Промт сказал:
"Новый SpaceAhead Свободного доступа Печати
Кормление Одного миллиона Человек на Марсе
Кевин М. Кэннон и Даниэль Т. Бритт
Изданный август Online:30 2019https://doi.org/10.1089/space.2019.0018
Статья Представления
Инструменты
Акция
Резюме
О производстве пищевых продуктов на Марсе обычно думают с точки зрения выращивания растений, чтобы частично поддержать маленькие команды исследования для короткого - к среднесрочному пребыванию. Здесь, мы полагаем, что более радикальная цель производства достаточного количества пищи на Марсе выдерживает постоянное урегулирование частных лиц, которое увеличивается 1 миллиону человек в течение 100 Земных лет. Мы смоделировали население, которое растет от иммиграции так же как естественно. Потребности калории были вычислены на на человека основание, и землепользование было смоделировано с диетой, которая включает основные зерновые культуры, продукты насекомого, и клеточное сельское хозяйство. Самостоятельность пищи может быть достигнута в течение 100 лет с разумными входами, но массивное количество импортированной пищи было бы необходимо тем временем. Различные стратегии могут уменьшить количество импортированной пищи значительно, уравновешенный против нормы, по которой, построены услуги пищи, на которые герметизируют. Развитие коммерческой пищевой промышленности на Марсе вовлечет высоко искренние затраты, но на месте использование ресурса будет в состоянии помочь закрыть экономическое обоснование. Будущее исследование должно сосредоточиться на методах, чтобы произвести питательные вещества завода, подачу насекомого, и культурное сырье для промышленности ячейки от главным образом местных ресурсов на Марсе. Разработка и усилия по архитектуре должны развить автоматизированные методы для быстрого построения огражденных, герметичных объемов к услугам производства пищевых продуктов дома.
Введение
Деятельность человека на Марсе была главным образом запланирована при использовании полученной НАСА архитектуры миссии, но они, возможно, не точно отражают краткосрочные планы коммерческих космических компаний и долгосрочные стремления частных лиц и корпораций, которые хотят переехать в Марс. В предыдущем Человеческом Исследовании НАСА Справочной Архитектуры Проекта Марса 5.0,1 миссии были десятилетиями далеко, и они были разработаны вокруг кратких вылазок или застав; предполагалось, что люди не будут оставаться на Марсе, чтобы начать постоянное урегулирование. Под этими параметрами, возможно, не имеет смысла выполнять на месте использование ресурса (ISRU), кроме в ограниченном случае, чтобы произвести топливо для Заводов Транспортного средства 1,2 Подъема Марса, или другие продукты, произведенные на марсианской поверхности, удовлетворили бы психологической цели и как незначительному диетическому дополнению, поскольку они делают на Международной космической станции (ISS).3 3 более свежее НАСА Evolvable Кампания Марса предприняла шаги к жизнеспособному присутствию, но это все еще воображает маленькие команды и краткие вылазки, и теперь взяло место сзади к лунному возвращению.
Повышение коммерческих космических компаний с честолюбивыми целями и проворными методами развития вероятно разрушит эту каноническую архитектуру. Установленная цель SpaceX состоит в том, чтобы установить независимую цивилизацию на Марсе, с грузом и затем была членом экипажа суда, спроектированные, чтобы начать начинать в течение 3-5 лет. Транспортные средства для системы транспортировки уже строятся и проверяются. Детальные планы не были изданы, но грубый эскиз кампании SpaceX призывает: (1) начальная команда ∼12 человек; (2) многократные суда ∼100-200 пассажиров посланы в каждой 26-месячной возможности запуска; и (3) возможное население 106 проживания на планету в течение 50-100 Земных лет 4, обеспечивая основу транспортировки, SpaceX надеется стимулировать корпорации и частных людей, чтобы переехать в Марс и поднять рабочие проекты поддержать растущее урегулирование. В этих весах ISRU будет необходим по экономическим причинам, хотя грузовые суда пополнения запаса будут необходимы для материалов, таких как уран, и платиновые металлы группы, которые не могут быть экономно сконцентрированы в марсианской корке. Эти элементы особенно полезны для ядерной энергии и передового производства, соответственно.
Рост пищи в местном масштабе на Марсе будет одним из более стимулирующих процессов ISRU, но это должно быть достигнуто, чтобы поддержать постоянное проживание. Пять главных предметов потребления, необходимых для марсианского урегулирования, включают энергию, воду, кислород, строительный материал, и пищу. Первые четыре изобилуют экономическими концентрациями и извлекаемыми формами на поверхности Марса: солнечный для энергии, вероятно добавленной с реакторами ядерного деления, 5 гидратировавшими полезными ископаемыми, льдом, и оптовым реголитом для воды, 6 атмосферными CO2 для кислорода, 7,8 и производных реголита (кирпичи, волокна, и т.д.) для построения supplies.9-11 В отличие от этого, пища не доступна и не может легко быть создана от подарка сырья на Марсе (то есть, в простом химическом реакторе). Это уклоняется от предмета спора того, как один миллион человек (или 12) поест на планете без родной флоры или фауны. Доверие импортированной пище является плохим решением: поскольку марсианское население растет, оно зависело бы все больше от Земли в течение долгого времени, отрицая цель независимой или самостоятельной цивилизации. Пища должна быть произведена на Марсе при использовании местных ресурсов. Цель этой статьи состоит в том, чтобы оценить различные источники пищи и количественно смоделировать баланс между пищей, произведенной в местном масштабе на Марсе, и это импортировало из Земли. Со спроектированным коммерческим человеком уже, сажающим середину 2020-ых, обсуждение здесь не отдаленная научная фантастика, но практическая проблема, которую нужно рассмотреть когда излагающий в деталях развитие марсианского урегулирования.
