太空種植難在哪兒？

科技 04-03

[導讀]太空種植難在哪兒？人們希望,在未來的幾十年中,火星種植能獲得蓬勃發展,以解決人類目前飛往火星面臨的真正挑戰。

太空種植難在哪兒？

——NASA植物學家細數關鍵問題

本報記者房琳琳綜合外電

美國國家航空航天局（NASA）的雷·惠勒博士與電影《火星救援》中的馬克·沃特尼有個共同之處——他們都是植物學家。但僅限於此，因為沃特尼是個滯留在火星上的電影角色，而惠勒則是現實中肯尼迪太空中心領導「探索性研究與技術項目」高級生命支撐技術課題組的植物生理學家。

惠勒說：「有關火星的電影和書籍傳遞出種植食物所涉及的生存問題。」NASA一直在準備太空發射系統（SLS）火箭和獵戶座飛船進行未來的「探索使命-1」，同時，其注意力也轉向探討在可控環境下種植作物的可能性，當然，這種可控環境包括一直以來的深空探測目標——火星在內。

惠勒和他的植物學家同事一直在研究如何在地球之外安全、有效地種植新鮮農作物。最近，國際空間站的宇航員收穫並食用的太空生菜就是來自於他們的Veggie植物生長系統。

惠勒從1988年就在肯尼迪太空中心工作，是幫助測試Veggie系統並驗證其有效性的工作團隊成員之一。由NASA小企業創新研究計劃支持的「種植室」（Plant chamber）研究，通過了安全審查，滿足了在太空中的低能耗和低質量要求。

然而，除了植物室，在地外星球種植農作物所需的元素還包括水、光線和土壤，以及幫助其生長所需的各種營養素等。

土豆是種植首選

什麼農作物可以種植在太空中或者其他星球上？惠勒的觀點是，土豆、紅薯、小麥和大豆都是很好的選擇，因為它們提供了大量的碳水化合物，而大豆還是很好的蛋白質來源。

拿土豆來說，它是塊莖植物，這意味著可以在地下存儲。惠勒說，土豆在獲得等量陽光的時候，能夠產出兩倍於其他作物的食物產量。

目前，一種「後沙拉作物」正在研究中，它們是可以生吃的微加工食物類別。惠勒說：「你可以將種植的土豆、小麥和大豆之類的食品配上這種沙拉作物，就可以提供一頓完整的飲食。」

「提供食物是個很複雜的命題。」惠勒說，「我們必須考慮營養問題，哪些可以接受以及哪些品嘗起來口感很好。如果沒有人願意吃，就毫無意義了。」

惠勒花了很長時間研究種植土豆的不同方法，很多研究在上世紀80年代後已經應用於佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地。惠勒的實驗室於2003年遷往「太空生命科學實驗室」，其中很重要的部分也於2014年遷往「太空站處理設施」，並成為肯尼迪探索研究與技術項目局的組成部分。

惠勒早期的土豆植物研究很多都在威斯康星大學完成。肯尼迪的植物學家利用這些基礎的發現作為研究起點，其生產「諾蘭紅皮土豆」時藉助了一個大型種植室。

水是寶貴的資源

在電影里，宇航員選擇使用風化層或者火星土壤來種植農作物。而在現實中，火星土壤基本是破碎的岩石，缺乏維持農作物生長的大部分養分。

惠勒在土豆研究中做出眾多努力，包括利用循環水在較淺的傾斜托盤中種植農作物。「對於土豆而言，它們不喜歡被淹沒在水中的生長要求看起來很有趣，為此我們只需要保持供給很薄一層的營養水膜即可。」

根據惠勒的描述，他們的方法非常有效，推而廣之還可以應用在很多其他作物上。但是航天器旅行到另一個星球上，可能會在質量和重量上有所限制——你無法將所有所需都打包帶上，一些資源需要回收和重複利用。

肯尼迪探索研究與技術項目高級工程師鮑勃·穆勒說：「最近發現的火星水是一個重大進展。火星水或能被用於動力推進劑、維持人類生命和植物生長等方面。」但同時，穆勒也指出，這種水並不純凈，含有很多其他成分，高氯酸鹽和其他雜質必須在使用前被清除或過濾掉才行。

惠勒說，在深空中旅行的一種情景，是宇航員帶著水泵和肥料在受到保護的環境下栽種作物，而火星土壤要等到相應的系統得到擴展後才能被利用。

穆勒說：「畢竟在火星上種植不是一件小事。」

植物生長需光線

在地球上，光線是很充足的，但是到了外太空，作物生長利用直射的太陽光恐怕是個巨大的挑戰。此外，在太空中快速生長的農作物也需要大量的陽光。

2007年，科羅拉多大學的研究生對火星表面的光線密度進行了圖譜繪製。結果顯示，這顆紅色星球接收到的太陽光只相當於地球的43%，但在低緯度地區還是能夠接收到足夠種植農作物的陽光。

惠勒說：「火星有大量的沙塵暴，阻礙了大部分的光線，這一點必須考慮進去，尤其是在考慮利用光伏發電系統的時候。」

這也是卡西尼號、伽利略號和新視野號等深空探測器和太空船不適用光伏發電系統的原因。正如電影中所展現的那樣，他們利用放射性熱發電機產生熱量轉化為電能。

惠勒介紹說：「一個備用方法是利用電光源。高強度的高效LED燈可能幫助推進作物種植，這也是最近NASA研究和發展的新領域。」

太空站上使用的蔬菜植物生長系統Veggie就是利用了藍光和紅光LED。惠勒說，利用LED光線助作物生長的主意來自上世紀80年代威斯康星大學的研究。這項技術獲得了NASA的資金支持，也獲得了專利保護。

肯尼迪航天中心的植物學家還第一次使用了垂直農場，用水資源和LED光給植物托盤分層。現在，這項技術在日本、韓國和中國以及北美洲的農業中都有應用。

輻射防護很必要

找到合適的土壤、水源和光線，植物並非就此安枕無憂，紫外線輻射也構成了威脅。植物生長外層遮蔽空間必須能夠承受火星環境下的輻射和極端溫度的考驗。

「對於溫室結構房屋來說，建築材料是個巨大的挑戰。」惠勒暗示，散熱問題必須得到解決，這種結構需要晚上緊閉而白天可以打開。

核電在上世紀70年代興起的時候，對於生物組織包括植物在內的潛在輻射效應就引起了研究人員的興趣。植物能夠吸收的輻射很有限，農作物能夠承受多少輻射還需要更多的研究支持。

回收機制好處多

在太空中或者其他星球上種植作物，除了提供食物以外，還有其他好處。植物可以提供氧氣並清除空氣中的二氧化碳。

惠勒提醒，如果使用方式正確，它們還可以幫助處理廢水。聽起來很奇怪，利用廢水甚至尿液，還可以為植物提供養分。在空間站，美國宇航員利用環境控制和生命支持系統回收廢水及尿液。

《火星救援》電影中在火星上種植土豆的想法並非空穴來風，大量研究表明了其可行性。人們希望，在未來的幾十年中，火星種植能獲得蓬勃發展，以解決人類目前飛往火星面臨的真正挑戰。

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