一文看懂航天员如何在太空上种菜

shuszhao

当航天员在未来必须开始在遥远的宇宙中工作与生活，他们会很需要随身携带一点来自地球的元素，以帮助他们生存并且能吃到蔬菜。NASA为了让航天员能够吃到新鲜的蔬菜，展开了一系列计划……
笔者在今年8月拜访美国太空总署(NASA)肯尼迪太空中心(Kennedy Space Center)时，遇到了负责国际太空站(ISS)蔬菜生产系统(vegetable production system，VEGGIE)开发项目的生命科学家Gioia Mass；这项项目是由一家总部位于美国威斯康星州麦迪逊(Madison, Wisconsin)的公司Orbital Technologies提供技术，目前该公司是隶属于Sierra Nevada Corp (SNC)旗下。
需要在太空中种植食物的理由可能与你首先会想到的不太一样，航天员还是会继续在太空站上吃NASA准备的食物──就像读者们可能看过的那些冷冻干燥食品，不过质量要好得多；在太空站上种植食物有许多好处，如果航天员的生活环境中有来自地球的东西，对他们的心理健康有非常正面的影响，甚至未来有可能透过那些植物在封闭的环境中产生氧气，而那也会是让航天员松弛身心以及娱乐一种工具。
Massa表示，太空站上的压力状态不同，人类的味觉在太空中会有一些变化，就像是感冒的症状；这是因为人体中的液体会受到重力下降的影响──这种现象又称为液体转移(fluid shift)。在地球上，重力会在我们身体中的液体发挥作用，使其往腿部流动；但是在太空中，液体会转为平均分布在人体的各部位，因此航天员通常会在吃东西的时候加例如辣椒酱、芥末酱等重口味的调味料来提升味觉。在NASA肯尼迪太空中心负责“VEGGIE”项目的科学家Gioia Mass (右) （来源：Loretta Taranovich）
下图中的模块在我拜访过NASA之后不久就被送上了国际太空站，Massa则在NASA负责地面控制实验，监测温度、相对湿度与二氧化碳浓度。VEGGIE系统是一个能让植物在里面生长的箱子，配备有特殊涂层的玻璃门以保持透光 （来源：Loretta Taranovich；文章上方大图为系统内部特写，图片来源：NASA）
下图中的“植物枕”当然不是拿来睡觉用的，而是将植物种子放在根垫(root mat)上置于其中，然后移入VEGGIE系统；在系统中会供电、供水让种子发芽，灌溉量以及植物高度会在整个生长周期中进行控管直至收成，然后进行下一轮的种植。植物枕内添加了一种名为Arcillite的固态生长基质，是NASA的Veg-03太空温室实验中应用的植物生长元素。植物枕 （来源：Loretta Taranovich）
接下来，我们与NASA的项目经理Brian G. Onante会面，继续带领读者们参观NASA的进阶版植物培养系统──Advanced Plant Habitat (APH)。图1 Brian G. Onante(右)与我正在讨论进APH。(图片来源：Loretta Taranovich)
APH是新加入“VEGGIE”蔬菜生产系统的植物培养系统。此新系统提供了一个大型封闭的环境控制空间，在国际太空站上进行商业和基础植物研究，或其他生物科学研究；它能连续运行至少1年而无需维护。APH被设计成一个四方形负载锁柜(quad-locker payload)，安装在国际太空站上的一个标准机柜上(Expedite the Processing of Experiment to Space Station(EXPRESS) rack)。
其三个主要的子系统为水回收和输配系统、环境控制系统和用于主要系统零件的流体温度控制系统，这些系统一起高效地运作并使用标准机柜的资源。
航天员将可运用目前称为“农夫(Farmer)”的计算机来监控实验状况，或是让NASA的工作人员在地球上操作此系统。此植物培养系统结合了先前的验证过的微重力植物生长技术与新开发的容错与复原技术，以提升整体的效率、可靠性和稳定性。此系统也提供单层嵌入式的手套口(glove ports)给航天员进行植物采样或进行实验时使用。基本设计采用开放式架构概念，允许在国际太空站上移除和更换关键子系统。
