太空食物可能來自人類排泄物，靠“自我循環(huán)”？答案意想不到

簡 要

未來，月球和火星上的種植將面臨一個巨大的挑戰(zhàn)：如何在兩個極其惡劣的環(huán)境中種植健康的食物。

這是因?yàn)檫@兩個星球的土壤都不適宜動植物生長，其他條件也同樣惡劣。

它們都是輻射的星球，其中火星大氣層稀薄，而月球則完全沒有大氣層。

那么，未來在這兩個星球上定居的人們將如何種植糧食呢？可能你意想不到？也可能很難接受！

藝術(shù)家繪制的概念圖描繪了火星表面的一座溫室。植物借助紅、藍(lán)、綠三色LED燈條和水培法生長。其他使用土壤模擬物的方法也將有助于在月球和火星上實(shí)現(xiàn)長期糧食生產(chǎn)。

/*內(nèi)容

我們可以參考馬特·達(dá)蒙在電影《火星救援》中展現(xiàn)的例子。影片中，一位被困火星的宇航員想方設(shè)法利用自己的污水種植土豆，而國際馬鈴薯中心和美國宇航局幾年前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這種方法的可行性。

最近，由德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的哈里森·科克領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊與美國宇航局的一個團(tuán)隊合作，測試了一種由回收污水制成的溶液，以及這種溶液與模擬月球和火星風(fēng)化層（土壤）的相互作用。

美國宇航局的肯尼迪航天中心團(tuán)隊正在深入研究所謂的生物再生生命維持系統(tǒng)（BLiSS）。這些生物反應(yīng)器和過濾器可以將人工污水轉(zhuǎn)化為富含植物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)的溶液。

生物再生生命維持系統(tǒng)（BLiSS）為居住在月球和火星表面棲息地的宇航員提供可持續(xù)的生命支持。BLiSS架構(gòu)復(fù)雜，需要隨著更多宇航員部署到表面棲息地而分階段發(fā)展完善。目前國際空間站（ISS）上搭載4-6名宇航員的再生環(huán)境控制與生命維持系統(tǒng)（ECLSS）中，空氣、食物和水均由地球供應(yīng)，廢物儲存后返回地球，只有空氣和部分水在空間站內(nèi)循環(huán)利用。因此，這種再生ECLSS架構(gòu)支持短期（30天）任務(wù)，代表了生命維持的初始階段或“生存階段”，需要頻繁補(bǔ)給，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都不適用于長期任務(wù)。為了滿足NASA“月球到火星”（M2M）架構(gòu)的目標(biāo)，
設(shè)計并提出了一種四階段BLiSS架構(gòu)。
第二階段“中間階段”仍然依賴食物補(bǔ)給，但會再生空氣和水，并回收廢物。該階段利用專用的、自持式生物反應(yīng)器處理尿液、衛(wèi)生/洗衣用水、代謝廢物漿液（例如糞便、食物殘渣）和垃圾，以生產(chǎn)飲用水并回收必需資源（例如肥料、甲烷、二氧化碳和氮?dú)猓?br/>第三階段“可持續(xù)發(fā)展階段”利用回收的水和營養(yǎng)物質(zhì)，通過植物生產(chǎn)棲息地食物供應(yīng)的主要部分，植物提供氧氣、去除二氧化碳并進(jìn)行額外的水凈化。最后，第四階段“成熟階段”利用來自BLiSS的回收原料（例如營養(yǎng)物質(zhì)、水、甲烷、二氧化碳等
）和額外的專用生物反應(yīng)器系統(tǒng)，支持原位生物制造高附加值產(chǎn)品（例如燃料、蛋白質(zhì)、藥品、建筑材料）

這項研究對未來將在月球和火星上生活和工作的人們有著直接的意義。因?yàn)槿藗兛梢暂p松地提供所需的廢棄物。隨著即將到來的阿爾忒彌斯登月任務(wù)，糧食生產(chǎn)問題對于長期居住者來說變得至關(guān)重要。

