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人类要在20 年后飞向火星?那要先得把吃喝问题解决了:如何在太空中度过接近2 年的时间?带几十吨食物和水过去?看来科幻小说中的循环生态的太空农场,这次要真正应付实战了。
在电影《星际迷航》中,星际战舰的舰长让-卢克• 皮卡德想喝茶了,他轻声说出:“茶,热的。”他身旁的“食品复制器”迅速进入了工作状态,扫描预存的茶的三维分子结构。几秒钟后,依据单个分子组合魔幻般地变出了一杯茶。
这还只是幻想。今天的太空生活可没有这么丰盛。尽管宇航员在国际空间站能每天欣赏16 次日出,却无法享受地球上最普通的食物和饮料。很多时候,宇航员的选择仅限于冻干食品、密封食品和速溶饮料。现在,这一状况有所改变——2009 年5 月20 日,国际空间站宇航员开始饮用由他们的尿液、汗液等循环处理制备的鸡尾酒,美国宇航员迈克尔• 巴拉特说:“味道好极了。”
为了火星之旅
用一个循环的生态系统为宇航员提供食物、空气和饮水,这个概念并不新鲜,人们已经就此作过半个多世纪的研究。但是在最近它开始变得至关重要,因为宇航员登陆火星被提上了日程。2004 年,美国布什政府公布了雄心勃勃的太空探索计划。美国人除了要重返月球,还要以永久月球基地为前哨和中转站,2030 年登陆火星。与此同时,俄罗斯、欧洲、日本、中国也纷纷开始了火星载人项目。
根据欧洲空间局的报告《火星载人任务:全面架构评估》,在这个没有退路的旅程中,宇航员作为最重要也是最脆弱的部分,需要度过至少520 天的火星之旅。暂且不说NASA 不愿提及的性问题,光是单调的食物、厨房里的垃圾、拥挤的毫无生气的空间都可能引发骚乱,甚至让宇航员精神失常,这可真让人头疼。当然,最好的解决方案就是在飞船上建立一个生态圈,搭建和地球类似的生态系统。目前美国、俄罗斯等国所做的正是这样的事——让氧气、水、食物能不断循环利用,自给自足,还能处理各种垃圾,这些系统被称为受控生态生保系统(ECLSS),而国际空间站的鸡尾酒会正是这个系统投入实际应用的开始。
让尿液变成鸡尾酒
ECLSS 的想法最早是在20 世纪50 年代出现,那时“太空竞赛”刚刚拉开序幕。前苏联火箭科学家、航天理论家康斯坦丁• 齐奥尔科夫斯基设想了一个简单的利用藻类再生氧气的系统。这个设想成就了20 世纪60 年代前苏联实验的BIOS-1 和BIOS-2。这是两个封闭的无人控制的生态系统,实验证明培养面积为8 平方米的藻液,就可以满足 1个人对氧气的需求。在它们的基础上,有了后来著名的BIOS-3。BIOS-3 加入粗粮、蔬菜等高等植物,可以为1 ～ 3 人再生100% 所需的氧气和水,而食物的再生率一般可以达到50%,这意味着飞船上可以少携带一半的食物。
美国人也不甘落后,1960 年他们就在研究把藻类、酵母和蒸馏尿作为饮食。1973 年,美国开始搭建Biohome,1989 年建成。在Biohome 中,加入了废物处理部分。生活废水、粪便、尿液通过PVC 管,由拥有过滤功能的水生植物(如芦苇)进行净化处理,处理后的水用于灌溉用水和厕所用水。
ECLSS 的原理大同小异。例如饮用水的获得,最简单的方法是用脱水装置从空气中提取水。植物会把水分蒸腾到空气中,这些空气从脱水装置里的冷却剂上面掠过时,水分就会凝结起来,经过一个用亲水材料制成的过滤屏,提取抽进水槽。这个装置也可以当做空调使用,只需要调节冷却剂的温度和空气通过的速度,就可以控制温度和湿度。
