25 июня 2024 года автоматическая лунная станция «Чанъэ-6» впервые в истории доставила на Землю образцы грунта, собранного с обратной стороны Луны. Общая масса доставленного материала составила 1935,3 грамма. Планируется провести комплексный анализ состава реголита и его свойств для получения данных об эволюции Луны и оценке потенциала использования лунных ресурсов.
На фоне новой волны исследований, связанных с лунным грунтом, стоит рассмотреть, какие эксперименты с его использованием уже проводились, в частности — в контексте сельскохозяйственного применения, и насколько реголит подходит для выращивания растений в будущих внеземных миссиях.
В феврале 1966 года автоматическая станция «Луна-9» осуществила первую в истории мягкую посадку на поверхность Луны. Однако образцы грунта она не доставила. Основное значение миссии заключалось в получении первичных данных о лунной поверхности. Позднее в том же году аппарат «Сервейер-1» также совершил посадку, предоставив более детальные сведения о реголите, но не привез образцы на Землю.
Первая доставка лунного реголита на Землю была выполнена в рамках миссии «Аполлон-11» в июле 1969 года. Тогда было получено около 22 кг образцов. В совокупности экспедиции программы «Аполлон» доставили 382 кг грунта. Советские станции «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24» доставили в общей сложности 324 грамма. Китайская миссия «Чанъэ-5» привезла еще 1731 грамм. Последняя на данный момент миссия «Чанъэ-6» добавила к этим данным еще 1935,3 грамма. Это все имеющиеся в распоряжении научного сообщества образцы лунного грунта.
Доступный реголит подвергался всестороннему изучению, включая эксперименты по выращиванию растений. Размер частиц реголита составляет около 60–80 микрометров. Известен и его минеральный состав: фрагменты вулканических пород, минералы, стекло, ударно-взрывная брекчия, агглютинаты и кластеры расплавленных частиц, характерные для лунной поверхности. Химически он содержит кислород (40–45%), кремний, алюминий, кальций, железо, магний, титан и в меньших количествах — марганец, калий, натрий и фосфор. Несмотря на неблагоприятную для растений среду, была необходимость эмпирически проверить его пригодность.
Более 50 лет до первых успешных экспериментов
Из-за ограниченного количества реголита его использование для биологических экспериментов было затруднено. Первые попытки выращивания растений в образцах реголита начались в США в 2021 году. В 2022 году было объявлено об успешном проращивании растения Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) непосредственно в лунном грунте. Исследование опубликовано в журнале Nature в статье « Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration ».
Для эксперимента использовали 12 граммов реголита, разделенного на 16 емкостей. В каждый образец добавлялись удобрения, вода и семена резуховидки Таля — растения, часто применяемого в генетических и физиологических исследованиях. Воссозданные условия имитировали возможную среду в будущих лунных базах. Всходы появлялись в течение 48–60 часов. На 6–8 дни проводилось прореживание, оставляя по одному растению в каждой ячейке.
В ходе анализа образцов не было выявлено патогенных микроорганизмов, представляющих угрозу для растений или земных экосистем. Однако условия в реголите оказались неблагоприятными: генетический анализ продемонстрировал значительный стресс, испытываемый растениями в процессе роста.
Также было установлено, что характеристики роста резуховидки различались в зависимости от происхождения реголита. Образцы были собраны во время миссий «Аполлон-11», «Аполлон-12» и «Аполлон-17» и сравнивались с имитатором реголита JSC1A. Наиболее агрессивным оказался грунт из миссии «Аполлон-11», а наименее — из «Аполлон-12». Аналогичные исследования с грунтом с обратной стороны Луны могут выявить дополнительные особенности.
Эксперименты подтвердили возможность роста растений в лунном реголите, однако выявили необходимость в дальнейшем исследовании путей адаптации среды. Планируется проведение новых опытов с добавками, улучшающими свойства реголита для агробиологических задач.
