[論文レビュー] Numerical constraints on the size of generation ships from total energy expenditure on board, annual food production and space farming techniques

F. Marin, C. Beluffi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2019

Global Energy and Sustainability Research参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、食料生産ニーズをモデル化するために、HERITAGEモンテカルロシミュレーションコードの拡張版を用い、500人規模の多世代世代船における年齢依存のエネルギー要求と農業技術を統合した。その結果、植物にエアロポニックスを、動物性食品に従来の農業を用いることで、0.45 km²の人工土地でバランスの取れたオムニボラス食を維持可能であり、劣化する貀장食への依存を回避できることが判明した。

ABSTRACT

In the first papers of our series on interstellar generation ships we have demonstrated that the numerical code HERITAGE is able to calculate the success rate of multi-generational space missions. Thanks to the social and breeding constraints we examined, a multi-generational crew can safely reach an exoplanet after centuries of deep space travel without risks of consanguinity or genetic disorders. We now turn to addressing an equally important question : how to feed the crew? Dried food stocks are not a viable option due to the deterioration of vitamins with time and the tremendous quantities that would be required for long-term storage. The best option relies on farming aboard the spaceship. Using an updated version of HERITAGE that now accounts for age-dependent biological characteristics such as height and weight, and features related to the varying number of colonists, such as infertility, pregnancy and miscarriage rates, we can estimate the annual caloric requirements aboard using the Harris-Benedict principle. By comparing those numbers with conventional and modern farming techniques we are able to predict the size of artificial land to be allocated in the vessel for agricultural purposes. We find that, for an heterogeneous crew of 500 people living on an omnivorous, balanced diet, 0.45 km2 of artificial land would suffice in order to grow all the necessary food using a combination of aeroponics (for fruits, vegetables, starch, sugar, and oil) and conventional farming (for meat, fish, dairy, and honey).

研究の動機と目的

• 長期間の恒星間航行に耐える多世代クルーを支えるために必要な最小限の人工土地面積を特定すること。
• 宇宙ステーション環境における最新の農業技術を用いた閉ループ型食料生産の実現可能性を評価すること。
• ビタミンの劣化や質量制約といった長期的貯蔵食の限界を解決すること。
• 年齢に応じたエネルギー要求と出生動態を食料需要モデルに統合すること。
• 家畜以外のタンパク質源（例：昆虫）が農業用地の必要量をどれだけ削減できるかを評価すること。

提案手法

• ヒューリッジ・モンテカルロ・シミュレーションコードに、身長、体重、代謝率といった年齢依存の生物学的パラメータを追加した。
• エネルギー要求量は、性別、年齢、活動レベルを補正したハリス＝ベンデクト式を用いて算出された。
• 農業用地の必要量は、肉・乳製品・魚・蜂蜜の生産に従来の農業を、果物・野菜・でんぷん・糖類・油の生産にエアロポニックスを比較してモデル化した。
• 長期的な食料需要を予測するために、出産率、流産率、妊娠率といった人口動態を考慮した。
• タンパク質の生産効率と空間効率の観点から、既存のデータに基づき昆虫を代替タンパク源として評価した。
• 水と栄養素のリサイクルの課題は考慮されたが、定量的評価は行われず、システムの持続可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 500人規模のオムニボラス食を多世紀にわたって維持するための最小限の人工農地面積はどれくらいか？
• RQ2 特にエアロポニックスと従来の家畜農業という農業技術が、エネルギーおよび栄養要求を満たすために果たす貢献は何か？
• RQ3 タンパク質の代替源（例：昆虫）を用いることで、農業用地の必要面積はどれくらい削減できるか？
• RQ4 年齢・性別に応じたエネルギー要求が、長期的な食料生産計画に与える影響は何か？
• RQ5 栄養素および水のリサイクル効率の低さが、生命維持システムの総質量および体積に与える影響は何か？

主な発見

• 500人規模のオムニボラス食を維持するため、500人規模のクルーは約0.45 km²の人工農地を必要とし、多世紀にわたるミッションで自給可能である。
• エアロポニックスは、果物・野菜・でんぷん・糖類・油といった植物性食品の生産に十分である。
• 肉・乳製品・魚・はちみつといった動物性食品の生産には、従来の農業手法が必要不可欠である。
• ミルリップスなどの昆虫は、農地の必要面積を顕著に削減可能であり、160人規模のクルーのタンパク質要求を満たすには1日160,000匹のミルリップスが必要である。
• 長期的な食料貯蔵は、ビタミンの劣化と膨大な質量要件のため現実的ではなく、現地での農業が不可欠である。
• 水のリサイクルと栄養素回収システムは重要であるが、本研究では定量的に評価されていないため、今後の研究の重要な分野である。