除此以外,还有两个水源: 尿液和粪便。尿液首先经过水处理器,把气体和固体分离出来,再通过低压真空蒸馏净化,最后用高温催化反应器过滤出剩余的有机污染物和微生物。整个系统需要不断旋转以模拟重力。净化出的水还要通过电导率传感器测试它的纯净度,合格的水成为饮用水,不合格的再一次进入净化过程。早在1960 年美国空军的“赫姆斯计划”就成功地从尿中蒸馏出可以饮用的水,当时一位率先去品尝的空军科学家,就已经声称它不比鸡尾酒会的某些饮料差。当然我们无从知道这句话是不是对那些饮料一种反讽。因为资金问题,美国一度放弃从尿液中取水。直到40 多年后的今天,也就是空间站的鸡尾酒会上才得以突破。为了这个成功,尿液处理系统经过了多轮测试。1989 年,航天飞机STS-89 次任务中对催化反应器进行了微重力测试。2003 年,航天飞机STS-107 次任务在失重状态下对整个尿液循环系统进行了飞行试验。在2004 年印度洋海啸发生后,NASA 已经把该技术应用于灾后快速水净化。2008 年11 月这套循环水系统就由“奋进号”航天飞机运至空间站,但直到水样返回地面通过了检测,才有了鸡尾酒会那一幕。据空间站国家试验室主管玛丽贝斯• 艾丁说, 空间站里有6 名宇航员时,尿液循环的方法最多能在6 小时内制出约23 千克水,实际使用中每年能节省6.8 吨饮用水的运载费用,接近1 亿美元。
至于粪便,操作的方法要麻烦许多,在地球上通常会采取生物降解或焚化,但是因为时间和成本,这在太空中完全不适用。美国科学家齐默尔曼提出了“湿氧化法”。在100 倍大气压下,用氧气流把粪便加热到500℃“烧煮”一个半小时,所得到的是含有氨和微粒磷酸盐灰的水,以及含有二氧化碳的气体。这些水很适合于灌溉粮食作物,而气体将供空间站或载人工具,以维持所需要的二氧化碳浓度——空气中二氧化碳的浓度为0.13% 为最佳。另外,如果原始粪便的2% 以上是可燃物体,这个方法就可做到燃料自给,不需要外界添加热量就能运行下去。看来在太空中便秘还是有好处的。
吃兔子、吃鱼还是吃蚕
氧气和水解决了,植物粮食也容易种植,但是动物蛋白如何补充?不管是空间站,还是载人飞船,面积都很宝贵,还能养些动物么?牛太大,并且出肉量仅占总重量的20%, 而鸡和兔子的繁殖和生长都快,出肉也多,但饲料是个问题。亚利桑那大学的肯尼斯• 奥尔森博士建议用苜蓿养兔子。苜蓿的蛋白质含量丰富,但是纤维过多,人一般不吃,就不会存在人与禽畜争食物的状态。0.1 平方米的面积可以容纳一只母兔和一窝小兔,小兔每两个月可以新生一窝,原来的那一窝就已经长大成为肉食了。另外一个受欢迎的蛋白质来源是鱼。俄罗斯科学院与德国波鸿大学正在计划建立的BIOS-4 中会引入鱼类,让太空的菜谱更加丰富。他们设计了一个小的咸水湖,除了养鱼,还能从中提取盐。困难在于,鱼和其他水中生物均对水质的变化非常敏感,水体一旦产生变化便会推迟排卵、孵化甚至发育。而中国科学家想到了蚕。北京航空航天大学的环境科学家刘红主持了中国的生物再生生保系统(BLSS)中的动物培养研究,她认为,蚕繁殖迅速,所需空间和水都很少,同时只产生少量的排泄物,这些排泄物最终能当做肥料。并且,蚕蛹的氨基酸含量是猪肉的2 倍,鸡蛋和牛奶的4 倍,满足宇航员每天所需的动物蛋白需要170 个蚕蛹和蚕茧。蚕的好处是占用的面积很少,问题在于,不是每个人都能吃得下去。美国圣塔菲市生态技术研究所的生态工程师马克• 尼尔森也认为用蚕作食物的研究非常吸引人,但不知道美国宇航员是否能够战胜关于吃昆虫的文化禁忌。
有人认为,空间农场会比地球的农场更稳产。因为只要温度和湿度调节系统不出故障,就没有天气变化的任何影响,即使有讨厌的害虫出现,简单蒸一下就能解决问题。但是也有人不同意这种说法,认为越是简单的生态系统越是脆弱,生物圈二号的失败就是一个例子。甚至人的心理状况造成的决策失误,也会使一个人工控制的生态系统崩溃,因为每一个细微的变化都可能引发蝴蝶效应,宇航员们和太空农场相互依存,比地球上的一个城市和农田的关系要紧密得多。曾在国际空间站连续度过6 个月的宇航员 .尔• 沃尔兹说过,远离地球使人产生强烈的隔离感。看不到地球的影响是巨大的,真正的太空伊甸园梦想还很远。
