeld suboptimale groeiomstandigheden heel snel opgespoord worden. Dit is de eerste keer dat een 3D-plantmodel zo'n metingen kan simuleren.
Welke belangrijke inzichten hebben de plantsensormetingen en het 3D-model van tarwe ons bijgebracht? Met het model kan op elk moment bepaald worden hoeveel CO2 de plant opneemt (en dus nodig heeft), hoeveel water verbruikt wordt, hoe sterk en snel de groei is en of de plant gezond is. Zo werd ook bepaald dat de voedingswaarde van het groeimedium (de EC-waarde) best verlaagd wordt tijdens de rijpingsfase voor een optimale rijping van de aren en dus van het graan. Dit is een win-win, want tijdens de rijpingsfase is er dan ook minder toevoer van nutriënten nodig. En nutriënten zijn kostbaar in een gesloten biosfeer.
Een ander interessant resultaat van de metingen en het nieuwe model is dat de tijd tot productie in een biosfeer sterk kan ingekort worden in vergelijking met traditioneel geteelde tarwe en dat de aar zich het beste ontwikkelt bij een regime van 14u licht en 10u donker van zodra de stengel van de plant zich in de elongatiefase bevindt.
Omdat het 3D-tarwemodel een mechanistisch groeimodel is, is het mogelijk om de principes, processen en mechanismen van deze tool te gebruiken voor andere gewassen. In de toekomst behoort een virtuele representatie van de volledige biosfeer, inclusief planten, dus tot de realiteit. De tool kan gebruikt worden om gezonde planten met gewenste productie en kwaliteit optimaal en duurzaam te telen, zowel op Mars als op aarde.
Mechanistische 3D-plantsimulaties en artificiële intelligentie
In parallel gingen Urban Crop Solutions en Magics Technologies aan de slag om gegevens te verzamelen over de groei en ontwikkeling van boerenkool en basilicum, twee bladgewassen die zich goed lenen om te groeien in gestapelde rekken onder kunstlicht. Het doel was om deze keer een AI-model proberen te ontwikkelen dat op basis van omgevingsparameters de groei kan voorspellen van beide planten. En, zoals bij het 3D-plantmodel, zou het AI-model ook de beste omgevingsparameters moeten kunnen aangeven om de groei van de plant te verbeteren.
Om dit AI-model te ontwikkelen, verzamelde Urban Crop Solutions, net als Universiteit Gent, gegevens over het microklimaat en parameters die de groei en ontwikkeling van de plant in kaart brengen. Hierbij maakten ze gebruik van camera’s, manuele metingen en sensoren, inclusief de sensoren van Universiteit Gent. Deze gegevens werden gebundeld en gelabeld voor machine learning in een dataplatform bij Urban Crop Solutions en werden aangevuld met beschikbare datasets uit de literatuur voor boerenkool en basilicum.
Op basis van deze dataset werd vervolgens een prototype AI-model getraind om de groei en ontwikkeling van basilicum en boerenkool te voorspellen. De uitdaging hier was groot en verder onderzoek voor AI-voorspelling zal nodig zijn. Urban Crop Solutions werkt nu wel verder om dit prototype AI-model om te zetten in een model dat ‘up and running’ is, zodat het kan vergeleken worden met de mechanistische aanpak van het 3D-plant model van Universiteit Gent.
Mens in harmonie met het leven in de biosfeer
In een gesloten biosfeer is het niet enkel van belang de gezondheidstoestand van de planten op te volgen, maar uiteraard ook van de bewoners zelf die deze planten dagelijks zullen verzorgen. Een gesloten biosfeer is dan wel gesloten, maar niet steriel. Micro-organismen zullen doelbewust binnengebracht worden bv. om mineralen uit te logen of om een zuurdesembrood te kunnen bakken. En natuurlijk is er ook contaminatie via het materiaal dat binnengebracht wordt, via de planten, het zaad en de marsbewoners zelf.
SCK CEN heeft daarom tijdens het project de lucht- en waterkwaliteit gemonitord in de plantengroeikamer van de gesloten biosfeer bij Puratos. Op vlak van luchtkwaliteit bleek de aanwezigheid van schimmels en bacteriën afhankelijk van de aanwezigheid van mensen in de groeikamer. Maar de waarden bleven wel onder de ISO 8/ Grade D standaard voor ‘clean rooms’. De microbiële contaminatie in het groeimedium, of dus de waterkwaliteit, was duidelijk te linken met de groeifases van de tarweplant. Bovendien werden enkel bacteriën en schimmels teruggevonden die van nature in associatie leven met de rhizosfeer van tarwewortels. Er werden bv. geen pathogene micro-organismen vastgesteld. Het lijkt dus wel mogelijk dat mens en plant veilig kunnen samenleven op vlak van microbiologie in een gesloten biosfeer.