Источники Пищи и Промышленность
Сельское хозяйство, пища, и связанные отрасли промышленности составляли 5.4 % ВВП в Соединенных Штатах в 2017, стоящий $1,053 триллиона 12 Эти существующие цепи поставки продовольствия не могут быть непосредственно пересажены в Марс в их текущей форме, но более или менее подобные продукты конца могут быть обновлены с местными ресурсами. Средняя американская диета содержит большое количество маслодельни, яиц, и поднятого фермой белка животных, которые непомерны в энергии, земле, и водное использование 13,14, Воспитывающее животных фермы для маслодельни и мяса, не будет практично на Марсе в ближайшем времени из-за проблем транспортировки больших животных в месте, и типы услуг должны были предоставить им жилище на поверхности. Также, земные фабричные методы сельского хозяйства едва этичны. Модели и эксперименты на Системах поддержки Жизни Bioregenerative (BLSS) часто принимают 100%-ую основанную на заводе диету, 15,16, но несмотря на обман диет вегетарианца и строгого вегетарианца, их фактическая распространенность в 2018 оставалась очень низкой и не увеличилась значительно в последние десятилетия 17 В целом, 84 % людей, которые переключаются на диеты вегетарианца или строгого вегетарианца, возвращаются к еде мяса 18, Большинство людей просто не хочет есть основанную на заводе диету, и продукты помимо заводов будут произведены на Марсе: Это будет включать основанные на насекомом продукты и культурное мясо (иначе чистое мясо). Основанный на тенденциях в потреблении на Земле, система свободного рынка производителей пищи и потребителей будет стремиться к большему количеству выбора для людей, живущих или воздействующих на Марс, далеко вне основанных на заводе вариантов. Например, продуктовые магазины сегодня несут 40-50 000 уникальных пунктов, по сравнению с только 7 000 в последнем 1990s.19
Основанные на заводе Продукты
Более высокие заводы производят углеводы, жиры, и белки, преобразовывая CO2, H2O, и фотоны в макромолекулы (то есть, C6H12O6) и O2. Они также преобразовывают серую воду в пригодную для питья воду через испарение, и у присутствия жизни растений в изолированной окружающей среде есть известные психологические льготы. Много исследований космическими агентствами и университетами смоделировали или построили BLSS, и они непосредственно экспериментировали с ростом завода для космических заявлений. Wheeler20 обеспечивает обзор выполнений с десятилетий этого исследования. Другая полезная информация прибывает из экспериментов на ISS4, и Антарктическое исследование размещает 21 внушительное исследование Марихуаной, и al.22 в Лунном Дворце Китая 1 создал меню культивируемых растений и насекомых, смешанных с внешне добавленными продуктами, которые накормили 3 человек в течение 105 дней. Вместе, эти исследования показывают, что выполнимо поддержать по крайней мере часть диеты с исконно выращенными растениями.
Поверхность Марса не будет покрыта областями пшеницы скоро, и герметичные объемы необходимы, чтобы защитить против тонкой атмосферы и поднулевых температур. Искусство понятия марсианских урегулирований обычно показывает бесплатные оранжереи, но, возможно, нет чистого преимущества для выращивания растений в прозрачных структурах на поверхности. Очевидная выгода оранжереи - то, что фотоны используются непосредственно, вместо того, чтобы преобразовать их в солнечную энергию и затем назад к энергоемкому электрическому освещению. Однако, даже на экватор на Марсе, средний фотосинтетический поток фотона (PPF) только о 25 mol/m2/sol (подобный Аляске).23 ценностей коэффициента пропускания Оранжереи типично - 50 %-70 % на Земле, 24 они и могут быть еще ниже на Марсе, потому что более сильный материал был бы необходим, чтобы поддержать герметичный интерьер оранжереи. Коэффициент пропускания 70 % уменьшает PPF до 17.5 mol/m2/sol, который не достаточен для основных зерновых культур и едва способен к выращиванию растений, таких как салат, или помидоры 25 ВЕЛИ, освещение могло добавить естественный солнечный свет, но у этого типа гибридной оранжереи будут и высокие массовые затраты и относительно высокие затраты энергии. Привлекательная альтернатива должна вырастить растения в туннелях с высокой силой, ВЕДОМОЙ, освещая, добавленный с солнечным светом, собранным и перекачанным по трубопроводу вниз через волокно оптические кабели.
