太空生命循環艙

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生態的太空農場，這次要真正應付實戰了。

在電影《星際迷航》中，星際戰艦的艦長讓-盧克#8226; 皮卡德想喝茶了，他輕聲說出:“茶，熱的。”他身旁的“食品復制器”迅速進入了工作狀態，掃描預存的茶的三維分子結構。幾秒鐘后，依據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。現在，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。”

為了火星之旅

用一個循環的生態系統為宇航員提供食物、空氣和飲水，這個概念并不新鮮，人們已經就此作過半個多世紀的研究。但是在最近它開始變得至關重要，因為宇航員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目。

根據歐洲空間局的報告《火星載人任務:全面架構評估》，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，光是單調的食物、廚房里的垃圾、擁擠的毫無生氣的空間都可能引發騷亂，甚至讓宇航員精神失常，這可真讓人頭疼。當然，最好的解決方案就是在飛船上建立一個生態圈，搭建和地球類似的生態系統。目前美國、俄羅斯等國所做的正是這樣的事——讓氧氣、水、食物能不斷循環利用，自給自足，還能處理各種垃圾，這些系統被稱為受控生態生保系統(ECLSS)，而國際空間站的雞尾酒會正是這個系統投入實際應用的開始。

讓尿液變成雞尾酒

ECLSS 的想法最早是在20 世紀50 年代出現，那時“太空競賽”剛剛拉開序幕。前蘇聯火箭科學家、航天理論家康斯坦丁#8226; 齊奧爾科夫斯基設想了一個簡單的利用藻類再生氧氣的系統。這個設想成就了20 世紀60 年代前蘇聯實驗的BIOS-1 和BIOS-2。這是兩個封閉的無人控制的生態系統，實驗證明培養面積為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，水分就會凝結起來，經過一個用親水材料制成的過濾屏，提取抽進水槽。這個裝置也可以當做空調使用，只需要調節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器過濾出剩余的有機污染物和微生物。整個系統需要不斷旋轉以模擬重力。凈化出的水還要通過電導率傳感器測試它的純凈度，合格的水成為飲用水，不合格的再一次進入凈化過程。早在1960 年美國空軍的“赫姆斯計劃”就成功地從尿中蒸餾出可以飲用的水，當時一位率先去品嘗的空軍科學家，就已經聲稱它不比雞尾酒會的某些飲料差。當然我們無從知道這句話是不是對那些飲料一種反諷。因為資金問題，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，尿液處理系統經過了多輪測試。1989 年，航天飛機STS-89 次任務中對催化反應器進行了微重力測試。2003 年，航天飛機STS-107 次任務在失重狀態下對整個尿液循環系統進行了飛行試驗。在2004 年印度洋海嘯發生后，NASA 已經把該技術應用于災后快速水凈化。2008 年11 月這套循環水系統就由“奮進號”航天飛機運至空間站，但直到水樣返回地面通過了檢測，才有了雞尾酒會那一幕。據空間站國家試驗室主管瑪麗貝斯#8226; 艾丁說， 空間站里有6 名宇航員時，尿液循環的方法最多能在6 小時內制出約23 千克水，實際使用中每年能節省6.8 噸飲用水的運載費用，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，但是因為時間和成本，這在太空中完全不適用。美國科學家齊默爾曼提出了“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充?不管是空間站，還是載人飛船，面積都很寶貴，還能養些動物么?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。亞利桑那大學的肯尼斯#8226; 奧爾森博士建議用苜蓿養兔子。苜蓿的蛋白質含量豐富，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。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長大成為肉食了。另外一個受歡迎的蛋白質來源是魚。俄羅斯科學院與德國波鴻大學正在計劃建立的BIOS-4 中會引入魚類，讓太空的菜譜更加豐富。他們設計了一個小的咸水湖，除了養魚，還能從中提取鹽。困難在于，魚和其他水中生物均對水質的變化非常敏感，水體一旦產生變化便會推遲排卵、孵化甚至發育。而中國科學家想到了蠶。北京航空航天大學的環境科學家劉紅主持了中國的生物再生生保系統(BLSS)中的動物培養研究，她認為，蠶繁殖迅速，所需空間和水都很少，同時只產生少量的排泄物，這些排泄物最終能當做肥料。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。美國圣塔菲市生態技術研究所的生態工程師馬克#8226; 尼爾森也認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勝關于吃昆蟲的文化禁忌。

有人認為，空間農場會比地球的農場更穩產。因為只要溫度和濕度調節系統不出故障，就沒有天氣變化的任何影響，即使有討厭的害蟲出現，簡單蒸一下就能解決問題。但是也有人不同意這種說法，認為越是簡單的生態系統越是脆弱，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系統崩潰，因為每一個細微的變化都可能引發蝴蝶效應，宇航員們和太空農場相互依存，比地球上的一個城市和農田的關系要緊密得多。曾在國際空間站連續度過6 個月的宇航員 .爾#8226; 沃爾茲說過，遠離地球使人產生強烈的隔離感。看不到地球的影響是巨大的，真正的太空伊甸園夢想還很遠。