Lettuce growth model to support selection and cultivation on Mars

Glenn Van Herrewege
Omwille van factoren zoals de afwezigheid van water, temperatuur, atmosfeerdruk en bodemsamenstelling is natuurlijke plantenteelt op Mars onmogelijk en zijn groeimodules met klimaatregeling nodig. De vraag is welke planten in deze modules geteelt moeten worden om de kost van leven van de astronauten te minimaliseren. Voor de selectie van de sterkste planten ontwikkelde deze thesis enkele modellen die kunnen voorspellen welke planten beter geschikt zijn dan anderen voor de teelt op Mars.

Enkel de sterkste planten voor Mars

Terwijl op dit moment Mars wordt verkend door rovers en satellieten bereiden de grote ruimtevaartagentschappen zich voor op de kolonisatie van de rode planeet door bemande vluchten. Maar in tegenstelling tot hun robotische evenkniën brengt dit een nood aan het groeien van planten op de planeet voor voedsel- en zuurstofproductie. Het oppervlak op Mars is compleet onbewoonbaar voor planten. Daarvoor worden speciale groeimodules voorgesteld voor de Marskolonies waar men enkel de meest productieve varianten van bepaalde groenten zoals sla of tomaat zou telen. Maar hoe weet men van alle honderden soorten eetbare sla of tomaten, welke de snelst groeiende variant is?NASA Martian base crop module (source: NASA)

De grote ruimtevaartorganisaties zoals NASA maar ook private organisaties hebben de ambitie Mars te koloniseren in de vroege jaren 2030. De laatste jaren lag de nadruk op het ontwikkelen van de technologie die de goederen en astronauten in de ruimte dient te krijgen. Denk maar aan de Falcon raketfamilie van SpaceX die sinds 2015 in staat is ruimtecapsules of satellieten naar de ruimte te brengen en terug veilig te landen op aarde voor hergebruik. Maar in de toekomst zou deze nadruk kunnen verschuiven naar de technologie die nodig is om de astronauten in leven te houden. Een shift van techniek naar biologie. Om de astronauten te kunnen voorzien in voedsel en ook zuurstof wordt de productie van planten op de rode planeet overwogen aangezien het herhaaldelijk transport van voedsel te duur zou zijn.
 

Planten telen op Mars is geen evidentie. De planeet is compleet onleefbaar voor leven zoals wij die kennen op aarde. De meest voor de hand liggende limitatie hierin is de schijnbare afwezigheid van water. ‘Schijnbaar’, aangezien water in 2015 wel ontdekt is op Mars, maar enkel in de vorm van een hoog zoutgeconcentreerde oplossing die enkel voorkomt als donkere strepen of lineae tijdens warme seizoenen. Maar stel dat water continu voorradig zou zijn of toegediend kan worden is de planeet nog altijd te koud, heerst er een veel te lage atmosferische druk en wordt het oppervlak continu bezaaid met schadelijke stralingen. De planeet kent een onvergeeflijke gemiddelde temperatuur van -55°C en kent een druk die maar 6.25% bedraagt van de Aardse atmosfeer. Zo een lage druk zorgt voor een acute uitdroging van de plant ongeacht de luchtvochtigheid. Door de planeet zijn lagere massa is de magnetosfeer zwak en de atmosfeer dun. Een plant of persoon zou continu onderhevig zijn aan hoge dosissen UV-straling en ioniserende straling wat resulteert in weefselschade en risico op kanker. Deze stralingswaarden kunnen zelfs met een factor 38 extremere waarden aannemen gedurende zonnewinden. Verder is de bodem niet vruchtbaar door de hoge concentratie aan perchloraten. Gelukkig zijn deze obstakels overkombaar door de planten te telen in groeimodules met een dikke beschermlaag met een gecontroleerde druk en temperatuur. De laatste factor is moeilijker te reconstrueren en dat is gravitatie. De zwaartekracht op Mars is 38% van deze op aarde desondanks is deze kleinere zwaartekracht nog voldoende om gravitropisme toe te laten, wat betekent dat planten boven van onder kunnen onderscheiden en waardoor de mogelijkheid bestaat voor planten om hier groeien.
 