Другая ключевая торговля - среда роста: почва против незапятнанных систем (гидропоника, aquaponics, и aeroponics). Главное определенное для Марса преимущество незапятнанных систем состоит в том, что они работали бы, начинаясь в день 1 основанный на известных методах, но они требуют большего количества массы в форме подносов, насосов, и бассейнов, и они могут быть более уязвимыми, чтобы привить болезнь. В земном сельском хозяйстве незапятнанные системы типично используются для низкокалорийных продуктов, таких как салат, и земляника вместо высококалорийных главных продуктов должна была накормить большое население; однако, экспериментальные исследования достигли чрезвычайных урожаев (2-4 × world отчеты в это время) для основных зерновых культур с растворами решения для Питательного вещества гидропоники 26,27 для незапятнанных систем должен был бы быть отправлен от Земли, пока необходимые входы не могут быть произведены на Марсе. Основанные на почве системы могут быть более здравыми против болезни завода, но было бы необходимо преобразовать неорганический марсианский реголит в “живущую почву”, чтобы поддержать рост 28 завода, предыдущее исследование выращивало различные растения в марсианском притворщике реголита, 29, но используемый притворщик (Марс-1A JSC) является только земной почвой из Гавайев. Начальные усилия, используя неорганические, высокочастотные МГ 1 притворщик, развитый Орудием и al.30, привели к быстрой смерти заводов и удушью земляных червей (А. Пэлмер, pers. коммуникация) Предложение, что заводы будут не обязательно расти в грязи Марса, по крайней мере в сырой форме. Период метода проб и ошибок был бы необходим: (1) определяют токсичность фактического марсианского реголита, подобного тому, как образцы Аполлона были проверены против растений и животных phyla31; (2) удаляют перхлораты и другие соли по мере необходимости; (3) регулируют физическую структуру почвы; (4) добавляют удобрения; и (5) позволяют времени для питательных циклов развиваться и для органических кислот, чтобы сломать первичных полезных ископаемых силиката. Это усилие могло быть немедленно начато первыми людьми на поверхности, затем измеряло, чтобы произвести большое количество живущей почвы, необходимой для роста урожая.
По-видимому, любое растение, которое может быть выращено от семени на Земле, может быть принесено к Марсу. Много авторов перечислили и оценили различные заводы для космических заявлений, и они обычно включают морковь, салат, пшеницу, сою, рис, капусту, редьку, и зеленые бобы 32, Определенные зерновые культуры калории выделяются основанные на периоде роста, среднем урожае за область, и макропитательном содержании: зерно, пшеница, и бататы для углеводов, соя для белка, и арахисы для жиров. Конечно, кулинарные вкусы, разнообразие, и человеческую психологию нужно также рассмотреть: исследование участников в долгосрочной Антарктической экспедиции нашло, что наиболее пропущенные продукты от домашнего включенного помидора, земляники, огурца, и болгарского перца, 33, ни один из которого не особенно плотен в калориях. Генетическая модификация может использоваться, чтобы скроить заводы к гибридной окружающей среде роста, которая является промежуточной между Землей и окружающими условиями Марса, например увеличивая урожаи в высоком-CO2, окружающая среда низкой температуры, чтобы уменьшить затраты управления внутренними марсианскими фермами.
Заводы могут также быть изменены, чтобы синтезировать провитамины и увеличить микропитательное содержание, как был сделан, чтобы ввести β - тропа синтеза каротина, чтобы создать золотой рис 34 Позже, и RNAi и CRISPR оказались эффективными для того, чтобы быстро улучшить производительность урожая, как демонстрирующийся Lemmon и al.35 и Югом и Производством al.36, и распределение основанных на заводе продуктов, чтобы накормить город на Марсе создаст промышленность, базируемую в большой степени на сельском хозяйстве, биотехнологии, и робототехнике. Недавние авансы в “кибер сельском хозяйстве” с пищей computers37 непосредственно применимы, и внутренние вертикальные фермы, настраиваемые в городских центрах, могут служить испытательными кроватями для построения подобных услуг на Марсе, хотя с необходимым изменением к высококалорийным зерновым культурам.
