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皇冠登1登2登3(www.860123456.com):在太空里吃些啥?看看科学家们的莳植试验_Filecoin交易所

admin3个月前55

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宇航员们在外太空若何生计?科学家们睁开了在外太空莳植农产物的种种试验。

要成为“星际物种”,我们需要找到在太空环境中可连续莳植粮食的方式。

三年后,美国国家航空航天局(NASA)将把宇航员送往月球,这是阿波罗时代以来的第一次。这项名为Artemis III的义务现在设计于2024年10月发射,作为NASA将“第一个女人和下一个男子”送上月球外面目的的一部门。

除此之外,NASA的阿尔忒弥斯设计还呼吁确立所有需要的基础设施,以实现“可连续的月球探测设计”。这将包罗制作月球通道,一个允许定期往返月球外面的轨道栖息地,以及阿尔忒弥斯基地――这将允许宇航员们耐久停留在月球外面。

为了实现这些目的,NASA正忙于开发和测试半个世纪以来首次将宇航员带出近地轨道(LEO)的所有部件,如太空发射系统(SLS)和猎户座航天器。

除了NASA,欧洲航天局(ESA)、俄罗斯联邦航天局(Rosco *** os)、中国国家航天局(CNSA)和印度空间研究组织(ISRO)等航天机构都有将宇航员送上月球的设计。一些人甚至设计在月球的南极区域确立一个永远的月球定居点(好比欧空局的国际月球村)。

除此之外,美国国家航空航天局(NASA)和其他太空机构也在深入研究人类若何在太空中耐久生涯和事情。这意味着要设计出能够为宇航员提供可呼吸的、温暖且不受环境因素影响的栖息地。

思量到前往月球、火星或其他地方的义务将不能依赖定期的补给义务,这些栖息地也需要尽可能地自给自足。这意味着水和空气需要连续接纳和清洁,一些食物需要在室内莳植。

这就发生了许多问题,由于太空对所有生物来说都是一个异常恶劣的环境。除了常见的危险之外,关于太空中的粮食生产,我们另有许多不知道的器械。然则,随着人类太空探索的新时代即将到来,我们刻意要找到谜底!

1.生涯在太空中的挑战。

太空是一个极其冷落的地方。在低地球轨道(LEO)以外的任何地方,都存在着多种危险,这使得探索变得异常具有挑战性。以月球和火星为例,这两者都是未来探索义务(甚至是定居)的目的地。

月球是地球最靠近的天体邻人,这使它成为最容易、最快、成本最低的目的地。与此同时,火星被以为是太阳系中第二相宜栖身的天体。然而,若是没有一些严肃的手艺干预,耐久生涯和事情都是不能能的!

大气层:

首先,月球是一个没有空气的天体。虽然从外面倾轧气体发生的压力很小,但险些可以忽略到靠近真空的水平。另一方面,火星有大气层,但据我们所知也不能维持生命的存活。

首先,火星外面的大气压力不到地球海平面(101.325 kPa对0.655 kPa)的1%。这种极稀薄的空气也主要由二氧化碳(96%)、3%的氮气、1.6%的氩气和水蒸气组成,只有微量的氧气。因此,火星的大气层不仅太稀薄,无法呼吸,而且对于人类和动物来说,它是一种有毒的烟雾!

温度:

在地球上,我们浓密的大气层,驱动它的动力(又名:天气)、二氧化碳和其他温室气体的水平确保了温度随着时间的推移相对稳固。固然,有区域和年度的转变,但总体上,转变的水平并不极端。

凭证天下气象组织(WMO)的数据,地球平均气温约为14摄氏度(57华氏度)。然而,它们也会从最小的-128.6°F到最大的134°F(-89.2°C到56.7°C)――即总的局限是262.6°F。(146°C)

在月球上,外面温度平均在-9.4°F(-23°C)左右,在阳光直射下从-280°F到243°F(-173°C到117°C)。从极冷到滚烫,总温度局限为523°F(290°C)。天气转变得太猛烈了!

火星的情形或许会好一点。在这颗红色星球上,气温平均在-82°F(-63°C)左右,夏日中午从-226°F到95°F。从极冷到温暖,总温度局限为321°F。(178°C)

辐射:

在地球上,生涯在蓬勃国家的人们平均每年受到约620mrem(6.2mSv)的辐射,相当于天天1.7mrem(0.017 mSv)。凭证最近的一项研究,在没有大气或磁场珍爱的情形下,月球的远侧受到的辐射是地球上蓬勃国家的人们受到的200到1000倍!

