Self-sufficient food production at a small lunar research station

Thumbnail Image

Files

master_Löfstedt_Arthur_2024.pdf (11.83 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-01-22

Department

Major/Subject

Space Science and Technology

Mcode

ELEC3039

Degree programme

Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)

Language

en

Pages

104 + 6

Series

Abstract

Humankind is finally returning to the Moon. Establishing a permanent presence requires consideration of both food security and self-sufficiency. Much research into these topics has been conducted. However, many of the studies may now be outdated. Recent developments in launch costs and food production technologies, such as vertical hydroponics and protein production reactors, may change the cost balance between local food production and regular re-supply of imported food. Therefore, the viability of self-sufficient lunar food production utilizing new technologies is evaluated in this thesis. This evaluation is performed as a cost comparison analysis, comparing the cumulative operational costs for both local food production and re-supply missions of imported food. A preliminary design of a food production module is created, equipped with vertical hydroponics and a protein reactor producing Solein, developed by Solar Foods. The thesis assumes a standard crew consisting of four average size males, likely representing the maximum plausible dietary intake amount. Minimum required amounts of food production are calculated based on the calorific and nutritional requirements of the crew. Yam, soybean, kale, radish, green pea, spinach and garlic plants are chosen to meet these demands, and a hydroponic system designed around their requirements and characteristics. The food production system is housed in structural units based on double-length Columbus laboratory modules. The total amount of units, their combined mass, the mass of the required equipment as well as the operational requirements are calculated and presented. Multiple scenarios with different amounts of ISRU and recycling are considered and compared with a few alternative food import scenarios. The results indicate that a high level of self-sufficiency can be reached on the lunar surface, since most of the required dietary nutrients can be produced by the chosen food production methods and most of the required resources are available in the lunar regolith. Some supplements need to be imported, including vitamin D, zinc and selenium as well as table salt, totalling 6.7 kg every 180 days. The cost comparison reveals that imported food is cheaper for mission durations of 77 years or less. However, local food production always eventually becomes less costly than imported food.

Mänskligheten återvänder äntligen till månen. För att åstadkomma ständig närvaro på månen krävs både självförsörjning och stabil tillgång till mat. Trots stora mängder forskning angående mattillgång i rymden och på månen, är flera av dessa studier föråldrade. Nya utvecklingar inom både matproduktionsteknologi samt stadigt minskande kostnader av raketuppskjutningar kan innebära en ändrad kostnadsbalans mellan lokal matproduktion och regelbunden import av mat. Således är målet med detta arbete att utvärdera lönsamheten av moderna matproduktionsmetoder inom ramen av lokal, självförsörjande matproduktion på månen. Utvärdering utförs i formen av analys och jämförelse av driftskostnaderna för lokal matproduktion och importerad mat. För att möjliggöra denna jämförelse skapas ett preliminärt design av en matproduktionsmodul innehållande både vertikala hydroponiska odlingar samt produktion av protein med hjälp av en Solein-reaktor, skapad av det finska bolaget Solar Foods. För beräkningsändamål antas månbasens besättning bestå av fyra stycken medelmåttiga män, eftersom dessa högst antagligen representerar den högsta sannolika mängden kostintag per person. På basen av dessa kostintag beräknas minimikraven för matproduktion, vilket används för att välja ett lämpligt urval av växter samt för att estimera totala mängden av växter som krävs. Växturvalet består av jams, sojabönor, grönkål, rädisor, ärter, spenat och vitlök. Planer för ett hydroponiskt odlingssystem baserade på dessa växters egenskaper och krav skapas och presenteras i arbetet. Enheter baserade på förlängda versioner av ESA:s Columbus-laboratorium används som byggnader för att skydda matproduktionssystemet från omgivningen på månen. Arbetet beräknar och presenterar det totala antalet av dessa enheter, deras kombinerade massa, massan av matproduktionsutrustningen samt importkraven för att åstadkomma kontinuerlig produktion. Ett flertal kostnadsscenarier skapas baserade på olika mängder av lokalt resursutnyttjande och återvinning av avfall och jämförs med importkostnader av några olika typer av mat. Resultaten av arbetet visar att en hög självförsörjninsnivå kan uppnås på månen, både tack vare att majoriteten av näringsämneskraven kan mötas genom lokal matproduktion och faktumet att majoriteten av mineralerna som behövs för denna matproduktion är tillgängliga i månregoliten. Både joderat salt och en handfull kosttillskott bör dock importeras, så som D-vitamin, zink och selen. På basen av detta är minimimängden import för 180 dagar 6.7 kg. Kostnadsjämförelserna av de olika scenarion visar att matimport är mer lönsamt för tidsperioder kortare än 77 år. Å andra sidan visar det sig att oberoende scenariot är lokal matproduktion alltid mer lönsamt i längden.

Description

Supervisor

Kallio, Esa

Thesis advisor

Nyman, Leo

Keywords

human spaceflight, hydroponics, Solein, lunar habitat, lunar launch cost, cost comparison

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401282125

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC