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(gè)巨大的挑戰(zhàn)：如何在兩個(gè)極其惡劣的環(huán)境中種植健康的食物。

這是因?yàn)檫@兩個(gè)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(gè)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(duì)與美國宇航局的一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(duì)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(jì)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?jiān)┖屠陨a(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(xiàng)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(shí)間和大量精力，此外他們還需要完成其他項(xiàng)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(shí)。因此，第一批探險(xiǎn)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(jì)，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(xiàng)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(duì)領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)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(shí)。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(shí)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(gè)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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