Công nghệ trồng rau ngoài không gian
Phòng thí nghiệm của NASA - mang tên Veg-01 - là nơi thử nghiệm các tính năng trên quỹ đạo, đánh giá chất lượng của thiết bị trồng trọt và các “túi ươm” chứa hạt giống.
Túi hạt giống đầu tiên được phi hành gia Steve Swanson - kỹ sư của đội bay 39 - kích hoạt, tưới nước và chăm sóc từ tháng 5 năm 2014. Sau 33 ngày trồng, rau được thu hoạch và chuyển về Trái đất hồi tháng 10/2014. Tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy của NASA ở Florida, rau được kiểm tra an toàn thực phẩm. Túi hạt thứ hai được Kelly kích hoạt ngày 8/7, được trồng trong 33 ngày và thu hoạch. Hạt giống được giữ trên trạm 15 tháng trước khi gieo.
Hệ thống Veggie do Tập đoàn Orbital Technologies (ORBITEC) phát triển tại Madison, Wisconsin và thử nghiệm tại Kennedy trước khi phóng lên quỹ đạo. Veggie được đưa lên trạm bằng tàu SpaceX trong chuyến tiếp vận thứ ba vào tháng 4/2014, mang theo hai túi hạt giống rau diếp và một túi hạt cúc zinnias.
Veggie có thể xếp gọn hoặc mở rộng, được trang bị một bảng đèn LEDs phẳng với ba màu đỏ, xanh dương và xanh lục để trồng cây và giúp các phi hành gia quan sát. Theo tiến sĩ Ray Wheeler - người đứng đầu chương trình Advanced Life Support (hỗ trợ sự sống tiên tiến), thuộc Chương trình nghiên cứu và công nghệ khám phá tại Kennedy, NASA đã có ý tưởng dùng đèn LED để trồng cây từ cuối những năm 1990.
Wheeler cộng tác với các kỹ sư và chuyên gia để phát triển Veggie từ một dự án nghiên cứu phát triển nhỏ với ORBITEC. Tiến sĩ Gioia Massa - chuyên gia về sức tải ở trung tâm Kennedy và các cộng sự đã phát triển Veggie để nó có thể hoạt động trên trạm không gian. Màu tím hồng của lá rau trồng trong Veggie là do ánh sáng đỏ và xanh dương kết hợp. Hai màu này được thiết kế để tạo ra nhiều ánh sáng hơn đèn màu xanh lục. Đèn màu lục được thêm vào để rau trông giống rau xanh ăn được hơn là một loại cây màu tím kỳ lạ nào đó.
“Bước sóng xanh dương và đỏ là bước sóng tối thiểu để cây phát triển tốt” - Wheeler nói. “Hai bước sóng đó có lẽ là hiệu quả nhất về mặt chuyển hóa điện năng. Đèn LED màu xanh lục giúp cải thiện cảm nhận của con người đối với cây, nhưng nó không tạo ra được nhiều ánh sáng như đèn đỏ và xanh dương”.
Wheeler, Massa và tiến sĩ Gary Stutte - đều từ Trung tâm Kennedy - từng thực hiện các thí nghiệm tương tự để trồng cây tại Habitat Demonstration Unit trong khu thử nghiệm sa mạc của NASA ở gần Flagstaff, bang Arizona vào năm 2010 và 2011. Wheeler nói rằng Veggie sẽ giúp NASA hiểu biết thêm về việc trồng trọt trong môi trường nông nghiệp được kiểm soát. Các điều kiện được kiểm soát bao gồm cả “nông nghiệp thẳng đứng”, nghĩa là trồng cây trên các giá được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, cây được trồng theo phương pháp thủy canh và nguồn sáng là từ đèn LED đỏ và xanh dương. Hệ thống kiểu này đã phổ biến ở một vài nước châu Á và đang phát triển ở Mỹ.
Khi rau xanh và hoa quả không chỉ để ăn
“Có nhiều bằng chứng cho thấy thực phẩm tươi có lợi cho sức khỏe, chẳng hạn như khoai tây, việt quất và rau diếp đỏ là nguồn cung cấp chất chống ôxy hóa tốt. Việc trồng được những thực phẩm tươi như vậy có thể có tác động tốt đến tâm lý con người và cũng có thể tăng cường sức đề kháng trước bức xạ vũ trụ” - Wheeler nói.Sau khi mẻ rau diếp đầu tiên được đưa về từ trạm vũ trụ, Massa đã bắt đầu cộng tác với một nhóm bác sĩ hàng không và các đại diện về an toàn của NASA để cho phép phi hành đoàn sử dụng sản phẩm của họ. “Kết quả phân tích vi sinh mẻ rau diếp đầu tiên của Veg-01 có vẻ rất tốt” - Massa nói.