再一次,火星上的情形要好一些,但一定不是最好的!2008年,美国宇航局举行了一项研究,显示火星上的宇航员(或殖民者)平均每年露出在2667mrem(26.67mSv)或天天0.073 mSv的辐射中――这是这个数字的4.3%。

微重力:

虽然针对上述所有挑战都有预先存在的战略,但仍然存在严重性问题。国际空间站(ISS)上正在举行的研究解释,耐久露出在微重力下会对宇航员的康健发生有害影响――从肌肉和骨骼到心脏康健和心理疾病。

然而,月球引力和火星引力对地球生命康健的耐久影响还没有被很好地明白。在月球和火星上,重力划分是我们在地球上履历的重力的16.6%(0.166克)和38%(0.376克)。

2.食物,无上荣光的食物。

虽然可以有掌握地假设效果是相似的,但对于食物而言,我们仍需要做大量的研究。我们需要领会对于食物而言,上述对于人类可能发生的影响将若何以及何时生效,它们可能会连续多久,它们若何(或是否)可以逆转,以及从久远来看,可以做些什么来缓解它们。

所有这些危害对植物也存在一个潜在的风险,宇航员将依赖植物来提供大部门营养。植物性卵白质的利益是更可连续,资源麋集度更低,许多绿色蔬菜还含有我们离不开的矿物质和营养物质。

然则,若是未来外太空的人也设计在他们的饮食中加入动物卵白,那就意味着家畜,这意味着它们的康健也必须获得保证。在我们弄清晰若何做到这一点之前,需要举行大量的研究。幸运的是,这项研究正在如火如荼地举行着!

3.已往的实验。

生物质生产系统(BPS):

全球BPS环境控制子系统为植物提供了一个生长环境,研究微重力对小麦光互助用和新陈代谢的影响。这项实验从2001年12月连续到2002年6月,目的是观察再生生命维持系统是否可以被纳入未来的月球和火星义务中。

这项历时73天的实验总共收获了8次,效果解释微重力对植物生长并不是一个主要的压力源。然而,国际空间站上生长的未成熟种子与地面上生长的种子之间的对照解释,微重力可能会影响植物的口味和营养价值。

拟南芥根系特征(CARA):

在2014年3月至2014年9月时代举行的这项新的拟南芥根系吸引特征(CARA)实验,在分子和遗传水平上研究了在微重力条件下影响植物根系生长的机制(以及它们在没有光的情形下会若何转变)。

这项实验包罗将一组幼苗露出在阳光下,同时将另一组幼苗置于漆黑中,并检查每种环境若何影响根的生长模式。效果解释,微重力对植物生长激素以及调治细胞巨细和形状的基因都有一定的影响,而这些基因影响根的生长。

重力感知系统:

在地球上,植物对光和重力做出反映来指导它们的根的偏向。全球定位系统实验于2017年9月至2018年10月举行,观察了植物在微重力环境中若何感知重力和光线。

这涉及将正常和突变的研究植物(泰尔水芹)置于国际空间站的欧洲模块化培育系统中,该系统包罗一个用于模拟重力的离心机。这使得研究职员可以在漆黑中交替地让植物遭受微重力和模拟重力(0.006微克到1微克)。

光互助用实验和系统测试操作(PESTO):

在2001年12月至2002年6月时代(与BPS一起)举行的全球光互助用实验和系统测试与操作试验(PESTO)观察了微重力对矮秆小麦植株的影响。

与地球上生长的样品相比,国际空间站上的小麦植株生长得大10%,而叶片生长速率相似。实验还发现,微重力改变了叶片发育、植物细胞和叶绿体(举行光互助用的细胞结构),但对植物无害。

国际植物通用生物处置装置实验室(PGBA):

国际植物通用生物处置装置实验室(PGBA)从2002年6月到2002年12月,研究了微重力对植物细胞壁的一个主要部门(木质素)的影响。它由一个自力的植物生长室组成,提供温度、湿度、养分运送和光线控制。

实验发现植物物质不能正常发育,并确认需要在植物生长室内增强空气质量调治。从中吸收的履历教训为未来所有植物生长实验改善了太空航行植物室设计。

4.当前的实验。

由于靠近地球与其先进的设施和微重力环境,国际空间站(ISS)能够容纳多项实验。除了研究太空旅行对人类的影响外,还在举行多项植物实验。这些实验包罗:

