‘เทคโนโลยีเกษตรกรรมอวกาศ’ ความหวังผลิตอาหารยั่งยืนนอกโลก ใช้เป็นแหล่งเสบียงแห่งอนาคต

การสำรวจอวกาศรุดหน้าไปมาก ปัจจุบันมีโครงการสำรวจดวงดาวต่าง ๆ ทั้งดวงจันทร์และดาวอังคารมากมาย แต่การขนส่งเสบียงอาหารจากโลกไปนอกโลก ยังคงใช้เวลานาน และมีค่าใช้จ่ายที่สูงมาก นักวิทยาศาสตร์จึงมุ่งมั่นพัฒนา “เทคโนโลยีการทำเกษตรกรรมในอวกาศ” (Space Agriculture Technology) เพื่อสร้างระบบผลิตอาหารที่ยั่งยืนนอกโลก และจะกลายเป็นแหล่งอาหารหลักสำหรับการย้ายไปตั้งถิ่นฐานนอกโลกในอนาคต

 

ปลูกพืชในอวกาศแบบนาซา

“การปลูกพืชในอวกาศ” ไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะมีอุปสรรคมากมาย ไม่ว่าจะเป็นรังสีคอสมิก การขาดแคลนธาตุอาหารในดิน และอุณหภูมิที่ผันผวนสุดขั้ว รวมไปถึง “สภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ” (Microgravity) ที่ทำให้น้ำไม่สามารถไหลหรือระบายได้ตามธรรมชาติ แต่จะเกาะตัวเป็นหยดน้ำหรือฟิล์มคลุมรากพืชจนทำให้ออกซิเจนเข้าไม่ถึง ส่งผลให้พืชขาดอากาศหายใจ และทิศทางการเติบโตของรากกับลำต้นเกิดความสับสน

เพื่อก้าวข้ามอุปสรรคทั้งหลายทั้งมวลเหล่านี้ นาซาจึงร่วมมือกับองค์กรต่าง ๆ ในการพัฒนาระบบปลูกพืชไร้ดิน จนสามารถปลูกพืชได้บนสถานีอวกาศได้สำเร็จ โดยให้นักบินอวกาศเป็นผู้ดูแล ซึ่งมีด้วยกัน 2 รูปแบบหลัก ๆ ได้แก่

“ระบบเวจจี” (Veggie) เป็นระบบเพาะปลูกพืชขนาดเล็กไร้ดิน ที่ออกแบบมาเพื่อช่วยให้นักบินอวกาศสามารถปลูกผักสดบริโภคเองได้ ระบบนี้แก้ปัญหาในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำด้วยการใช้เทคโนโลยีการซึมตามรูเล็ก ร่วมกับหมอนปลูกพืช ท่อรูพรุน และระบบหมุนเวียนอากาศ เพื่อส่งน้ำ ออกซิเจน และสารอาหารไปยังรากพืชโดยตรง พร้อมทั้งใช้หลอดไฟ LED ให้แสงสว่างทดแทนแสงอาทิตย์ในการสังเคราะห์แสง โดยระบบนี้สามารถปลูกผักได้หลายชนิด เช่น ผักกาดหอมเรดรอมเมน ผักมิซูนา และมะเขือเทศเชอร์รีพันธุ์แคระ

นอกจากนี้ ยังมี “ระบบปลูกพืชขั้นสูง” หรือ “APH” (Advanced Plant Habitat) ซึ่งเป็นระบบเพาะปลูกที่มีความซับซ้อนและใช้การควบคุมมากกว่าระบบเวจจี โดยถูกออกแบบให้เป็นระบบปิดที่ติดตั้งเซ็นเซอร์ตรวจวัดสภาพแวดล้อมมากกว่า 180 ตัว ทำหน้าที่ตรวจติดตามและควบคุมระดับน้ำ อุณหภูมิ และส่วนประกอบของอากาศได้อย่างอิสระ ส่งผลให้ระบบนี้สามารถดำเนินการทดลองและปรับสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตของพืชได้เอง โดยไม่ต้องอาศัยการดูแลหรือการแทรกแซงโดยตรงจากนักบินอวกาศ

อย่างไรก็ดี ทั้งเวจจี้และ APH ต่างใช้หลักการทำงานพื้นฐานร่วมกัน ไม่ว่าจะเป็นการปลูกพืชแบบไม่ใช้ดิน (Hydroponics) การรีไซเคิลน้ำในระบบปิด การหมุนเวียนอากาศเพื่อป้องกันรากพืชขาดออกซิเจน และการควบคุมแสงไฟ LED เพื่อให้พืชเจริญเติบโตได้อย่างสมบูรณ์ในสภาวะอวกาศ

 

การศึกษาจาก USF

ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีเมมเบรนและชีวภาพ ของมหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดา (USF) พัฒนาระบบประมวลผลอินทรีย์ที่ใช้จุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจน โดยระบบนี้ทำหน้าที่ย่อยสลายของเสียจากมนุษย์ เพื่อฟื้นฟูสารอาหารกลับมาเป็นน้ำหมักชีวภาพสำหรับปลูกพืช เช่น ผักกวางตุ้งไต้หวัน โดยไม่ต้องใช้ดิน

