上周，用于NASA的空間站實驗項目“高等植物培養(yǎng)(Advanced Plant Habitat，APH)”的工程實驗裝置完工。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備實驗室。這是截至目前NASA所制作的最大的植物培養(yǎng)箱。

　　NASA的高等植物實驗裝置在佛羅里達NASA肯尼迪航天中心的空間站測試設備中進行測試。攝影：Bill White

　　與此項目相關的NASA工程師、科學家和技術人員將在實驗室利用工程件進行訓練，以期在明年APH飛行件交付前學會設備操作和組裝。他們也將檢驗植物培養(yǎng)箱多系統(tǒng)的科學集成。

　　NASA肯尼迪中心的工程師負責APH裝置各部設計和飛行件制造。相關的支持系統(tǒng)則由位于威斯康星Madison的ORBITEC公司負責。實驗裝置擁有一個內部環(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LED組成的單色光照系統(tǒng)，也可用白光LED和紅外光源進行光照。裝置內部約有180個傳感器，照明光強可以達到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家開發(fā)了這個內嵌于APH的科學載荷，用于空間站植物生長實驗以及地面控制實驗。載荷集成工程師將同Jacobs公司的相關人員一道，把科學實驗或種子整合到APH裝置中。Jacobs公司的研發(fā)科學家也為APH項目提供了實驗空間和支持。

　　此外，小規(guī)模的空間植物培養(yǎng)實驗——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實驗裝置將于2017年被送往空間站。

　　延伸

　　太空種植的關鍵問題

　　植物照明、植物工廠無疑在探索太空的航天領域有著非常大的應用前景。但顯然，這不是一件容易的事?；堇帐强夏岬咸罩行念I導“探索性研究與技術項目”高級生命支撐技術課題組的植物生理學家?；堇蘸退闹参飳W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?惠勒的觀點是，土豆、紅薯、小麥和大豆都是很好的選擇，因為它們提供了大量的碳水化合物，而大豆還是很好的蛋白質來源。

　　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。惠勒說：“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。”

　　“提供食物是個很復雜的命題?！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>

　　惠勒花了很長時間研究種植土豆的不同方法，很多研究在上世紀80年代后已經(jīng)應用于佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地?；堇盏膶嶒炇矣?003年遷往“太空生命科學實驗室”，其中很重要的部分也于2014年遷往“太空站處理設施”，并成為肯尼迪探索研究與技術項目局的組成部分。

　　惠勒早期的土豆植物研究很多都在威斯康星大學完成?？夏岬系闹参飳W家利用這些基礎的發(fā)現(xiàn)作為研究起點，其生產(chǎn)“諾蘭紅皮土豆”時借助了一個大型種植室。

　　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，科羅拉多大學的研究生對火星表面的光線密度進行了圖譜繪制。結果顯示，這顆紅色星球接收到的太陽光只相當于地球的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，這一點必須考慮進去，尤其是在考慮利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的時候。”

　　惠勒介紹說：“一個備用方法是利用電光源。高強度的高效LED燈可能幫助推進作物種植，這也是最近NASA研究和發(fā)展的新領域?！?/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80年代威斯康星大學的研究。這項技術獲得了NASA的資金支持，也獲得了專利保護。

　　肯尼迪航天中心的植物學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，這項技術在日本、韓國和中國以及北美洲的農(nóng)業(yè)中都有應用。

　　水是寶貴的資源

　　在電影里，宇航員選擇使用風化層或者火星土壤來種植農(nóng)作物。而在現(xiàn)實中，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。“對于土豆而言，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，推而廣之還可以應用在很多其他作物上。但是航天器旅行到另一個星球上，可能會在質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利用。

　　肯尼迪探索研究與技術項目高級工程師鮑勃·穆勒說：“最近發(fā)現(xiàn)的火星水是一個重大進展?；鹦撬蚰鼙挥糜趧恿ν七M劑、維持人類生命和植物生長等方面。”但同時，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的環(huán)境下栽種作物，而火星土壤要等到相應的系統(tǒng)得到擴展后才能被利用。

　　穆勒說：“畢竟在火星上種植不是一件小事。”

　　輻射防護很必要

　　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。

　　“對于溫室結構房屋來說，建筑材料是個巨大的挑戰(zhàn)?！被堇瞻凳?，散熱問題必須得到解決，這種結構需要晚上緊閉而白天可以打開。

　　核電在上世紀70年代興起的時候，對于生物組織包括植物在內的潛在輻射效應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。