宇宙農業

宇宙農業とは、地球上の農業と同様に、宇宙空間や地球外の天体上で食料やその他の資材となる作物を栽培することを指します。

月や火星などの天体での農業は、宇宙ステーションや宇宙コロニーでの農業と多くの共通点があります。しかし、天体の大きさによっては、微小重力の複雑さが欠けている可能性があります。それぞれの環境では、植物の成長に必要な無機物、土壌、日射量、二酸化炭素、窒素、酸素の相対的な供給量など、宇宙農業プロセスに必要な投入物の入手可能性に違いが生じます。

宇宙開発のパイオニアであるコンスタンチン・ツィオルコフスキーは、 1933年までに軌道上の宇宙ステーションで植物を栽培することに成功したと述べている。

宇宙ステーションやその他の長期ミッションへの食料供給は高額です。国際宇宙ステーションの宇宙飛行士1人あたり、1日あたり約1.8キログラムの食料と包装材が必要です。^{[ 1 ]} 4人乗りの乗組員による3年間の火星ミッションのような長期ミッションでは、この量は24,000 ポンド（11,000 キログラム）にも達することがあります。^{[ 1 ]}

補給コストと惑星間ミッションへの補給の非現実性から、飛行中に食料を栽培するという見込みは非常に魅力的です。宇宙農場の存在は、植物を使用して廃水をリサイクルし、酸素を生成し、空気を継続的に浄化し、宇宙ステーションや宇宙船の排泄物をリサイクルできるため、持続可能な環境の構築に役立ちます。 ^{[ 2 ]}わずか10平方メートル^の作物で、1人の1日の必要量の25%、つまり約180～210グラムの酸素を生産します。^{[ 3 ]}基本的に、宇宙農場は宇宙船を水循環と栄養素のリサイクルを備えた人工生態系に変えます。^{[ 4 ] [ 5 ]}

保存期間を維持し、総質量を減らすことに加えて、宇宙で食料を栽培する能力は、宇宙飛行士の食事におけるビタミン不足を解消し、味と食感が改善された新鮮な食品を提供するのに役立つだろう。現在、宇宙飛行士に供給される食品の多くは、加熱処理または凍結乾燥されている。これらの方法はどちらも、ほとんどの場合、処理前の食品の特性を保持している。しかし、保存中にビタミンが劣化する可能性がある。2009年の研究では、ビタミンA、C、K、葉酸、チアミンが、わずか1年の保存で大幅に減少する可能性があることが指摘されている。^{[ 1 ]}火星へのミッションでは、最長5年間の食料保存が必要になる可能性があるため、これらのビタミンの新たな供給源が必要になるだろう。^{[ 1 ]}

他者への食料供給は、初期の地球外居住地の主要な部分となる可能性が高い。食料生産は容易な作業ではなく、初期の入植者にとって最も労働集約的で重要な作業の1つとなる可能性が高い。NASAは、宇宙農業を実現する方法を研究している。^{[ 6 ] [ 7 ]}

技術的な課題

地球外で農業を試みる入植者たちは、さまざまな技術的課題に直面するだろう。これには、重力、照明、気圧の低下、放射線の増加の影響が含まれる。^{[ 6 ]}温室は宇宙がもたらす多くの問題を解決するかもしれないが、その建設には独自の技術的課題が伴うだろう。^{[ 8 ] [ 9 ]}

宇宙飛行中に生育する植物は微小重力環境を経験し、火星表面で生育する植物は地球の植物の約 1/3 の重力を経験します。しかし、指向性のある光が与えられれば、植物は正常な成長を遂げます。^{[ 10 ]}正常な成長とは、根と茎の成長方向が逆になることを指します。とはいえ、宇宙飛行環境で生育する多くの植物は、地球表面で生育する植物よりもかなり小さく、成長速度も遅いことがわかっています。^{[ 10 ]}

