太空生命循環(huán)艙

人類要在20 年后飛向火星?那要先得把吃喝問題解決了:如何在太空中度過接近2 年的時間?帶幾十噸食物和水過去?看來科幻小說中的循環(huán)生態(tài)的太空農(nóng)場，這次要真正應(yīng)付實(shí)戰(zhàn)了。

在電影《星際迷航》中，星際戰(zhàn)艦的艦長讓-盧克#8226; 皮卡德想喝茶了，他輕聲說出:“茶，熱的?！彼砼缘摹笆称窂?fù)制器”迅速進(jìn)入了工作狀態(tài)，掃描預(yù)存的茶的三維分子結(jié)構(gòu)。幾秒鐘后，依據(jù)單個分子組合魔幻般地變出了一杯茶。

這還只是幻想。今天的太空生活可沒有這么豐盛。盡管宇航員在國際空間站能每天欣賞16 次日出，卻無法享受地球上最普通的食物和飲料。很多時候，宇航員的選擇僅限于凍干食品、密封食品和速溶飲料?，F(xiàn)在，這一狀況有所改變——2009 年5 月20 日，國際空間站宇航員開始飲用由他們的尿液、汗液等循環(huán)處理制備的雞尾酒，美國宇航員邁克爾#8226; 巴拉特說:“味道好極了?！?/p>

為了火星之旅

用一個循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)為宇航員提供食物、空氣和飲水，這個概念并不新鮮，人們已經(jīng)就此作過半個多世紀(jì)的研究。但是在最近它開始變得至關(guān)重要，因?yàn)橛詈絾T登陸火星被提上了日程。2004 年，美國布什政府公布了雄心勃勃的太空探索計(jì)劃。美國人除了要重返月球，還要以永久月球基地為前哨和中轉(zhuǎn)站，2030 年登陸火星。與此同時，俄羅斯、歐洲、日本、中國也紛紛開始了火星載人項(xiàng)目。

根據(jù)歐洲空間局的報(bào)告《火星載人任務(wù):全面架構(gòu)評估》，在這個沒有退路的旅程中，宇航員作為最重要也是最脆弱的部分，需要度過至少520 天的火星之旅。暫且不說NASA 不愿提及的性問題，光是單調(diào)的食物、廚房里的垃圾、擁擠的毫無生氣的空間都可能引發(fā)騷亂，甚至讓宇航員精神失常，這可真讓人頭疼。當(dāng)然，最好的解決方案就是在飛船上建立一個生態(tài)圈，搭建和地球類似的生態(tài)系統(tǒng)。目前美國、俄羅斯等國所做的正是這樣的事——讓氧氣、水、食物能不斷循環(huán)利用，自給自足，還能處理各種垃圾，這些系統(tǒng)被稱為受控生態(tài)生保系統(tǒng)(ECLSS)，而國際空間站的雞尾酒會正是這個系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用的開始。

讓尿液變成雞尾酒

ECLSS 的想法最早是在20 世紀(jì)50 年代出現(xiàn)，那時“太空競賽”剛剛拉開序幕。前蘇聯(lián)火箭科學(xué)家、航天理論家康斯坦丁#8226; 齊奧爾科夫斯基設(shè)想了一個簡單的利用藻類再生氧氣的系統(tǒng)。這個設(shè)想成就了20 世紀(jì)60 年代前蘇聯(lián)實(shí)驗(yàn)的BIOS-1 和BIOS-2。這是兩個封閉的無人控制的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明培養(yǎng)面積為8 平方米的藻液，就可以滿足 1個人對氧氣的需求。在它們的基礎(chǔ)上，有了后來著名的BIOS-3。BIOS-3 加入粗糧、蔬菜等高等植物，可以為1 ～ 3 人再生100% 所需的氧氣和水，而食物的再生率一般可以達(dá)到50%，這意味著飛船上可以少攜帶一半的食物。

美國人也不甘落后，1960 年他們就在研究把藻類、酵母和蒸餾尿作為飲食。1973 年，美國開始搭建Biohome，1989 年建成。在Biohome 中，加入了廢物處理部分。生活廢水、糞便、尿液通過PVC 管，由擁有過濾功能的水生植物(如蘆葦)進(jìn)行凈化處理，處理后的水用于灌溉用水和廁所用水。

ECLSS 的原理大同小異。例如飲用水的獲得，最簡單的方法是用脫水裝置從空氣中提取水。植物會把水分蒸騰到空氣中，這些空氣從脫水裝置里的冷卻劑上面掠過時，水分就會凝結(jié)起來，經(jīng)過一個用親水材料制成的過濾屏，提取抽進(jìn)水槽。這個裝置也可以當(dāng)做空調(diào)使用，只需要調(diào)節(jié)冷卻劑的溫度和空氣通過的速度，就可以控制溫度和濕度。