In theorie is het telen van planten in gespecialiseerde groeimodules dus mogelijk. Onder specifieke klimaatomstandigheden zoals temperatuur, CO2-concentratie en instraling via LEDs kan een plant geteeld worden op een zodanige manier dat de plant zijn maximale productiviteit haalt. De laatste vraag waar we op stuiten voor het ontwikkelen van een plantenproductiesysteem is welke variëteit van een bepaalde sla, of tomatensoort we dienen te telen. De selectie van een sneller groeiende slasoort bespaart veel geld aan grondstoffen en energie. Deze selectie is niet zo eenvoudig gezien men voor sla alleen al honderden eetbare variëteiten kent die ogenschijnlijk hetzelfde zijn.

Op dit probleem bood dit onderzoek een oplossing aan om planten te gaan onderscheiden op fysiologisch niveau. Hiervoor werden er verschillende slavariëteiten geteeld in het proefcentrum Sint Katelijne Waver waarvan men gedurende de groeiperiode de klimaatomstandigheden registreerde en fotosynthese metingen uitvoerde. Hier werd er o.a. gekeken naar hoeveel CO2 de plant opneemt, naar hoeveel CO2 de plant produceert ’s nachts en naar de geleiding van CO2 doorheen zijn weefsels. De opname door CO2 werd gemeten door een apparaat dat het verschil tussen de ingaande en uitgaande CO2 meet aan de hand van de absorptie van een infrarood laser door deze CO2 moleculen. Deze plantspeficieke parameters werden verwerkt in modellen geïmplelenteerd voor dit onderzoek. De modellen voorspelden de groei van de gemeten plant onder bepaalde klimaatomstandigheden. Door de groei te voorspellen bij klimaatomstandigheden specifiek voor de groeimodules kon bepaald worden welke plant het meest geschikt was voor de groei op Mars zonder deze werkelijk te doen groeien gedurende weken onder deze condities.
De modellen waren in staat om de groei te benaderen maar konden dit nog niet doen voor alle geëvalueerde planten. Deze modellen en diens verdere uitwerkingen zullen ons in staat stellen om de best groeiende groenten te onderscheiden door het ingeven van meetbare plantspecifieke parameters. Men kan snel vele planten variëteiten screenen naar hun productiviteit op Mars. Ook voor de Vlaamse serreteelt kennen deze modellen hun nut. Zo kan dit model omgekeerd toegepast worden om bij een specifieke plant na te gaan wat de beste temperatuur, instralingsniveau en CO2 concentratie is.

Bibliografie

Ahuja, A. (1997). Integrated M/E Design : Building Systems Engineering (Springer US).

Avercheva, O. V., Berkovich, Y.A., Konovalova, I.O., Radchenko, S.G., Lapach, S.N., Bassarskaya, E.M., Kochetova, G. V., Zhigalova, T. V., Yakovleva, O.S., and Tarakanov, I.G. (2016). Optimizing LED lighting for space plant growth unit: Joint effects of photon flux density, red to white ratios and intermittent light pulses. Life Sci. Sp. Res. 11, 29–42.

Bakker, J.C. (Jacobus C. (1995). Greenhouse climate control : an integrated approach (Wageningen Pers).

Blindeman, L. (PCS), Schamp, B. (PCS), and Christiaens, A. (PCS) (2015). Zuinig en doordacht belichten, natuurlijk!

von Caemmerer, S. (2000). Biochemical Models of Leaf Photosynthesis.

Chebli, Y., and Geitmann, A. (2011). Gravity Research on Plants: Use of Single-Cell Experimental Models. Front. Plant Sci. 2, 1–10.

Clarke, M. (2013). The Complete Guide to Building Your Own Greenhouse (Lulu Press, Inc, 2013).

Clawson, J.M., Hoehn, A., and Wheeler, R.M. (2005). Inflatable Transparent Structures for Mars Greenhouse Applications. Engineering.

Cockell, C.S., Bush, T., Bryce, C., Direito, S., Fox-Powell, M., Harrison, J.P., Lammer, H., Landenmark, H., Martin-Torres, J., Nicholson, N., et al. (2016). Habitability: A Review. Astrobiology 16, 89–117.

Cole, M., and Driscoll, T. (2014). The lighting revolution: If we were experts before, we’re novices now. IEEE Trans. Ind. Appl. 50, 1509–1520.

Cook, E. (2015). Hydroponics Nutrient Film Technique presentation.

