دسترسی به خورشید نیست؟ مشکلی ندارد! دانشمندان گیاهان را با استفاده از برق پرورش می‌دهند

برق می‌تواند جایگزین نور خورشید در کشت محصولات کشاورزی شود و ممکن است کشاورزی جهانی را متحول کند.

همه می‌دانیم که گیاهان برای زنده ماندن به نور خورشید نیاز دارند. فتوسنتز یا همان فرآیند تبدیل انرژی خورشیدی به غذا، اساس زیست‌بوم‌های سیاره زمین را  شکل داده و تکامل حیات را هدایت کرده است. اما اگر گیاهان به خورشید نیاز نداشته باشند چه؟ اگر می‌شد غذای آنها را در تاریکی مطلق و نه با نور، بلکه با برق تولید کرد، چه ؟

دانشمندان اکنون در حال بررسی رویکردی کاملاً متفاوت از کشاورزی سنتی هستند: کشاورزی الکتریکی یا (electro-ag) . آنها با تغذیه گیاهان از طریق استات، که ترکیبی مشتق شده از دی اکسید کربن (CO₂)است و با استفاده از الکترولیز تولید می شود، سیستمی ایجاد کرده‌اند که فتوسنتز را به طور کامل نادیده می‌گیرد. این فناوری که در مقاله جدیدی در مجله Joule منتشر شده است، می‌تواند انقلابی در تولید مواد غذایی ایجاد کند، استفاده از زمین را کاهش دهد، در مصرف آب صرفه‌جویی کند و کشاورزی را در مناطقی ممکن سازد که پیش‌ از این غیرقابل‌استفاده تلقی می‌شدند.

دانش پشت کشاورزی الکتریکی

ایده استفاده از برق برای تأمین انرژی واکنش‌های شیمیایی موضوع جدیدی نیست. الکترولیز یا همان فرآیند تقسیم مولکول‌ها با جریان الکتریکی هم قرن‌هاست که وجود دارد. اما استفاده از آن برای تغذیه گیاهان  تا همین اواخر، ایده‌ای جسورانه و غیرعملی به نظر می‌رسید.

از دیدگاه مهندسی، فتوسنتز سنتی روش به شدت ناکارآمدی است. محصولات کشاورزی تنها حدود ۱٪ از نور خورشید دریافتی را به زیست توده تبدیل می‌کنند. روش الکترو-کشاورزی که توسط جیائو و همکارانش پیشنهاد شده است، از نظر تئوری، چهار برابر کارآمدتر است. این روش با استفاده از برق برای تبدیل دی اکسید کربن (CO₂) به مونوکسید کربن (CO) شروع می‌شود و سپس این ماده به استات تبدیل می‌شود. گیاهان و قارچ‌ها می‌توانند این استات را جذب کرده و آن را به ترکیبات ضروری مانند قندها و اسیدهای آمینه تبدیل کنند و همه این فرآیند بدون نیاز به نور خورشید انجام می شود.

این سیستم به عنوان یک مدل کشاورزی عمودی طراحی شده است: 

پنل‌های خورشیدی روی سقف، انرژی لازم برای الکترولیزی را تامین می‌کنند که در طبقات بالایی انجام می‌شود. در طبقات پایین‌تر، محفظه‌هایی چیده شده‌اند که گیاهان در آن‌ها استات جذب کرده و در محیطی کنترل‌شده رشد می‌کنند. تاکنون، محققان با موفقیت قارچ، مخمر و جلبک را با استفاده از این روش پرورش داده‌اند. آنها قبلاً آزمایش‌هایی را با گوجه‌فرنگی، کاهو و سایر محصولات کوچک آغاز کرده‌اند. در نهایت، آنها امیدوارند محصولات اصلی مانند گندم و سیب‌زمینی شیرین را برای جذب کارآمدتر استات اصلاح ژنتیکی کنند.

محققان در این مقاله می‌نویسند: "ما در مقایسه با فتوسنتز حداقل چهار برابر بازدهی بیشتر در تبدیل انرژی خورشیدی به غذا نشان داده‌ایم." نویسندگان تخمین می‌زنند که اگر ایالات متحده به طور کامل روش الکترو-کشاورزی را بپذیرد، استفاده از زمین‌های کشاورزی می‌تواند ۸۸ درصد کاهش یابد و مناطق وسیعی برای احیای حیات وحش و جذب کربن آزاد شود.

آیا این روش راه حلی برای ناامنی غذایی است یا رویایی پرهزینه است؟

اینکه بفهمیم چرا این روش می‌تواند در بسیاری از نقاط جهان تحول آفرین باشد، دشوار نیست.

