准备一：生活物资与技术

张唯诚

2035年，马克·沃特尼发现自己被困在了火星上，他的同伴们认为他死了，撤离时把他留在了这颗红色星球上。马克·沃特尼在火星上挣扎多年，独自面对辐射、风暴和食物短缺。

食物短缺得到了解決，沃特尼是植物学家，他学会了在火星上种土豆。种苗来自他的感恩节晚餐，水出自剩余的火箭燃料，肥料则来自他的排泄物。

这段故事是小说和电影《火星救援》中的情节，是科学幻想，然而是有事实依据的。美国航空航天局在20世纪八九十年代就研究过用土豆作为太空生活的潜在作物。虽然至今也没有人在火星上种植土豆，但科学家已经在开发能在太空中种植食物的装置了。

为什么他们要这样做呢？原来人们很可能就要去火星旅行了。这件事可能会在你的有生之年变成现实。美国航空航天局的计划是，在20世纪30年代将人送上火星，而私人太空公司SpaceX也可能最早于2024年将首艘载人飞船送上火星。

建造“太空菜园”

但是把人送上火星比把人送上月球面临更大的挑战。为了登陆火星，人们首先要解决很多问题，而到达火星只是其中的一个目标而已。除此之外，人们还必须确定火星旅行所需的食物和水从何而来；当太空旅行者飞离地球百万千米之遥时，他们又如何得到突然需要的工程上的帮助。 这些都是艰巨的任务，但现在，世界各地的研究人员正在着手解决这些问题。

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381千米的轨道上，国际空间站正在绕地球飞行。在那里，宇航员可以待上几个星期或者几个月，他们的任务包括科学实验和设备测试。那些设备可能对未来的月球探索、小行星探索、火星探索以及更远的太空任务有所帮助。

假如你参观国际空间站，你吃的几乎每一粒粮食都是从地球上运来的。然而也有例外，那就是绿叶蔬菜，这是在国际空间站上种植的第一批食物。

在太空中种植蔬菜有很多好处，除了为宇航员提供新鲜食物外，它还可以通过循环空气和水为宇航员提供生命支持。除此之外还有其他益处，植物学家、美国航空航天局素食项目负责人焦亚·马萨说，“在太空中侍弄植物可能还会给宇航员带来心理上的好处”。

正如马克·沃特尼在火星上所做的，土豆是很好的太空食物，它们含有适量的蛋白质、一些维生素和其他营养素，它们也富含碳水化合物（糖和淀粉）。虽然你不能只靠土豆存活，但它们可以让你免受饥饿。

不过，土豆也有缺点，它们需要煮熟后才能食用，所需的生长空间也很大，所以马萨和她的同事想从更简单的事情开始：种植生菜。

2014年，马萨及其同事给国际空间站的宇航员送去了一个“菜园”。生菜种子被放在一种“植物枕头”中，里面有烤黏土和肥料，加上水，再来一些人造光，瞧！生菜在太空中生长了！

但是宇航员不能食用它。

他们必须把所有收成送回地球去研究。第二年，美国航空航天局的科学家证实这种食物是安全的，于是宇航员又种了第二茬生菜。这一次，他们被允许享用它们了。宇航员把生菜放进汉堡包里，还用生菜卷龙虾沙拉。马萨说：“他们确实很有创造力。”

太空与地球不同，这一点儿也不奇怪。那里没有重力，植物不知道朝哪个方向生长，但它们会适应，它们把嫩芽朝向有光亮的地方，根却向相反的方向延伸。“太空菜园”必须保持空气流通，否则氧气会聚集在植物周围，导致植物没有足够的二氧化碳进行光合作用。

科学家也很难给植物提供足够的水。“植物枕头”中含有种子、黏土和肥料，能从蓄水池中取水；但取水的效率有限，所以宇航员需要亲手给植物浇水。现在，马萨和她的团队正在重新设计灌溉系统。

国际空间站的宇航员也种植大白菜和花卉。除了可供欣赏之外，这些植物还帮助科学家研究植物是否能在太空中开花。搞清楚这一点非常重要，因为开花是植物繁殖的方式，也是植物生产果实的环节。

未来的太空作物还将包括日本芜菁和樱桃番茄。宇航员不得不用小刷子为它们授粉。“这里没有蜜蜂。”马萨说。将来有一天，他们可能还会种植辣椒和香草。

虽然现在的蔬菜园规模很小，但它最终将帮助宇航员完成远距离太空任务或者在火星上建立殖民地。马萨说：“我们现在做的一切都还是基础的工作。”

