上周，用于NASA的空間站實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“高等植物培養(yǎng)(Advanced Plant Habitat，APH)”的工程實(shí)驗(yàn)裝置完工。一輛卡車將其工程件送至肯尼迪航天中心的空間站測試設(shè)備實(shí)驗(yàn)室。這是截至目前NASA所制作的最大的植物培養(yǎng)箱。
NASA的高等植物實(shí)驗(yàn)裝置在佛羅里達(dá)NASA肯尼迪航天中心的空間站測試設(shè)備中進(jìn)行測試。攝影：Bill White
與此項(xiàng)目相關(guān)的NASA工程師、科學(xué)家和技術(shù)人員將在實(shí)驗(yàn)室利用工程件進(jìn)行訓(xùn)練，以期在明年APH飛行件交付前學(xué)會設(shè)備操作和組裝。他們也將檢驗(yàn)植物培養(yǎng)箱多系統(tǒng)的科學(xué)集成。
NASA肯尼迪中心的工程師負(fù)責(zé)APH裝置各部設(shè)計(jì)和飛行件制造。相關(guān)的支持系統(tǒng)則由位于威斯康星Madison的ORBITEC公司負(fù)責(zé)。實(shí)驗(yàn)裝置擁有一個(gè)內(nèi)部環(huán)境可控的封閉系統(tǒng)，可種植大型植物。
裝置采用了與目前國際空間站蔬菜生長系統(tǒng)(Veggie)類似的由紅、綠、藍(lán)LED組成的單色光照系統(tǒng)，也可用白光LED和紅外光源進(jìn)行光照。裝置內(nèi)部約有180個(gè)傳感器，照明光強(qiáng)可以達(dá)到Veggie系統(tǒng)的四倍。
注：2015年，國際空間站上宇航員利用“蔬菜生長系統(tǒng)”(Veggie)栽培出了可食用的萵苣等蔬菜。2015年NASA宣布正式啟動名為“Veggie”的在國際空間站種植花卉計(jì)劃，2016年1月，NASA公布在空間站種下的百日菊開花的照片。
肯尼迪航天中心的科學(xué)家開發(fā)了這個(gè)內(nèi)嵌于APH的科學(xué)載荷，用于空間站植物生長實(shí)驗(yàn)以及地面控制實(shí)驗(yàn)。載荷集成工程師將同Jacobs公司的相關(guān)人員一道，把科學(xué)實(shí)驗(yàn)或種子整合到APH裝置中。Jacobs公司的研發(fā)科學(xué)家也為APH項(xiàng)目提供了實(shí)驗(yàn)空間和支持。
此外，小規(guī)模的空間植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)——植物培養(yǎng)一號(Plant Habitat1，PH01)中有鼠耳芥種子和卷心菜、芥菜類等小有花植物。
PH01和APH實(shí)驗(yàn)裝置將于2017年被送往空間站。
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太空種植的關(guān)鍵問題
植物照明、植物工廠無疑在探索太空的航天領(lǐng)域有著非常大的應(yīng)用前景。但顯然，這不是一件容易的事?；堇帐强夏岬咸罩行念I(lǐng)導(dǎo)“探索性研究與技術(shù)項(xiàng)目”高級生命支撐技術(shù)課題組的植物生理學(xué)家?；堇蘸退闹参飳W(xué)家同事一直在研究如何在地球之外安全、有效地種植新鮮農(nóng)作物，Veggie植物生長系統(tǒng)等就是出自他們之手。
土豆是種植首選
什么農(nóng)作物可以種植在太空中或者其他星球上?惠勒的觀點(diǎn)是，土豆、紅薯、小麥和大豆都是很好的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┝舜罅康奶妓衔?，而大豆還是很好的蛋白質(zhì)來源。
拿土豆來說，它是塊莖植物，這意味著可以在地下存儲?；堇照f，土豆在獲得等量陽光的時(shí)候，能夠產(chǎn)出兩倍于其他作物的食物產(chǎn)量。
目前，一種“后沙拉作物”正在研究中，它們是可以生吃的微加工食物類別?；堇照f：“你可以將種植的土豆、小麥和大豆之類的食品配上這種沙拉作物，就可以提供一頓完整的飲食?！?/p>
“提供食物是個(gè)很復(fù)雜的命題?！被堇照f，“我們必須考慮營養(yǎng)問題，哪些可以接受以及哪些品嘗起來口感很好。如果沒有人愿意吃，就毫無意義了?！?/p>
惠勒花了很長時(shí)間研究種植土豆的不同方法，很多研究在上世紀(jì)80年代后已經(jīng)應(yīng)用于佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地?；堇盏膶?shí)驗(yàn)室于2003年遷往“太空生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”，其中很重要的部分也于2014年遷往“太空站處理設(shè)施”，并成為肯尼迪探索研究與技術(shù)項(xiàng)目局的組成部分。