Сельское хозяйство Насекомого
Сельскому хозяйству насекомого хорошо удовлетворяют для Марса: Это обеспечивает большое количество калорий за землю единицы, используя относительно незначительное количество воды и подачи. По сравнению с заводами и животными фермы, у насекомых есть подобное макропитательное содержание на единицу массы, но значительно более высокие урожаи за квадратный метр 38, у Них также есть намного более высокие конверсионные отношения пищи чем домашний скот, хотя подача должна иметь относительно хороших качественных 39 Насекомых, не внедрены в Западных диетах и встречены neophobia, особенно в необработанных формах 40 Однако, есть много частных компаний, работающих, чтобы изменить отношения и ввести основанные на насекомом продукты в Северной Америке и Европе как безвредные для окружающей среды альтернативы традиционному белку животных. Глобальный съедобный рынок насекомого спроектирован, чтобы достигнуть 1,18$ B 2023,41, и в марсианской экономике это может стать намного более важной промышленностью чем текущий статус ниши в западных странах. Крикеты дома (Acheta domesticus) являются одним из более многообещающих примеров съедобных насекомых, и обработанная мука крикета может быть включена и скрыта во многих различных рецептах, избегая neophobia до некоторой степени. Подача для насекомых может прибыть из зерновых культур завода и/или испорченных продуктов, и главное преимущество для Марса - низкие эксплуатационные расходы: Большинство аспектов фермы крикета может быть автоматизировано с мусорными ведрами жилья, сложенными вертикально. Длительные новшества сельским хозяйством насекомого и компаниями робототехники далее улучшат экономическое обоснование для того, чтобы произвести съедобных насекомых на Марсе.
Клеточное Сельское хозяйство
Рост богатых белком продуктов от ячеек в биореакторах позволит людям есть знакомую диету в пределах ограничений, наложенных Марсом. Морские водоросли, чистое мясо, чистая рыба, молоко коровы меньше, и куриное меньше яйцо все вовлекают пищу производства на клеточном уровне при использовании соответствующих питательных решений. На Земле основанные на морских водорослях продукты более приняты, с spirulina и nori как видные примеры. Чистое мясо и рыба находятся в заключительных этапах развития прежде, чем коммерческие продажи начнутся позже в этом году, и инвесторы льют большие суммы денег в очистку технологии, и вождение вниз стоит (цена культурной булочки с начинкой мяса упала от 325 000$ до 11$ за пирожок через 2 года). Чистое мясо и рыба предлагают многие из тех же самых преимуществ как насекомые: значительно больше калорий, произведенных за единицы воды и земли по сравнению с традиционным сельским хозяйством или aquaculture.42, который Эти особенности переводят хорошо к Марсу, потому что "земля" на Марсе действительно означает горячий и герметичный объем, вода, несколько недостаточно (но может быть переработан эффективно), и подача для более высоких трофических уровней должна быть синтезирована на пустом месте или импортирована. Чистая рыба может быть одобрена по другому выращенному ячейкой мясу на Марсе, потому что культуры могут быть поддержаны в температурах ближе к 20°C, а не поднятых температурах (∼37°C) необходимый для ячеек 42 животных с теплой кровью, Cyanobacteria используются как среда роста для культурных мышечных клеток, и биореакторы с различными напряжениями cyanobacterial также найдут, что другое использование в марсианском урегулировании 43 Вместо мяса, являющегося редким удовольствием, ввело обезвоженные пакеты от Земли, клеточное сельское хозяйство позволит компаниям производить и продавать этические, приемлемые, и новые белки животных на Марсе, далее расширяющийся выбор на продовольственном рынке.
Модель Пищи
Образцовые Входы и Предположения
Основанный на источниках пищи описал ранее, мы построили компьютерную модель, чтобы вычислить потребности в продовольствии марсианского населения, которое растет по крайней мере 106 человекам и достигает самостоятельности пищи в течение 53 лет Марса (∼100 Земных лет) или скорее. Мы использовали SpaceX-подобную архитектуру транспортировки, но анализ был достаточно общим, что он не должен быть привязан к определенной компании. Марсианское население началось с начальной команды 12, затем увеличенный естественно, так же как от иммиграции в каждой ∼26-месячной возможности запуска (с линейным увеличением в числе судов за возможность). Эталонная модель использовала сырой коэффициент рождаемости 10 за 1 000 человек в Земной год, типичный для развитых стран. У начальной команды было распределение по возрасту со скупым из 35 и стандартным отклонением 5, тогда как у последующего иммигрантского населения было большее распространение возраста (стандартное отклонение = 10). Смертельные вероятности ежегодно были взяты от земного страхового tables44 и приспосабливались для длины года Марса: Это - упрощение, которое предполагает, что более высокие показатели смертности от опасностей проживания на Марс будут примерно уравновешены против будущих авансов в медицинской технологии. Однако, драматическое продвижение антистареющего исследования возможно в длинных графиках времени, которые рассматривают.
Калория needs45 была основана на 50-50 отношениях наружной и внутренней нарезки, активном образе жизни; приспособленный для возраста каждого марсианского жителя; и, наконец, измеренный для длины соль по сравнению со днем. 20%-ый край был добавлен, чтобы составлять безопасность пищи, порчу, и семена, отложенные для следующего урожая в услугах фермы. Мы также предполагали, что 2 × 105 кг упакованной пищи будет начат перед первым человеческим приземлением и был бы доступен для начального населения. Приспосабливаемая задержка была включена в модель, чтобы составлять время, необходимое для компаний, чтобы построить начальные услуги производства пищевых продуктов. После этого местное производство пищевых продуктов должно нагнать к потребностям растущего населения: Это может быть сделано в мгновенном шаге, линейном увеличении фракции полных калорий, произведенных в местном масштабе, или показательном увеличении (или любая другая функция). Обмены этих различных стратегий обсуждены затем.
