成为 “星际物种”:人类需要找到在外太空环境可持续生产食物的方法

自阿波罗时代以来,NASA将在三年内首次将宇航员送回月球。这项名为Artemis III的任务目前计划于2024年10月发射,这是美国宇航局将“首个女性”送入月球目标的一部分。

除此之外,NASA的Artemis计划还呼吁创建所有必要的基础设施,以实现“可持续的月球探测计划”。这将包括建造月球通道,一个允许定期往返于地面的轨道栖息地以及阿尔Art弥斯大本营(Artemis Basecamp),这将允许长时间停留在地面上。

为了实现这些目标,NASA忙于开发和测试将宇航员带到低地球轨道(LEO)之外的所有组件,这是半个世纪以来的第一次,例如太空发射系统(SLS)和“猎户座”飞船

除NASA之外,诸如欧洲航天局(ESA),罗斯科斯莫斯(Roscosmos),中国国家航天局(CNSA)和印度航天研究组织(ISRO)之类的航天机构都已计划将宇航员送往月球。一些人甚至计划在月球的南极地区建立永久性的月球定居点(例如ESA的国际月球村)。

除此之外,美国国家航空航天局(NASA)和其他太空机构还深入研究了人类如何在外太空长期生活和工作。这意味着要为栖息地设计出可以为宇航员提供透气温暖和免受环境因素影响的设计。

鉴于前往月球,火星及其他地区的任务将无法依靠常规的补给任务,因此这些栖息地也将需要尽可能自给自足。这意味着水和空气将需要不断回收和清洁,并且一些食物需要在室内种植。

这可能是有问题的,因为太空对于所有生物来说都是非常恶劣的环境。除了常见的危害外,我们对太空中的粮食生产还了解不是很多。

成为 "星际物种":人类需要找到在外太空环境可持续种植食物的方法

绕月球运行的Gateway月球平台的插图。资料来源:NASA

生活在太空的挑战

低地球轨道(LEO)以外的任何地方,都存在多种危害,这使勘探工作变得异常困难。以月球和火星为例,这两者都是未来勘探任务(甚至是定居点)的目的地。

月球是地球上最接近的天体,使它最容易,最快和最便宜地到达。同时,火星被认为是太阳系中第二适合居住的天体。但是,如果没有一些严谨的技术干预,则不可能长期生活和工作!

大气:
首先,月球是没有空气的。另一方面,火星有气体,但没有一种能够维持生命(据我们所知)。

首先,火星表面的气压小于我们在地球上的海平面承受的压力的1%(0.655与10的1.325 kPa)。这种极稀薄的空气也主要由二氧化碳(96%),3%的氮气,1.6%的氩气,仅微量的氧气和水蒸气组成。因此,不仅火星的大气层太稀薄,无法呼吸,而且就人类和动物而言,它是一种有毒的气体!

温度:

根据世界气象组织(WMO)的数据,地球平均温度约为14°C(57°F)。但是,它们的温度范围也从最低-128.6°F到最高134°F  (-89.2至56.7°C)—总计范围为262.6°F(146°C)

月球上,地表温度平均约为-9.4°F(-23°C),范围从夜晚的-280°F到阳光直射下的243°F(-173°C到117°C)。从极冷到沸腾热,总范围为290°C(523°F)。

再次,火星上的情况好一些。在“红色星球”上,平均气温为-82°F(-63°C),从晚上的-226°F到夏季的午间的95°F(-143至35°C)。总范围为321°F(178°C)。

辐射:
在地球上,生活在发达国家的人们 平均每年受到约620毫米(6.2 mSv)的辐射,相当于每天1.7毫米(0.017 mSv)。根据最近的一项研究,没有大气层或磁场来保护,月球的另一面暴露的辐射量是其200到1000倍!

再次,火星的情况好点,在2008年,NASA进行了一项研究,结果显示火星上的宇航员(或殖民者)将平均每年暴露于2667毫希雷姆(26.67 mSv)或每天暴露于0.073 mSv-是其4.3倍。

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国际空间站上的高级植物种植。资料来源:NASA

Low-G:
尽管存在针对所有上述挑战的既有策略,但仍然存在严重性问题。国际空间站(ISS)上正在进行的研究表明,长期暴露于微重力中可能会对宇航员的健康产生不利影响,从肌肉和骨骼到心脏健康和心理疾病。

但是,月球引力和火星引力对地球生命健康的长期影响尚不为人所知。在月球和火星上,重力分别约为我们在地球上所经历的重力的16.6%(0.166 g)和38%(0.376 g)。

所有这些危害对植物也是潜在的风险,宇航员将依靠它们提供大部分营养。基于植物的蛋白质具有可持续性强,资源占用少的优势,许多绿色蔬菜还含有我们赖以生存的矿物质和营养素。

但是,如果也打算在饮食中添加动物蛋白,那就意味着他们的健康也必须得到保证。在我们弄清楚如何做到这一点之前,需要进行大量研究。幸运的是,这项研究正在进行中!

