準(zhǔn)備一：生活物資與技術(shù)

張唯誠(chéng)

2035年，馬克·沃特尼發(fā)現(xiàn)自己被困在了火星上，他的同伴們認(rèn)為他死了，撤離時(shí)把他留在了這顆紅色星球上。馬克·沃特尼在火星上掙扎多年，獨(dú)自面對(duì)輻射、風(fēng)暴和食物短缺。

食物短缺得到了解決，沃特尼是植物學(xué)家，他學(xué)會(huì)了在火星上種土豆。種苗來(lái)自他的感恩節(jié)晚餐，水出自剩余的火箭燃料，肥料則來(lái)自他的排泄物。

這段故事是小說(shuō)和電影《火星救援》中的情節(jié)，是科學(xué)幻想，然而是有事實(shí)依據(jù)的。美國(guó)航空航天局在20世紀(jì)八九十年代就研究過(guò)用土豆作為太空生活的潛在作物。雖然至今也沒(méi)有人在火星上種植土豆，但科學(xué)家已經(jīng)在開(kāi)發(fā)能在太空中種植食物的裝置了。

為什么他們要這樣做呢？原來(lái)人們很可能就要去火星旅行了。這件事可能會(huì)在你的有生之年變成現(xiàn)實(shí)。美國(guó)航空航天局的計(jì)劃是，在20世紀(jì)30年代將人送上火星，而私人太空公司SpaceX也可能最早于2024年將首艘載人飛船送上火星。

建造“太空菜園”

但是把人送上火星比把人送上月球面臨更大的挑戰(zhàn)。為了登陸火星，人們首先要解決很多問(wèn)題，而到達(dá)火星只是其中的一個(gè)目標(biāo)而已。除此之外，人們還必須確定火星旅行所需的食物和水從何而來(lái)；當(dāng)太空旅行者飛離地球百萬(wàn)千米之遙時(shí)，他們又如何得到突然需要的工程上的幫助。 這些都是艱巨的任務(wù)，但現(xiàn)在，世界各地的研究人員正在著手解決這些問(wèn)題。

目前的太空旅行者并未前往月球或者火星，但在距地球表面381千米的軌道上，國(guó)際空間站正在繞地球飛行。在那里，宇航員可以待上幾個(gè)星期或者幾個(gè)月，他們的任務(wù)包括科學(xué)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備測(cè)試。那些設(shè)備可能對(duì)未來(lái)的月球探索、小行星探索、火星探索以及更遠(yuǎn)的太空任務(wù)有所幫助。

假如你參觀國(guó)際空間站，你吃的幾乎每一粒糧食都是從地球上運(yùn)來(lái)的。然而也有例外，那就是綠葉蔬菜，這是在國(guó)際空間站上種植的第一批食物。

在太空中種植蔬菜有很多好處，除了為宇航員提供新鮮食物外，它還可以通過(guò)循環(huán)空氣和水為宇航員提供生命支持。除此之外還有其他益處，植物學(xué)家、美國(guó)航空航天局素食項(xiàng)目負(fù)責(zé)人焦亞·馬薩說(shuō)，“在太空中侍弄植物可能還會(huì)給宇航員帶來(lái)心理上的好處”。

正如馬克·沃特尼在火星上所做的，土豆是很好的太空食物，它們含有適量的蛋白質(zhì)、一些維生素和其他營(yíng)養(yǎng)素，它們也富含碳水化合物（糖和淀粉）。雖然你不能只靠土豆存活，但它們可以讓你免受饑餓。

不過(guò)，土豆也有缺點(diǎn)，它們需要煮熟后才能食用，所需的生長(zhǎng)空間也很大，所以馬薩和她的同事想從更簡(jiǎn)單的事情開(kāi)始：種植生菜。

2014年，馬薩及其同事給國(guó)際空間站的宇航員送去了一個(gè)“菜園”。生菜種子被放在一種“植物枕頭”中，里面有烤黏土和肥料，加上水，再來(lái)一些人造光，瞧！生菜在太空中生長(zhǎng)了！

但是宇航員不能食用它。

他們必須把所有收成送回地球去研究。第二年，美國(guó)航空航天局的科學(xué)家證實(shí)這種食物是安全的，于是宇航員又種了第二茬生菜。這一次，他們被允許享用它們了。宇航員把生菜放進(jìn)漢堡包里，還用生菜卷龍蝦沙拉。馬薩說(shuō)：“他們確實(shí)很有創(chuàng)造力。”