Бактерии улучшают свойства искусственного лунного реголита
В 2023 году исследователи Китайского сельскохозяйственного университета предложили метод снижения агрессивности лунного реголита. Они использовали фосфатмобилизующие бактерии — Bacillus mucilaginosus, Bacillus megaterium и Pseudomonas fluorescens — для перевода нерастворимого фосфора в форму, доступную для растений. Результаты работы опубликованы в журнале Nature в статье Phosphorus‑solubilizing bacteria improve the growth of Nicotiana benthamiana on lunar regolith simulant by dissociating insoluble inorganic phosphorus .
В ходе эксперимента применялся синтетический аналог лунного реголита, соответствующий по составу образцам, доставленным миссией «Аполлон-14». Основу материала составил вулканический шлак, нередко применяемый в подобных исследованиях благодаря схожести с реголитом.
Перед посадкой семян субстрат обрабатывали раствором бактерий. Применение B. mucilaginosus увеличило концентрацию растворимого фосфора на 214% за 10 дней. При использовании B. megaterium и P. fluorescens прирост составил 234% и 247% соответственно на 21-й день.
Для выращивания использовались семена табака Бентама ( Nicotiana benthamiana), по 6–7 семян в каждую лунку. Посевы проводились как в обработанный, так и в контрольный не обработанный бактериями субстрат. Эксперименты проходили в контролируемой среде с температурой 24°C, влажностью 70% и режимом освещения 16/8 часов. Ростки появлялись на 6-й день в количестве 2–3 на лунку.
Растения, выращенные на обработанном бактериями реголите, продемонстрировали лучшие показатели по качеству листьев, корневой системы и общего состояния. Эксперимент подтвердил, что даже один штамм бактерий может значительно повысить пригодность реголита для сельскохозяйственного использования.
Микориза и органические удобрения способствовали росту нута
В 2024 году американские исследователи представили еще один подход к повышению плодородия имитации лунного реголита. В почву были внесены арбускулярная микориза — симбиотическая ассоциация грибов с корнями растений — и удобрение на основе вермикомпоста. Подробности приведены в препринте на bioRxiv.
Поскольку в реголите отсутствует естественная микрофлора, необходимая для усвоения питательных веществ, исследование подтвердило важность биологического обогащения почвы. Предыдущие опыты показали, что даже отдельные штаммы бактерий могут оказывать положительное влияние. Настоящий эксперимент рассмотрел действие целого комплекса микроорганизмов.
В течение 120 дней проводилось выращивание нута (Cicer arietinum) на субстратах с разной долей вермикомпоста (от 25% до 75%) и микоризой. Контрольная группа использовала только имитацию реголита без добавок.
В первую неделю наблюдалось уплотнение субстрата, особенно выраженное в образцах без вермикомпоста, что затрудняло водопоглощение и газообмен. При этом на начальном этапе в этих образцах отмечался ускоренный рост, связанный с реакцией на стресс, аналогичной реакции Arabidopsis thaliana в других экспериментах. Однако в дальнейшем это приводило к преждевременному старению растений.
На 16-й день взошли все семена. К 10-й неделе растения без микоризы начали отмирать. Добавление вермикомпоста продлевало вегетационный период, но цветение было зафиксировано лишь в группе с микоризой. На 120-й день были получены семена, что на 20 дней превышает типичный цикл в наземных условиях. Однако у всех растений отмечался недостаток хлорофилла.
Полученные данные показывают, что удобрения в одиночку не обеспечивают полноценное развитие растений на реголите. Формирование устойчивой микрофлоры является ключевым фактором адаптации субстрата для земных культур.
Выводы подтверждаются и результатами японского исследования 2023 года. В ходе эксперимента, описанного в отчете, растения были высажены в настоящий лунный грунт, полученный в рамках программы «Аполлон». Несмотря на использование удобрений, они не смогли прожить более 2–3 недель.
Стоит ли ожидать успеха?
