準備一：生活物資與技術

張唯誠

2035年，馬克·沃特尼發現自己被困在了火星上，他的同伴們認為他死了，撤離時把他留在了這顆紅色星球上。馬克·沃特尼在火星上掙扎多年，獨自面對輻射、風暴和食物短缺。

食物短缺得到了解決，沃特尼是植物學家，他學會了在火星上種土豆。種苗來自他的感恩節晚餐，水出自剩余的火箭燃料，肥料則來自他的排泄物。

這段故事是小說和電影《火星救援》中的情節，是科學幻想，然而是有事實依據的。美國航空航天局在20世紀八九十年代就研究過用土豆作為太空生活的潛在作物。雖然至今也沒有人在火星上種植土豆，但科學家已經在開發能在太空中種植食物的裝置了。

為什么他們要這樣做呢？原來人們很可能就要去火星旅行了。這件事可能會在你的有生之年變成現實。美國航空航天局的計劃是，在20世紀30年代將人送上火星，而私人太空公司SpaceX也可能最早于2024年將首艘載人飛船送上火星。

建造“太空菜園”

但是把人送上火星比把人送上月球面臨更大的挑戰。為了登陸火星，人們首先要解決很多問題，而到達火星只是其中的一個目標而已。除此之外，人們還必須確定火星旅行所需的食物和水從何而來；當太空旅行者飛離地球百萬千米之遙時，他們又如何得到突然需要的工程上的幫助。 這些都是艱巨的任務，但現在，世界各地的研究人員正在著手解決這些問題。

目前的太空旅行者并未前往月球或者火星，但在距地球表面381千米的軌道上，國際空間站正在繞地球飛行。在那里，宇航員可以待上幾個星期或者幾個月，他們的任務包括科學實驗和設備測試。那些設備可能對未來的月球探索、小行星探索、火星探索以及更遠的太空任務有所幫助。

假如你參觀國際空間站，你吃的幾乎每一粒糧食都是從地球上運來的。然而也有例外，那就是綠葉蔬菜，這是在國際空間站上種植的第一批食物。

在太空中種植蔬菜有很多好處，除了為宇航員提供新鮮食物外，它還可以通過循環空氣和水為宇航員提供生命支持。除此之外還有其他益處，植物學家、美國航空航天局素食項目負責人焦亞·馬薩說，“在太空中侍弄植物可能還會給宇航員帶來心理上的好處”。

正如馬克·沃特尼在火星上所做的，土豆是很好的太空食物，它們含有適量的蛋白質、一些維生素和其他營養素，它們也富含碳水化合物（糖和淀粉）。雖然你不能只靠土豆存活，但它們可以讓你免受饑餓。

不過，土豆也有缺點，它們需要煮熟后才能食用，所需的生長空間也很大，所以馬薩和她的同事想從更簡單的事情開始：種植生菜。

2014年，馬薩及其同事給國際空間站的宇航員送去了一個“菜園”。生菜種子被放在一種“植物枕頭”中，里面有烤黏土和肥料，加上水，再來一些人造光，瞧！生菜在太空中生長了！

但是宇航員不能食用它。

他們必須把所有收成送回地球去研究。第二年，美國航空航天局的科學家證實這種食物是安全的，于是宇航員又種了第二茬生菜。這一次，他們被允許享用它們了。宇航員把生菜放進漢堡包里，還用生菜卷龍蝦沙拉。馬薩說：“他們確實很有創造力。”

太空與地球不同，這一點兒也不奇怪。那里沒有重力，植物不知道朝哪個方向生長，但它們會適應，它們把嫩芽朝向有光亮的地方，根卻向相反的方向延伸。“太空菜園”必須保持空氣流通，否則氧氣會聚集在植物周圍，導致植物沒有足夠的二氧化碳進行光合作用。

科學家也很難給植物提供足夠的水。“植物枕頭”中含有種子、黏土和肥料，能從蓄水池中取水；但取水的效率有限，所以宇航員需要親手給植物澆水。現在，馬薩和她的團隊正在重新設計灌溉系統。

國際空間站的宇航員也種植大白菜和花卉。除了可供欣賞之外，這些植物還幫助科學家研究植物是否能在太空中開花。搞清楚這一點非常重要，因為開花是植物繁殖的方式，也是植物生產果實的環節。

未來的太空作物還將包括日本蕪菁和櫻桃番茄。宇航員不得不用小刷子為它們授粉。“這里沒有蜜蜂。”馬薩說。將來有一天，他們可能還會種植辣椒和香草。

雖然現在的蔬菜園規模很小，但它最終將幫助宇航員完成遠距離太空任務或者在火星上建立殖民地。馬薩說：“我們現在做的一切都還是基礎的工作。”

