太空种植难在哪儿?

科技日报发表于2016年04月04日19:49:37 | 养花草树 | 标签(tags):太空种植

美国国家航空航天局(NASA)的雷·惠勒博士与电影《火星救援》中的马克·沃特尼有个共同之处——他们都是植物学家。但仅限于此,因为沃特尼是个滞留在火星上的电影角色,而惠勒则是现实中肯尼迪太空中心领导“探索性研究与技术项目”高级生命支撑技术课题组的植物生理学家。

惠勒说:“有关火星的电影和书籍传递出种植食物所涉及的生存问题。”NASA一直在准备太空发射系统(SLS)火箭和猎户座飞船进行未来的“探索使命-1”,同时,其注意力也转向探讨在可控环境下种植作物的可能性,当然,这种可控环境包括一直以来的深空探测目标——火星在内。

惠勒和他的植物学家同事一直在研究如何在地球之外安全、有效地种植新鲜农作物。最近,国际空间站的宇航员收获并食用的太空生菜就是来自于他们的Veggie植物生长系统。

惠勒从1988年就在肯尼迪太空中心工作,是帮助测试Veggie系统并验证其有效性的工作团队成员之一。由NASA小企业创新研究计划支持的“种植室”(Plant chamber)研究,通过了安全审查,满足了在太空中的低能耗和低质量要求。

然而,除了植物室,在地外星球种植农作物所需的元素还包括水、光线和土壤,以及帮助其生长所需的各种营养素等。

太空种植

土豆是种植首选

什么农作物可以种植在太空中或者其他星球上?惠勒的观点是,土豆、红薯、小麦和大豆都是很好的选择,因为它们提供了大量的碳水化合物,而大豆还是很好的蛋白质来源。

拿土豆来说,它是块茎植物,这意味着可以在地下存储。惠勒说,土豆在获得等量阳光的时候,能够产出两倍于其他作物的食物产量。

目前,一种“后沙拉作物”正在研究中,它们是可以生吃的微加工食物类别。惠勒说:“你可以将种植的土豆、小麦和大豆之类的食品配上这种沙拉作物,就可以提供一顿完整的饮食。”

“提供食物是个很复杂的命题。”惠勒说,“我们必须考虑营养问题,哪些可以接受以及哪些品尝起来口感很好。如果没有人愿意吃,就毫无意义了。”

惠勒花了很长时间研究种植土豆的不同方法,很多研究在上世纪80年代后已经应用于佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地。惠勒的实验室于2003年迁往“太空生命科学实验室”,其中很重要的部分也于2014年迁往“太空站处理设施”,并成为肯尼迪探索研究与技术项目局的组成部分。

惠勒早期的土豆植物研究很多都在威斯康星大学完成。肯尼迪的植物学家利用这些基础的发现作为研究起点,其生产“诺兰红皮土豆”时借助了一个大型种植室。

水是宝贵的资源

在电影里,宇航员选择使用风化层或者火星土壤来种植农作物。而在现实中,火星土壤基本是破碎的岩石,缺乏维持农作物生长的大部分养分。

惠勒在土豆研究中做出众多努力,包括利用循环水在较浅的倾斜托盘中种植农作物。“对于土豆而言,它们不喜欢被淹没在水中的生长要求看起来很有趣,为此我们只需要保持供给很薄一层的营养水膜即可。”

根据惠勒的描述,他们的方法非常有效,推而广之还可以应用在很多其他作物上。但是航天器旅行到另一个星球上,可能会在质量和重量上有所限制——你无法将所有所需都打包带上,一些资源需要回收和重复利用。

肯尼迪探索研究与技术项目高级工程师鲍勃·穆勒说:“最近发现的火星水是一个重大进展。火星水或能被用于动力推进剂、维持人类生命和植物生长等方面。”但同时,穆勒也指出,这种水并不纯净,含有很多其他成分,高氯酸盐和其他杂质必须在使用前被清除或过滤掉才行。

惠勒说,在深空中旅行的一种情景,是宇航员带着水泵和肥料在受到保护的环境下栽种作物,而火星土壤要等到相应的系统得到扩展后才能被利用。

穆勒说:“毕竟在火星上种植不是一件小事。”

植物生长需光线

在地球上,光线是很充足的,但是到了外太空,作物生长利用直射的太阳光恐怕是个巨大的挑战。此外,在太空中快速生长的农作物也需要大量的阳光。

2007年,科罗拉多大学的研究生对火星表面的光线密度进行了图谱绘制。结果显示,这颗红色星球接收到的太阳光只相当于地球的43%,但在低纬度地区还是能够接收到足够种植农作物的阳光。

惠勒说:“火星有大量的沙尘暴,阻碍了大部分的光线,这一点必须考虑进去,尤其是在考虑利用光伏发电系统的时候。”

这也是卡西尼号、伽利略号和新视野号等深空探测器和太空船不适用光伏发电系统的原因。正如电影中所展现的那样,他们利用放射性热发电机产生热量转化为电能。

惠勒介绍说:“一个备用方法是利用电光源。高强度的高效LED灯可能帮助推进作物种植,这也是最近NASA研究和发展的新领域。”

太空站上使用的蔬菜植物生长系统Veggie就是利用了蓝光和红光LED。惠勒说,利用LED光线助作物生长的主意来自上世纪80年代威斯康星大学的研究。这项技术获得了NASA的资金支持,也获得了专利保护。

肯尼迪航天中心的植物学家还第一次使用了垂直农场,用水资源和LED光给植物托盘分层。现在,这项技术在日本、韩国和中国以及北美洲的农业中都有应用。

辐射防护很必要

找到合适的土壤、水源和光线,植物并非就此安枕无忧,紫外线辐射也构成了威胁。植物生长外层遮蔽空间必须能够承受火星环境下的辐射和极端温度的考验。

“对于温室结构房屋来说,建筑材料是个巨大的挑战。”惠勒暗示,散热问题必须得到解决,这种结构需要晚上紧闭而白天可以打开。

核电在上世纪70年代兴起的时候,对于生物组织包括植物在内的潜在辐射效应就引起了研究人员的兴趣。植物能够吸收的辐射很有限,农作物能够承受多少辐射还需要更多的研究支持。

回收机制好处多

在太空中或者其他星球上种植作物,除了提供食物以外,还有其他好处。植物可以提供氧气并清除空气中的二氧化碳。

惠勒提醒,如果使用方式正确,它们还可以帮助处理废水。听起来很奇怪,利用废水甚至尿液,还可以为植物提供养分。在空间站,美国宇航员利用环境控制和生命支持系统回收废水及尿液。

《火星救援》电影中在火星上种植土豆的想法并非空穴来风,大量研究表明了其可行性。人们希望,在未来的几十年中,火星种植能获得蓬勃发展,以解决人类目前飞往火星面临的真正挑战。

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