过去的实验

生物质生产系统(BPS)
BPS环境控制子系统提供了一个成长的环境,微重力对小麦光合作用和代谢研究的影响。该实验于2001年12月至2002年6月进行,目的是研究是否可以将再生生命支持系统纳入未来的月球和火星任务。

这项为期73天的实验共收获了8个收获,结果表明微重力并不是植物生长的重要压力源。但是,在国际空间站上和地面上生长的未成熟种子之间的比较表明,它可能会影响植物的风味和营养价值。

CARA:
表征拟南芥根部吸引力(CARA)实验,2014年3月和2014年9月间进行的,从分子和基因层面研究影响植物根部在无重力情况下生长的机制,以及这些机制在有光或无光情况下如何变化。

该实验包括将一组幼苗暴露在光下,而另一组置于黑暗中,并研究每种环境如何影响根系的生长方式。结果表明,微重力对植物生长激素以及调节影响根系生长的细胞大小和形状的基因有一些影响。

重力感知系统:
在地球上,植物对光和重力做出反应,以引导其根部定向。该GPS实验,从2017年9月到2018年10月进行,研究了植物在微重力环境下如何感知重力和光。

这涉及将正常的和突变的研究植物(水芹)放入ISS的欧洲模块化栽培系统中,该系统包含用于模拟重力的离心机。这使研究人员可以在黑暗中交替对植物施加微重力和模拟重力(0.006 g至1 g)。

PESTO:
光合作用的实验测试和系统测试及操作(PESTO),2001年12月间进行,以2002年6月(与BPS一起),研究微重力对矮小麦植株的影响。

与地球上生长的样品相比,国际空间站上的小麦植株长了10%,而叶片的生长速率却相似。实验还发现,微重力会改变叶片发育,植物细胞和叶绿体(进行光合作用的细胞结构),但对植物无害。

PGBA:
植物通用生物加工设备(PGBA),从2002年6月至2002年12月进行,研究了植物细胞壁的重要组成部分(木质素)微重力的影响。它由一个独立的植物生长室组成,可提供温度,湿度,养分输送和光照控制。

实验发现植物材料不能正常生长,并确定需要在植物生长室内进行更好的空气质量调节。从中吸取的教训导致改进了未来所有植物生长试验的太空飞行植物室设计。

目前的实验

由于靠近地球,拥有先进的设施和微重力环境,国际空间站(ISS)可以进行多个实验。除了研究太空旅行对人类的影响外,还进行了多种植物实验。这些包括:

先进的植物生长环境:
APA系统,开始在国际空间站的操作在2017年四月(并将持续到2021年九月),是一个完全自动化的,闭环系统,旨在开展植物生命科学的研究。该系统由NASA和轨道技术公司(ORBITECH)开发,并由NASA肯尼迪航天中心(KSC)管理。

该系统采用一系列LED灯和一个配备180多个传感器的环境受控的生长室。这使APA可以在最佳光照条件下种植植物,同时将实时信息(温度,氧气含量,二氧化碳含量以及植物和土壤的水分含量)中继回KSC的团队。

Aleph Zero:
在2019年,以色列公司Aleph Farms(与俄罗斯公司3D Bioprinting Solutions合作)种植了太空中的第一批肉。该公司使用直接从牛(牛)细胞生物打印肉的过程,在国际空间站上生产了少量牛肉。

为了获得成功,该公司宣布了一项新计划,该计划将于2020年10月下旬以工业规模在太空中种植肉类。该程序是Aleph Zero,该公司正寻求为其提供保护与技术公司和太空机构建立战略伙伴关系。

Biolab:
作为ESA哥伦布模块的一部分提供给ISS的生物实验实验室(Biolab)实验,研究了“失重在生物体的各个层面上所起的作用,从对单个细胞的影响到对细胞的影响。包括人类在内的复杂生物。”

自2008年哥伦布(Columbus)成立以来,Biolab使用配备离心机的培养箱来模拟不同水平的重力,从而研究了微重力对小型植物,无脊椎动物,微生物,动物细胞和组织培养物的影响。

