Artist impression van een bezoek aan Mars met astronauten, een nederzetting en de Mars 2020 Rover.
Mars of de maan koloniseren lijkt vooralsnog sciencefiction. Toch zijn er ook in Nederland al biologen die de eerste stappen zetten in het telen van voedsel en bouwen met bacteriën voor toekomstige buitenaardse stations.
'Kijk, de bonenplantjes zijn vrijwel allemaal gekiemd en de meeste al aardig gegroeid. Op Marsbodem lijken ze het iets beter te doen dan op maanbodem. Die ervaring hadden we ook in onze eerdere experimenten’, zegt de Wageningse ecoloog en exobioloog Wieger Wamelink, terwijl hij langs een kweektafel loopt in de onderzoekskas. Zestig bonenplantjes staan netje in rijtjes en zijn simpel gelabeld met een nummer, codering E, L of M – wat aangeeft of de grond afkomstig is van aarde, maan of Mars – en een plus of min om aan te geven of ze zijn behandeld met urine. Het experiment, onderdeel van het onderzoeksproject Food for Mars & Moon, heeft niet echt de allure van rocket science.
Boven: artist impression van de ondergrondse teelt van groente op Mars. Onder: Wieger Wamelink kweekt plantjes op maan- en Marsbodem in een kas in Wageningen.
Toch levert het inzetten van de proef begin november weer de nodige media-aandacht op, want het spreekt wel tot de verbeelding: planten kweken op Mars bemest met urine van astronauten. Zeker nu men herdenkt dat vijftig jaar geleden – op 21 juli 1969 – de Amerikaanse astronaut Neil Armstrong als eerste mens een voet op de maan zette. En slechts twee jaar later, op 2 december 1971, een Russische onbemande ruimtesonde voor het eerst landde op Mars. Er hangt bovendien een nieuwe ruimtewedloop in de lucht. Zo voorziet het Chinese Chang’e-project in een bemande maanlanding in 2029, wil NASA versneld in 2024 de eerste Amerikaanse vrouw op de maan zetten en in 2035 mensen op Mars laten landen.
Astronautenvoeding
‘Leven op de maan of Mars lijkt sciencefiction, maar daar hou ik toevallig wel van. Wij houden ons hier overigens alleen bezig met de science en sorteren voor op toekomstige ontwikkelingen. We beschikken in Wageningen immers over veel kennis rond plantengroei, voedselproductie en teeltsystemen. Een reis naar Mars duurt minstens acht maanden en als je er ook nog wil verblijven kun je niet volstaan met astronautenvoeding. Het is haast onvermijdelijk, ook voor het menselijk welbevinden, als ruimtevaarders in ieder geval af en toe vers eten tot zich kunnen nemen. We zullen dus onderweg en op Mars of maan groenten moeten verbouwen. Kippen of varkens meenemen is nog een flinke stap verder’, meent Wamelink. Hij laat zich niet ontmoedigen door het Biosphere-project met een gesloten ecosysteem, gewoon op aarde in Arizona, dat in 1994 op een mislukking uitliep (Advances in Space Research, 2003). ‘Dat ging fout omdat er in één keer een complex ecosysteem was gebouwd en men dat vervolgens niet in stand wist te houden. Wij bouwen juist alles – stap voor stap – van onderaf op en proberen een minimaal systeem te ontwerpen om planten in de ruimte te kweken.’
Veggie
Er zijn inmiddels al aardig wat ruimte-experimenten met planten uitgevoerd, met name tijdens Apollo-maanmissies (Astrobiology, 2010) en met teeltsystemen als Oasis in het Russische ruimtestation MIR en Veggie en Advanced Plant Habitat in het internationale ruimtestation ISS (Life Sciences in Space Research, 2016). ‘Zo weten we dat microzwaartekracht geen onoverkomelijk probleem is voor plantengroei, want vooral belichting bepaalt de groeirichting’, constateert Wamelink. Problemen – of liever enorme uitdagingen – zijn er genoeg. ‘Zo moet je, gezien de extreme kou en vooral de enorme straling op Mars, de teelt ondergronds organiseren, of indien mogelijk in grotten. De ervaring met stadslandbouw in pakhuizen toont overigens aan dat zoiets best mogelijk is.’
