火星上的温室

　　未来的火星居民必须自己生产粮食，自己养活自己，不能靠地球的物资供应。这不是因为地球养活不起这些人，而是因为地球支付不起巨额的太空运输费用。如果火星基地有1万人口，每人每年，每人每年消耗的食品按1.67吨计算，要将1万人的食品从地球运送到火星基地，每年约需7万亿美元。这是个天文数字。而且基地居民不仅需要吃，还要饮用水、生活用水和呼吸空气等。有人估计，一个人一年中所消耗的食品是他的体重的3倍、所消耗的氧气是他的体重的4倍，所饮用的水是他的体重的8倍。而一个人在他的一生中，所消耗的这些东西是他成年时的体重的1000倍。具体地计算，一个人所需要的这些消耗品的量，一天为22.4千克，一年为8.18吨，一生为572吨。因此，如果要地球长年累月地向火星居民供应这些消耗品，特别是要花费如此多的太空运输费用，显然是不现实的。因此火星居民在基地内建温室，自己生产粮食和蔬菜，是唯一的解决办法和出路。 <p>　　</p><p>　　<strong>太空种植的困难 </strong></p><p>　　在太空种植粮食和蔬菜有两大难题：第一是空间狭小；第二是没有重量。无论是在国际空间站上，或是在未来的月球基地和火星前哨站上，都没有大面积的农业生产用地。国际空间站的站舱主要用于科学研究和实验，月球和火星表面的环境非常恶劣，任何植物都不可能生长发育，因此只能在基地和前哨站内种植。而早期的月球基地和火星前哨站内，空间也有限。所以能在太空种植的农作物必须是矮短的，但穗大粒多并且饱满，还要营养丰富；另外由于舱内阳光不充足，这种农作物还必须对光线的要求不多，光合作用的效率高；最后，这种农作物还具有强的抗病能力，只有这样才能适应舱内的狭小环境。 </p><p>　　太空的另一特点是失重和低重力。在失重环境中，植物处于飘浮状态，土壤中的水分和空气是均匀分布，因此在太空种植庄稼特别困难。如果是颗粒状的土壤，空气可以到达植物根部，但水分不容易到达；反之如果是粉末状的土壤，水分可以到达根部，但空气不容易到达。如果空气不能到达根部，植物就会窒息死亡。专家建议，在太空种植农作物可以用一种特殊培养的细菌，既可疏松土壤，又可给植物提供营养物质和二氧化碳。 </p><p>　　</p><p>　　<strong>国际空间站上的种植实验 </strong></p><p>　　国际空间站还在组装期间就已开始了有关太空温室的实验研究。国际空间站上的研究先从最简单的太空生物学问题入手，即植物在太空的生长和发育。国际空间站共有三项生物学研究计划：太空植物栽培实验、小麦生长实验和小松树种植实验。 </p><p>　　太空植物栽培实验的目的主要是研究植物在微重力环境下能否生长和发育；微重力对植物有何影响；在太空中结出的种子与在地面上结成的种子有何不同。在国际空间站上研究这些问题，不仅是为了了解在未来的太空城中建立生物再生式环控生保系统的可行性，而且也是为了将来人类在月球和火星上定居时，解决这些人的吃饭问题。 </p><p>　　太空植物栽培是国际空间站上的第一个生物学实验。在国际空间站上可以对植物进行一代又一代的长期栽培，研究植物在微重力环境下完整的生活史。为完成这项实验，科学家还专门设计出一种完全密闭的植物生长舱，舱内的温度、湿度、光照、大气和营养成分都可以根据需要进行控制。 </p><p>　　国际空间站上的第二项生物学研究计划是小麦生长实验。高等植物在太空的光合作用的效率，是设计未来生物再生式环控生保系统的关键问题，而小麦又是该系统的首选植物。因为小麦不仅可以吸收二氧化碳和放出氧气，而且又是未来太空农场的主要粮食作物，因此这项实验实际上就是对未来生物再生式环控生保系统的一次可行性检验。实验中主要测量微重力对植物光合作用的影响。为了能顺利完成实验，科学家也设计了一种专用的太空小麦生长实验设备。 </p><p>　　国际空间站上的第三项生物学研究计划是小松树种植实验。科学家选用一种美国南部产的火炬松在太空种植。这项实验在航天飞机上以前也曾经进行过，但由于在太空停留的时间比较短，因此没有发现跟在地面的生长有何不同。后来在国际空间站的植物生长舱内，发现这种小松树生长非常缓慢。因此科学家想要弄清这种小松树在太空不能茁壮生长的原因。 </p><p>　　最有意思的是所有这三项生物学实验都可以让美国中学的教师和学生参加。不过不是让他们到国际空间站上去，而是在地面使用跟国际空间站上一样的植物生长实验设备，要求他们用同样的方法将植物种植在生长实验设备内，观察植物的生长发育情况。 </p><p>　　</p><p>　　<strong>实验性火星温室 </strong></p><p>　　实验性火星温室又称为火星植物生长系统，该系统不仅向未来的火星居民提供粮食和蔬菜，而且还提供氧气，并吸收空气中的二氧化碳。该系统由5部分组成：可变压力生长舱、营养液再循环分系统、自动监测分系统、蔬菜生长装置和水栽培分系统。 </p><p>　　</p><p>　　① 可变压力生长舱 </p><p>　　可变压力生长舱是设在一个长方形的建筑物内，舱内植物生长面积为11.2平方米，主要种植粮食作物，如小麦等。在建筑物内，除了可变压力生长舱外还有一个气闸舱。气闸舱即作为小麦育种区，又是气体交换的缓冲区。可变压力生长舱内分为8个小生长区，每个小生长区的面积为1.4平方米。小区内设有植物生长盘、照明灯具、通风管和环境控制装置，可以对小区内的温度、湿度和气体成分进行控制。 </p><p>　　为了保障植物的光合作用，在可变压力生长舱内还装有光合作用主动辐射装置。该装置通过8个400瓦的高压钠汽灯，可向每个植物生长区提供相当于地面3/4的太阳光的光通量。可变压力生长舱是采用水栽培技术，因此舱内还装有再循环式营养液输送分系统，可向植物根部输送水和营养物质。 </p><p>　　为了将可变压力生长舱内的各种环境参数控制在最佳范围内，在舱内安装有各种气体分析仪，能对舱内的氧气、二氧化碳和湿度进行自动取样和分析。  </p><p>　　</p><p>　　② 营养液再循环分系统 </p><p>　　为了提高资源的回收和利用率，对于从可变压力生长舱生产出来的粮食，应将不能食用的根、茎、叶和麦糠等，通过一种需氧生物反应器加工成营养液。在生物反应器内，先将这些废弃物烘干、磨成粉末、加入水，搅拌均匀后在需氧环境下用微生物进行降解，再经过过滤，流出来的液体就是植物所需的营养液。这种营养液中包含植物生长所需的各种营养元素和微量元素。最后，将这些液体通过专门的输送系统输送到可变压力生长舱。 </p><p>　　</p><p>　　③ 自动监测分系统 </p><p>　　该分系统由一套传感装置、一台摄像机和一间控制室组成。控制室内的工作人员可以操纵传感装置和摄像机，对可变压力生长舱进行监测。该装置也可以自动进行监测。 </p><p>　　</p><p>　　④ 蔬菜生长装置 </p><p>　　为了保证将来的火星居民能吃上新鲜的蔬菜，在火星温室内有一个蔬菜生长装置。该装置并不大，内部空间为宽58.6厘米、深38.1厘米、高59.7厘米，植物生长面积只有0.223平方米。门上有一个玻璃窗，工作人员可以从外面看到里面。里面的温度控制在15℃～40℃,相对湿度为20%～80%。此外，里面还有充足的光照条件和氧气供应。 </p><p>　　</p><p>　　⑤ 水栽培分系统 </p><p>　　该分系统可以进行农作物的连续栽培。系统内有许多小水槽，植物栽培在小水槽中，营养液从一头流入小水槽，又从另一头流出来。小水槽中营养液的液面高为2.5厘米。 </p><p>　　</p><p>　　<strong>小温室还可改造火星环境 </strong></p><p>　　火星表面环境非常恶劣：大气稀薄，表面气压不到地球海平面气压的百分之一。大气中主要成分是二氧化碳，占95.3%，氧和水汽含量极微，分别占0.13%和0.03%。火星上温差很大，白天最高为45℃，夜间最低可达-170℃。这样恶劣的环境条件，地球上没有一种植物能在上面生长发育。为了将来能让人类在上面长期生活和工作，必须对火星环境进行改造。 </p><p>　　对火星的环境改造可采用“蚂蚁啃骨头”的办法，就是用大量的小型环境改造装置对火星进行一点一点的改造。具体的做法是在火星表面建造大量的小型温室。这种小型温室相似于我国农民田里种菜时建的塑料棚，不过它是圆形，直径14～18米，由透明的双层纤维塑料制成。塑料棚里面白天温度升高，夜里温度也不会降低太多，棚内大气压力维持在60～70毫巴以上。塑料棚里面就是一个小型生态系统，里面不仅有生物，而且还有适合于这种生物生存的环境，特别是里面的植物能进行正常的光合作用。塑料棚不仅能保证棚内小型生态系统的稳定性，而且还与外界火星环境有一定程度的气体交流。通过这种有控制的气体交流，小型温室不断地吸收外面的二氧化碳，同时又能定期释放出氧气和一些有机物质。小型温室在火星表面就相当于沙漠中的绿洲，绿洲虽小，但因为数量极大，因此也能慢慢地、一点一点地改造火星环境。 </p><p>　　如果将小型温室里面的植物改成农作物，既可改造火星环境，又可为火星居民提供粮食和蔬菜，成为一举两得的一大发明。 （吴国兴）</p><p>　　来源：《太空探索》杂志</p><br />