Cooper, A. (1970). NFT ( Nutrient film Technique ). 6–8.

Croswell, K. (2003). Magnificent Mars (Free Press).

Daines, G. (2015). NASA’s Journey to Mars.

Danila, E., and Lucache, D.D. (2016). Efficient lighting systems for greenhouses. Proc. 2016 Int. Conf. Expo. Electr. Power Eng. EPE 2016 439–444.

European Space Agency (2004). Europe reclaims a stake in Mars exploration / Mars Express / Space Science / Our Activities / ESA.

European Space Agency (2006). The European Space Exploration Programme Aurora / Exploration / Human Spaceflight / Our Activities / ESA.

European Space Agency (2013). International Space Station Legal Framework.

European Space Agency (2016). The ExoMars programme 2016-2020.

Goudriaan, J., and Monteitht, J.L. (1990). A Mathematical Function for Crop Growth Based on Light Interception and Leaf Area Expansion. Ann. Bot. 66, 695–701.

Goudriaan, J., van Laar, H.H., van Keulen, H., and Louwerse, W. (1985). Photosynthesis, CO2 and Plant Production. Wheat Growth Model. 86, 107–122.

Gowda, P.T., Satyareddi, S.A., and Manjunath, S. Crop Growth Modeling: A Review. Res. Rev. J. of Agriculture Allied Sci. 2, 1–11.

Griffiths, S. (2015). Endemol axes plans for reality TV show that would record life of Mars One explorers | Daily Mail Online.

Grush, L. (2015). Russia announces plans to send humans to the Moon in 2029 - The Verge.

Guteri, F., and Kuyas, F. The Race to Mars | DiscoverMagazine.com.

Haeuplik-Meusburger, S., Paterson, C., Schubert, D., and Zabel, P. (2014). Greenhouses and their humanizing synergies. Acta Astronaut. 96, 138–150.

Harrington, R. (2016). China plans to reach Mars by 2020 and build a moon base - Business Insider.

Van Henten, E.J. (1994). Validation of a dynamic lettuce growth model for greenhouse climate control. Agric. Syst. 45, 55–72.

Hoenecke, M.E., Bula, R.J., and Tibbitts, T.W. (1992). Importance of “blue” photon levels for lettuce seedlings grown under red-light-emitting diodes. HortScience 27, 427–430.

Hoson, T., and Wakabayashi, K. (2015). Phytochemistry Role of the plant cell wall in gravity resistance. Phytochemistry 112, 84–90.

Howell, E. (2016). How Will a Human Mars Base Work? NASA’s Vision in Images.

Javaux, E.J., and Dehant, V. (2010). Habitability: From stars to cells. Astron. Astrophys. Rev. 18, 383–416.

Jordan, G. (2015). Can Plants Grow with Mars Soil?

Kane, M. Orion update for January 2017 - SpaceFlight Insider.

Van Keulen, H., Penning de Vries, F.W.T., and Drees, E.M. (1982). A summary model for crop growth. Simul. Plant Growth Crop Prod. 87–97.

Kiss, J.Z. (2014). Plant biology in reduced gravity on the Moon and Mars. Plant Biol. 16, 12–17.

Lamptech (2015). SOX Low Pressure Sodium with IR Coating.

Lehto, K.M., Lehto, H.J., and Kanervo, E.A. (2006). Suitability of different photosynthetic organisms for an extraterrestrial biological life support system. Res. Microbiol. 157, 69–76.

Lorenz, H.P., and Wiebe, H.J. (1980). Effect of temperature on photosynthesis of lettuce adapted to different light and temperature conditions. Sci. Hortic. (Amsterdam). 13, 115–123.

Manter, D.K., and Kerrigan, J. (2004). A/Ci curve analysis across a range of woody plant species: Influence of regression analysis parameters and mesophyll conductance. J. Exp. Bot. 55, 2581–2588.

Mars one (2015a). Roadmap - Mission - Mars One.

Mars one (2015b). Life Support Unit - The Technology - Mars One.

Mars one (2015c). The Technology - Mars One.

Mars one (2015d). Suppliers - About Mars One - Mars One.

Massa, G.D., Kim, H.H., Wheeler, R.M., and Mitchell, C.A. (2008). Plant productivity in response to LED lighting. HortScience 43, 1951–1956.

