چگونه ناسا باعث به وجود آمدن نسل جدیدی از کشاورزی شد؟

مقدمه

سازمان ملل پیش‌بینی کرده است تا سال 2050 حدود 2.3 میلیارد نفر به جمعیت جهان اضافه خواهند شد. از طرفی تأمین غذای مورد نیاز برای این جمعیت به‌وسیله کشاورزی سنتی امکان‌پذیر نیست. خوشبختانه ناسا برای چند دهه در رابطه با روش‌های نوین کشاورزی تحقیق کرده است. تأمین غذای تازه و باکیفیت برای فضانوردان در طول اکتشافات طولانی مدت در فضا دلیل اصلی ناسا برای ورود به این حوزه بوده است. به حداقل رساندن مصرف آب و انرژی در کنار تلاش برای حذف خاک از معادله کشت، از جمله نکات ضروری مورد نظر ناسا برای تأمین نیاز تغذیه‌ای فضانوردان بوده است.

ظهور صنعت کشاورزی در محیط کنترل‌شده

ناسا در ابتدا با ساختن اولین مزرعه عمودی در آمریکا، تکنیک کشت عمودی را در زمین امتحان کرد. برای این کار متخصصان حوزه کشاورزی در داخل یک محفظه هیپوباریک از کار افتاده که از آزمایش کپسول فضایی عطارد باقی مانده بود، ردیف‌هایی از سینی‌های هیدروپونیک را مانند قفسه‌های کتاب روی دیوارها چیدند. سپس سیستم‌های روشنایی، تهویه و گردش آب به مجموعه اضافه شد. محصولات مختلفی روی سینی‌ها کاشته شدند تا بررسی شود که چگونه در آب و بدون بهره‌مندی از نور خورشید یا هوای آزاد رشد می‌کنند. این رویکرد نوآورانه در کشاورزی، پایه‌ای برای صنعت کشاورزی با محیط کنترل‌شده یا CEA ایجاد کرد.

کشاورزی در محیط کنترل‌شده چیست؟

CEA علم کنترل محیطی برای بهینه‌سازی رشد گیاه و به حداکثر رساندن کارایی ترکیب است و اغلب ساختارهای رشد عمودی را در خود جای می‌دهد. در این روش با فیلتر کردن آلاینده‌ها از آب موجود در چرخه، تعادلی دقیق میان مواد مغذی موجود در آب و نیاز گیاه برای رشد ایجاد می‌شود. همچنین نور مصنوعی تنها طول موج‌های لازم را در زمان، شدت و مدت زمان مناسب جهت رشد گیاه فراهم می‌کند. در حالی که کنترل‌های محیطی، دما و رطوبت ایده‌آل برای رشد را حفظ می‌کنند. نیت استوری، مدیر ارشد علمی در Plenty Unlimited، یکی از چندین شرکتی که بر اساس تحقیقات رشد گیاهی ناسا ساخته شده‌اند، گفته است: “این رویکرد می‌تواند به تغذیه نسل‌های در حال رشد آینده کمک کند.”

کشاورزی عمودی و نقش ناسا در توسعه آن

Plenty کمتر از 1٪ از آب کشاورزی سنتی را مصرف می‌کند، و مزرعه دو هکتاری این شرکت محصولی مشابه یک مزرعه 720 هکتاری در فضای باز دارد. در حال حاضر کشاورزی عمودی یک بازار جهانی به ارزش 2.9 میلیارد دلار است، برخی برآوردها پیش‌بینی می‌کنند که بازار کشاورزی عمودی می تواند تا سال 2025 به 7.3 میلیارد دلار برسد.

استوری می‌گوید: “کل این صنعت بر اساس تحقیقات ناسا ساخته شده است. ناسا از روزهای اولیه فعالیت خود، سیستم‌های حیاتی را با گیاهانی که زباله‌ها را بازیافت می‌کنند و مواد غذایی و اکسیژن تولید می‌کنند و دی اکسید کربن را حذف می‌کنند، مورد بررسی قرار داده است. برنامه سیستم حمایت از حیات اکولوژیکی از بخش علوم زیستی در مرکز فضایی کندی ناسا در فلوریدا آغاز شد و تحقیقات دانشگاهی را برای شناسایی بهترین گیاهان و شرایط رشد ایده‌آل آن‌ها تأمین مالی کرد و آژانس اتاق‌های رشد را برای گسترش این یافته‌ها ساخت.”

آیا می‌توان این کار را در فضا انجام داد؟

ری ویلر، فیزیولوژیست گیاهی در ناسا کندی می‌گوید: “رشد محصولات یک رویکرد چند منظوره برای حمایت از زندگی است. اما ما باید به این سوال پاسخ می‌دادیم که آیا می‌توان این کار را در یک محیط بسته مانند فضا انجام داد؟” ویلر چندین آزمایش رشد را در اتاق تولید زیست‌توده که در دهه 1980 ساخته شد انجام داد. او گفت که سال‌ها آزمایش، «ضرتخانه‌ای از داده‌ها» را تولید کرد که همه آن‌ها به صورت عمومی منتشر شد.”

با استناد به تحقیقات صورت گرفته، Plenty نوعی تکنیک جدید برای پرورش گیاهان را اتخاذ کرد. در این سیستم هیدروپونیک (بدون خاک)، یک لایه ثابت و حداقلی آب را در اطراف نهال‌ها به گردش در می‌آورد که حاوی تمام مواد مغذی لازم است.