太空與地球不同，這一點(diǎn)兒也不奇怪。那里沒(méi)有重力，植物不知道朝哪個(gè)方向生長(zhǎng)，但它們會(huì)適應(yīng)，它們把嫩芽朝向有光亮的地方，根卻向相反的方向延伸?！疤詹藞@”必須保持空氣流通，否則氧氣會(huì)聚集在植物周?chē)?，?dǎo)致植物沒(méi)有足夠的二氧化碳進(jìn)行光合作用。

科學(xué)家也很難給植物提供足夠的水。“植物枕頭”中含有種子、黏土和肥料，能從蓄水池中取水；但取水的效率有限，所以宇航員需要親手給植物澆水?，F(xiàn)在，馬薩和她的團(tuán)隊(duì)正在重新設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)。

國(guó)際空間站的宇航員也種植大白菜和花卉。除了可供欣賞之外，這些植物還幫助科學(xué)家研究植物是否能在太空中開(kāi)花。搞清楚這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)殚_(kāi)花是植物繁殖的方式，也是植物生產(chǎn)果實(shí)的環(huán)節(jié)。

未來(lái)的太空作物還將包括日本蕪菁和櫻桃番茄。宇航員不得不用小刷子為它們授粉?！斑@里沒(méi)有蜜蜂?！瘪R薩說(shuō)。將來(lái)有一天，他們可能還會(huì)種植辣椒和香草。

雖然現(xiàn)在的蔬菜園規(guī)模很小，但它最終將幫助宇航員完成遠(yuǎn)距離太空任務(wù)或者在火星上建立殖民地。馬薩說(shuō)：“我們現(xiàn)在做的一切都還是基礎(chǔ)的工作?！?h3> 制造強(qiáng)大的引擎

從地球到國(guó)際空間站只需要不到1天時(shí)間，但火星之旅可能需要1年，還要攜帶大量燃料?；瘜W(xué)引擎只適合發(fā)射火箭以將太空船推向太空，但并不擅長(zhǎng)將航天器推往另一顆行星，而地球和火星之間也沒(méi)有“加油站”。美國(guó)航空航天局的核動(dòng)力工程師比爾·埃姆里奇就職于馬歇爾太空飛行中心，他說(shuō)：“假如你在旅行的時(shí)候需要把幾乎所有燃料都帶在身邊，那么你想要的就是一種了不起的引擎，它可以讓每升汽油盡量跑得遠(yuǎn)一些?！?/p>

埃姆里奇說(shuō)，要做到這一點(diǎn)，你必須發(fā)展核能。好的引擎可以使用非常輕的氣體，比如氫氣，并在核反應(yīng)堆中將其加熱到極高的溫度。這種熾熱的氣體通過(guò)一個(gè)噴嘴噴出，推動(dòng)航天器前進(jìn)。埃姆里奇解釋說(shuō)：“溫度越高，氣體從噴嘴中噴出的效率就越高。與此同時(shí)，氣體越輕，效率也越高?！?/p>

核引擎不僅效率高，而且速度快。目前，無(wú)人駕駛的宇宙飛船已經(jīng)使用了離子引擎，它把航天器送到了外太陽(yáng)系。它的工作原理是通過(guò)加速噴射帶電粒子或離子來(lái)推動(dòng)宇宙飛船航行。這種系統(tǒng)把人送上火星需要1年時(shí)間，而核熱引擎可以更快，只需要四五個(gè)月。

要想達(dá)到這樣的目標(biāo)，一艘大型宇宙飛船需要大約230克鈾燃料。鈾具有放射性，但鈾燃料并不危險(xiǎn)。埃姆里奇說(shuō)，“你可以把它握在手里，它不會(huì)傷害你”。然而一旦反應(yīng)堆開(kāi)始運(yùn)作，它就會(huì)通過(guò)裂變分裂成其他元素，那時(shí)你就要小心了。“那些裂變產(chǎn)物真的有很強(qiáng)的放射性，它們制造死亡。它們并非來(lái)自鈾本身，而是來(lái)自裂變的副產(chǎn)品?！卑Ｄ防锲嬲f(shuō)。