อเล็กซานดรา สมิธ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาประจำห้องปฏิบัติการดังกล่าว กล่าวว่า “การขนส่งเสบียงไปในอวกาศมีราคาแพงมาก ดังนั้นน้ำหนักทุกกรัมที่ขนไปจึงมีความสำคัญมาก แทนที่จะกำจัดสารอาหารทิ้งเป็นขยะ เราจึงนำกลับมารีไซเคิลเข้าสู่ระบบการเติบโตของพืช เพื่อสนับสนุนนักบินอวกาศในภารกิจระยะยาวฃ

“ตลอดระยะเวลา 20 ปีที่ผ่านมา ห้องแล็บของเราได้พัฒนาระบบบำบัดน้ำเสียและระบบนำทรัพยากรกลับมาใช้ใหม่ โดยไม่ต้องพึ่งพาโครงสร้างพื้นฐานหลัก เช่น ระบบ NEWgenerator ซึ่งได้นำไปใช้จริงแล้วในอินเดียและแอฟริกาใต้" ศ.แดเนียล เยห์ ผู้นำวิจัยกล่าวว่า 

นอกจากนี้ ทีมนักวิจัยยังได้ร่วมมือกับศูนย์อวกาศเคนเนดี ในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเมมเบรน ให้เหมาะสมกับการใช้งานในอวกาศ เพื่อนำไปติดตั้งในฐานปฏิบัติการบนดวงจันทร์ในอนาคตอีกด้วย

ขณะเดียวกัน USF ยังมีโครงการของศ.อารัช ทัคชี ที่ส่งดาวเทียมขนาดเล็ก CubeSat ขึ้นสู่วงโคจรต่ำของโลก เพื่อศึกษาวิธีการเจริญเติบโตและการตอบสนองของพืชในอวกาศ โดยเน้นการใช้วิศวกรรมสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์และระบบเซ็นเซอร์เฉพาะทาง เพื่อตรวจจับและควบคุมปัจจัยแวดล้อมต่าง ๆ ในอวกาศ

การทดลองแสดงให้เห็นว่า พืชมีความไวต่อตัวแปรสภาพแวดล้อมอย่างมาก หากก๊าซ ความชื้น หรือแสง เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย ก็ส่งผลต่อการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ ขณะเดียวกัน ดินบนดาวอังคารและดวงจันทร์ ที่เรียกว่า “เรโกลิธ” ยังไม่มีธาตุอาหารสำคัญอย่าง ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และโพแทสเซียม 

ความซับซ้อนนี้ ทำให้ทีมวิจัยหันมาศึกษา “เชื้อรา” ที่อยู่บน CubeSat ซึ่งเจริญเติบโตได้เร็วกว่าในอวกาศ มีความทนทานต่อรังสี มาช่วยเปลี่ยนดินที่แห้งแล้งให้กลายเป็นวัสดุปลูกที่พืชสามารถเจริญเติบโตได้

การศึกษาด้วยการทบทวนวรรณกรรมของ เจสสิกา คาร์เนโร โอลิเวรา ระบุว่า เชื้อราในกลุ่ม “อาร์บัสคูลาร์ ไมคอร์ไรซา” หรือ “AMF” (Arbuscular Mycorrhizal Fungi) และเชื้อรา “ไตรโคเดอร์มา” (Trichoderma) ทำหน้าที่เหมือนส่วนขยายของระบบรากพืช ช่วยให้พืชเข้าถึงธาตุอาหารที่จำกัด ดูดซึมแร่ธาตุ และบรรเทาความเครียดจากสภาพแวดล้อมไร้สิ่งมีชีวิต บนดาวอังคารและดวงจันทร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นักวิจัยยังเรียนรู้จากธรรมชาติ เพื่อนำมาปรับใช้กับการปลูกพืชในอวกาศ โดยทีมวิจัยศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และการประยุกต์ใช้อวกาศ (ASTRA) นำโดยรศ.คริสตินา ริชาร์ดส์ ได้นำต้นโกงกาง มาศึกษาด้านพันธุศาสตร์พืช เพื่อดูการปรับตัวในสภาวะสุดขั้ว เช่น มลพิษและความเค็ม สำหรับนำมาใช้เป็นแบบจำลองการรอดชีวิตในสภาพแวดล้อมต่างดาว

รศ.ริชาร์ดส์ กล่าวว่า “การทำเกษตรในอวกาศ คือการทำความเข้าใจวิธีปลูกพืชในสภาพแวดล้อมที่ยากลำบากอย่างยิ่ง ดังนั้นเราจึงเริ่มต้นจากการศึกษาพืชที่เข้มแข็งที่อยู่บนโลก ก่อนจะขยายไปสู่การเกษตรและสภาวะการเติบโตในอวกาศจริง”

 