“在月球和火星前哨站中，有機(jī)廢棄物對于生成健康、高產(chǎn)的土壤至關(guān)重要，”科克爾說道，他是此類系統(tǒng)研究的第一作者。“通過用有機(jī)廢棄物風(fēng)化月球和火星的模擬土壤，我們發(fā)現(xiàn)可以從地表礦物中提取許多植物必需的營養(yǎng)物質(zhì)。”

美國宇航局肯尼迪航天中心的模擬月球溫室正在幫助科學(xué)家們解決在月球乃至最終在火星上種植糧食的問題。

我們看下植物需要什么？

地球上的植物需要一系列復(fù)雜的營養(yǎng)物質(zhì)才能茁壯成長。

例如，玉米需要大量的氮。

豌豆喜歡鉀和磷。

土豆則需要磷和氮。

此外，所有行星都需要水。研究人員研究了如何“富集”火星和月球的風(fēng)化層。結(jié)果表明，它們需要大量的水。這是因?yàn)檫@些土壤受到輻射，而且火星土壤富含硫、氧化鐵、二氧化硅和鎂。此外，火星土壤中還含有高濃度的有毒高氯酸鹽。

這些星球的第一批居民需要自帶食物和污水處理系統(tǒng)，然后努力使當(dāng)?shù)赝寥肋m宜植物生長。這需要時間和大量精力，此外他們還需要完成其他項目，例如探索和建造棲息地。

當(dāng)然，未來的居民可以依靠水培法作為種植介質(zhì)，而且已經(jīng)有很多關(guān)于這種水培系統(tǒng)的研究。然而，水培需要大量的水，而且要大量生產(chǎn)食物，營養(yǎng)物質(zhì)的濃度也必須相當(dāng)高。至少在月球上，宇航員可以向地球運(yùn)送補(bǔ)給，但這既昂貴又耗時。因此，第一批探險者很可能需要依賴來自“地球”的食物。然而，這不可能是長久之計，所以科學(xué)家們正在研究如何從根本上改善當(dāng)?shù)赝寥溃蛊涓m合長期耕作。

*太空食物種植研究由來已久。1992年，一項研究在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地L號機(jī)庫內(nèi)的生物質(zhì)生產(chǎn)艙中種植了一種名為諾蘭（Norland）的紅皮土豆。

利用污水和化學(xué)物質(zhì)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

在科克和NASA團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)的這項研究中，科學(xué)家們將他們制備的BLiSS流出物與模擬的火星或月球風(fēng)化層（分別稱為模擬物）混合。然后，他們將這兩種不同的溶液在搖床中儲存24小時。研究目的是確定BLiSS流出物是否能夠有效地“風(fēng)化”風(fēng)化層，并提供富含營養(yǎng)的生長溶液。

結(jié)果表明，風(fēng)化后的模擬物能夠提供大量植物必需的營養(yǎng)物質(zhì)，包括硫、鈣、鎂和其他金屬，這些營養(yǎng)物質(zhì)在與水和BLiSS溶液相互作用時都會釋放出來。

此外，在顯微鏡下觀察模擬物顆粒，可以發(fā)現(xiàn)一些風(fēng)化特征，例如月球模擬物表面形成微小凹坑，而火星模擬物表面則覆蓋著納米顆粒。這些特征都有助于降低模擬物中尖銳礦物的磨蝕性，表明風(fēng)化作用成功，并使其朝著更接近土壤的物質(zhì)方向邁進(jìn)了一步。

那么，回收利用人類污水就能改善外星花園的狀況嗎？還不完全是。盡管初步結(jié)果令人鼓舞，但下一步還需要在真正的月球和火星風(fēng)化層上進(jìn)行測試。它們與科學(xué)家們測試的模擬物截然不同。

不過，這仍然是一個良好的開端，并為維持人類在外太空的殖民地至關(guān)重要的過程提供了關(guān)鍵的見解。或許不久之后，月球居民就能享用西洋菜三明治，火星移民者也能利用自己的水種植玉米、豆類，當(dāng)然還有土豆。

關(guān) 鍵 詞

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