Цель модели состояла в том, чтобы определить количество потребностей калории и связала землепользование для самостоятельного города, и определить, какие параметры будут: (1) сокращают количество грузовых судов пополнения запаса, требуемых для пищи, и (2) ослабляют переход к производству 100 % калорий в местном масштабе. Ограничивающим фактором в производстве пищи на Марсе, вероятно, будет объем (или область), который должен быть построен, герметизироваться, и активно нагрет и/или освещен. Туннелирование может быть эффективной стратегией, но туннельные стены все еще должны будут быть укреплены и запечатаны, чтобы предотвратить газовую утечку. Скучный через слабый мегареголит представил бы собой проблемы, и урегулирование, расположенное около неповрежденных молодых потоков лавы или настоятельно lithified отложения, будет выгодно.
Смоделированная Диета
Упрощенная диета, основанная на заводах, насекомых, и клеточном сельском хозяйстве, использовалась в модели, чтобы вычислить требования земли для в местном масштабе произведенной пищи (Стол 1). Эта местная диета состояла из: (1) родовой основной урожай, (2) продукты насекомого, представленные крикетами, и (3), культурное мясо представлено цыпленком основания. Родовой урожай завода был получен из среднего макропитательного содержания пшеницы, зерна, батата, и сои, 46-49 и их текущих урожаев мирового рекорда как выращено в field.50-53, Хотя ранее гидропонные исследования достигли сети магазинов рекордных урожаев, 26,27 этих исследований имели место 30 лет назад, когда урожаи урожая были значительно ниже. Текущие полевые отчеты могут вероятно быть улучшены с дальнейшей генетической модификацией и с высокими парциальными давлениями CO2 и потоками фотона как в предыдущих исследованиях BLSS, 20,26 таким образом, чтобы наши урожаи были консервативны. Данные пищи крикета были взяты от целых крикетов, 54, и урожаи (в kg/m2) были основаны на закрытой площади экспериментов и фактических операций 38,55 фермы крикета, которые могут изменить Эти 2-ые урожаи, потому что среды обитания крикета могут быть созданы вертикально с рифлеными основаниями. Дополнительная земельная площадь не была смоделирована для подачи насекомого, потому что подача может прибыть из испорченной пищи и несъедобной массы завода. Для культурного мяса данные пищи от цыпленка основания использовались, 56, и урожай был консервативной оценкой, которая также принимает во внимание, что земля должна была произвести cyanobacteria как сырье для промышленности 42 биореактора, которое основная смоделированная диета ломает как углеводы на 40 %, 30%-ый белок, и 30%-ые жиры. Для 2 000 килокалорий диета содержит 934 g влажной массы с отношением 3 заводов частей к 3 частям чистое мясо 1 насекомому части. В действительности, много различных зерновых культур, разновидностей насекомого, и мяса/даров моря могут быть произведены для разнообразия и кулинарных целей: Нет, никакой смысл создающий не детализировал гипотетические меню в это время, и свободный рынок производителей пищи и потребителей в конечном счете продиктует, какие типы продуктов будут доступны на Марсе.
Стол 1. Источники Пищи, Используемые в Упрощенной Местной Марсианской Диете
Пища килокалория Carba/100 g килокалория Proteina/100 g килокалория Fatsa/100 g Урожай (kg/m2/cycle) Цикл Производства (Земные Дни) Требования Земли (m2/kg/Mars год)
Родовой завод cropb 199.0 57.1 60.0 1.6 110 0.0959
Насекомые (крикеты) 20.4 51.6 49.5 9.0 45 0.0083
Культурное мясо (цыпленок) 0.2 69.8 72.9 4.4 60 0.0201
aCarbohydrate и калории белка вычислены как 4 килокалории/г, тогда как жиры вычислены как 9 килокалорий/г.
bBased на усредненных данных от пшеницы, зерна, батата, и сои.
Образцовые Результаты: Эталонная модель
Эталонная модель была основана на разумных предположениях для урегулирования Марса: более низкий естественный коэффициент рождаемости, задержка 5 Марсов за годы до родных запусков производства пищевых продуктов всерьез и линейного увеличения фракции местных калорий, чтобы нагнать к приросту населения в течение 53 лет Марса. В эталонной модели марсианское население росло от 12 человек к 1 000 281 (Рис. 1). Общее количество иммигрантов к Марсу было 1 032 355, и число естественных рождений было 342 086. С 150 человеками за судно, 6 905 был членом экипажа, суда были бы необходимы для транспорта, среднего числа 150 судов за возможность запуска, если бы они были распределены равномерно. Мы не рассматривали людей, которые пятятся к Земле в модели, хотя это, конечно, возможно в действительности. Иллюстрация 2 показывает демографию возраста населения в конце эталонной модели, так же как модель с более высоким естественным коэффициентом рождаемости (см. Грузовое Пополнение запаса и Начальные Строительные Нормы). Бимодальное распределение в эталонной модели следовало из крупномасштабной иммиграции людей главным образом средних лет, объединенных со скромным естественным коэффициентом рождаемости.
Рис. 1.
Рис. 1. Прирост населения в течение долгого времени в эталонной модели бежит. Промежутки происходят, где нет никакого окна запуска в течение данного марсианского года. Цветные изображения доступны онлайн.
Рис. 2.
Рис. 2. Популяционная гистограмма в эталонной модели (твердое черное пятно) и модель с более высоким естественным коэффициентом рождаемости (усеивал серую линию).
Если бы никакая пища не была произведена в местном масштабе на Марсе, 194 361 перенос судов 1 × 105 кг упакованной пищи, то каждый был бы необходим, чтобы накормить это население по 53 продолжительностям года Марса (Стол 2). С местным производством пищевых продуктов 53 719 полных грузовых суден все еще требовались для упакованной пищи поддержать урегулирование, 25 % из необходимого в случае, куда все калории импортированы. Количество импортированной пищи уменьшилось к 0 к концу эталонной модели после повышения к пику 3.5 × 1011 килокалория/год в 32 года Марса (эквивалентный ∼1.8 × 108 кг, основанному на MRE-подобной упаковке) (Рис. 3). Полная область для производства пищевых продуктов росла к 4.6 × 107 m2 к концу модели (46 m2/capita), с заводами, составляющими 81 % этой земли, клеточного сельского хозяйства для 17 %, и насекомых только для 2 % (Рис. 4). Если бы вся пища была произведена в 12-футовых туннелях диаметра с плоским полом в ¼ из туннельной высоты, то ∼14,500 km туннельных сегментов (который может быть сложен вертикально) должен был бы быть эксплуатационным к концу 53-ьего года Марса. Это выполнимо для единственной туннельной бурильной машины, основанной на норме туннелирования 0.03 mi/h, ожидаемых для понятия Prufrock, развиваемого Скучной Компанией.
Рис. 3.
Рис. 3. Полная калория нуждается в эталонной модели (твердое черное пятно), разломанный на пища, произведенная в местном масштабе на Марсе (серый усеянный) и импортированная пища (желтая точка черты). Цветные изображения доступны онлайн.
Рис. 4.
Рис. 4. Ареальное место, необходимое для производства пищевых продуктов в эталонной модели, сломанной источником пищи. Цветные изображения доступны онлайн.
Стол 2. Образцовые Результаты, Основанные на Различных Входных Параметрах
Модель Импортированная Пища (Номер Судов) Связанная с пищей Постройка через Первые 10 Лет Марса (ха)
Никакое местное производство пищевых продуктов 194 361 0
Эталонная модель 53 719 17.9
Начните производство немедленно 48 654 32.5
Самостоятельный MY25 6 568 43.0
Скачок к 100%-ому местному производству калории в MY5 209 172.4
Показательное увеличение местного производства калории 139 551 0.1
Более высокий сырой коэффициент рождаемости 27 563 5.7
aAssumes 100,000 kg пищи за судно. В действительности, грузовое пополнение запаса вероятно смешало бы запасы продовольствия с машиной, электронными компонентами, и другими материалами.
Грузовое Пополнение запаса и Начальные Строительные Нормы
Образцовые параметры могут быть приспособлены, чтобы уменьшить общую сумму импортированной пищи, норму, по которой новые услуги производства пищевых продуктов построены в первые годы, или оба (Рис. 5; Стол 2). Уменьшая начальную задержку, достигая самостоятельности к году Марса 25, или ступая немедленно от 0 % до 100%-ых местных калорий в год Марса 5 все имели тот же самый эффект: меньше грузовых суден должно было импортировать пищу, но больше постройки за первые 10 лет Марса. Сползая у производства пищевых продуктов по экспоненте вместо линейно был противоположный эффект: Постройка была backloaded, но полная масса импортированной пищи в течение модели была очень увеличена. Интересно, коэффициент рождаемости был одним параметром, который мог и уменьшить импорт пищи и уменьшить строительные трудности. Используя более высокий сырой коэффициент рождаемости 35 за 1 000 (типичный для развивающихся стран) изменил популяционную динамику значительно: получающаяся структура возраста была чрезвычайно искажена к молодым людям (Рис. 2). Поскольку дети потребляют значительно меньше калорий чем взрослые, результат состоял в том, чтобы уменьшить и общее количество калорий, требуемых по образцовой продолжительности (и поэтому грузовое пополнение запаса) и уменьшать начальные нормы постройки (Стол 2). Другой выбор, не явно смоделированный, состоял бы в том, чтобы исказить импортированные продукты к самым низким источникам урожая, в этом случае богатые углеводом зерновые культуры зерна (Стол 1): Это имело бы эффект backloading строительных усилий, но без изменения в общем количестве импортированных калорий.
Рис. 5.
Рис. 5. Фракция калорий, произведенных исконно в течение долгого времени, сравнивая различные стратегии достигнуть самостоятельности пищи. Цветные изображения доступны онлайн.