惠勒早期的土豆植物研究很多都在威斯康星大學(xué)完成?？夏岬系闹参飳W(xué)家利用這些基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)作為研究起點(diǎn)，其生產(chǎn)“諾蘭紅皮土豆”時(shí)借助了一個(gè)大型種植室。
植物生長需光線
在地球上，光線是很充足的，但是到了外太空，作物生長利用直射的太陽光恐怕是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外，在太空中快速生長的農(nóng)作物也需要大量的陽光。
2007年，科羅拉多大學(xué)的研究生對火星表面的光線密度進(jìn)行了圖譜繪制。結(jié)果顯示，這顆紅色星球接收到的太陽光只相當(dāng)于地球的43%，但在低緯度地區(qū)還是能夠接收到足夠種植農(nóng)作物的陽光。
惠勒說：“火星有大量的沙塵暴，阻礙了大部分的光線，這一點(diǎn)必須考慮進(jìn)去，尤其是在考慮利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)候?！?/p>
惠勒介紹說：“一個(gè)備用方法是利用電光源。高強(qiáng)度的高效LED燈可能幫助推進(jìn)作物種植，這也是最近NASA研究和發(fā)展的新領(lǐng)域?！?/p>
太空站上使用的蔬菜植物生長系統(tǒng)Veggie就是利用了藍(lán)光和紅光LED?；堇照f，利用LED光線助作物生長的主意來自上世紀(jì)80年代威斯康星大學(xué)的研究。這項(xiàng)技術(shù)獲得了NASA的資金支持，也獲得了專利保護(hù)。
肯尼迪航天中心的植物學(xué)家還第一次使用了垂直農(nóng)場，用水資源和LED光給植物托盤分層?，F(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)在日本、韓國和中國以及北美洲的農(nóng)業(yè)中都有應(yīng)用。
水是寶貴的資源
在電影里，宇航員選擇使用風(fēng)化層或者火星土壤來種植農(nóng)作物。而在現(xiàn)實(shí)中，火星土壤基本是破碎的巖石，缺乏維持農(nóng)作物生長的大部分養(yǎng)分。
惠勒在土豆研究中做出眾多努力，包括利用循環(huán)水在較淺的傾斜托盤中種植農(nóng)作物?！皩τ谕炼苟?，它們不喜歡被淹沒在水中的生長要求看起來很有趣，為此我們只需要保持供給很薄一層的營養(yǎng)水膜即可?！?/p>
根據(jù)惠勒的描述，他們的方法非常有效，推而廣之還可以應(yīng)用在很多其他作物上。但是航天器旅行到另一個(gè)星球上，可能會在質(zhì)量和重量上有所限制——你無法將所有所需都打包帶上，一些資源需要回收和重復(fù)利用。
肯尼迪探索研究與技術(shù)項(xiàng)目高級工程師鮑勃·穆勒說：“最近發(fā)現(xiàn)的火星水是一個(gè)重大進(jìn)展?；鹦撬蚰鼙挥糜趧恿ν七M(jìn)劑、維持人類生命和植物生長等方面?！钡瑫r(shí)，穆勒也指出，這種水并不純凈，含有很多其他成分，高氯酸鹽和其他雜質(zhì)必須在使用前被清除或過濾掉才行。
惠勒說，在深空中旅行的一種情景，是宇航員帶著水泵和肥料在受到保護(hù)的環(huán)境下栽種作物，而火星土壤要等到相應(yīng)的系統(tǒng)得到擴(kuò)展后才能被利用。
穆勒說：“畢竟在火星上種植不是一件小事?！?/p>
輻射防護(hù)很必要
找到合適的土壤、水源和光線，植物并非就此安枕無憂，紫外線輻射也構(gòu)成了威脅。植物生長外層遮蔽空間必須能夠承受火星環(huán)境下的輻射和極端溫度的考驗(yàn)。
“對于溫室結(jié)構(gòu)房屋來說，建筑材料是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)?！被堇瞻凳?，散熱問題必須得到解決，這種結(jié)構(gòu)需要晚上緊閉而白天可以打開。
核電在上世紀(jì)70年代興起的時(shí)候，對于生物組織包括植物在內(nèi)的潛在輻射效應(yīng)就引起了研究人員的興趣。植物能夠吸收的輻射很有限，農(nóng)作物能夠承受多少輻射還需要更多的研究支持。
回收機(jī)制好處多
在太空中或者其他星球上種植作物，除了提供食物以外，還有其他好處。植物可以提供氧氣并清除空氣中的二氧化碳。
惠勒提醒，如果使用方式正確，它們還可以幫助處理廢水。聽起來很奇怪，利用廢水甚至尿液，還可以為植物提供養(yǎng)分。在空間站，美國宇航員利用環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)回收廢水及尿液。
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