เครือข่ายการทำฟาร์มอวกาศบราซิล

“เครือข่ายการทำฟาร์มอวกาศบราซิล” ก่อตั้งขึ้นในปี 2022 มีวัตถุประสงค์เพื่อวิจัยและพัฒนาสายพันธุ์พืช รวมถึงคิดค้นเทคโนโลยีการเกษตรที่สามารถรองรับการเพาะปลูกในสภาพแวดล้อมสุดขั้ว ทั้งบนดวงจันทร์ ยานอวกาศในห้วงอวกาศลึก และพื้นผิวดาวอังคาร 

เครือข่ายนี้ เป็นการผนึกกำลังระดับชาติ นำโดยองค์กรวิจัยการเกษตรบราซิล (Embrapa) ร่วมกับองค์กรอวกาศบราซิล พร้อมรวบรวมนักปฐพีวิทยา นักวิทยาศาสตร์อวกาศ และวิศวกรการบินและอวกาศจากสถาบันชั้นนำทั่วประเทศ เช่น สถาบันวิจัยการเกษตรกัมปินาส (IAC), สถาบันวิจัยอวกาศแห่งชาติ (INPE) และมหาวิทยาลัยเซาเปาลู (USP) 

สำหรับการคัดเลือกพรรณพืชที่จะไปปลูกนอกโลก เครือข่ายได้คัดเลือกอย่างถี่ถ้วน เพื่อตัดพืชที่ต้องอาศัยการผสมเกสรโดยผึ้งออกไป โดยตัวอย่างพืชที่ได้รับคัดเลือก ได้แก่ “มันม่วง” ที่อุดมด้วยสารแอนโทไซยานิน ซึ่งช่วยปกป้องเมล็ดพืชจากรังสีอวกาศ และ “ถั่วลูกไก่” ที่ให้โปรตีนสูงและเพาะปลูกง่าย อีกทั้งมีธนาคารเชื้อพันธุ์พืชของพืชทั้งสองชนิด ทำให้สามารถนำมาคัดเลือกและพัฒนาสายพันธุ์ใหม่ให้เหมาะกับสภาวะอวกาศได้ดียิ่งขึ้น

ในส่วนของเทคนิคการเพาะปลูก นักวิจัยใช้ “เส้นใยมะพร้าว” เป็นวัสดุปลูกแทนดิน ร่วมกับการให้สารละลายธาตุอาหารผ่านระบบน้ำที่สร้างขึ้น และใช้หลอดไฟ LED เลียนแบบแสงอาทิตย์ นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาพืชให้มีขนาดลำต้นเตี้ยแคระคล้ายทรงบอนไซ เพื่อให้สามารถจัดวางซ้อนกันหลายชั้นในเรือนกระจกอวกาศที่มีพื้นที่จำกัด แต่ยังคงให้ผลผลิตสูงและสามารถเก็บเกี่ยวใบที่อุดมด้วยสารอาหารมาบริโภคได้อย่างต่อเนื่อง

นอกจากนี้ นักวิจัยยังใช้ “รังสีแกมมา” ฉายใส่เมล็ดถั่วลูกไก่เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดการกลายพันธุ์ทางดีเอ็นเอ ทำให้พืชออกดอกไวขึ้นและทนทานต่อความแห้งแล้ง ขณะเดียวกันก็มีการส่งตัวอย่างพืชขึ้นไปทดลองกับจรวด Blue Origin รวมทั้งการทดสอบอุปกรณ์สังเคราะห์แสง LED ในห้องสูญญากาศความร้อนของ INPE ตลอดจนการส่งจุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนสำหรับถั่วเหลืองขึ้นไปศึกษาการทำงานในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ

ขณะเดียวกัน เทคโนโลยีการเกษตรอวกาศกำลังถูกนำมาใช้บนโลกมากขึ้น เนื่องจากพื้นที่เกษตรกรรมในบราซิลกำลังเผชิญกับวิกฤตการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ทั้งคลื่นความร้อน ความแห้งแล้งยาวนาน และภัยธรรมชาติสุดขั้ว สายพันธุ์พืชที่ได้รับการปรับปรุงให้ใช้น้ำน้อยและทนทานต่อสภาวะอวกาศ จึงกลายเป็นเทคโนโลยีสำคัญในการกู้วิกฤตความมั่นคงทางอาหารบนโลก ช่วยให้เกษตรกรสามารถเพาะปลูกได้แม้ในสภาพอากาศและสภาพดินที่ไม่เอื้ออำนวย

เช่นเดียวกับระบบการทำฟาร์มแนวตั้ง การปลูกพืชภายใต้การควบคุมสภาพแวดล้อม (CEA) และการปลูกพืชในระบบปิด ที่ช่วยประหยัดน้ำได้อย่างมหาศาล ซึ่งเทคนิคเหล่านี้สามารถนำไปแก้ปัญหาความมั่นคงทางอาหาร ในพื้นที่เมืองใหญ่ที่แออัด พื้นที่แห้งแล้งทุรกันดาร หรือภูมิภาคที่มีอากาศหนาวจัดอย่างแถบขั้วโลก

ที่มา: Forbes, Mirage News, National Geographic, NASA, Science Daily