新知|花果飘香的“太空农场”离我们还有多远

导读: 主笔、视频制作:于梅君 最近,中国航天喜讯不断。4月26日,神舟十八号成功飞天,航天员将首次在太空养鱼;5月3日,嫦娥六号发射成功,开启探月新征程,未来将建设“月球基地”

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主笔、视频制作:于梅君

最近,中国航天喜讯不断。4月26日,神舟十八号成功飞天,航天员将首次在太空养鱼;5月3日,嫦娥六号发射成功,开启探月新征程,未来将建设“月球基地”、打造“太空农场”。在天上种庄稼——这并非只是科幻场景,此前,航天员已在空间站成功打造出“太空菜园”。那么,我们为什么要在天上种菜、养鱼?建立“太空农场”难在哪儿?

斑马鱼入驻天宫,小鼠上天也提上日程

神舟十八号航天员将在太空养鱼。浩渺太空有太多值得探索的秘密,为何独独选中养斑马鱼?

中国科学院空间应用工程与技术中心研究员仓怀兴的答案,是把“太空鱼缸”打造成一个“好看又复杂”的生态系统——研究在小型密闭系统中,鱼和微生物的相互作用。航天员为金鱼藻提供LED光源,金鱼藻通过光合作用,产生氧气供鱼呼吸,鱼的排泄物又给金鱼藻提供养分。

在失重环境下,水会呈球状,怎么给鱼喂食?中国科学院水生生物研究所研究员王高鸿介绍,在太空养鱼,“鱼缸”要非常严密,而且水要灌得满满当当,小鱼还要吃特制的“太空餐”,“我们设计了一种特殊鱼食,像牙膏状,用注射器每天推进去一点,让鱼尽量吃完。鱼产生的排泄物,通过管道运到金鱼藻那儿,促使它生长。”

这些小鱼能在空间站生存多久?王高鸿表示,初步计划是稳定运行一个月,获取鱼卵、水样等,如果实验顺利,这些小鱼的下一代,或许可以在地面上出生。

为什么上太空的是斑马鱼?专家解释,斑马鱼具有养殖方便、繁殖周期短的优势。更重要的是,斑马鱼是脊椎动物,与人类基因有87%的高度相似性,通过它,研究微重力对脊椎的影响,可以为航天员甚至普通游客长居太空,提供健康参数。

长远来看,这项实验也将为人类实现动物的太空繁殖、饲养,乃至在太空构建更复杂的生态系统打下基础,为人类移民太空增加可能性。

除斑马鱼外,小鼠上天也被安排上日程。中国载人航天工程空间应用系统副总设计师钟红恩介绍,未来计划在空间站用小鼠进行实验,包括小鼠在太空中的生长,及小鼠在地面受精后在太空孕育,希望通过这些实验,研究人类在太空繁衍的可能。

其实,像斑马鱼这样的“动物航天员”还有很多。2016年10月20日,神舟十一号和天宫二号成功对接,跟航天员入住“天宫”的还有6只蚕宝宝;2011年,两只金球蜘蛛抵达国际空间站,在零重力环境下结网捕猎;1998年,在“哥伦比亚号”航天飞机中,一只幼鼠在失重状态下自学成才,学会了走路……可以说,人类在太空领域取得的成就,也有“动物航天员”的一份贡献。

嫦娥六号登月,“月宫农场”还远吗

5月3日17时27分,嫦娥六号探测器成功发射,开启世界首次月球背面采样返回之旅。按计划,2030年我国将实施载人登月,并建立国际月球科研站。未来的月球科研站长啥样?

4月24日,在2024年中国航天大会主论坛上,中国探月工程总设计师吴伟仁透露,以月球南极为核心,国际月球科研站计划于2035年前建成基本型,开展常态化月球科学试验、资源利用与技术验证;2045年前,建成功能完善、稳定运行的国际月球科研站拓展型,为后续载人登陆火星,开展技术验证和科学研究。

在月球科研站或火星基地开发建设中,如何为航天员创造适宜的生活、工作条件?太空“环控生保系统”将发挥重要作用。

我国载人航天“环控生保系统”,已实现由“补给式”向“再生式”根本转换,目前,中国空间站氧气资源100%再生,水资源闭合度提升到95%以上,打造了航天员最信赖的“天宫”生命工程。

中国航天员科研训练中心空间站系统副总设计师刘向阳表示,目前,空间站主要通过物理、化学方法实现水、氧等的循环利用,未来将构建人与生物组成的生态圈——类似“太空农场”,实现食物、水、大气的可持续再生。航天员可以种庄稼、养动物,像在地球上一样生活。

为在月球或火星基地建立“生物再生式生命保障系统”,首先要进行地面模拟实验。

2014年5月20日,“月宫一号”一期系统完成了我国首次长期多人高闭合度集成实验(3人、105天),氧气和水百分百在系统内循环再生,循环再生了55%的食物。

“月宫一号”到底是啥?通俗解释,就是构建了一个由植物、动物、微生物组成的人工闭合生态系统,氧气、水和食物,可以在系统内循环再生,这个实验的进阶版,将来要能搬到其他星球(如月球、火星)上。

