太空食物可能来自人类排泄物，靠“自我循环”？答案意想不到

简 要

未来，月球和火星上的种植将面临一个巨大的挑战：如何在两个极其恶劣的环境中种植健康的食物。

这是因为这两个星球的土壤都不适宜动植物生长，其他条件也同样恶劣。

它们都是辐射的星球，其中火星大气层稀薄，而月球则完全没有大气层。

那么，未来在这两个星球上定居的人们将如何种植粮食呢？可能你意想不到？也可能很难接受！

艺术家绘制的概念图描绘了火星表面的一座温室。植物借助红、蓝、绿三色LED灯条和水培法生长。其他使用土壤模拟物的方法也将有助于在月球和火星上实现长期粮食生产。

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我们可以参考马特·达蒙在电影《火星救援》中展现的例子。影片中，一位被困火星的宇航员想方设法利用自己的污水种植土豆，而国际马铃薯中心和美国宇航局几年前进行的实验也证实了这种方法的可行性。

最近，由德克萨斯农工大学的哈里森·科克领导的研究团队与美国宇航局的一个团队合作，测试了一种由回收污水制成的溶液，以及这种溶液与模拟月球和火星风化层（土壤）的相互作用。

美国宇航局的肯尼迪航天中心团队正在深入研究所谓的生物再生生命维持系统（BLiSS）。这些生物反应器和过滤器可以将人工污水转化为富含植物生长所需营养物质的溶液。

生物再生生命维持系统（BLiSS）为居住在月球和火星表面栖息地的宇航员提供可持续的生命支持。BLiSS架构复杂，需要随着更多宇航员部署到表面栖息地而分阶段发展完善。目前国际空间站（ISS）上搭载4-6名宇航员的再生环境控制与生命维持系统（ECLSS）中，空气、食物和水均由地球供应，废物储存后返回地球，只有空气和部分水在空间站内循环利用。因此，这种再生ECLSS架构支持短期（30天）任务，代表了生命维持的初始阶段或“生存阶段”，需要频繁补给，在经济和技术上都不适用于长期任务。为了满足NASA“月球到火星”（M2M）架构的目标，
设计并提出了一种四阶段BLiSS架构。
第二阶段“中间阶段”仍然依赖食物补给，但会再生空气和水，并回收废物。该阶段利用专用的、自持式生物反应器处理尿液、卫生/洗衣用水、代谢废物浆液（例如粪便、食物残渣）和垃圾，以生产饮用水并回收必需资源（例如肥料、甲烷、二氧化碳和氮气）。
第三阶段“可持续发展阶段”利用回收的水和营养物质，通过植物生产栖息地食物供应的主要部分，植物提供氧气、去除二氧化碳并进行额外的水净化。最后，第四阶段“成熟阶段”利用来自BLiSS的回收原料（例如营养物质、水、甲烷、二氧化碳等
）和额外的专用生物反应器系统，支持原位生物制造高附加值产品（例如燃料、蛋白质、药品、建筑材料）

这项研究对未来将在月球和火星上生活和工作的人们有着直接的意义。因为人们可以轻松地提供所需的废弃物。随着即将到来的阿尔忒弥斯登月任务，粮食生产问题对于长期居住者来说变得至关重要。

“在月球和火星前哨站中，有机废弃物对于生成健康、高产的土壤至关重要，”科克尔说道，他是此类系统研究的第一作者。“通过用有机废弃物风化月球和火星的模拟土壤，我们发现可以从地表矿物中提取许多植物必需的营养物质。”

美国宇航局肯尼迪航天中心的模拟月球温室正在帮助科学家们解决在月球乃至最终在火星上种植粮食的问题。

我们看下植物需要什么？

地球上的植物需要一系列复杂的营养物质才能茁壮成长。

例如，玉米需要大量的氮。

豌豆喜欢钾和磷。

土豆则需要磷和氮。

此外，所有行星都需要水。研究人员研究了如何“富集”火星和月球的风化层。结果表明，它们需要大量的水。这是因为这些土壤受到辐射，而且火星土壤富含硫、氧化铁、二氧化硅和镁。此外，火星土壤中还含有高浓度的有毒高氯酸盐。

这些星球的第一批居民需要自带食物和污水处理系统，然后努力使当地土壤适宜植物生长。这需要时间和大量精力，此外他们还需要完成其他项目，例如探索和建造栖息地。

当然，未来的居民可以依靠水培法作为种植介质，而且已经有很多关于这种水培系统的研究。然而，水培需要大量的水，而且要大量生产食物，营养物质的浓度也必须相当高。至少在月球上，宇航员可以向地球运送补给，但这既昂贵又耗时。因此，第一批探险者很可能需要依赖来自“地球”的食物。然而，这不可能是长久之计，所以科学家们正在研究如何从根本上改善当地土壤，使其更适合长期耕作。

*太空食物种植研究由来已久。1992年，一项研究在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地L号机库内的生物质生产舱中种植了一种名为诺兰（Norland）的红皮土豆。

利用污水和化学物质改善农业生产

在科克和NASA团队领导的这项研究中，科学家们将他们制备的BLiSS流出物与模拟的火星或月球风化层（分别称为模拟物）混合。然后，他们将这两种不同的溶液在摇床中储存24小时。研究目的是确定BLiSS流出物是否能够有效地“风化”风化层，并提供富含营养的生长溶液。

结果表明，风化后的模拟物能够提供大量植物必需的营养物质，包括硫、钙、镁和其他金属，这些营养物质在与水和BLiSS溶液相互作用时都会释放出来。

此外，在显微镜下观察模拟物颗粒，可以发现一些风化特征，例如月球模拟物表面形成微小凹坑，而火星模拟物表面则覆盖着纳米颗粒。这些特征都有助于降低模拟物中尖锐矿物的磨蚀性，表明风化作用成功，并使其朝着更接近土壤的物质方向迈进了一步。

那么，回收利用人类污水就能改善外星花园的状况吗？还不完全是。尽管初步结果令人鼓舞，但下一步还需要在真正的月球和火星风化层上进行测试。它们与科学家们测试的模拟物截然不同。

不过，这仍然是一个良好的开端，并为维持人类在外太空的殖民地至关重要的过程提供了关键的见解。或许不久之后，月球居民就能享用西洋菜三明治，火星移民者也能利用自己的水种植玉米、豆类，当然还有土豆。

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