高级植物栖息地:

美国APA于2017年4月最先在国际空间站上运行(并将连续到2021年9月1日)。这是一个全自动闭环系统,旨在举行植物生物科学研究,该系统由美国宇航局和美国轨道手艺公司(ORBITECH)配合开发,由美国宇航局肯尼迪航天中央(KSC)治理。

该系统接纳了一系列LED灯和一个环境控制的生长室,配备了180多个传感器。这使得APA可以在最佳光照条件下莳植植物,同时将实时信息(植物和土壤的温度、氧气含量、二氧化碳含量和水分含量)反馈给KSC的团队。

阿列夫零号(Aleph Zero):

2019年,总部位于以色列的阿列夫农场公司(Aleph Farm)(与俄罗斯公司3D Biopprint Solutions互助)培育了太空中的第一块肉。使用直接从牛细胞打印肉类的工艺,该公司在国际空间站上生产了少量牛肉。

为了在这一乐成的基础上再接再厉,该公司在2020年10月下旬宣布了一项新设计,将在太空中大规模莳植肉类。该项目名为Aleph Zero,该公司正追求与科技公司和太空机构确立战略互助同伴关系。

美国生物实验室(Biolab):

美国生物实验室(Biolab)的实验是作为欧空局哥伦布号模块的一部门交付给国际空间站的,该实验研究了失重在有机体的各个层面上所起的作用,从对单个细胞的影响到包罗人类在内的庞大有机体。

自2008年哥伦布号发射以来,Biolab行使配备离心机的培育箱模拟差异水平的重力,研究了微重力对小型植物、无脊椎动物、微生物、动物细胞和组织培育的影响。

太空中的土壤康健:

农业(空间土壤康健)实验研究了植物种植和康健中另一个经常被忽视的方面――土壤和养分的群集,也被称为控制环境下土壤稳固性的重力效应的测定。

该实验基于美国康奈尔大学农业与生命科学学院的约翰・摩根・艾伦斯博士(Dr. Morgan Irons)和约翰尼斯・莱曼博士(Dr. Johannes Lehamann)以及柏林自由大学的马蒂亚斯・里利格博士(Dr. Matthias Rilling)举行的科学研究。

赞助由诺福克研究所、美国荣鼎科学有限责任公司、美国国家航空航天局、太空科学促进中央提供,资金来自深空生态有限责任公司、荣鼎科学公司、Ebio365和美国兹韦伦伯格-蒂茨基金会。

该实验由三种类型的土壤样本(纤维质的、富含有机物的和富含淤泥/粘土的)组成,漫衍在12个0.135盎司(4毫升)的小瓶中。这些样本由康奈尔大学(富含淤泥/粘土的样本)、BIO365(BIOALL,纤维样本)和里利格实验室的柏林土壤(富含沙子的有机样本)提供。

这些土壤样本被细分为两组,每组六份,被称为“自由浮动”和“限制移动”组。最后,这两组六份样本又被细分为两组,每组三份,划分按各矜持水量的60%和30%浇水。

这项实验的目的是确定微重力对真菌和细菌生长和流动的影响,若是人类想要在地球以外的地方莳植食物,这是必不能少的。该实验的发现者、康奈尔大学土壤和作物科学博士研究生摩根・艾恩斯(Morgan Irons)注释说:

“活的土壤根际中的微生物有助于发生土壤团圆体,这是一种主要的土壤结构,支持农业植物获得生长所需的生物地球化学反映。太空土壤康健实验的剖析效果将增强我们对航天若何影响土壤微生物流动和空间农业系统的生物再生能力的领会。这些知识将使我们能够在未来的太空义务中提高在受控环境农业系统中莳植的粮食作物的效率和产量。”

美国素食生产系统:

美国素食生产系统(又名Veggie)自2013年3月以来一直在国际空间站上运行,并支持种种旨在考察植物若何感知和响应重力的实验。此外,部门作物通常由机组职员收获和食用,其余的则被带回地球举行进一步剖析。

在国际空间站上的所有植物实验中,蔬菜在生产量上占有很大的职位,这使得以前由于巨细限制而无法生长的更大的植物得以生长。其可调治的LED灯库还允许在需要暂且光源的其他实验中使用。