Обсуждение
ISRU, чтобы Уменьшить Массу Системы
Строительство и операционные системы производства пищевых продуктов вовлечет значительную энергию и воду, так же как массу для структурных компонентов. Как описано ранее, энергия и вода с готовностью доступны на Марсе и являются просто вопросом вычисления существующих технологий. Предыдущие исследования обеспечили, основные ценности должны были поддержать человеческие основания на Марсе или Луне, включая производство пищевых продуктов, 25 и детализировали вычисления, не повторены здесь. Однако, основанный на наших образцовых результатах, будущих авансах в ВЕДОМОЙ эффективности освещения (говорят, от 2 до 3 μ mol/J) и в урожае генетическое редактирование - вероятно лучшие способы сократить затраты энергии, вовлеченные в кормление будущих Марсиан. Водные сбережения не столь важны из-за высокой степени рециркуляции достигнутого в закрытых системах, таких как ISS. Однако, существенные массовые сбережения могут быть поняты, помещая услуги пищи в туннелях вместо того, чтобы строить трехмерные структуры на поверхности. Кроме того, различные заявления ISRU могут использоваться, чтобы произвести части массы системы производства пищевых продуктов из местных ресурсов вместо того, чтобы импортировать эти материалы из Земли. Стол 3 перечисляет некоторые различные компоненты услуг пищи, процессы ISRU, чтобы создать их из подходящих марсианских материалов, и качественной оценки степени обработки необходимого. Компоненты, которые могут быть с готовностью произведены с минимальной обработкой, могут использоваться в первом поколении услуг пищи, тогда как те, которые нуждаются в высокоэнергетических входах, таких как плавление, будут вероятно постепенно введены в течение долгого времени.
Стол 3. На месте Заявления Использования Ресурса, чтобы Уменьшить Массы Системы Пищи
Объект Марсианская Материальная Замена Степень Обработки
Гидропонная среда роста Гравий реголита (пористые вулканические литологии) Низко
Кубы Rockwool для прорастающих семян; Изоляция Расплавленный и прял базальтовые волокна Умеренный
Питательные ионы решения (SO42 −, NO3 −, K +, Mg2 +, Ca2 +) Сточные воды от богатого солью реголита Умеренный
Стены для ручек насекомого; рифленое основание насекомого Основанный на реголите бетон Умеренный
Гидропонные подносы Керамика, пластмассы Высоко
Клеточные биореакторы сельского хозяйства; Скольжение рельсов для автоматизированных систем Полукровка сплавляет или усовершенствованные сплавы от реголита Высоко
Пища как Часть Марсианской Экономики
По аналогии с Землей существенная фракция (вероятно 5 %-10 %) марсианского ВВП будет основана на росте и продаже продовольственных продуктов. Установление рынка для в местном масштабе произведенной пищи на Марсе требует и согласных поставщиков и клиентов: клиенты будут состоять из частных туристов, постоянных иммигрантов, и астронавтов, посланных национальными космическими агентствами на миссиях исследования. Поставщики будут состоять из компаний, которые выращивают, упаковывают, и распределяют продовольственные продукты на Марсе. Чтобы закрыть экономическое обоснование, пища должна быть в состоянии быть произведенной в местном масштабе для более дешевого, чем это может быть импортировано на грузовых судах снабжения. Используя цель транспортировки SpaceX $140 000/тонн к Марсу, 57 пищи должна быть произведена в местном масштабе для <$140/кг, который кажется легко выполнимым данный, что это число - порядки величины выше чем розничная стоимость пищи на Земле. Однако, будут существенные искренние затраты, чтобы установить производственное оборудование, рестораны, и т.д. Самонастройка с общественно-частными товариществами может быть необходима, чтобы преодолеть эти барьеры.
Рекомендации для Будущего Исследования
То, как марсианское урегулирование производит пищу, в конечном счете разовьется органически согласно человеческому предпочтению и полезным действиям свободного рынка. Это сказало, некоторые общие рекомендации для будущего исследования могут прибыть из результатов нашего моделирования и других рассмотрений:
1.
Марсианский город не будет питаться на салате и помидорах. Исследование роста завода для космических заявлений должно возвратиться к акценту на высокопродуктивных зерновых культурах, таких как пшеница и зерно, как имел место в 1980-ых и 1990s.20, Генетическое редактирование tools34-36 должно использоваться, чтобы оптимизировать напряжения оба за абсолютный урожай (как уже делается для Земных заявлений), и, определенно, для роста в выше условиях CO2. Вероятно не необходимо решить между основанными на почве и незапятнанными системами, пока люди не добираются до Марса: скромная задержка стартового производства пищевых продуктов не была последовательна к образцовым результатам (Стол 2), пока промежуток происходит, когда население все еще низко. Это время может использоваться для экспериментов и быстрого prototyping методов роста завода. Наружные оранжереи не являются соответствующими для того, чтобы вырастить основные зерновые культуры на Марсе, если не добавлено с существенным искусственным освещением (во время штормов пыли, почти 100 % потребностей фотона).