制造强大的引擎

从地球到国际空间站只需要不到1天时间，但火星之旅可能需要1年，还要携带大量燃料。化学引擎只适合发射火箭以将太空船推向太空，但并不擅长将航天器推往另一颗行星，而地球和火星之间也没有“加油站”。美国航空航天局的核动力工程师比尔·埃姆里奇就职于马歇尔太空飞行中心，他说：“假如你在旅行的时候需要把几乎所有燃料都带在身边，那么你想要的就是一种了不起的引擎，它可以让每升汽油尽量跑得远一些。”

埃姆里奇说，要做到这一点，你必须发展核能。好的引擎可以使用非常轻的气体，比如氢气，并在核反应堆中将其加热到极高的温度。这种炽热的气体通过一个喷嘴喷出，推动航天器前进。埃姆里奇解释说：“温度越高，气体从喷嘴中喷出的效率就越高。与此同时，气体越轻，效率也越高。”

核引擎不仅效率高，而且速度快。目前，无人驾驶的宇宙飞船已经使用了离子引擎，它把航天器送到了外太阳系。它的工作原理是通过加速喷射带电粒子或离子来推动宇宙飞船航行。这种系统把人送上火星需要1年时间，而核热引擎可以更快，只需要四五个月。

要想达到这样的目标，一艘大型宇宙飞船需要大约230克铀燃料。铀具有放射性，但铀燃料并不危险。埃姆里奇说，“你可以把它握在手里，它不会伤害你”。然而一旦反应堆开始运作，它就会通过裂变分裂成其他元素，那时你就要小心了。“那些裂变产物真的有很强的放射性，它们制造死亡。它们并非来自铀本身，而是来自裂变的副产品。”埃姆里奇说。

这个系统还将消除一个很大的隐患：即使飞船发射时发生了爆炸，地球的环境也是安全的， 这是因為飞船将使用传统的火箭燃料发射升空。在进入太空之前，这个核加热的引擎不会被启动。所以，如果发生了爆炸，放射性物质只会喷射到太空中去。

目前，科学家正在不同的领域里工作着。埃姆里奇和他的同事研究铀燃料，其他人开发和测试反应堆，还有人研究将反应堆整合进推进系统中的方法。建造下一代太空引擎需要时间，埃姆里奇说，“如果资金充足，这些工作有可能在10年至15年之内完成”。

带上3D打印机

既然要前往火星，宇航员就不得不携带他们需要的所有东西。他们也许能从这颗红色星球上获得一些原料，但使用这些原料也是需要方法和技术的。尼基·沃克海瑟是美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的科学家，她说：“和前往离家相对较近的地方不同，前往火星，我们必须拥有更强的独立能力。”

例如国际空间站，其上的宇航员如果需要一个特殊的工具，他们必须等待下一次补给的到来，这可能要等上几个月甚至更长时间。为此，沃克海瑟希望改变这一状况，她将3D打印机带到了太空。通过3D打印机，宇航员只需按一下按钮就可以制造他们需要的工具了。

3D打印机在原理上有点像热熔胶枪。在电脑上设计好图案后，打印机将一层聚合物喷射到一个托盘上，待定型后，打印机再添加另一层。这样一层层地添加，直到形成一个三维的物体。沃克海瑟说：“你可以做一些非常复杂的设计，甚至可以制造装有齿轮和其他部件的任何东西，它们全都是打印出来的。”

在国际空间站上，打印除了可以节省时间和金钱外，还有其他好处。例如为了承受发射时产生的压力，许多工具和设备要用坚固的材料制成。假如它们能够在太空中制造，它们就可以做得更轻更薄，在电子设备、科学仪器中省下更多空间。这种自行制造工具的技术甚至可能是前往月球或火星的必要条件，因为在月球或火星上，备件只能自己制造。

在太空中，打印机的工作状态和在地球上是不同的。例如，你必须用风扇循环空气以冷却正在打印的产品。不过这种不同也并不都是劣势。在地面上，重力实际上导致了一些问题。由于热塑料是柔性的，所以在地球上，为了使物体在冷却时保持直立，打印机有时需要添加支撑结构。然而在太空中，一台打印机就可以在任何方向上顺利工作。

2014年，沃克海瑟的团队将第一台3D打印机送到了国际空间站上。作为测试，打印机打印了桨状的物体。科学家将它们与在地球上的同类打印物进行了比较，沃克海瑟说，“我们的确没有找到任何值得一提的区别”。

沃克海瑟希望推出一款新打印机，它可以用塑料垃圾打印需要的产品。在未来，美国航空航天局希望建立一个制造实验室，它将能打印金属的东西，甚至电子产品。在包括飞往火星的太空探索中，3D打印机将发挥重要的作用。