Marsbodem
In eerdere kasexperimenten lieten Wamelink en collega’s al zien dat een breed scala aan planten met succes op te kweken is op maan- of Marsbodem (Plos One, 2014 en Open Agriculture, 2 oktober 2019). Hiervoor is de grijzige maan- en rode Marsbodem gebruikt die bij NASA te koop is. Dit zogeheten regoliet bestaat uit vulkanisch zand van Hawaii en woestijnzand uit Arizona, met een vergelijkbare minerale samenstelling als maan- en Marsbodem. Veertien plantensoorten, waaronder tomaat, rogge, wortel, tuinkers en vier stikstofbindende vlinderbloemigen, kwamen tot groei en soms ook tot bloei en zaadzetting.
‘Een mooi alternatief voor urine, al valt niet uit te sluiten dat er ook wat sporen van xtc in zitten’
Het huidige experiment ziet Wamelink als een logische vervolgstap om via recycling urine van astronauten te gebruiken om planten te bemesten. In dit geval hoeft André Kuipers niet over de plantjes te plassen, maar wordt struviet gebruikt. Een teruggewonnen, fosfaatrijke grondstof afkomstig uit urine, ingezameld tijdens festivals in onder meer Amsterdam. ‘Een mooi gestandaardiseerd alternatief voor urine, al valt niet helemaal uit te sluiten dat er ook wat sporen van xtc of medicijnen in zitten’, glimlacht Wamelink. ‘We zijn geïnteresseerd in de invloed van bemesting op plantgroei, maar ook wat het betekent voor de ophoping van zware metalen in planten. Dat kan een probleem vormen voor de eetbaarheid.’ Ideeën voor vervolgonderzoek heeft hij genoeg. Zo wil hij graag symbiotische schimmels en regenwormen toevoegen, om zo de beschikbaarheid van nutriënten voor planten te verbeteren. ‘Ook dat is een uitdaging, want er mogen natuurlijk geen andere, ongewenste of ziekteverwekkende schimmels en micro-organismen meeliften naar Mars.’
‘Jaarlijks krijg ik tientallen verzoeken van scholieren die een profielwerkstuk willen maken over ruimtelandbouw’
Wamelink snapt de argwaan bij biologen voor onderzoek rond het koloniseren van andere planeten, terwijl er genoeg dringende vragen zijn rond de leefbaarheid op planeet aarde zelf. ‘Ik doe zelf in het dagelijks leven vooral onderzoek naar de invloed van stikstofdepositie op planten, dus daar ben ik ook aardig druk mee’, zegt Wamelink. ‘Onderzoek naar natuurbehoud en duurzaamheidskwesties op aarde is zeker belangrijk, maar ruimteonderzoek verlegt grenzen en kan ook leiden tot toepassingen op aarde. Bijvoorbeeld voor het benutten van uitgeputte of verzilte landbouwgronden. Bovendien spreekt het tot de verbeelding, wekt het nieuwsgierigheid op en prikkelt het de fantasie. Jaarlijks krijg ik tientallen verzoeken van scholieren die een profielwerkstuk willen maken over ruimtelandbouw.’
Uithangbord
Vooralsnog draait het project Food for Mars & Moon geheel op crowdfunding en beloont Wamelink donateurs met stickers, buttons, posters, T-shirts en potjes maan- of Marsbodem. De ironie wil dat NWO het project gebruikt als uithangbord voor de Nationale Wetenschapsagenda, maar dat Wamelink nimmer een financieringsaanvraag door NWO gehonoreerd kreeg. ‘Als commentaar kreeg ik de simpele opmerking dat planten groeien op Mars niet mogelijk is, dus daar stop ik geen energie meer in’, zegt Wamelink. ‘Het blijft wel wrang dat al het ruimteonderzoek dat ik kan bedenken, nog geen fractie kost van de lancering van één raket.’
Marsbasis bouwen met bacteriën
Mensen op Mars lijkt voorlopig onhaalbaar, maar mijnende bacteriën kunnen wel voorwerk doen.
‘Mars heet niet voor niks de rode planeet. Er zit veel ijzer in de bodem, maar niet in verbindingen die geschikt zijn als bouwmateriaal. En er zijn erg veel redenen waarom je geen hoogovens gaat bouwen op Mars. Onze oplossing is bacteriën in te zetten om metalen te maken die wel geschikt zijn als bouwmateriaal’, vertelt de Oostenrijkse microbioloog Benjamin Lehner. Hij promoveerde 22 november in Delft op onderzoek naar de mogelijkheden microbiologie en nanotechnologie in te zetten in de ruimtevaart.