太空中的土壤健康:

又称 “确定重力对受控环境农业土壤稳定性的影响”(”空间土壤健康“)实验,研究植物栽培和健康的另一个经常被忽视的方面 — — 土壤和养分的聚集。

该实验基于康奈尔大学农业与生命科学学院的Morgan Irons和Johannes Lehmann博士以及柏林弗赖大学的Matthias Rillig博士进行的科学研究。

赞助由美国国家航空航天局(NASA)的诺福克研究所Rhodium Scientific,LLC),美国太空总署(NASA),太空科学发展中心提供,并由Deep Space Ecology LLC(Rhodium Scientific),bio365Zwillenberg-Tietz基金会资助

它由三种类型的土壤样品(纤维状,富含有机物和富含淤泥/粘土)组成,分布在十二个0.135盎司(4毫升)小瓶中。这些样品由康奈尔大学提供(含粉尘/粘土的样品),bio365(含生物样品的BIOALL)和Rillig Lab的柏林土壤(含沙的有机样品)提供。

这些被分为两组,每组六个,称为“自由浮动”和“限制移动”组。最后,将这两组(每组六个)细分为两组,每组三个,并分别以各自容纳量的60%和30%施用水。

该实验的目的是确定微重力对真菌和细菌生长和活性的影响,这对于人类曾经想在地球以外种植食物至关重要。Morgan Irons,土壤与作物科学博士 康奈尔大学的实验的发明者解释说:

“活的土壤根际中的微生物有助于形成土壤团聚体,这是一种重要的土壤结构,支持农业植物获取生长所需的营养所需的生物地球化学反应。飞行后对土壤健康空间实验的分析结果将增强我们的知识太空飞行如何影响土壤微生物活动和天基农业系统的生物再生能力。这些知识将使我们能够提高执行短期和长期航天任务的受控环境农业系统中种植的粮食作物的效率和产量。”

素食系列:

蔬菜生产系统(又名Veggie)自2013年3月以来一直在国际空间站上运行,并支持各种实验,旨在了解植物如何感知和应对重力。此外,一般会收获一部分农作物并由机组人员食用,而其余的农作物则被送回地球做进一步分析。

在ISS上进行的所有植物试验中,Veggie的生长量是最大的生长量之一,可以种植以前由于尺寸限制而无法种植的大型植物。其可调节的LED灯组还可以用于其他需要临时光源的实验。

迄今为止,在国际空间站上已经进行了四个主要实验(收获)(Veggie-01至Veggie-04)。2018年2月,Veggie增强了Veggie被动轨道营养输送系统(PONDS),该系统旨在在微重力环境中有效输送水和养分。 

PONDS装置旨在减轻微重力对水分布的影响,增加氧交换,并为根区生长提供足够的空间。这将允许种植更多的农作物,包括更大的叶类蔬菜,水果作物以及新型的莴苣和水绿。

其他实验

并非所有在太空生产食物的实验都是在国际空间站上进行的。有些实验是在地球上或在更奇特的地方(如月球!)进行的。

娥四号:

2019年1月,中国的 “嫦娥四号 “任务成为第一个在月球远端着陆的机器人探月器。除了一套科学仪器外,着陆器元件还携带了月球微生态系统-这是由28所中国大学联合设计的。

它由一个6.6磅(3公斤)密封的模块组成,该模块包含马铃薯,番茄,拟南芥种子和蚕卵。这样做的目的是测试植物和昆虫是否可以在微重力环境中共同生长。据报道,20191月15日,棉籽,油菜籽和马铃薯种子已经发芽,这成为月球上发芽的第一批植物。

9天后,由于温度突然下降(月球夜间造成)和生物圈未能保暖导致芽苗死亡,该实验终止。尽管如此,该实验还是同类实验中的第一个,并提供了有价值的数据。

EuCROPIS:
2018年12月,德国航空航天中心(DLR)将Euglena和组合式可再生有机食品生产(EuCROPIS)卫星发射到近地轨道。这项任务测试了在模拟重力下利用人类废物作为营养源的植物生长情况。

这颗卫星的设计是为了模拟重力而旋转,它包含两个用于种植西红柿的温室。EuCROPIS进行了两项实验,模拟了月球和火星重力(地球重力的16.6%和38%),并研究了对植物生长的影响。

月球温室:
LGH于2009年启用,是水培植物生长室和技术演示器。LGH是生物再生生命支持系统(BLSS)的一个示例,该系统旨在为地球以外的生活和工作提供一个闭环,可持续的生命支持系统。