重力の変動に加えて、火星の表面で生育する植物は、保護されない限り、地球よりもはるかに高いレベルの放射線にさらされます。高レベルの放射線にさらされると、反応性の高いヒドロキシルラジカルがDNAを標的にするため、植物のDNAが損傷する可能性があります。^{[ 11 ]} DNAの劣化は、植物の発芽、成長、および繁殖に直接的な影響を与えます。^{[ 11 ]}電離放射線はPSIIの機能にも影響を与え、機能の喪失や光酸化の原因となるラジカルの生成を引き起こす可能性があります。これらの影響の強さは種によって異なります。^{[ 12 ]}

火星表面の低圧環境も懸念事項となっている。低圧条件は、正味の光合成速度と蒸発散速度に影響を与える可能性がある。しかし、2006年の研究では、CO2濃度を高く維持することで、10 kPaという低圧条件の影響を緩和し、正常な植物の成長を達成できることが示唆され_ている。^{[ 13 ]}

火星の土壌には、有機物の鉱化作用によって生じる反応性窒素を除いて、植物の成長に必要なミネラルの大部分が含まれています。^{[ 14 ]}火星の表面は有機物が不足しているため、反応性窒素が不足しています。反応性窒素は植物の成長に用いられる土壌の必須成分であり、細菌などの窒素固定種が反応性窒素の供給を助けている可能性があります。しかし、2014年の研究では、模擬土壌を使用することで、火星と月の土壌上で植物が発芽し、50日間生存できることが示唆されました。とはいえ、実験された4種の植物のうち、完全な開花を達成するのに十分な状態になったのは1種だけであり、完全な成長を達成するにはさらなる研究が必要です。^{[ 14 ]}

• ユタ州にある火星砂漠研究ステーションの「グリーンハブ」には、火星での農業に伴う課題の一部を再現するように設計された温室が設置されている。
• 国際宇宙ステーションのラダ実験と欧州モジュール栽培システム^{[ 15 ]}は、少量の新鮮な食料を栽培するために使用されています。
• 2013年、NASAは3Dフードプリンターの開発研究に資金を提供した。^{[ 16 ]}
• NASAの野菜生産システム「ベジー」は、国際宇宙ステーションでサラダ用の作物を生産することを目的とした展開可能なユニットである。^{[ 17 ]}
• 2019年の月着陸船嫦娥4号には、月面微小生態系^{[ 18 ]}が搭載されている。これは、長さ18cm、直径16cmの密閉された「生物圏」円筒で、重さ3kg（6.6ポンド）あり、種子と昆虫の卵が入っており、植物と昆虫が一緒に孵化して相乗的に成長できるかどうかをテストする。    
• 将来のALINA月着陸船には、月面植物生育実験（LPX）と呼ばれる小型の「バイオスフィア」シリンダーが搭載され、NASAはそこで数種類の植物の発芽と生育を試みる予定です。^{[ 19 ] [ 20 ]}
• EDEN-ISSプロジェクトは、南極のノイマイヤー基地IIIで行われた4年間のプロジェクトで、将来のISSでの試験のための植物栽培システムと、惑星居住のための未来探査温室（FEG）を実証することを目的としていました。その後、プロジェクトは延長されました。^{[ 21 ] [ 22 ]}

• 宇宙植物学
• バイオスフィア2
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• 世代船
• 火星への有人探査
• 微小重力
• 宇宙の植物
• 国際宇宙ステーションにおける科学研究
• 野菜生産システム

• 「HowStuffWorks 」「宇宙農業の仕組み」。science.howstuffworks.com。2008年5月28日。 2014年4月22日取得。
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• 「低重力実験のための根圏基質最適化（ORZS）プログラム」。ISSプログラム科学者室。2008年3月28日。（2008年5月14日）https://web.archive.org/web/20100918004023/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/ORZS.html
• 「重力感知のための閾値加速度（Gravi）」。ISSプログラム科学者室。2008年1月11日。（2008年5月14日）https://web.archive.org/web/20100918004023/http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/Gravi.html

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