Ngoài lợi ích dinh dưỡng, việc trồng rau tươi trong vũ trụ có đem lại lợi ích gì về tâm lý không? Alexandra Whitmire - một nhà khoa học tại Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA, đóng ở Houston - đang tham gia nghiên cứu để tìm câu trả lời.
Whitmire là chuyên gia về sức khỏe sinh hoạt và hiệu suất hoạt động thuộc Chương trình nghiên cứu con người của NASA. Nhóm của bà hỗ trợ các nghiên cứu nhằm giảm nguy cơ về tâm lý trong nhiệm vụ khám phá sao Hỏa.
“Thí nghiệm Veggie là thí nghiệm duy nhất hiện nay chúng tôi tham gia có liên quan đến việc đánh giá tác động của đời sống thực vật lên con người trong không gian”.
Nhóm của bà đang tập trung nghiên cứu điều kiện sinh hoạt, sự suy giảm hiệu quả hoạt động, giao tiếp nhóm và thích ứng tâm lý xã hội.
“Các nhiệm vụ thám hiểm không gian trong tương lai có thể sẽ cần từ 4 đến 6 phi hành gia sống trong một không gian hạn chế trong một thời gian dài và bị hạn chế về giao tiếp” - Whitmire nói. “Chúng tôi nhận ra rằng, việc huấn luyện một cách hiệu quả và trang bị cho phi hành đoàn các biện pháp ứng phó phù hợp trong khi thực hiện nhiệm vụ là rất quan trọng”.
Trong số các giải pháp ứng phó đó có thể có các công việc có ý nghĩa. Những sửa đổi liên quan đến môi trường sống cũng có thể bao gồm cả đời sống thực vật. Whitmire nói rằng các nghiên cứu trên Trái đất đã cho thấy thực vật có liên hệ với hạnh phúc và hiệu quả lao động cao. Vì vậy mà cây cối có tiềm năng trở thành một giải pháp trong những nhiệm vụ thám hiểm dài ngày.
Massa cũng đồng ý: “Ngoài việc tự cung cấp được thực phẩm tươi trong vũ trụ, có thể còn có cả lợi ích về tâm lý. Phi hành đoàn vẫn nhận được hoa quả và rau tươi như càrốt hay táo khi có tàu tiếp vận đến trạm vũ trụ, nhưng số lượng rất hạn chế và phải được tiêu thụ nhanh”.
Có cái gì đó xanh tươi và sinh sôi – như một phần nhỏ của Trái đất – để chăm sóc khi sống và làm việc trong môi trường khó khăn và căng thẳng có thể có giá trị và hiệu quả rất lớn.
“Con người đi khỏi Trái đất càng xa và càng lâu thì nhu cầu trồng trọt để có lương thực, tái tạo không khí và các lợi ích về tâm lý sẽ càng lớn. Tôi nghĩ hệ thống trồng trọt đó sẽ là một phần quan trọng trong bất kỳ nhiệm vụ thám hiểm dài ngày nào” - Massa nói.
Hệ thống này cũng có thể có tác động đối với việc cải thiện sự tăng trưởng và sinh khối sản xuất trên Trái đất, từ đó làm lợi cho các công dân bình thường. Massa nói, nhiều điều NASA phát hiện được nhờ Veggie sẽ được áp dụng trong các khu trồng trọt trong thành phố và các hệ thống nông nghiệp sử dụng ánh sáng điện và nguồn nước tái chế khác.
“Chúng tôi hy vọng sẽ tăng sản lượng thu hoạch trong tương lai và điều đó sẽ giúp chúng tôi hiểu thêm về trồng trọt trong môi trường không trọng lực” - Massa nói. “Chúng tôi còn những thí nghiệm tiếp theo để tìm hiểu tác động của chất lượng ánh sáng đến sản lượng, dinh dưỡng và hương vị, cả trên Trái đất và trong không gian.”
Nhóm nghiên cứu ở các trung tâm Kennedy và Johnson hy vọng Veggie và việc trồng trọt trên vũ trụ sẽ trở thành một phần quan trọng của cuộc sống trên trạm không gian và trên sao Hỏa trong tương lai.