一般来说，农作物生长的环境中以70W功率的LED灯做为照射光源，并使用风扇使空气流通。在此环境耕种的三种农作物为：“Outredgeous”红萝蔓莴苣、日本芜菁(Japanese Mizuna mustard)和瓦尔德曼绿莴苣(Waldman’s Green lettuce)，这些蔬菜含有抗氧化剂，有助于保护航天员免受太空辐射源(space radiation sources)的伤害。
APH的耕种空间将包含1,708平方公分的空间与43公分的高度给植物的地上部区域(shoot zone，指茎与叶)，以及1,853平方公分的空间与5公分深度的根部生长空间。此系统具备主动(method-active)温度控制，使用温度范围为+18~+30℃的热电致冷器(thermoelectric coolers)，将温度控制在设定值的±0.5℃范围内与植物冠层的±1℃内；湿度维持在相对湿度(RH)的50~90%范围内，相对湿度的准确度维持在设定值的±3%和植物冠层的±5%范围内。
在地上部区域，APH的传感器能够测量光合作用有效(photosynthetically active)和红/远红外光范围内的光照等级(light level)，以及植物冠层或其他样本(sample)表面温度。在根部区域(root zone)，此标准、科学化的植物培养平台提供了多种感测功能，包括：根部区域温度、湿度等级(moisture level)和氧气含量的侦测。
图2 APH侧面图。(照片来源：NASA)
此系统也使用高密度LED照明，采用红光(光照强度为0~600μmol m-2 s-1，波长为630~660nm±10nm)、蓝光(光照强度为0~400μmol m-2 s-1，波长为400~500nm±10nm)、绿光(光照强度为0~100μmol m-2 s-1，波长为525nm±10nm)、宽带白光(光照强度为0~600μmol m-2 s-1，波长为400~700nm)和远红外光(光照强度为0~50μmol m-2 s-1，波长为730~750nm±10nm)光源。
透过多孔材料构成的生根环境(rooting matrix)中进行主动转移(active transfer)来输送水中营养物质。植物培养系统中的大气成分为400~5000ppm±50ppm浓度的二氧化碳。此系统并具备EXPRESS机柜兼容的的数据/照片接口，支持实时数据遥测、远程控制和可下载照片到NASA肯尼迪太空中心(NASA Kennedy Space Center)的实验室。
图3 APH正面图。(照片来源：NASA)
仔细地监测重要的参数
APH团队将APH送往国际太空站之前，先在地球上的NASA进行测试。图4 透过此系统仔细地监测所有重要的参数。(图片来源：Loretta Taranovich）
APH系统由登陆国际太空站的航天员启动，但控制方面则由位于肯尼迪太空中心的团队负责，减少航天员种植蔬菜所需的时间，因为NASA不希望航天员变成太空农夫。该系统配备180多个传感器，将空气和土壤中、植物根部附近以及茎叶的温度、氧气含量和湿度等级之即时消息传送回肯尼迪太空中心。
LED照明
NASA的测试已经确认LED照明是植物生长在地球和太空中最佳单一光源的照明方式。 这里有LED灯、高强度气体放电灯(HID)和其他光源灯的比较。
LED灯不像荧光灯需要镇流器(ballast)，你可以拥有单色照明，或者可以轻松地转换成由不同波长LED光所组成的照明组合。而且，LED产生很少的热度或不产生热度，因此LED灯与其他照明设备相比，能更靠近植物——尤其是在狭小的空间中。
为何要有不同的光照颜色？NASA发现以下原因：

[li]红光(波长630~660nm)对于植物茎部的生长与叶片的伸展很有帮助。此段波长也可调节开花、休眠期与种子发芽。
[/li][li]蓝光(波长400~520nm)需要小心地与其他光谱中的光混合，因为某些植物品种若过度地暴露在这个波长中的光线下，可能会影响到生长状况。蓝光范围内的光也会影响到植物中的叶绿素含量以及叶片厚度。
