今天小編分享的科學經驗：航天員如何在太空中自給自足？或許可以“吃”小行星！，歡迎閱讀。
科技飛速發展的今天，長時間的太空旅行對人類來說依然是非常困難的，除了幽閉的小空間可能會對航天員帶來心理損傷之外，航天器有限的載重如何在人員、水、空氣以及食物之間取得平衡也是一個很大的問題。
航天員的食物從哪裡來？
如果這些維系生命所必需的物質完全由地球補充的話，不僅意味着巨大的成本，也意味着我們對太空的探索注定無法走遠……舉個例子，根據一項科學研究，六位航天員執行一次火星任務，其食物需求将會重達 12 噸（不含包裝淨重），而即使是運載成本較低的 SpaceX，其每千克載重的成本也高達 2720 美元。
如果說載人探索火星還屬于我們咬咬牙就能夠達到的水平，那未來要探索木星、土星這種更遙遠的行星，甚至是外太陽系，其成本将會高到完全無法承受的地步，而且補給的時效性也會非常低下。
正因如此，人們對太空食物的研究從未停下腳步，比如在目前條件下最容易實現的太空農場，即直接在空間站或航天器中種植植物并收獲食物，已經在中國和美國的兩個空間站内進行了多次實驗，并已經在太空中培育出了多種蔬菜，美國航天員甚至早已在太空吃到了他們種下的生菜、胡蘿卜和辣椒等蔬菜。
中國空間站上產出的蔬菜。圖片來源：CCTV
除了蔬菜之外，人們還試圖在太空中養殖藻類、蘑菇以及昆蟲等，但這些養殖或種植設備都需要進行復雜的設計和長期的維護來模拟地球生态系統，才能讓動植物們在設備中正常生長，若要做到在太空中實現食物自給自足，目前的設備產量還遠遠不夠，還需要增加設備體積和數量，這無疑會占據大量航天器空間。
左圖：國際空間站上進行蔬菜種植的設備（Veggie）。圖片來源：NASA
右圖：國際空間站中種植出來的辣椒。圖片來源：ISS Research
為了尋找更加簡便又節省空間和成本的方法，有科學家将目光投向了小行星：從小行星開采有機物，經過簡單處理後喂食給細菌，細菌會消化它們，并形成人類可食用的有機物。
小行星中也有有機物
人類對小行星的研究已經進行了數百年，雖然當時我們無法直接從小行星獲取樣本，但這并不妨礙它們自己過來找我們，每年都會有大量小行星的碎片墜落到地球上，我們将其稱之為隕石，根據估算，每年墜落的隕石數量高達 1.7 萬顆。
經過長期研究，科學家們将隕石按照成分分為三大類：石隕石，石鐵隕石，鐵隕石，并依據隕石中的具體結構和成分，進一步将這三大類隕石分為更多的隕石組，比如，在石隕石之下又按照隕石的結構，将其分為球粒隕石和無球粒隕石，球粒隕石指的就是隕石中存在球狀顆粒的類型。據統計，墜落在地球上的隕石中有 86% 都是球粒隕石。
Allende 隕石上的球粒。圖片來源：Wikipedia
這些隕石中的球粒被認為在太陽系形成之初，由星雲物質直接冷卻形成的，它們形成後由小球粒結合形成小個頭的小行星，小行星們又互相碰撞生長，形成如今太陽系内的岩質行星，而那些未能形成岩質行星的小行星們則集中在了小行星帶。
根據墜落在地球上的球粒隕石的高比例，可以推斷在小行星帶内的絕大部分小行星的成分也都與球粒隕石類似，而且由于球粒是太陽系内最古老的固體物質之一，對于研究太陽系早期的歷史具有重大意義，科學家們對球粒隕石的研究非常上心，并對它們的成分結構進行了詳細分析。
他們将球粒隕石分為 15 個不同的隕石組（CI，CM，CO，CV，CK，CR，CH，CB，H，L，LL，EH，EL，R 和 K），其中以 C 開頭的被歸為碳質球粒隕石，在這些隕石中含有濃度非常高的有機化合物，有些隕石中有機物可能占其重量的 5% 左右。
其中，被研究得很深的碳質球粒隕石包括默奇森隕石（Murchison）和塔吉什湖隕石（Tagish Lake），科學家們在它們中發現了包括酮、烷烴、羧酸、氨基酸、甲烷以及多環芳烴在内的多種小分子有機物，但是其中絕大部分有機物都是大分子有機物，默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機物成分見下圖。
默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機物成分。圖片來源：作者自制