到现在为止,国际空间站(Veggie-01到Veggie-04)上已经举行了四次重大实验。2018年2月,Veggie获得了增强,增添了蔬菜被动轨道养分运送系统(PODS),这是一个旨在微重力环境下高效运送水和养分的系统。

池塘单元的设计目的是减稍微重力对水分配的影响,增添氧气交流,并为根区生长提供足够的空间。这将允许莳植更多的农作物,包罗更大的叶菜、水果作物,以及新型生菜和水田蔬菜。

5.其他实验。

并不是所有在太空中生产食物的实验都是在国际空间站上举行的。其中一些是在地球上完成的,或者是在某些更具异国情调的地方(好比月球)完成的。

嫦娥四号:

2019年1月,中国嫦娥四号义务成为第一个上岸月球后头的机械人月球探测器。除了一套科学仪器外,着陆器元件还搭载了由28所中国大学团结设计的月球微生态系统。

它由一个6.6磅(3公斤)的密封模块组成,内里装着土豆、番茄、拟南芥种子和蚕卵。这样做的目的是测试植物和昆虫是否能在微重力环境中配合生长。2019年1月15日,有新闻称,棉籽、油菜籽、土豆种子已经发芽,成为第一批在月球上发芽的植物。

9天后,当突然降温(由月球的夜晚引起)及生物圈未能保持温暖导致幼苗殒命时,实验被终止。然而,这项实验是此类实验中的第一次,并提供了有价值的数据。

团结可再生空间有机食物生产卫星(EuCROPIS):

2018年12月,德国联邦航空航天中央(DLR)将Euglena和团结可再生空间有机食物生产(EuCROPIS)卫星送入近地轨道。这项义务使用人类渗出物作为营养源,在模拟重力条件下测试植物生长。

这颗卫星被设计成能够旋转以模拟重力,其中包罗两个配备了莳植西红柿的温室。EuCROPIS举行了两个实验,模拟了月球和火星引力(划分是地球重力的16.6%和38%),并研究了它们对植物生长的影响。

月球温室:

月球温室(LGH)于2009年投入使用,是一个水培植物生长室和手艺树模。LGH是生物再生生命支持系统(BLSS)的一个例子,该系统旨在为地球以外的生涯和事情提供一个闭环、可连续的生命支持系统。

除了为宇航员提供连续的食物供应外,它还为机组职员提供空气重复行使、水接纳和废物接纳。LGH是由亚利桑那州立大学受控环境农业中央(UA-CEAC)的研究职员在美国宇航局戈达德地球科学中央(GES)的支持下设计和制作的。

6.未来的实验。

现在有几个试验正在开发历程中,或者已经完成守候发送到国际空间站。另有激励性的竞赛以引发更多的实验、想法和战略。

BIOWYSE:

由挪威国家空间跨学科研究中央(CIRiS)开发的用于空间探索的生物污染综合控制湿式统将确保为宇航员提供可连续和可再生饮用水的差异方式。

这个集成系统的设计目的是储存淡水,监测其污染迹象,并用紫外线(而不是化学物质)对其举行净化。它还能够监测空间站或航天器内部种种湿润区域的细菌污染水平。

这是需要的,由于国际空间站上约莫80%的水来自空中的水蒸气,以及接纳的淋浴水和尿液。未来为生涯在狮子座或外星天下而设计的栖息地将同样需要在闭合循环系统中网络水,以供饮用和浇灌。

现在,国际空间站依赖化学品来净化循环水,但从久远来看,这不太可能连续下去。一个能够感知空气中水蒸气和湿润外面污染的系统也将为机组职员的康健和平安带来利益。

伊甸园国际空间站(Eden ISS):

2015年5月,在南极洲确立起了一个实验温室设施,以测试一种在太空中莳植植物的新方式。它的名字是伊甸园国际空间站(Eden ISS),这是一个由约莫15家公司和研究机构(包罗德国航空航天中央)于2015年启动的跨国项目,由欧盟的Horizon 2020研究和创新设计提供资金。

该系统连系了先进的养分运送、高性能LED照明、生物检测和净化手艺,可在有限的空间内莳植多莳植物。除了验证这种类型的系统可以在国际空间站上运行外,伊甸园国际空间站还设计在地球上应用,为南极Neumayer站III的越冬事情职员提供新鲜农产物。

全球轨道生物自动舱(OBAM):

2020年2月,俄罗斯托木斯克理工大学和他们在俄罗斯中部的互助同伴宣布确立一个轨道温室的原型系统――被称为全球轨道生物自动舱。这种装置将允许植物在太空中生长和培育,而只需最少的人工监视。