除此以外，還有兩個水源: 尿液和糞便。尿液首先經(jīng)過水處理器，把氣體和固體分離出來，再通過低壓真空蒸餾凈化，最后用高溫催化反應(yīng)器過濾出剩余的有機(jī)污染物和微生物。整個系統(tǒng)需要不斷旋轉(zhuǎn)以模擬重力。凈化出的水還要通過電導(dǎo)率傳感器測試它的純凈度，合格的水成為飲用水，不合格的再一次進(jìn)入凈化過程。早在1960 年美國空軍的“赫姆斯計(jì)劃”就成功地從尿中蒸餾出可以飲用的水，當(dāng)時一位率先去品嘗的空軍科學(xué)家，就已經(jīng)聲稱它不比雞尾酒會的某些飲料差。當(dāng)然我們無從知道這句話是不是對那些飲料一種反諷。因?yàn)橘Y金問題，美國一度放棄從尿液中取水。直到40 多年后的今天，也就是空間站的雞尾酒會上才得以突破。為了這個成功，尿液處理系統(tǒng)經(jīng)過了多輪測試。1989 年，航天飛機(jī)STS-89 次任務(wù)中對催化反應(yīng)器進(jìn)行了微重力測試。2003 年，航天飛機(jī)STS-107 次任務(wù)在失重狀態(tài)下對整個尿液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。在2004 年印度洋海嘯發(fā)生后，NASA 已經(jīng)把該技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)后快速水凈化。2008 年11 月這套循環(huán)水系統(tǒng)就由“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)運(yùn)至空間站，但直到水樣返回地面通過了檢測，才有了雞尾酒會那一幕。據(jù)空間站國家試驗(yàn)室主管瑪麗貝斯#8226; 艾丁說， 空間站里有6 名宇航員時，尿液循環(huán)的方法最多能在6 小時內(nèi)制出約23 千克水，實(shí)際使用中每年能節(jié)省6.8 噸飲用水的運(yùn)載費(fèi)用，接近1 億美元。

至于糞便，操作的方法要麻煩許多，在地球上通常會采取生物降解或焚化，但是因?yàn)闀r間和成本，這在太空中完全不適用。美國科學(xué)家齊默爾曼提出了“濕氧化法”。在100 倍大氣壓下，用氧氣流把糞便加熱到500℃“燒煮”一個半小時，所得到的是含有氨和微粒磷酸鹽灰的水，以及含有二氧化碳的氣體。這些水很適合于灌溉糧食作物，而氣體將供空間站或載人工具，以維持所需要的二氧化碳濃度——空氣中二氧化碳的濃度為0.13% 為最佳。另外，如果原始糞便的2% 以上是可燃物體，這個方法就可做到燃料自給，不需要外界添加熱量就能運(yùn)行下去。看來在太空中便秘還是有好處的。

吃兔子、吃魚還是吃蠶

氧氣和水解決了，植物糧食也容易種植，但是動物蛋白如何補(bǔ)充?不管是空間站，還是載人飛船，面積都很寶貴，還能養(yǎng)些動物么?牛太大，并且出肉量僅占總重量的20%， 而雞和兔子的繁殖和生長都快，出肉也多，但飼料是個問題。亞利桑那大學(xué)的肯尼斯#8226; 奧爾森博士建議用苜蓿養(yǎng)兔子。苜蓿的蛋白質(zhì)含量豐富，但是纖維過多，人一般不吃，就不會存在人與禽畜爭食物的狀態(tài)。0.1 平方米的面積可以容納一只母兔和一窩小兔，小兔每兩個月可以新生一窩，原來的那一窩就已經(jīng)長大成為肉食了。另外一個受歡迎的蛋白質(zhì)來源是魚。俄羅斯科學(xué)院與德國波鴻大學(xué)正在計(jì)劃建立的BIOS-4 中會引入魚類，讓太空的菜譜更加豐富。他們設(shè)計(jì)了一個小的咸水湖，除了養(yǎng)魚，還能從中提取鹽。困難在于，魚和其他水中生物均對水質(zhì)的變化非常敏感，水體一旦產(chǎn)生變化便會推遲排卵、孵化甚至發(fā)育。而中國科學(xué)家想到了蠶。北京航空航天大學(xué)的環(huán)境科學(xué)家劉紅主持了中國的生物再生生保系統(tǒng)(BLSS)中的動物培養(yǎng)研究，她認(rèn)為，蠶繁殖迅速，所需空間和水都很少，同時只產(chǎn)生少量的排泄物，這些排泄物最終能當(dāng)做肥料。并且，蠶蛹的氨基酸含量是豬肉的2 倍，雞蛋和牛奶的4 倍，滿足宇航員每天所需的動物蛋白需要170 個蠶蛹和蠶繭。蠶的好處是占用的面積很少，問題在于，不是每個人都能吃得下去。美國圣塔菲市生態(tài)技術(shù)研究所的生態(tài)工程師馬克#8226; 尼爾森也認(rèn)為用蠶作食物的研究非常吸引人，但不知道美國宇航員是否能夠戰(zhàn)勝關(guān)于吃昆蟲的文化禁忌。

有人認(rèn)為，空間農(nóng)場會比地球的農(nóng)場更穩(wěn)產(chǎn)。因?yàn)橹灰獪囟群蜐穸日{(diào)節(jié)系統(tǒng)不出故障，就沒有天氣變化的任何影響，即使有討厭的害蟲出現(xiàn)，簡單蒸一下就能解決問題。但是也有人不同意這種說法，認(rèn)為越是簡單的生態(tài)系統(tǒng)越是脆弱，生物圈二號的失敗就是一個例子。甚至人的心理狀況造成的決策失誤，也會使一個人工控制的生態(tài)系統(tǒng)崩潰，因?yàn)槊恳粋€細(xì)微的變化都可能引發(fā)蝴蝶效應(yīng)，宇航員們和太空農(nóng)場相互依存，比地球上的一個城市和農(nóng)田的關(guān)系要緊密得多。曾在國際空間站連續(xù)度過6 個月的宇航員 .爾#8226; 沃爾茲說過，遠(yuǎn)離地球使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的隔離感?？床坏降厍虻挠绊懯蔷薮蟮?，真正的太空伊甸園夢想還很遠(yuǎn)。