Toekomstmuziek
‘Mensen naar Mars brengen spreekt tot de verbeelding, maar voorlopig is dat nog toekomstmuziek. Alleen al vanwege de hoge dosis straling die ze daar zullen oplopen en de hele infrastructuur die je nodig hebt. Het is realistischer om eerst onbemande capsules naar Mars te zenden en daarin bacteriën mee te sturen die alvast ijzer voor je gaan mijnen. Zo laat je al een voorraad bouwmateriaal produceren, die latere bemande missie kunnen gebruiken’, aldus Lehner.
‘Shewanella kan uit Marsgrond magnetiet
vormen, wat we vervolgens met magneten
uit de bioreactor kunnen oogsten.'
Biologische systemen hebben volgens hem immers het voordeel dat ze groeien en reproduceren, waardoor relatief weinig uitgangsmateriaal naar Mars gestuurd hoeft te worden. Lehner experimenteerde met name met de bacterie Shewanella oneidensis , die dankzij een specifiek elektronentransportsysteem metaaloxiden kan reduceren en goed bestand is tegen straling. Lehner: ‘Shewanella is in staat uit Marsgrond magnetiet te vormen, een magnetische ijzeroxide, die we vervolgens met magneten uit de bioreactor kunnen oogsten. Een bioreactor van 1.400 liter kan zo in een jaar ongeveer 350 kilogram magnetiet produceren. De magnetiet kun je vervolgens met een 3D-printer in de gewenste vorm uitprinten: tot platen, moeren of schroeven voor constructie of reparatie van de Marsbasis.’
IJzermijnen
In zijn proefschrift presenteert Lehner de benodigde onderdelen die hiervoor meekunnen in een onbemande capsule: een rover voor het binnenhalen van grond, de bioreactor en een 3D-printer (zie illustratie). ‘We moeten daarbij voorkomen dat Mars besmet raakt met onze bacteriën. Ook omdat dit het zoeken zou bemoeilijken naar mogelijk leven op deze planeet. Het lijkt futuristisch, maar technisch is geïsoleerd ijzermijnen op Mars via afstandsbediening mogelijk. Het geproduceerde constructiemateriaal kun je bijvoorbeeld veilig verzamelen en opslaan in een opblaasbare kamer’, vertelt Lehner. Het proberen gebruik te maken van ter plekke beschikbare grondstoffen – in situ resource utilization – is in opkomst in de ruimtevaart. Volgens Lehner is op vergelijkbare wijze bijvoorbeeld silicium als bouwmateriaal te verkrijgen.
Lehners enthousiasme voor ruimtevaart is zichtbaar in de proefschrifttitel: To new frontiers . ‘Ik geloof heel erg in de ruimtevaart als intellectuele uitdaging, wat inspireert tot innovaties. Het geld hiervoor komt uit heel andere budgetten, dus het concurreert ook niet met belangrijk biologisch onderzoek dat nodig is voor verduurzaming op aarde.’
Kader:
Ruimtevaart is niks voor mensen
‘Mensen hebben niks te zoeken op de maan of op Mars. We zijn er niet op gebouwd. Alles wat we nu over de ruimte weten, weten we door ruimterobots. De echte helden van de ruimtevaart zijn de Pioneers, de Voyagers, Spirit, Opportunity. Robotics is Evolutie 4.0. Kijk je 65 miljoen jaar terug, dan kom je bij de eindtijd van de dinosauriërs. Kijk je 65 miljoen jaar vooruit, dan zal ons zonnestelsel bevolkt zijn door zichzelf reproducerende elektrische wezens’, aldus de Delftse themaleider space robotics Chris Verhoeven (Delft Integraal, juli 2019).
Drie (para)medische redenen waarom de mens ruimtevaart beter kan mijden:
- Microzwaartekracht: bot-, spier- en gezichtsverlies, verstoring bloedsomloop, trombose, hart- en vaatfalen, misselijkheid
- Kosmische straling: dna-schade, stralingsziekte, kanker, dood
- Circadiane ritmiek: slaapproblemen, concentratie-, prestatie- en humeurverlies, psychische problemen
Kortom: De aarde is de wieg van de mensheid en men moet niet vergeten dat lichaam en geest altijd met een navel aan de aarde verbonden blijft (vrij naar raketpionier Konstantin Tsiolkovsky en trekvogelecoloog Theunis Piersma).
One Way Ticket to Mars
t/m 12 januari 2020, Kunsthal, Rotterdam
Tenstoonstelling over reizen en verblijven op Mars
www.kunsthalkade.nl