گرسنگی همچنان یک بحران جهانی است که با تغییرات اقلیمی، جنگ‌ها و بی‌ثباتی اقتصادی تشدید می‌شود. طبق گزارش سازمان ملل متحد، ۷۳۳ میلیون نفر در سال ۲۰۲۳ با ناامنی غذایی مواجه بودند، رقمی که در سال‌های اخیر به شدت افزایش یافته است. علاوه بر این، کشاورزی الکتریکی می‌تواند تولید مواد غذایی را به مراکز شهری بیاورد، زنجیره‌های تأمین طولانی را از بین ببرد و نیاز به زمین‌های کشاورزی را کاهش دهد.

جیائو می‌گوید: «ما امیدواریم که این فناوری بتواند در مکان‌هایی که کشاورزی سنتی بسیار دشوار است، پیاده‌سازی شود. تغییرات اقلیمی، زمین‌های حاصلخیز را برای کشاورزی نامناسب می‌کند و این روش ممکن است راهی برای تضمین تولید مواد غذایی باشد.»

اما آیا این روش می‌تواند در مقیاس بزرگ کار کند؟ هارولد ون اس، متخصص خاک و آب در دانشگاه کرنل، در این مورد تردید دارد. او می‌پرسد: «آیا این فناوری واقعاً مشکلی را حل می‌کند یا فقط یک روش جدید برای پرورش گیاهان است؟» «این روش کمبود جهانی غذا را حل نمی‌کند زیرا از نظر مالی بسیار پرهزینه و از نظر عملی احتمالاً بسیار ناکارآمد است.»

یکی از چالش‌های اصلی این روش، نیاز شدید آن به انرژی است. محققان تخمین می‌زنند که تولید استات کافی برای تغذیه جمعیت ایالات متحده تقریباً به پنج برابر کل مصرف برق کشور در سال ۲۰۲۳ نیاز دارد و بدون سرمایه‌گذاری گسترده در زمینۀ انرژی‌های تجدیدپذیر، گسترش این فناوری دشوار خواهد بود.

هزینه نیز مسئله ای دیگر است. کشاورزی عمودی، یکی دیگر از روش‌های کشاورزی با فناوری پیشرفته است که به دلیل وابستگی به نور مصنوعی همچنان گران است. کشاورزی الکتریکی این مشکل را برطرف می‌کند، اما مشکلات جدیدی را ایجاد می‌کند. جیائو توضیح می‌دهد: «گیاهان بیشتر نوری را که دریافت می‌کنند، رد می‌کنند و این باعث ناکارآمدی کشاورزی عمودی می‌شود. با کشاورزی الکتریکی، می‌توانیم مصرف نور را کاهش داده و هزینه‌های انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش دهیم.» اما اینکه آیا این صرفه‌جویی‌ها برای عملی کردن این فناوری در خارج از آزمایشگاه کافی خواهد بود یا خیر، هنوز مشخص نیست.

بیدار شو عزیزم! گیاهان نسخه ۲.۰ در راه اند

با وجود همه این عدم قطعیت‌ها، محققان خوش‌بین هستند. اگر کشاورزی الکتریکی همانطور که آنها امیدوارند پیشرفت کند، می‌تواند نحوه و مکان کشت مواد غذایی را متحول کند. در آینده‌ای که کشاورزی شهری رایج می‌شود، مزارع پراکنده می‌توانند جای خود را به مناظر جنگلی احیا شده بدهند. محققان همچنین در تلاشند تا از طریق مهندسی ژنتیک، گیاهان را برای رشد مبتنی بر استات بهینه کنند و هدفشان این است که محصولات اصلی مانند گندم، برنج و سیب‌زمینی را با این روش کشاورزی آینده‌نگرانه سازگار کنند.

این فناوری حتی ممکن است در فضا نیز کاربرد داشته باشد. با توانایی عملکرد روش کشاورزی الکتریکی در تاریکی مطلق، این روش می‌تواند انقلابی برای اکتشافات فضایی باشد. جو نازک مریخ ۹۵ درصد از کربن دی اکسید است که آن را به کاندیدای ایده‌آلی برای تولید استات تبدیل می‌کند. اگر دانشمندان بتوانند این فرآیند را اصلاح کنند، فضانوردان در آینده ممکن است بتوانند غذای خود را در زیستگاه‌های زیرزمینی مریخی پرورش دهند.

در حال حاضر، این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی خود است، اما محققان امیدوارند. جیائو می‌گوید: «این فقط اولین قدم است. ما باور داریم که طی دو سال آینده، شاهد پیشرفت‌های چشمگیری خواهیم بود.»

اینکه آیا کشاورزی الکتریکی به ابزاری مناسب برای تولید غذای شهری تبدیل می‌شود یا تغییری اساسی در نحوه پرورش غذا توسط انسان ایجاد می کند، هنوز مشخص نیست. اما یک چیز روشن است: ایده کشاورزی بدون نور خورشید دیگر فقط یک داستان علمی تخیلی نیست.

نویسنده: تئودور تاریتا