在电影《星际迷航》中,星际战舰的舰长让-卢克• 皮卡德想喝茶了,他轻声说出:“茶,热的。”他身旁的“食品复制器”迅速进入了工作状态,扫描预存的茶的三维分子结构。几秒钟后,依据单个分子组合魔幻般地变出了一杯茶。
这还只是幻想。今天的太空生活可没有这么丰盛。尽管宇航员在国际空间站能每天欣赏16 次日出,却无法享受地球上最普通的食物和饮料。很多时候,宇航员的选择仅限于冻干食品、密封食品和速溶饮料。现在,这一状况有所改变——2009 年5 月20 日,国际空间站宇航员开始饮用由他们的尿液、汗液等循环处理制备的鸡尾酒,美国宇航员迈克尔• 巴拉特说:“味道好极了。”
为了火星之旅
用一个循环的生态系统为宇航员提供食物、空气和饮水,这个概念并不新鲜,人们已经就此作过半个多世纪的研究。但是在最近它开始变得至关重要,因为宇航员登陆火星被提上了日程。2004 年,美国布什政府公布了雄心勃勃的太空探索计划。美国人除了要重返月球,还要以永久月球基地为前哨和中转站,2030 年登陆火星。与此同时,俄罗斯、欧洲、日本、中国也纷纷开始了火星载人项目。
根据欧洲空间局的报告《火星载人任务:全面架构评估》,在这个没有退路的旅程中,宇航员作为最重要也是最脆弱的部分,需要度过至少520 天的火星之旅。暂且不说NASA 不愿提及的性问题,光是单调的食物、厨房里的垃圾、拥挤的毫无生气的空间都可能引发骚乱,甚至让宇航员精神失常,这可真让人头疼。当然,最好的解决方案就是在飞船上建立一个生态圈,搭建和地球类似的生态系统。目前美国、俄罗斯等国所做的正是这样的事——让氧气、水、食物能不断循环利用,自给自足,还能处理各种垃圾,这些系统被称为受控生态生保系统(ECLSS),而国际空间站的鸡尾酒会正是这个系统投入实际应用的开始。
让尿液变成鸡尾酒
ECLSS 的想法最早是在20 世纪50 年代出现,那时“太空竞赛”刚刚拉开序幕。前苏联火箭科学家、航天理论家康斯坦丁• 齐奥尔科夫斯基设想了一个简单的利用藻类再生氧气的系统。这个设想成就了20 世纪60 年代前苏联实验的BIOS-1 和BIOS-2。这是两个封闭的无人控制的生态系统,实验证明培养面积为8 平方米的藻液,就可以满足 1个人对氧气的需求。在它们的基础上,有了后来著名的BIOS-3。BIOS-3 加入粗粮、蔬菜等高等植物,可以为1 ～ 3 人再生100% 所需的氧气和水,而食物的再生率一般可以达到50%,这意味着飞船上可以少携带一半的食物。
美国人也不甘落后,1960 年他们就在研究把藻类、酵母和蒸馏尿作为饮食。1973 年,美国开始搭建Biohome,1989 年建成。在Biohome 中,加入了废物处理部分。生活废水、粪便、尿液通过PVC 管,由拥有过滤功能的水生植物(如芦苇)进行净化处理,处理后的水用于灌溉用水和厕所用水。
ECLSS 的原理大同小异。例如饮用水的获得,最简单的方法是用脱水装置从空气中提取水。植物会把水分蒸腾到空气中,这些空气从脱水装置里的冷却剂上面掠过时,水分就会凝结起来,经过一个用亲水材料制成的过滤屏,提取抽进水槽。这个装置也可以当做空调使用,只需要调节冷却剂的温度和空气通过的速度,就可以控制温度和湿度。