除了为宇航员提供持续的食物供应外,它还为机组人员提供了空气再生,水循环利用和废物循环利用。LGH是由亚利桑那大学受控环境农业中心(UA-CEAC)的研究人员设计和建造的,并得到了NASA戈达德地球科学(GES)的支持。

未来实验

目前有几个实验正在开发过程中,或者已经完成,等待送往国际空间站。还有一些激励性的竞赛,以激发更多的实验、想法和策略。

BIOWYSE
挪威空间跨学科航天中心开发的空间探索湿水系统的生物污染综合控制,将研究确保为宇航员提供可持续和可再生饮用水的不同方法。

该集成系统旨在存储淡水,监测淡水是否有污染迹象,并用UV光(而不是化学物质)净化。它还能够监视空间站或航天器内部各个潮湿区域中的细菌污染水平。

这是必要的,因为国际空间站上约80%的水来自空气中的水蒸气以及回收的淋浴水和尿液。旨在生活在LEO低地球轨道或外太空的未来栖息地将同样需要在闭环系统中收集水以用于饮用和灌溉。

当前,国际空间站依靠化学物质来清洁循环水,但是从长远来看这不太可能持续。可以感知空气中的水蒸气和潮湿表面污染的系统也将为船员的健康和安全提供便利。

EDEN ISS:
2015年5月,在南极洲建立了一个实验性温室设施,以测试一种在太空中种植植物的新方法。它的名字叫EDEN ISS,这是由15家公司和研究机构(包括德国航空航天中心),由欧盟的“地平线2020”研究与创新计划资助。

该系统结合了先进的养分输送,高性能LED照明,生物检测和去污功能,可以在有限的空间内种植各种植物。除了验证这种类型的系统可以在国际空间站上运行之外,EDEN ISS国际​​空间站还打算在地球上应用,为南极诺伊迈尔三号站的越冬人员提供新鲜农产品。

OBAM:
2020年2月,托木斯克工业大学及其在俄罗斯中部的合作伙伴宣布为轨道温室创建原型,即轨道生物自动模块。该装置将允许植物在最小的人工监督下在太空中生长和栽培。

OBAM将智能照明与专用水培法,自动灌溉和机器人收割相结合,以促进植物生长。Indiscipinary的研究人员还在为国际空间站研制一个放大版的原型机,该原型机将呈圆柱形,包含一个面积约320平方英尺(30平方米)的栽培区域。

SCalable先进生命支持系统:

开发用于空间探索的SCalable先进生命支持系统中的模块化设备,这个为期三年的方案也是由来自6个欧洲国家的8个研究机构组成的联合体开发的(由欧盟的地平线2020方案提供资金)。

CIRiS的研究人员也正在开发这项技术,该技术旨在为种植植物而回收水和养分。它依靠旋转离心机来模拟月球和火星的重力,并测量其对植物吸收养分和水分的能力的影响。

深空食物挑战

NASA举办奖励竞赛的传统由来已久其目的是为特定挑战提供众包解决方案。鉴于未来几年食品生产系统将具有高度优先性,因此NASA(与Methuselah基金会合作)和加拿大航天局(CSA)共同发起了“深空食品挑战赛”

作为NASA百年挑战计划的一部分,比赛将为长期任务的食品生产技术或系统开发提供现金奖励。获奖者将是那些可以提供安全,营养和开胃食品的产品,所需的资源最少,浪费最少。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

该竞赛于2021年1月宣布,并将在2021年7月30日之前继续开放申请。美国航天局将向美国公民为竞赛第一阶段提交的获胜提案颁发最高50万美元的奖金。

为太空而解,为地球而解

除了培养在太空和其他天体上种植食物的创新思想外,这项研究的目的还在于创造更可持续的食物做法,以供在家中使用。在不久的将来,预计全球人口将超过100亿,这将伴随着干旱、极端天气、沿海和内陆洪水以及环境破坏的加剧。

简而言之,我们的人口将在膨胀,而我们赖以生存和生活的系统将面临危险。为了应对这一挑战,人类需要找到一种方式,以可持续的方式养活更多的人,并且不会增加对自然环境的影响。

成为“星际物种”(正如埃隆·马斯克所说)并不仅仅是要学会在其他星球上生活。这也意味着寻找更好,更可持续的方式在地球上生活,直到无限的未来。尽管有朝一日我们可能冒险并在宇宙的其他地方扎根,但地球将永远是我们生命的摇篮。

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