Maar ook gasuitwisseling moet in balans zijn in een gesloten systeem. Op basis van testen bij Urban Crop Solutions bleek dat 22.1 m² tarwe voldoende zou moeten zijn om de CO2 uitstoot van 1 gemiddeld persoon te compenseren en voldoende O2 te produceren als die persoon 3u per dag fysieke activiteit beoefent. Maar ook andere gassen zoals H2, N2 of CH4 moeten strikt gemonitord worden.
En dan is er nog de kwestie van onder de grond te leven. Een mens leeft namelijk volgens een dagelijkse cyclus die door natuurlijk daglicht bepaald wordt. Hoe zorg je er dan voor dat het mentaal en fysiek welbevinden van de marsbewoners er niet op achteruit gaat in zo’n ondergrondse biosfeer? Kleur en lichtintensiteit van de belichting in de biosfeer kunnen aangepast worden in een 24u cyclus. Over de middag is de intensiteit dan het sterkst en de kleurtemperatuur het koelst. Belangrijk is dus om golflengtes te kiezen die het dichtst aansluiten bij het daglichtspectrum dat de zon ons biedt.
De bloemetjes en de bijtjes
Voor tarwe hebben we nu alle stappen doorlopen. We hebben een plant kunnen telen en de graankorrels kunnen oogsten. Tarweplanten zijn namelijk zelfbestuivers. Maar dit geldt uiteraard niet voor alle planten. Als we ook andere gewassen in de biosfeer willen telen voor de voedselvoorziening dan moeten we rekening houden met bestuiving en met het feit dat er op Mars geen insecten aanwezig zijn om die bestuiving uit te voeren.
Vandaar dat Magics Technologies in het SpaceBakery-project een innovatieve, laag vermogen AI-chip ontwikkelde voor nanodrones. Het doel van deze AI-chip is om bloemen te herkennen, een drone aan te sturen om er naartoe te vliegen en de meeldraden aan te raken om vervolgens naar een andere bloem te vliegen en de bestuiving op de stamper te voltooien. En dat allemaal autonoom, inclusief het vermijden van obstakels tijdens de vlucht.
Om het AI-model te trainen, ontwikkelde Magics Technologies een virtuele omgeving waarin de vlucht van de drone kan gesimuleerd worden. In deze virtuele omgeving werden vervolgens 3D-modellen van zonnebloemen en foto’s van echte zonnebloemen ingeladen als trainingsdata voor het AI-model. Het AI-model werd vervolgens gekoppeld aan een commerciële drone waarop een probe was geplaatst voor de bestuiving. En contact met de zonnebloem werd succesvol gedemonstreerd op de World Expo in Dubai. In tussentijd designde Magics Technolgies de chip voor het AI-model die geschikt is voor toepassingen op nanodrones en energie-efficiënt werkt.
Pollinating autonomous drone with AI-chip
Een lekker en voedzaam zuurdesembrood
Goed, we zijn al ver gekomen. We hebben de gewassen kunnen oogsten, maar nu krijgen we honger. De laatste stap is dus om een nutritioneel compleet brood te bakken in onze bakkerijafdeling van de gesloten biosfeer. We kiezen voor zuurdesem een voedzaam en smaakvol brood op te leveren. Zuurdesem is op basis van natuurlijke fermentatie.
Welke kwaliteit heeft de bloem uit de biosfeer? Het graan wordt namelijk geteeld in rekken, met kunstlicht in een gesloten omgeving en op een substraat dat helemaal anders is dan bij ons op aarde. Puratos liet daarom bloem afkomstig van granen uit hun eigen gesloten biosfeer analyseren op de volgende parameters: hectolitergewicht, duizendkorrelgewicht, vocht-, eiwit-, asgehalte en mineralen- en vitaminesamenstelling.
Hieruit bleek dat de bloem uit de gesloten biosfeer eiwitrijk was, een sterke alfa-amylase activiteit had en een laag valgetal. Deze eigenschappen maken dat deeg op basis van deze bloem heel plastisch is en dat de bloem dus het meest geschikt is om een lekker platbrood te maken.
Puratos maakte vervolgens een aantal zuurdesems met bloem uit de biosfeer en analyseerde de microbiële samenstelling. Er werden onder andere bacteriën van de genera Levilactobacillus, Lactiplantibacillus en Fructilactobacillus teruggevonden.
Het is wel niet evident om deze levende zuurdesems gedurende een ruimtereis van 6 maanden stabiel te houden. Maar daar vond Puratos een oplossing voor door de zuurdesems op een specifieke manier te sproeidrogen zonder dat ze levensvatbaarheid verliezen.
Om het zuurdesembrood nutritioneel compleet te maken, werd in de groeikamers bij Puratos naast tarwe ook nog cowpea geteeld, een eiwitrijke boonsoort. Het is een snelgroeiend gewas met heel wat potentieel. Daarnaast werd gezocht naar een plantaardige vetbron en andere inclusies om aan de dagelijkse vitamine- en nutriëntenbehoefte van de mens te voldoen. Er werden plantensoorten gekozen die geschikt zijn voor een teelt in groeikamers. Het resultaat is een voedzaam zuurdesem platbrood dat nog verder door Puratos zal geperfectioneerd worden.
