从便便到食物：未来长期太空旅行的“黑科技”

2017年，美国总统唐纳德·特朗普签署了一项国会法案，要求NASA在2033年发射载人任务抵达火星。要将人送到火星上可不像在地球轨道飞行或登陆月球那样简单。在将航天员派往火星等长期载人飞行任务之前，必须解决很多棘手的问题，其中最大的问题之一就是维持生计。

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食物：长期太空旅行的瓶颈

好奇号火星探测器

把机遇号、好奇号等探测器送到火星，大概需要8个月的时间，如果我们想把人类送上火星，除了考虑技术可行性，情况开始变得更加复杂，其中一个重要的区别就是：机器不需要食物。如果载人前往火星，就需要携带或种植足够的食物，以防止航天员在整个任务期间挨饿。

我们现在假设一项为期500天4人火星探测任务，每名航天员1天吃1.5斤食物，500天就要消耗3000斤食物！众所周知，载荷的增加就意味着成本和发射风险的同步增加。每一克重量都需要反复斟酌，精打细算，留给食物的空间不会很多，这就严重制约着航天员甚至未来太空旅行者的数量和航行距离。

食物是航天员前往火星的重要瓶颈之一

怎么解决这个矛盾呢？

科学家提出了两种解决思路：一是研制可长期保存、并可替代航天员口粮的新型高热量压缩食品；二是研发出一种让航天员自行生产食物的系统。早在“和平”号空间站上就进行过较大规模的空间植物生长实验，俄罗斯的科学家们设计建造了适宜失重条件的栽培装置，在空间站进行了诸如生菜、小麦等植物的栽培实验，得到了很多原创性的发现。

随后NASA同美国几十所著名高校掀起了空间植物科学的研究热潮，对小麦、豌豆、生菜、拟南芥、洋葱、玉米等植物进行了多次飞行搭载实验，研究了诸如光强、光周期、失重、温度、干旱、辐射等环境条件对植物生长的影响，和对植物基因、蛋白表达谱影响的一系列研究，获得了从硬件栽培设备到软件栽培参数等诸多专利与成果。2015年8月，航天员在国际空间站上首次品尝了自己生产的生菜。“真酷！好吃！太新鲜了！”在视频中他们略带夸张地感叹道。

国际空间站已经培育出了可食用的生菜

同时，更为“靠谱”的方法是研发出效率更高的物质循环系统，将太空中的废物变成水和食物。太空飞行期间，废物主要来自于人的尿液和粪便。这些废物原来是被收集起来，然后被丢弃到空间站外或者货运飞船返回舱，最终它们会重返地球大气层燃烧殆尽，像一颗流星那样划过天际。

第一个愿望“将尿变成饮用水”已经实现了。在国际空间站上，有一个NASA研制的尿液处理系统，它能将航天员和参试动物的尿、汗液、洗澡水，甚至是空气中的水分“变成”干净的饮用水，从而大大节省从地球向空间站运水的高昂费用。在未来，国际空间站上的水再生系统通过再处理可有望占到水需求总量的88%。至于这些尿变成水的质量怎样如何，美国航天员品尝后说：“这些水喝起来就跟瓶装水一样”。实际上，经过空间站上相关设备处理过的水，甚至比我们日常生活中喝的许多水都要干净。这些回收的尿液被用来冲泡咖啡，味道呢，据说还不赖。

未来太空旅行的黑科技

未来长期旅行饮用水的问题基本解决了，接下来的愿望：“将粪便变成食物”则还正在研究，而且这个问题更为艰巨。目前，NASA每年资助20万美元给南卡罗莱纳州克莱姆森大学的研究人员，让他们进行为期三年的研究，找出将人类粪便循环利用、最后变成合成食物的方法，以供航天员在长期旅途或是火星殖民中维持生命。

该项研究的名称为“将人类粪便再生为食物、营养食品、材料：合成生物学为长期太空旅行合上最后一环”，由克莱姆森大学的合成生物学家马克·布伦纳负责运作。

科学家在进行粪便循环利用的研究

或许你会感到这有些天方夜谭，粪便怎么能够变成食物呢？但如果用科学的态度来审视这件事情，就会发觉是可能的：粪便也是由最基本的碳、氢、氧、氮、磷等元素组成的，如果我们用一系列物理、化学方法将它们重新排列组合，就有可能将其转化为食物。其实，在我们日常生活中，人吃食物，排泄的粪便再施给庄稼，庄稼吸收再转化为食物被人吃掉，这个过程就是物质循环。

那么，科学家们是如何来解决这个问题的呢？一个简单的思路是：把粪便里的营养物质比如维生素、氨基酸等大分子提取出来，并隔离、摈弃有害的大分子，不足的营养成分再用其他方式补充。这样，经过改造后的粪便就和我们平时吃的食物的营养成分差不多了。

目前，有些研究者们采用的是一种厌氧发酵产生甲烷的途径。厌氧发酵就是在缺乏氧气的情况下分解物质的过程。这是一个具有悠久历史的化学过程，在如今的生活中也依然在使用着，比如用这种方法来处理污泥和工业废物，其残余物可以作为肥料等。

在具体实施过程中，研究者们首先用固定膜过滤人类排泄物，然后在厌氧发酵反应器中将排泄物中的有机物质转化为甲烷和二氧化碳。厌氧发酵反应器使用具有极高比表面积的塑料，为产甲烷菌提供大量的附着空间，从而形成生物膜。排泄物在流经反应器时，其中包括有机物质在内的营养物质会被微生物吸收，然后转化成甲烷；甲烷可以作为培养一种用作动物饲料的名为“荚膜甲基球菌”的原料，这种微生物中含有52%的蛋白质和36%的脂肪。实验表明，一半的粪便在13小时后可转化成含52%蛋白质和36%脂肪的“食物”。这种方式由于不需要使用水或人造光“制造”食物，对探索火星等远距离太空旅行来说，无疑是一个巨大的帮助；而且粪便的转化效率很高，生产速度比种土豆、大白菜快多了！

马特·达蒙饰演的角色在火星上种植土豆

荚膜甲基球菌富含蛋白质，可以用作生产航天食品的原料。而由于甲烷产生过程和培养过程相互分离，培养荚膜甲基球菌的反应器不会受到致病菌的污染。至于粪便臭味的问题也容易解决。其臭味主要来源于吲哚、粪臭素、碳化氢、胺、乙酸、丁酸等成分，这些都是大分子结构，是可以用目前的技术进行去除的！

目前，研究者已经采用这种方法研制出类似酵母酱或者咸味酱的“食物”。它富含蛋白质和脂肪，卖相和口感与沙拉酱十分相似。尽管许多人都对进食这种来源的食物感到畏惧和抵触，但相信科学家将会很快找寻到方法，让这种循环利用的食物既卫生又美味。

然而，它目前还并非是一整套完整的系统，粪便的循环利用还只是一项通过不同组件、分步骤完成的实验，还需要更多的研究来调整优化，并确认这套系统能在太空环境下应用。如果这项“黑科技”发展成熟，那么人类在外太空移民的征程中，将会又添一大助力。随着科学的发展，这项科技甚至有望缓解全球粮食短缺的问题。