Monje, O., Stutte, G.W., Goins, G.D., Porterfield, D.M., and Bingham, G.E. (2003). Farming in space: environmental and biophysical concerns. Adv. Sp. Res. 31, 151–167.

Morgan, L. (1996). Nutrient Film Technique ( NFT ) Production of Lettuce.

Nikkei (2016). Japanese engineers working on concrete for lunar base- Nikkei Asian Review.

van Oers, A. (2017). The number of varieties of Romaine lettuce is growing quickly.

Ojha, L., Wilhelm, M.B., Murchie, S.L., Mcewen, A.S., Wray, J.J., Hanley, J., Massé, M., and Chojnacki, M. (2015). Spectral evidence for hydrated salts in recurring slope lineae on Mars. Nat. Geosci. 8, 1–5.

Ouzounis, T., Rosenqvist, E., and Ottosen, C.-O. (2015). Spectral effects of artificial light on plant physiology and secondary metabolism. Hortscience 50, 1128–1135.

Di Paola, A., Valentini, R., and Santini, M. (2016). An overview of available crop growth and yield models for studies and assessments in agriculture. J. Sci. Food Agric. 96, 709–714.

Philips Company (2017). Greenpower LED Toplighting.

Price, H. (2009). Austere Human Missions to Mars.

Proefstation voor de Groeneteelt (2016). LightMan management van licht in bedekte teelten.

Rapp, D. Human missions to Mars : enabling technologies for exploring the red planet.

Read, P.L., Lewis, S.R., and Mulholland, D.P. (2015). The physics of Martian weather and climate: a review. Reports Prog. Phys. 78, 125901.

Reed, S., and Canadian Electronic Library (2011). Energy-wise landscape design : a new approach for your home and garden (New Society Publishers).

Resh, H.M. (2013). Hobby hydroponics (CRC Press).

Rijk Zwaan Lettuce | Rijk Zwaan UK.

Ryder, E.J. (1999). Lettuce, endive, and chicory (CABI Pub).

Salomez, J., and Hofman, G. (2007). A Soil Temperature/Short-Wave Radiation Growth Model for Butterhead Lettuce Under Protected Cultivation in Flanders. J. Plant Nutr. 30, 397–410.

Seginer, I., Linker, R., Buwalda, F., van Straten, G., and Bleyaert, P. (2004). The NICOLET lettuce model: A theme with variations. Acta Hortic. 654.

Seginer, I., Ioslovich, I., and Albright, L. (2005). Strategies for a constant daily light integral in greenhouses. Acta Hortic.

De Swaef, T., Vermeulen, K., Vergote, N., Van Lommel, J., Van Labeke, M.C., Bleyaert, P., and Steppe, K. (2015). Plant sensors help to understand tipburn in lettuce. Acta Hortic. 1099, 63–70.

Sweeney, D.G., Hand, D.W., Slack, G., and Thornley, J.H.M. (1981). Modelling the growth of winter lettuce. Math. Plant Physiol.

Taylor, F.W. (2010). Planetary atmospheres. Meteorol. Appl. 17, 393–403.

Tepfer, D., Zalar, A., and Leach, S. (2012). Survival of Plant Seeds, Their UV Screens, and nptII DNA for 18 Months Outside the International Space Station. Astronbiology 12.

Wall, M. (2012). Private Manned Mars Mission Gets First Sponsors.

Wall, M. (2013). Radiation on Mars “Manageable” for Manned Mission, Curiosity Rover Reveals.

Williams; Matt (2016). How Bad is the Radiation on Mars? - Universe Today.

Windows to the universe (2010). Mars Global Surveyor : Measures Water Clouds - Windows to the Universe.

Yorio, N.C., Goins, G.D., Kagie, H.R., Wheeler, R.M., and Sager, J.C. (2001). Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation. HortScience 36, 380–383.

Zabel, P., Bamsey, M., Schubert, D., and Tajmar, M. (2016). Review and analysis of over 40 years of space plant growth systems. Life Sci. Sp. Res. 10, 1–16.

Zachos, E. Growing healthy houseplants : choose the right plant, water wisely, and control pests.

Universiteit of Hogeschool
Master in de bio-ingenieurswetenschappen: milieutechnologie
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Prof. dr. ir. Kathy Steppe
Kernwoorden
Glenn Van Herrewege