این رویکرد باعث تولید گیاهان تازه‌تر، سالم‌تر و خوش طعم‌تر می‌شود. طبق گفته استوری، یکنواختی روشنایی همراه با کنترل‌های مبتنی بر داده بر روی سایر متغیرهای مرتبط با جامعه گیاهی، نرخ رشد و خروجی را قابل پیش‌بینی می‌کند. برداشت گیاهان جوان در حالی که لطیف‌تر و خوش طعم‌تر هستند به این معنی است که طعم محصول بهتر از گیاهانی است که به طور کامل بالغ می‌شوند. از آن‌جایی که زمان ارسال محصولات از محل تولید به محل مصرف به طور چشم‌گیری کوتاه‌تر است، گیاهان طراوت و ارزش غذایی خود را حفظ می کنند.

Plenty با کنترل هر عنصر محیطی می‌تواند از استفاده از مواد شیمیایی مضر مانند آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌ها که بر سلامت گیاه نیز تأثیر می‌گذارند، اجتناب کند.

شرکت Green Sense Farm Holdings

گیاهان مختلف به تعادل آب، مواد مغذی، نور، جریان هوا و غیره نیاز دارند. ناسا شرایط ایده‌آل را برای ده‌ها گونه مورد مطالعه و مستندسازی قرار داد، و اکنون Green Sense Farm Holdings از این تحقیقات استفاده می‌کند. این شرکت خدمات تحقیق و توسعه قراردادی را برای بهینه‌سازی رشد گیاه در مزارع عمودی با آب‌وهوای کنترل شده ارائه می‌دهد که از نرم‌افزار برای بهینه‌سازی شرایط و جمع‌آوری داده‌های رشد گیاه استفاده می‌کند.

رابرت کولانجلو، رئیس گرین سنس، می‌گوید، “یکی از نمونه‌های مورد استفاده ما، آزمایش نسبت قرمز به آبی در چراغ‌های LED، شدت آن‌ها و مدت زمان درخشش آن‌ها در دوره رشد گیاه است. استفاده از طول موج نور مورد نیاز یک گیاه، مصرف برق را کاهش می‌دهد. این مورد از نتایج تحقیقات ناسا به‌دست آمده.”

شرکت Bowery Farming

Bowery Farming مزارع عمودی شهری را بر اساس مدل داده‌محور ناسا می‌سازد که در ساختارهای موجود مانند انبارهای خالی تعبیه شده است و محصولات را به صورت محلی در رستوران‌ها و فروشگاه‌های مواد غذایی توزیع می‌کند. Henry Sztul، مدیر ارشد علمی این مجموعه می‌گوید: این شرکت به طور مداوم بر محصولات و شرایط برای حفظ یک محیط ایده‌آل نظارت می‌کند.

سیستم Bowery از هوش مصنوعی برای درک داده‌های به‌دست آمده از محصول و مدیریت چرخه‌های رشد استفاده می‌کند. همان‌طور که یک فرد می‌تواند یاد بگیرد که نوک برگ کاهو را تشخیص دهد، رایانه‌ها نیز می‌توانند به همان نوع تشخیص آموزش داده شوند. Sztul می‌گوید: “با استفاده از هزاران عکس، رایانه‌ها یاد می‌گیرند که مشکلات را شناسایی و به طور خودکار بخش‌هایی از سیستم را تنظیم کنند.

مزارع عمودی تنها مشاغل CEA نیستند که از تحقیقات ناسا سود می برند. کشاورزان سیب زمینی در حال حاضر از تکنیک فیلم مواد مغذی در گلخانه‌ها استفاده می‌کنند، فناوری که توسط ناسا توسعه داده شده است. ویلر گفت که این آژانس برای اولین بار این روش را برای محصولات زراعی منطقه مانند سیب زمینی، سیب زمینی شیرین و بادام زمینی پیشتاز کرد و کاربردی بودن این روش را با عملکرد بی‌سابقه سیب زمینی ثابت کرده است.

شرکت CSS Farms

CSS Farms از این تکنیک برای پرورش دانه‌های سیب‌زمینی به نام minitubers در گلخانه‌ها استفاده می‌کند. برخلاف گیاهانی که از بذر رشد می‌کنند، سیب‌زمینی از سیب‌زمینی بریده شده یا از غده‌های کوچک رشد می‌کند. این دانه‌ها را می‌توان حمل کرد و در مزارع کاشت، جایی که آ‌ن‌ها به گیاهانی تبدیل می‌شوند که سیب‌زمینی‌های بزرگ برای مصرف تولید می‌کنند.

انتقال فناوری به بخش خصوصی

از آنجایی که ناسا به پیشرفت سیستم‌های پشتیبانی از حیات در آماده‌سازی برای مأموریت‌های ماه و مریخ ادامه می‌دهد، از رشد بیشتر صنعت CEA نیز حمایت می‌کنند. ناسا سابقه طولانی در انتقال فناوری به بخش خصوصی دارد. انتشارات Spinoff، فناوری‌های ناسا را که به محصولات و خدمات تجاری تبدیل شده‌اند نشان می‌دهد و مزایای گسترده‌تر سرمایه‌گذاری در برنامه فضایی را هویدا می‌کند. Spinoff یک نشریه از برنامه انتقال فناوری در اداره مأموریت فناوری فضایی ناسا (STMD) است.