2016年,“月宫一号”完成升级扩建,总面积150平米,植物种植面积120平米。此次实验于2017年5月10日启动,8名志愿者分批交替进入“月宫一号”,历时370天,于2018年5月15日完成世界上时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验,氧气和水100%循环再生,循环再生了80%的食物。这对于人类实现地外长期生存,具有重要的理论和实践意义。

把太空菜种出“地球味”,是个技术活

“未来,人们要建立外星球基地或在太空长时间驻留,资源上的自给自足非常必要。”上海技物所空间生命科学仪器研制团队负责人张涛介绍,近年来,不少国家都在对太空农场进行可行性研究。不过,想在太空种庄稼并非易事,光照、温度、湿度、空气、土壤,5个要素缺一不可。

光合作用是植物生存的根本,如何在太空舱里模拟植物所需的光照?研究证实,植物的光合作用并非吸收阳光中所有的光,例如生菜更青睐红色与蓝色的光。因此,低能耗、可调节光谱的LED灯,就成为太空蔬菜光照的最佳选择。我国航天员首次在太空种生菜时,就采用了红、绿、蓝3种颜色的组合光。

有了光还不行,种菜还得有“土”。科学家如今研发出一种可生物降解、能重复利用的植物栽培基质,具备良好的通气、保肥和导水性能。

太空感受不到重力,但植物的根仍会向土壤中生长,因为植物不仅有向重性,还有向水性。不过,失去重力带来的空间感,植物的根和茎不能整齐地向一个方向生长,而是比较凌乱。

植物的土壤里,安装有含水率监测装置,航天员可根据监测数据,采用注射器给植物及时补水。

2023年12月,神舟十七号航天员采食了“太空菜园”种出的新鲜蔬菜。此前,已有多位航天员体验过当“太空菜农”的感觉,并成功种植过生菜、小麦、水稻和拟南芥。

在新升级的“太空菜园”里,植物生长所需的光照、水分和营养,都能得到自动化配置,实现了轮番、多批次种植,为未来大规模太空种植奠定了基础。

“太空农场”或以小行星为“肥料”

随着航天技术的发展,对月球和火星环境进行“地球化”改造,不再是痴人说梦。航天员未来或许可以利用小行星土壤来种植农作物。

2023年12月,在一个探讨移居月球方法的会议上,日本冈山大学特聘教授中村荣三阐述的“月球农场”构想备受关注。

根据设想,为避免太空射线影响,与人类居住的基地一样,“月球农场”同样设计成封闭空间,在农场内维持氧气和人呼出二氧化碳的循环,除利用阳光外,还可利用LED等人造光培育植物。

不过,并非仅向月球和火星的砂土中撒种,就可以让植物成长,难点之一在于缺乏营养,而小行星的土壤,或可被改良为“肥料”。

2020年“隼鸟2号”小行星探测器,将“龙宫”小行星的砂土样本带回地球,中村等人利用模拟“龙宫”砂土成分的土壤和水,成功栽培了芝麻菜和水菜等。中村指出,“龙宫”小行星的土壤里,富含氢、碳和有机物。

如何将小行星上的砂土运到月球上?如果只是少量带回,可以有效利用“隼鸟2号”和“冥王”号探测器的样品回收技术。如果需要大量肥料,则有必要捕捉小行星本身。NASA提出的构想是,用袋子包裹住直径在10米以下的小行星,将其运送到月球或地球附近。

目前,“太空农场”还离不开“太空温室”。但在后期发展阶段,人类将致力于使外星环境“地球化”。例如,使用含氯氟烃或六氟化钠之类的物质,改造火星气候,使火星渐渐温暖起来;人们还可以在火星和月球上种植越来越多、越来越高级的植物。到那时,“太空农场”便会从“温室”中解放出来,成为未来太空移民真正的“食品基地”。

知多一点

马斯克再发惊人言论——

人类移居火星计划或在20年内实现

当地时间4月7日,马斯克在星舰基地进行了一场演讲,详细阐述了通过星舰项目,实现人类成为多星球物种的愿景。

为什么推进人类移居任务首选是火星?马斯克解释,其实没有太多的选择,金星是一个超热的高压环境,不会有人想去。月球虽然很近,但它没有大气层,重力只有地球的六分之一,也不太适合。“从长远来看,我们能使火星变温暖,使大气层致密,并且在大约40%的表面形成一片液态海洋。这样我们就能使火星成为一个类地行星。”

马斯克认为,现在是地球45亿年历史上,第一次有可能将生命或意识延伸到地球以外的机会。他设想了一个自给自足的火星文明,认为20年内就可实现这个目标。未来,星舰能够频繁地在地球和火星之间运送人员和物资,为建立火星基地奠定基础。

马斯克表示,星链不仅为地球提供了高带宽通信,还将对火星的通信网络起到关键作用。未来大约每两年,数千艘飞船将从地球出发前往火星,SpaceX计划在卡纳维拉尔角等地建立新的发射塔,以支持更多的发射任务。

在讨论移居火星的具体计划时,马斯克表示,一个自给自足的城市大约需要100万人,几百万吨货物,我们可以在20年内做到这一点。通过星舰项目的规模化生产和火星上的资源利用,这一目标是可行的。

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