OBAM将加速植物生长的智能照明与专门的水培、自动化浇灌和机械人收获相连系。初期研究职员还在为国际空间站开发放大版的原型,它将是圆柱形的,包罗约莫320英平方尺(30平方米)的莳植面积。

时间尺度:

这项为期三年的设计由来自六个欧洲国家的八家研究机构组成的财团开发(资金由欧盟的Horizon 2020设计提供)。该设计的缩写是在可伸缩的高级生命探索支持系统中开发模块化妆备的手艺和创新(Technology And Innovation For Development Of Modular Equipment In Scalable Advanced Lifesupport Systems For Space Explorations)。

这项手艺也是由CIRiS的研究职员开发的,旨在为莳植植物而循环行使水和养分。像它的前身一样,它依赖旋转的离心机来模拟月球和火星的重力,并丈量这对植物吸收养分和水分的能力的影响。

第七,深空粮食挑战赛。

NASA举行激励性竞赛的传统由来已久,其目的是将特定挑战的解决方案众包出去。鉴于粮食生产系统在未来几年将具有高度优先职位,美国国家航空航天局(与Methuselah基金齐集作)和加拿大航天局(CSA)团结提议了全球深空粮食挑战赛。

作为美国国家航空航天局第二个百年挑战设计的一部门,这项竞赛将为耐久义务的食物生产手艺或系统的开发揭晓现金奖励。获奖作品将是那些能够提供平安、营养和开胃的食物,而这些食物需要的资源最少,发生的废物最少。

这项竞赛于2021年1月宣布,将继续接受申请直到2021年7月30日。美国国家航空航天局将向美国公民提交的竞赛第一阶段获奖提案揭晓高达50万美元的奖金。

加拿大航天局将为参赛的加拿大团队举行一场类似的平行竞赛流动,并从自己的奖金中揭晓奖品。其他国家的参赛队也可以参赛,他们的建议将获得国际认可,但没有资格获得奖金。

凭证出现的手艺,可能会有第二阶段,包罗可能会紧随厥后的厨房演示。格蕾丝・道格拉斯(Grace Douglas)是美国国家航空航天局约翰逊航天中央(Johnson Space Center)的先进食物手艺首席科学家,她这样注释了竞赛的目的:

“我们需要为我们的宇航员提供知足热量和营养要求的食物,但我们想要更进一步。食物系统的多样性、可接受性和营养含量有可能逾越仅仅维持人体的局限,促进心理和心理康健。”

第八,为了太空,更为了地球。

除了培育在太空和其他天体上莳植粮食的创新想法外,这项研究还旨在缔造更可连续的食物实践供海内使用。在不久的未来,全球人口预计将跨越100亿,这将与干旱、极端天气、沿海和内陆洪水以及环境损坏水平的加剧不约而同。

简而言之,我们的人口将不停膨胀,而我们赖以生计和营生的系统将处于危险之中。为了迎接这一挑战,人类需要找到一种方式,以一种可连续的方式养活更多的人而不会增添我们对自然环境的影响。

正如摩根・艾恩斯(Morgan Irons)总结的那样,他是DSE的团结首创人兼首席科学官,也是美国国家科学基金会(NSF)、美国卡尔・萨根研究所(Carl Sagan Institute)和诺福克研究所的研究员:

“土壤康健与农业康健有着千丝万缕的联系,对于生产营养食物、促进地球和太空中的环境和人类康健至关主要。无论我们是在月球、火星照样其他行星上,当地的土壤或风土层都是一种名贵的原地资源,既可以举行加工,也可以用来生长顺应极端环境生涯的有弹性温顺应性的栖息地,好比准封锁的农业生态系统。”

成为一个“多行星物种”(正如埃隆・马斯克所说)不仅仅意味着要学会在其他星球上生涯。这也意味着找到更好、更可连续的方式在地球上生涯,直到无限的未来。虽然有一天我们可能会冒险在宇宙的其他地方扎根,但正如我们所知,地球永远是生命的摇篮。

若是说太空之旅教会了我们什么,那就是像地球这样的行星是何等有数和珍贵,我们不应该想固然地以为这是天经地义的。它还告诉我们,我们要殖民太空的唯一方式是领会我们的行星环境,并浏览它赋予生命、维持生命的系统。

BY:interestingengineering

FY: 罗导

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