在太空中食物吃完了怎么辦 或許可以“吃”小行星！

出品：科普中國(guó)

作者：地星引力

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)知邊界，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，認(rèn)識(shí)令人驚嘆的世界。

航天員的食物從哪來(lái)？

目前長(zhǎng)時(shí)間的太空旅行對(duì)人類來(lái)說依然是非常困難的，除了幽閉的小空間可能會(huì)對(duì)航天員帶來(lái)心理?yè)p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(gè)很大的問題。

如果這些維系生命所必需的物質(zhì)完全由地球補(bǔ)充的話，不僅意味著巨大的成本，也意味著我們對(duì)太空的探索注定無(wú)法走遠(yuǎn)……舉個(gè)例子，根據(jù)一項(xiàng)科學(xué)研究，六位航天員執(zhí)行一次火星任務(wù)，其食物需求將會(huì)重達(dá)12噸（不含包裝的凈重），而即使是運(yùn)載成本較低的SpaceX，其每千克載重的成本也高達(dá)2720美元。

如果說載人探索火星還屬于我們咬咬牙就能夠到的水平，那未來(lái)要探索木星、土星這種更遙遠(yuǎn)的行星，甚至是外太陽(yáng)系，其成本將會(huì)高到完全無(wú)法承受的地步，而且補(bǔ)給的時(shí)效性也會(huì)非常低下。

正因如此，人們對(duì)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(shí)現(xiàn)的太空農(nóng)場(chǎng)——直接在空間站或航天器中種植植物并收獲——已經(jīng)在中國(guó)和美國(guó)的兩個(gè)空間站中進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，并已經(jīng)在太空中培育出了多種蔬菜，美國(guó)的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(guó)空間站上產(chǎn)出的蔬菜

（圖片來(lái)源：CCTV）

除了蔬菜之外，人們還試圖在太空中養(yǎng)殖藻類、蘑菇以及昆蟲等。但這些養(yǎng)殖或種植設(shè)備都需要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期維護(hù)來(lái)模擬地球生態(tài)系統(tǒng)，才能讓動(dòng)植物們?cè)谠O(shè)備中正常生長(zhǎng)，而且若要做到在太空中實(shí)現(xiàn)食物自給自足，目前的設(shè)備產(chǎn)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要增加設(shè)備體積和數(shù)量，但無(wú)疑這會(huì)占據(jù)大量航天器空間。

國(guó)際空間站上進(jìn)行蔬菜種植的設(shè)備（Veggie）

（圖片來(lái)源：NASA）

國(guó)際空間站中種植出來(lái)的辣椒

（圖片來(lái)源：ISS Research）

為了尋找更加簡(jiǎn)便又節(jié)省空間和成本的方法，有科學(xué)家將目光投向了小行星——從小行星開采有機(jī)物，經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后喂食給細(xì)菌，細(xì)菌會(huì)消化它們，并形成人類可食用的有機(jī)物。

并沒有開玩笑，小行星中也有有機(jī)物！

人類對(duì)小行星的研究已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)百年——雖然當(dāng)時(shí)我們無(wú)法直接從小行星獲取樣本，但這并不妨礙它們自己過來(lái)找我們——每年都會(huì)有大量小行星的碎片墜落到地球上，我們將其稱之為隕石，根據(jù)估算，每年墜落的隕石數(shù)量高達(dá)1.7萬(wàn)顆。

通過長(zhǎng)久的研究，科學(xué)家們將隕石按照成分大類分為：石隕石，石鐵隕石，鐵隕石這三大類，并依據(jù)隕石中的具體結(jié)構(gòu)和成分，更進(jìn)一步將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(jié)構(gòu)，將其分為球粒隕石和無(wú)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(jù)統(tǒng)計(jì)，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(lái)源：Wikipedia）

這些隕石中的球粒被認(rèn)為在太陽(yáng)系形成之初，由星云物質(zhì)直接冷卻形成的，它們形成后由小球粒結(jié)合形成小個(gè)頭的小行星，小行星們又互相碰撞生長(zhǎng)形成如今太陽(yáng)系內(nèi)的巖質(zhì)行星。而那些未能形成巖質(zhì)行星的小行星們則集中在了小行星帶。

由于墜落在地球上的球粒隕石的高比例，可以推斷在小行星帶內(nèi)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(yáng)系內(nèi)最古老的固體物質(zhì)之一，對(duì)于研究太陽(yáng)系早期的歷史具有重大意義，科學(xué)家們對(duì)球粒隕石的研究非常上心，并對(duì)它們的成分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

他們將球粒隕石分為15個(gè)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(zhì)球粒隕石中，在這些隕石中含有非常高濃度的有機(jī)化合物，有些隕石中有機(jī)物可能占其重量的5%左右。

其中被研究得很深的碳質(zhì)球粒隕石包括默奇森隕石（Murchison）和塔吉什湖隕石（Tagish Lake ），科學(xué)家們?cè)谒鼈冎邪l(fā)現(xiàn)了包括酮、烷烴、羧酸、氨基酸、甲烷以及多環(huán)芳烴在內(nèi)的多種小分子有機(jī)物，但是其中絕大部分有機(jī)物都是大分子有機(jī)物，默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機(jī)物成分見下圖。

