Jak uprawiać rzodkiewkę na Marsie? Nowy symulator z Politechniki Śląskiej

Jednym z największych wyzwań stojących przed ludzkością w kontekście długoterminowych misji kosmicznych - czy to na Księżyc, czy w kierunku Marsa - jest zapewnienie stałego dostępu do żywności, wody i tlenu. Odpowiedzią na to zapotrzebowanie mogą stać się autonomiczne, zamknięte systemy podtrzymywania życia oparte na uprawie roślin. Aby jednak było to możliwe, trzeba najpierw dokładnie zrozumieć, jak ziemska flora reaguje na warunki panujące poza naszą planetą, a w szczególności na mikrograwitację.

Na Ziemi rozwój roślin jest uporządkowany. Pędy kierują się ku światłu, a korzenie rosną w głąb gleby. W kosmosie ten naturalny drogowskaz znika, a rośliny tracą informację o tym, gdzie jest "góra", a gdzie "dół". Podobnej dezorientacji doświadczają zresztą także astronauci, o czym wielokrotnie mówił choćby Sławosz Uznański-Wiśniewski.

Choć badania w tym zakresie prowadzi się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) czy podczas lotów orbitalnych i parabolicznych, metody te są niezwykle kosztowne, skomplikowane logistycznie i ograniczone czasowo.

Odpowiedzią na te problemy jest projekt mgr. inż. Macieja Malczyka, doktoranta z Politechniki Śląskiej. Zaprojektował on i opisał na łamach recenzowanego czasopisma "SoftwareX" otwartoźródłowy system naziemny, który pozwala na prowadzenie zaawansowanych eksperymentów botanicznych w warunkach symulowanej mikrograwitacji - znacznie taniej niż podczas misji kosmicznych i bez konieczności opuszczania Ziemi.

System opracowany i zbudowany na Politechnice Śląskiej opiera się na dwuosiowym klinostacie. Urządzenie to nie eliminuje grawitacji, gdyż jest to na Ziemi fizycznie niemożliwe, ale nieustannie obraca próbkę wokół dwóch osi. Dzięki temu kierunek siły ciężkości stale się zmienia, a jej działanie zostaje uśrednione. W efekcie roślina nie otrzymuje stałego sygnału grawitacyjnego, co dla wielu procesów biologicznych tworzy warunki niemal identyczne z mikrograwitacją. Urządzenie działa pod kontrolą specjalnie napisanego oprogramowania.

"Głównym celem tego oprogramowania jest automatyzacja tych eksperymentów na wszystkich poziomach - od kontroli siłowników mechanicznych, aż po przechwytywanie i archiwizację danych - pozwalając na usprawnienie i skrócenie czasu trwania procesu badawczego" - wyjaśnia autor publikacji.

Automatyzacja wszystkich procesów eliminuje ryzyko błędów ludzkich oraz przerw w pomiarach, które często towarzyszą ręcznemu prowadzeniu tak długotrwałych doświadczeń. System samodzielnie zarządza obrotem platformy, precyzyjnie reguluje natężenie światła oraz dawkuje wodę, a także rejestruje warunki środowiskowe i wykonuje dokumentację zdjęciową.

W porównaniu do dotychczasowych rozwiązań tego typu polski projekt wprowadza istotne ulepszenia konstrukcyjne. Tradycyjne klinostaty budowano z myślą o niewielkich naczyniach, takich jak szalki Petriego, co ograniczało badania do wczesnych stadiów kiełkowania. Rozwiązanie z gliwickiej uczelni pozwala na swobodny wzrost dojrzałych roślin w kontrolowanym środowisku. "Rośliny rosną swobodnie, a jedynym ograniczeniem jest rozmiar uprawy" - dodaje mgr. inż. Maciej Malczyk.

System opiera się na bezprzewodowej łączności Wi-Fi, która zastąpiła tradycyjne kable sygnałowe, by uniknąć ryzyka ich uszkodzenia podczas ciągłego obrotu mechanicznych części urządzenia. Za zarządzanie obrotem, oświetleniem i pompą wody odpowiada układ Raspberry Pi 4 z oprogramowaniem napisanym w języku Rust. Z kolei zbieraniem danych z sensorów i kamer steruje mikrokomputer Orange Pi Zero 2 W, wybrany ze względu na wyższą wydajność, większą pamięć RAM oraz doskonałą odporność na szumy napięcia generowane przez obrotowe pierścienie ślizgowe.

Wszystkie zgromadzone informacje trafiają do bazy danych MongoDB oraz na zewnętrzny serwer FTP, a bezpieczeństwo całego systemu - obsługiwanego z poziomu przeglądarki internetowej - gwarantuje szyfrowany tunel WireGuard VPN.

Ogromną wartością tego projektu dla globalnej społeczności naukowej jest jego w pełni otwarty charakter. Twórca zdecydował się na udostępnienie zarówno kodu źródłowego, jak i kompletnych planów sprzętowych na licencji Open Source (CERN-OHL-P V2.0) w repozytorium GitHub. Dzięki temu badacze z całego świata mogą swobodnie przeglądać, modyfikować i odtwarzać zarówno oprogramowanie, jak i sprzęt, we własnych laboratoriach bez ponoszenia kosztów licencyjnych.

W ramach testów symulatora mgr. inż. Malczyk przeprowadził łącznie 22 cykle eksperymentalne, w których badał m.in. wzrost rzodkiewki (Raphanus sativus). Na zebranych fotografiach wyraźnie widać różnice w rozwoju roślin. W warunkach mikrograwitacji ich pędy i korzenie nie rosły w jednym, z góry określonym kierunku. Zjawisko to doktorant opisuje jako zmianę grawitropizmu (geotropizmu), czyli reakcji organów roślinnych na wektor siły ciężkości.

Projekt okazał się sukcesem nie tylko naukowym, ale i edukacyjnym. Urządzenie zostało przetestowane przez uczniów szkół średnich biorących udział w uniwersyteckim programie. Młodzież, dysponując jedynie podstawową wiedzą z zakresu elektroniki, druku 3D oraz obsługi systemu operacyjnego Linux, była w stanie samodzielnie i z powodzeniem prowadzić długofalowe doświadczenia biologiczne bez ciągłego nadzoru personelu naukowego.

Co dalej? Choć system działa bez zarzutu, jego twórca wyjaśnia, że naziemny klinostat nigdy w 100 proc. nie zastąpi realnych misji orbitalnych. Ponieważ badane obiekty wciąż fizycznie znajdują się w ziemskim polu grawitacyjnym, uzyskane wyniki (szczególnie na poziomie komórkowym i molekularnym) wymagają ostrożnej interpretacji. Aby w pełni potwierdzić zachodzące w roślinach zmiany, konieczne będzie przeprowadzenie w przyszłości dodatkowych, szczegółowych analiz RNA oraz obserwacji mikroskopowych.

Źródło: Malczyk, M. Clinostat: scalable microgravity experiment in distributed system. SoftwareX, Volume 34, June 2026, 102629. DOI: 10.1016/j.softx.2026.102629