這個(gè)系統(tǒng)還將消除一個(gè)很大的隱患：即使飛船發(fā)射時(shí)發(fā)生了爆炸，地球的環(huán)境也是安全的， 這是因?yàn)轱w船將使用傳統(tǒng)的火箭燃料發(fā)射升空。在進(jìn)入太空之前，這個(gè)核加熱的引擎不會(huì)被啟動(dòng)。所以，如果發(fā)生了爆炸，放射性物質(zhì)只會(huì)噴射到太空中去。

目前，科學(xué)家正在不同的領(lǐng)域里工作著。埃姆里奇和他的同事研究鈾燃料，其他人開(kāi)發(fā)和測(cè)試反應(yīng)堆，還有人研究將反應(yīng)堆整合進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)中的方法。建造下一代太空引擎需要時(shí)間，埃姆里奇說(shuō)，“如果資金充足，這些工作有可能在10年至15年之內(nèi)完成”。

帶上3D打印機(jī)

既然要前往火星，宇航員就不得不攜帶他們需要的所有東西。他們也許能從這顆紅色星球上獲得一些原料，但使用這些原料也是需要方法和技術(shù)的。尼基·沃克海瑟是美國(guó)航空航天局馬歇爾太空飛行中心的科學(xué)家，她說(shuō)：“和前往離家相對(duì)較近的地方不同，前往火星，我們必須擁有更強(qiáng)的獨(dú)立能力?！?/p>

例如國(guó)際空間站，其上的宇航員如果需要一個(gè)特殊的工具，他們必須等待下一次補(bǔ)給的到來(lái)，這可能要等上幾個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間。為此，沃克海瑟希望改變這一狀況，她將3D打印機(jī)帶到了太空。通過(guò)3D打印機(jī)，宇航員只需按一下按鈕就可以制造他們需要的工具了。

3D打印機(jī)在原理上有點(diǎn)像熱熔膠槍。在電腦上設(shè)計(jì)好圖案后，打印機(jī)將一層聚合物噴射到一個(gè)托盤(pán)上，待定型后，打印機(jī)再添加另一層。這樣一層層地添加，直到形成一個(gè)三維的物體。沃克海瑟說(shuō)：“你可以做一些非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)，甚至可以制造裝有齒輪和其他部件的任何東西，它們?nèi)际谴蛴〕鰜?lái)的?！?/p>

在國(guó)際空間站上，打印除了可以節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)外，還有其他好處。例如為了承受發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的壓力，許多工具和設(shè)備要用堅(jiān)固的材料制成。假如它們能夠在太空中制造，它們就可以做得更輕更薄，在電子設(shè)備、科學(xué)儀器中省下更多空間。這種自行制造工具的技術(shù)甚至可能是前往月球或火星的必要條件，因?yàn)樵谠虑蚧蚧鹦巧希瑐浼荒茏约褐圃臁?/p>

在太空中，打印機(jī)的工作狀態(tài)和在地球上是不同的。例如，你必須用風(fēng)扇循環(huán)空氣以冷卻正在打印的產(chǎn)品。不過(guò)這種不同也并不都是劣勢(shì)。在地面上，重力實(shí)際上導(dǎo)致了一些問(wèn)題。由于熱塑料是柔性的，所以在地球上，為了使物體在冷卻時(shí)保持直立，打印機(jī)有時(shí)需要添加支撐結(jié)構(gòu)。然而在太空中，一臺(tái)打印機(jī)就可以在任何方向上順利工作。

2014年，沃克海瑟的團(tuán)隊(duì)將第一臺(tái)3D打印機(jī)送到了國(guó)際空間站上。作為測(cè)試，打印機(jī)打印了槳狀的物體?？茖W(xué)家將它們與在地球上的同類(lèi)打印物進(jìn)行了比較，沃克海瑟說(shuō)，“我們的確沒(méi)有找到任何值得一提的區(qū)別”。

沃克海瑟希望推出一款新打印機(jī)，它可以用塑料垃圾打印需要的產(chǎn)品。在未來(lái)，美國(guó)航空航天局希望建立一個(gè)制造實(shí)驗(yàn)室，它將能打印金屬的東西，甚至電子產(chǎn)品。在包括飛往火星的太空探索中，3D打印機(jī)將發(fā)揮重要的作用。