[/li][li]以往曾认为不需要使用绿光(波长500~600nm)来种植作物，但最近的研究发现此段波长的光可穿透较密集的植物冠层顶端区域，协助下层区域中的树叶生长。
[/li][li]远红外光(波长720~740nm)也可穿透密集的植物冠层上层区域，协助较下层区域树叶的生长。此外，在红外光的照射下，可缩短植物开花的时间。使用远红外光的好处是在此段波长的光线照射之下，植物的叶子会长得比较大片。
[/li]

科学家们发现，将白光LED灯组合在一起，可以确保种植在室内的植物能获得所需的光合有效辐射(photosynthetically active radiation，PAR)，进而使植物的健康、生长和产量达到优化。
能源管理
国际太空站上有四套供电系统，每套总功率为1kW，提供APH所需的1,500W电源。
界面
透过中等通讯速度的以太网络系统与一个控制器局域网络(CAN bus)进行数据遥测。
了解更多：第二生物圈(控制科学研究的实验室)将改善第一生物圈(地球)与更多方面
NASA的创意太空食物点子
由于NASA正在编定更为精简的预算，这些60年代辉煌时期的技术人员、工程师和科学家们必须“跳脱框架”来思考问题，寻求新的、具有成本效益的解决方案。这里是用于太空飞行时其中一项的食物补给方案，提供给肯尼迪太空中心的月球与火星探测团队，未来可能应用于地球与月球中间的「深空闸口」太空站(deep space gateway)。图5 NASA深空闸口太空站概念。(图片来源：NASA)
这个团队由植物科学家与硬件专家所组成，研究先进的农业技术，例如麻省理工学院的“都市农场(Crops near urban areas)”与“货柜农场(Freight Farms)”。当猎户座(Orion)宇宙飞船在2030年代将航天员带上火星时，也许这个想法能因而促成火星居住舱的建立。
使用创新的工业电子零件，如客制化的Opto22固态继电器(SSR)来组装标准建构模块(standard building blocks)是未来居住舱系统架构的必要条件，他们说像国家仪器(National Instruments)LabVIEW这样的系统工程软件是纳入架构空间(architectural space)设计中的好选择。
他们计划采用客制化、300微摩尔(u moles)、富含蓝光(blue-enriched)的白光，此光线有助于产生人体褪黑激素。人体昼夜节律系统(human circadian system)对于这种光线很敏感，关系到航天员的日夜作息。
如同先前所提到，NASA并不想让航天员成为在太空中种植、照顾与灌溉作物的农夫，所以自动化耕种系统相当重要。因此，NASA的团队向外购买了要价3,500美元的自动化机电系统，并将此修改为可透过手机、计算机等产品控制的农业耕种系统。图6 NASA的发明家仅仅花费了3,500美元就研发出此系统，并运用此系统实验性地种植种子、灌溉、让航天员施肥，并包含回馈系统中的土壤传感器，有助于在太空居住舱中优化植物生长与照顾状况。(图片来源：Loretta Taranovich)
他们的系统类似农耕机器人(Farmbot Genesis)，由NASA提供经费预算。此团队的另一个研究领域为如何处理火星土壤中的高氯酸盐和细菌。图7 电子产业中所使用的标准模块零件正迅速成为开发太空系统时所使用的一种方式，例如运用在深空居住舱(Deep Space Habitat，DSH)。(图片来源：Loretta Taranovich)图8 我与团队成员们讨论太空中的食物。Larry Koss(左)为太空探索与通讯部门(ESC)的技术工程师，Matt Romeyn(右边第二位)为生命科学项目的科学家，Ralph Fritsche(右)为长期食物生产经理。(图片来源：Loretta Taranovich)
对于5年以下的任务，他们计划打包散装食物加上使用其他系统例如APH所供应的新鲜食物，作为补给。在我未来的火星访问中，将会有更多如同这些令人兴奋的技术出现