圖：默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機(jī)物成分（圖片來(lái)源：自制）

在發(fā)現(xiàn)這些有機(jī)物之初，自然引發(fā)了全球的歡呼，這讓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(lái)自外星，因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們認(rèn)為只有生命過程才能形成有機(jī)物。但是很快，詳細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)，在自然狀態(tài)下，化學(xué)反應(yīng)也能形成有機(jī)物，比如氨基酸的形成就僅需一些簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物：

由簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物形成氨基酸（最右側(cè)化學(xué)式）的化學(xué)反應(yīng)方程式

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

此外，這些有機(jī)物均由自然的化學(xué)反應(yīng)形成的另外的證據(jù)還包括：隕石和地球上的同種有機(jī)物在分子結(jié)構(gòu)上是存在差異的，許多都是同分異構(gòu)體（分子式相同，結(jié)構(gòu)不同）；手性不同，隕石中的有機(jī)物既有左旋，也有右旋，但地球上由生命形成的有機(jī)物都只有左旋結(jié)構(gòu)。

氨基酸的手性示意圖，它們的結(jié)構(gòu)鏡像對(duì)稱，但是無(wú)法通過平移重合到一起

（圖片來(lái)源：上，Wikipedia，下，作者）

而且隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)家們也開始在遙遠(yuǎn)的星云中也發(fā)現(xiàn)了有機(jī)物的信號(hào)，這一切都在告訴著我們，有機(jī)物在宇宙中是廣泛存在的。時(shí)至今日，隕石中、宇宙中存在有機(jī)物這種事情已經(jīng)成為科學(xué)界的常識(shí)。

那么問題來(lái)了，怎么才能“吃掉”小行星？

由于這些隕石中含量最大的有機(jī)物都是一些類似塑料的大分子有機(jī)物，直接吃肯定是不現(xiàn)實(shí)的，因此科學(xué)家們借鑒了一個(gè)最新實(shí)現(xiàn)的塑料的微生物處理實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，人們將塑料加熱（400-900℃）熱解，讓大分子的長(zhǎng)鏈有機(jī)物破壞形成一系列低分子量的碳?xì)浠衔?，然后利用?xì)菌處理這些碳?xì)浠衔?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)菌能正常消化這些碳?xì)浠衔铮⒋罅糠敝场?/p>

科學(xué)家們認(rèn)為，未來(lái)航天員也利用熱解的方式處理開采出來(lái)的富含碳質(zhì)球粒的小行星礦物，然后利用細(xì)菌消化這些物質(zhì)，由于細(xì)菌生長(zhǎng)極為快速，因此它們將會(huì)源源不斷為航天員提供足夠的食物。

此外，就在今年，還有科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果直接將隕石打碎成粉，在缺氧條件下，假單胞菌科的一些細(xì)菌甚至能直接利用這些隕石粉末生存并長(zhǎng)期繁殖下來(lái)。

這些實(shí)驗(yàn)都證明，利用細(xì)菌“吃”小行星，人來(lái)吃細(xì)菌產(chǎn)生的生物質(zhì)，這可能是一個(gè)有前途的太空食物方案。

**為了搞清楚小行星能提供多少有機(jī)物，科學(xué)家們以小行星貝努（101955 Bennu）為例進(jìn)行了計(jì)算。**小行星貝努是人類目前已經(jīng)登陸并取回樣本的兩顆小行星之一，另一顆為龍宮（162173 Ryugu），貝努的直徑小于500米，質(zhì)量為7760萬(wàn)，且其成分與碳質(zhì)球粒隕石成分相似。

小行星貝努

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

經(jīng)過計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)，僅小行星貝努，在最低效率的情況下產(chǎn)生的生物質(zhì)，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。

在通過換算后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在最低效率情況下，為了供應(yīng)一位航天員一年的食物需求，需要處理大約16萬(wàn)噸小行星礦物，在最高效率情況下，則僅需要處理5000噸小行星礦物。

通過計(jì)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(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

雖然這個(gè)研究看上去很有前途，但未來(lái)的航天員如果真的在執(zhí)行長(zhǎng)期任務(wù)時(shí)必須以細(xì)菌為生的話，這多少慘了點(diǎn)吧？

未來(lái)還需更多探索

發(fā)現(xiàn)小行星作為未來(lái)航天員食物來(lái)源的潛在價(jià)值不僅是對(duì)傳統(tǒng)太空食品供應(yīng)體系的一次革新，更是人類適應(yīng)極端環(huán)境、實(shí)現(xiàn)星際旅行夢(mèng)想的重要一步。

當(dāng)然，將小行星轉(zhuǎn)化為食物來(lái)源仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)與倫理考量，讓我們以開放的心態(tài)和不懈的努力，繼續(xù)在這條充滿未知與奇跡的太空探索之路上前行。或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，小行星將不再僅僅是宇宙中的孤獨(dú)旅者，而是人類探索宇宙的親密伙伴。

參考文獻(xiàn)：

1.Pilles E, Nicklin R I, Pearce J M. How we can mine asteroids for space food[J]. International Journal of Astrobiology, 2024, 23: e16.