制造強大的引擎

從地球到國際空間站只需要不到1天時間，但火星之旅可能需要1年，還要攜帶大量燃料。化學引擎只適合發射火箭以將太空船推向太空，但并不擅長將航天器推往另一顆行星，而地球和火星之間也沒有“加油站”。美國航空航天局的核動力工程師比爾·埃姆里奇就職于馬歇爾太空飛行中心，他說：“假如你在旅行的時候需要把幾乎所有燃料都帶在身邊，那么你想要的就是一種了不起的引擎，它可以讓每升汽油盡量跑得遠一些。”

埃姆里奇說，要做到這一點，你必須發展核能。好的引擎可以使用非常輕的氣體，比如氫氣，并在核反應堆中將其加熱到極高的溫度。這種熾熱的氣體通過一個噴嘴噴出，推動航天器前進。埃姆里奇解釋說：“溫度越高，氣體從噴嘴中噴出的效率就越高。與此同時，氣體越輕，效率也越高。”

核引擎不僅效率高，而且速度快。目前，無人駕駛的宇宙飛船已經使用了離子引擎，它把航天器送到了外太陽系。它的工作原理是通過加速噴射帶電粒子或離子來推動宇宙飛船航行。這種系統把人送上火星需要1年時間，而核熱引擎可以更快，只需要四五個月。

要想達到這樣的目標，一艘大型宇宙飛船需要大約230克鈾燃料。鈾具有放射性，但鈾燃料并不危險。埃姆里奇說，“你可以把它握在手里，它不會傷害你”。然而一旦反應堆開始運作，它就會通過裂變分裂成其他元素，那時你就要小心了。“那些裂變產物真的有很強的放射性，它們制造死亡。它們并非來自鈾本身，而是來自裂變的副產品。”埃姆里奇說。

這個系統還將消除一個很大的隱患：即使飛船發射時發生了爆炸，地球的環境也是安全的， 這是因為飛船將使用傳統的火箭燃料發射升空。在進入太空之前，這個核加熱的引擎不會被啟動。所以，如果發生了爆炸，放射性物質只會噴射到太空中去。

目前，科學家正在不同的領域里工作著。埃姆里奇和他的同事研究鈾燃料，其他人開發和測試反應堆，還有人研究將反應堆整合進推進系統中的方法。建造下一代太空引擎需要時間，埃姆里奇說，“如果資金充足，這些工作有可能在10年至15年之內完成”。

帶上3D打印機

既然要前往火星，宇航員就不得不攜帶他們需要的所有東西。他們也許能從這顆紅色星球上獲得一些原料，但使用這些原料也是需要方法和技術的。尼基·沃克海瑟是美國航空航天局馬歇爾太空飛行中心的科學家，她說：“和前往離家相對較近的地方不同，前往火星，我們必須擁有更強的獨立能力。”

例如國際空間站，其上的宇航員如果需要一個特殊的工具，他們必須等待下一次補給的到來，這可能要等上幾個月甚至更長時間。為此，沃克海瑟希望改變這一狀況，她將3D打印機帶到了太空。通過3D打印機，宇航員只需按一下按鈕就可以制造他們需要的工具了。

3D打印機在原理上有點像熱熔膠槍。在電腦上設計好圖案后，打印機將一層聚合物噴射到一個托盤上，待定型后，打印機再添加另一層。這樣一層層地添加，直到形成一個三維的物體。沃克海瑟說：“你可以做一些非常復雜的設計，甚至可以制造裝有齒輪和其他部件的任何東西，它們全都是打印出來的。”

在國際空間站上，打印除了可以節省時間和金錢外，還有其他好處。例如為了承受發射時產生的壓力，許多工具和設備要用堅固的材料制成。假如它們能夠在太空中制造，它們就可以做得更輕更薄，在電子設備、科學儀器中省下更多空間。這種自行制造工具的技術甚至可能是前往月球或火星的必要條件，因為在月球或火星上，備件只能自己制造。

在太空中，打印機的工作狀態和在地球上是不同的。例如，你必須用風扇循環空氣以冷卻正在打印的產品。不過這種不同也并不都是劣勢。在地面上，重力實際上導致了一些問題。由于熱塑料是柔性的，所以在地球上，為了使物體在冷卻時保持直立，打印機有時需要添加支撐結構。然而在太空中，一臺打印機就可以在任何方向上順利工作。

2014年，沃克海瑟的團隊將第一臺3D打印機送到了國際空間站上。作為測試，打印機打印了槳狀的物體。科學家將它們與在地球上的同類打印物進行了比較，沃克海瑟說，“我們的確沒有找到任何值得一提的區別”。

沃克海瑟希望推出一款新打印機，它可以用塑料垃圾打印需要的產品。在未來，美國航空航天局希望建立一個制造實驗室，它將能打印金屬的東西，甚至電子產品。在包括飛往火星的太空探索中，3D打印機將發揮重要的作用。