除此以外,还有两个水源: 尿液和粪便。尿液首先经过水处理器,把气体和固体分离出来,再通过低压真空蒸馏净化,最后用高温催化反应器过滤出剩余的有机污染物和微生物。整个系统需要不断旋转以模拟重力。净化出的水还要通过电导率传感器测试它的纯净度,合格的水成为饮用水,不合格的再一次进入净化过程。早在1960 年美国空军的“赫姆斯计划”就成功地从尿中蒸馏出可以饮用的水,当时一位率先去品尝的空军科学家,就已经声称它不比鸡尾酒会的某些饮料差。当然我们无从知道这句话是不是对那些饮料一种反讽。因为资金问题,美国一度放弃从尿液中取水。直到40 多年后的今天,也就是空间站的鸡尾酒会上才得以突破。为了这个成功,尿液处理系统经过了多轮测试。1989 年,航天飞机STS-89 次任务中对催化反应器进行了微重力测试。2003 年,航天飞机STS-107 次任务在失重状态下对整个尿液循环系统进行了飞行试验。在2004 年印度洋海啸发生后,NASA 已经把该技术应用于灾后快速水净化。2008 年11 月这套循环水系统就由“奋进号”航天飞机运至空间站,但直到水样返回地面通过了检测,才有了鸡尾酒会那一幕。据空间站国家试验室主管玛丽贝斯• 艾丁说, 空间站里有6 名宇航员时,尿液循环的方法最多能在6 小时内制出约23 千克水,实际使用中每年能节省6.8 吨饮用水的运载费用,接近1 亿美元。
至于粪便,操作的方法要麻烦许多,在地球上通常会采取生物降解或焚化,但是因为时间和成本,这在太空中完全不适用。美国科学家齐默尔曼提出了“湿氧化法”。在100 倍大气压下,用氧气流把粪便加热到500℃“烧煮”一个半小时,所得到的是含有氨和微粒磷酸盐灰的水,以及含有二氧化碳的气体。这些水很适合于灌溉粮食作物,而气体将供空间站或载人工具,以维持所需要的二氧化碳浓度——空气中二氧化碳的浓度为0.13% 为最佳。另外,如果原始粪便的2% 以上是可燃物体,这个方法就可做到燃料自给,不需要外界添加热量就能运行下去。看来在太空中便秘还是有好处的。
吃兔子、吃鱼还是吃蚕
氧气和水解决了,植物粮食也容易种植,但是动物蛋白如何补充?不管是空间站,还是载人飞船,面积都很宝贵,还能养些动物么?牛太大,并且出肉量仅占总重量的20%, 而鸡和兔子的繁殖和生长都快,出肉也多,但饲料是个问题。亚利桑那大学的肯尼斯• 奥尔森博士建议用苜蓿养兔子。苜蓿的蛋白质含量丰富,但是纤维过多,人一般不吃,就不会存在人与禽畜争食物的状态。0.1 平方米的面积可以容纳一只母兔和一窝小兔,小兔每两个月可以新生一窝,原来的那一窝就已经长大成为肉食了。另外一个受欢迎的蛋白质来源是鱼。俄罗斯科学院与德国波鸿大学正在计划建立的BIOS-4 中会引入鱼类,让太空的菜谱更加丰富。他们设计了一个小的咸水湖,除了养鱼,还能从中提取盐。困难在于,鱼和其他水中生物均对水质的变化非常敏感,水体一旦产生变化便会推迟排卵、孵化甚至发育。而中国科学家想到了蚕。北京航空航天大学的环境科学家刘红主持了中国的生物再生生保系统(BLSS)中的动物培养研究,她认为,蚕繁殖迅速,所需空间和水都很少,同时只产生少量的排泄物,这些排泄物最终能当做肥料。并且,蚕蛹的氨基酸含量是猪肉的2 倍,鸡蛋和牛奶的4 倍,满足宇航员每天所需的动物蛋白需要170 个蚕蛹和蚕茧。蚕的好处是占用的面积很少,问题在于,不是每个人都能吃得下去。美国圣塔菲市生态技术研究所的生态工程师马克• 尼尔森也认为用蚕作食物的研究非常吸引人,但不知道美国宇航员是否能够战胜关于吃昆虫的文化禁忌。
有人认为,空间农场会比地球的农场更稳产。因为只要温度和湿度调节系统不出故障,就没有天气变化的任何影响,即使有讨厌的害虫出现,简单蒸一下就能解决问题。但是也有人不同意这种说法,认为越是简单的生态系统越是脆弱,生物圈二号的失败就是一个例子。甚至人的心理状况造成的决策失误,也会使一个人工控制的生态系统崩溃,因为每一个细微的变化都可能引发蝴蝶效应,宇航员们和太空农场相互依存,比地球上的一个城市和农田的关系要紧密得多。曾在国际空间站连续度过6 个月的宇航员 .尔• 沃尔兹说过,远离地球使人产生强烈的隔离感。看不到地球的影响是巨大的,真正的太空伊甸园梦想还很远。