2.
Сельское хозяйство насекомого и клеточное сельское хозяйство должны быть приспособлены к месту; к счастью, те же самые водители для того, чтобы увеличить устойчивость на Земле главным образом союзник производства пищи в стимулирующей марсианской окружающей среде. Однако, больше может быть сделано, чтобы решить самые эффективные и приемлемые разновидности насекомого, улучшить структуры и ароматы в культурном мясе, и найти способы произвести высококачественную подачу насекомого и решения для питательного вещества завода/ячейки, используя полученные марсианином стандартные блоки. Эффективные биореакторы, ручки насекомого, и услуги, что дом их может быть разработан и проверен на Земле. Для этих источников пищи (так же как заводы), производство может и должно быть чрезвычайно автоматизировано.
3.
Количество пищи, импортированной от Земли, может и должно быть минимизировано, чтобы очень сократить затраты запуска. Количество ценности грузовых суден пищи может быть сокращено (Стол 2), от десятков тысяч до только тысяч или даже сотен, сползая производство пищевых продуктов быстрее, но за счет более обширных строительных усилий (который, до некоторой степени, будет только торговать, пища для строительных материалов в грузе держится). Ранняя волна в постройке выгодна, потому что то же самое количество материала и энергии необходимо, чтобы построить средство пищи, случается ли это в году 1 или году 50 из урегулирования, но средство, построенное в году 1, производит больше пищи кумулятивно. Более высокий естественный коэффициент рождаемости также сократил бы количество калорий, необходимых вначале, и поэтому импорт пищи. Однако, в этом смоделированном сценарии, нормы иммиграции были намного ниже, чтобы достигнуть того же самого произвольного заключительного населения, и неясно, чем отношение естественного роста к иммиграции будет на Марсе.
4.
Резкие марсианские условия помещают устойчивые ограничения на пути, которыми пища может быть выращена в местном масштабе, но новые технологии сбалансированы обойти эти барьеры и приведут к расширению с точки зрения кулинарного творческого потенциала. Эти технологии также очень уменьшат страдание животных. Экзотическое мясо (даже от вымирающих видов) может быть произведено ethically, начинающийся с единственной ячейки, гены завода могут быть слиты, чтобы объединить черты и ароматы, и основанные на заводе продукты белка могут быть разработаны с бесчисленными структурами и вкусами. Специалисты в области космических исследований и компании должны наняться с альтернативным движением белка, чтобы использовать в своих интересах последние события и приспособить их, чтобы быть транспортированными и осуществленными на Марсе.
5.
Производство пищевых продуктов, другие системы ISRU, и поддержка жизни не должны быть развиты как изолированные компоненты, но как связанная экологическая система 58, Там бесчисленные переходы, которые были описаны предыдущими исследованиями BLSS: Заводы и cyanobacteria вычищают CO2 и производят O2, трата пищи может питаться насекомым, и земляные черви, biosolids может использоваться, чтобы оплодотворить заводы, корпуса риса и мицелий могут быть преобразованы в строительные материалы, 59 и так далее. Уроки от жизнеспособных методов на Земле должны быть приспособлены к марсианскому урегулированию и, в свою очередь, дополнительные доходы от развития технологии, чтобы получить людей к Марсу могут использоваться, чтобы улучшить устойчивость и уменьшить эмиссию парникового газа на Земле. В этой вене, переключаясь на “марсианскую диету” станет возможным в ближайшем времени, как только культурные мясные продукты широко доступны, и мы создали сопутствующий вебсайт (
http://eatlikeamartian.org), чтобы предложить некоторые свободные руководящие принципы жизнеспособных Подобных Марсу предпочтений в еде на Земле.
Заключения
Мы смоделировали потребности калории и требования земли для постоянного марсианского урегулирования, которое достигает населения одного миллиона человек и становится пищей, самостоятельной в течение столетия. В модели потребности калории были удовлетворены с пищей, произведенной в местном масштабе на Марсе, объединенном с импортом от Земли. В эталонной модели были бы необходимы десятки тысяч ценности судов снабжения одной только пищи, но это количество может быть очень сокращено волной в способности производства пищевых продуктов в течение первых лет урегулирования. Источники пищи вынуждены на Марсе, потому что растения не могут быть выращены, уличные и поднимающие животные фермы не выполнимы; однако, новые технологии, включая компьютеры пищи, автоматизировали фермы насекомого, и клеточное сельское хозяйство, учтет полный, диеты нестрогого вегетарианца, произведенные в местном масштабе на Марсе. Производство пищевых продуктов и распределение вероятно сформируют значительную часть растущей марсианской экономики, с входами от традиционных отраслей промышленности (биотехнология, робототехника, сельское хозяйство) и новые, которые возникают.
Признание
Авторы хотели бы признать анонимных рецензентов для своих комментариев к этой статье.
Утверждение Раскрытия Автора
Никакие конкурирующие финансовые интересы не существуют.
Финансирование Информации
Никакое финансирование не было получено.
"