Вопрос: стоит ли заниматься выращиванием сельскохозяйственных культур на Луне для обеспечения питания колонистов, если человечество намерено осваивать этот спутник? Люди должны получать регулярное и качественное питание для успешного освоения Луны и использования её ресурсов. Еду можно либо вырастить непосредственно на Луне, либо доставить с Земли, что, как показали исследования, дороже, чем транспортировка лунного грунта обратно на Землю. Вопрос заключается в том, насколько лунный грунт пригоден для выращивания растений, и как создать необходимые условия для их роста в агрессивной среде Луны.
Способность микрофлоры улучшать свойства лунного грунта без добавления удобрений внушает оптимизм. Это означает, что будущие колонисты, возможно, смогут использовать местные ресурсы для выращивания пищи, без необходимости отправлять большие объемы удобрений с Земли. В дальнейшем почву можно будет удобрять с использованием отходов жизнедеятельности людей и компоста, полученного из растительных остатков.
Однако остаются и другие проблемы, которые необходимо решать, помимо необходимости доставки жидкой воды, кислорода, поддержания оптимальной температуры для жизни людей и строительства соответствующих жилищ.
Растения чувствительны к газовым загрязнителям. На выживаемость и всхожесть растений влияет не только состав почвы. Юлий Александрович Беркович, доктор технических наук, профессор и заведующий лабораторией Института медико-биологических проблем РАН, в интервью порталу «Научная Россия» рассказал о случае, когда в одном из экспериментов по выращиванию растений на орбитальных станциях все растения погибли из-за загрязнения воздуха. Исследования показали, что растения гораздо более чувствительны к токсическим газам, чем люди. В замкнутых пространствах, таких как орбитальные станции или космические колонии, поддержание необходимого состава газов для растений становится сложной задачей.
Реголит Луны легко электризуется и превращается в пыль. Астронавты, побывавшие на Луне, отмечали, что после выхода на поверхность им было крайне трудно очиститься от лунной пыли. Пыль проникала в дыхательные пути и глаза, а её запах напоминал гарь или порох. Исследования показали, что лунный грунт может представлять угрозу для здоровья при его вдыхании. Это также делает работу в лунной пыли крайне неудобной. Кроме того, реголит легко становится пылью, что вызывает дополнительные проблемы при взаимодействии с ним.
Необходимы значительные финансовые вложения. Даже на Земле, при освоении земельных участков, необходимо много лет, чтобы вложенные ресурсы окупились. В случае с колонией на Луне этот процесс будет ещё более сложным и долгим. Колония не сможет сразу обеспечить себя продуктами, даже если речь идет лишь о частичной самообеспеченности. Потребуется время на выращивание культур и сбор урожая, и в этот период колония должна быть снабжена пищей.
Большие площади для посевов с контролируемым микроклиматом. Для того чтобы прокормить даже небольшую колонию, потребуются большие площади или специальные сооружения с контролируемым микроклиматом. Один из проектов, представленных на архитектурном конкурсе Moontopia, предлагает построить многоэтажные здания с фермами, работающими по принципу городских ферм. Также рассматривались проекты строительства колонии из модулей или создания купола, который бы покрывал обширные территории Луны.
Влияние пониженной гравитации на рост растений ещё не изучено. Эксперименты по выращиванию растений в условиях невесомости продолжаются. Полученные результаты варьируются, что говорит о сложности прогнозирования влияния пониженной гравитации на растения. Поскольку лунная гравитация отличается от земной, невозможно точно предсказать, как будут развиваться растения в этих условиях.
Хотя миссия «Аполлон» доказала возможность визитов на Луну, полная колонизация спутника в ближайшем будущем маловероятна. Главной причиной является невозможность на данный момент обеспечить эффективное выращивание пищи на Луне. Пока что лунное фермерство остаётся лишь теоретической возможностью, а учёные продолжают искать новые способы использования лунных ресурсов с минимальными затратами.