這些有機物在剛被發現的時候，引發了全球歡呼，人們紛紛相信在外星存在生命，甚至就連地球上的生命也都來自外星，因為當時人們認為只有生命過程才能形成有機物。但是很快，經過詳細的研究發現，在自然狀态下，化學反應也能形成有機物，比如氨基酸的形成就僅需一些簡單的無機物：
由簡單無機物形成氨基酸（最右側化學式）的化學反應方程式。圖片來源：Wikipedia
此外，這些有機物均由自然的化學反應形成的證據還包括：隕石和地球上的同種有機物在分子結構上是存在差異的，許多都是同分異構體（分子式相同，結構不同）；手性不同，隕石中的有機物既有左旋，也有右旋，但地球上由生命形成的有機物都只有左旋結構。
氨基酸的手性示意圖，它們的結構鏡像對稱，但是無法通過平移重合到一起。
圖片來源：Wikipedia，作者
而且随着科技的進步，科學家們也開始在遙遠的星雲中發現了有機物的信号，這一切都在告訴我們，有機物在宇宙中是廣泛存在的。時至今日，隕石中、宇宙中存在有機物這件事已經成為科學界的常識。
怎麼才能 " 吃掉 " 小行星？
由于這些隕石中含量最大的有機物都是一些類似塑料的大分子有機物，直接 " 吃 " 肯定是不現實的，因此科學家們借鑑了一個最新實現的塑料微生物處理實驗。在這個實驗中，人們将塑料熱解（400 ℃ -900 ℃），讓大分子的長鏈有機物破壞形成一系列低分子量的碳氫化合物，然後利用細菌處理這些碳氫化合物，結果發現細菌能正常消化這些碳氫化合物，并大量繁殖。
科學家們認為，未來航天員也可以利用熱解的方式處理開采出來的富含碳質球粒的小行星礦物，然後利用細菌消化這些物質，由于細菌生長速度極快，它們将會源源不斷的為航天員提供足夠的食物。
此外，就在今年，還有科學家通過實驗發現，如果直接将隕石打碎成粉，在缺氧條件下，假單胞菌科的一些細菌甚至能直接利用這些隕石粉末生存并長期繁殖下來。
這些實驗都證明，先利用細菌 " 吃 " 小行星，人再 " 吃 " 細菌產生的生物質，這可能是一個前景廣闊的太空食物方案。
為了搞清楚小行星能提供多少有機物，科學家們以小行星（101955）貝努（Bennu）為例進行了計算。小行星貝努是人類目前已經登陸并取回樣本的兩顆小行星之一，另一顆為小行星（162173）龍宮（Ryugu），貝努的直徑小于 500 米，質量為 7760 萬，且其成分與碳質球粒隕石成分相似。
小行星貝努。圖片來源：Wikipedia
經過計算，他們發現，僅小行星貝努在最低效率情況下產生的生物質，足夠 631 位航天員一年的食物消耗，而在最高效率的情況下，足夠 17000 位航天員一年的食物消耗。
通過換算後科學家發現，在最低效率情況下，為了供應一位航天員一年的食物需求，需要處理大約 16 萬噸小行星礦物；在最高效率情況下，則僅需處理 5000 噸小行星礦物。
通過計算得到的小行星貝努能提供的最低（橘色方框）和最高（紅色方框）食物量。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
雖然這個研究看上去很有前途，但未來的航天員如果真的在執行長期任務時必須以細菌為生的話，這多少慘了點吧？
未來還需更多探索
發現小行星作為未來航天員食物來源的潛在價值不僅是對傳統太空食品供應體系的一次革新，更是人類适應極端環境、實現星際旅行夢想的重要一步。
當然，将小行星轉化為食物來源仍面臨諸多技術挑戰與倫理考量，讓我們以開放的心态和不懈的努力，繼續在這條充滿未知與奇迹的太空探索之路上前行。或許在不遠的将來，小行星将不再僅僅是宇宙中的孤獨旅者，而是人類探索宇宙的親密夥伴。
參考文獻
Pilles E, Nicklin R I, Pearce J M. How we can mine asteroids for space food [ J ] . International Journal of Astrobiology, 2024, 23: e16.
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨地星引力
監制丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
審校丨徐來 林林
本文封面圖片及文内圖片來自版權圖庫
轉載使用可能引發版權糾紛
原創圖文轉載請後台回復 " 轉載 "
點亮 " 在看 "
一起漲知識！
