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火星要如何從荒蕪變成能種馬鈴薯的綠洲?火星農業與一場在祕魯沙漠的生存戰

在10年內,NASA將要以獵戶座太空船送人上火星,這是自1969年阿波羅11登陸月球後睽違50多年後,人類的一大進步;單趟火星行程將花費8個月,來回則超過一年,這還不加上駐紮在火星的任務時間,使的太空人的食物來源成了NASA科學家急欲解決的問題。鑒於上個月開在太空上的第一朵花,以及延期到2018年的的火星探測器洞察號等太空大事,我們來注意一下不受媒體重視,但重要性無法言喻的火星農業近況。

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於火星室內水耕作物想像圖(圖片來源: NASA

什麼植物最適合拿去外太空種植?他們要有什麼特性?它們將要面對什麼樣的環境?

馬鈴薯、番薯、小麥、大豆,這些作物都有一個特性:他們好種,而且單位重量富含大量碳水化合物(大豆則是蛋白質),像馬鈴薯這種這種作物還可以塊莖繁殖,更容易重複使用,使的它成為NASA研究下一階段火星或太空站長期居住計畫的重點,但儘管生命力堅強,在不是地球的地方種作物,仍是有數不清的挑戰……

水,萬物之源

火星的土壤基本上是岩石碎屑,或是稱為表岩屑,也就是直接從岩層、岩石上剝落的物質,簡單的說,就像是人的頭皮屑,裡面什麼都沒有,連水都沒有,酸鹼值極端,只有火星上少部分、具強吸水性的土壤有潛力種植植物。所以現實中要像電影《絕地救援》一樣,混合加工過的乾燥排泄物就能使火星土壤具有肥力是不太容易的,目前NASA科學家是以水耕栽種的模式設想在火星和太空站上種植馬鈴薯。

馬鈴薯另一個好處是它只需要極淺的水來進行水耕,但這仍一份是可觀的水需求,幸好除了NASA行之有年的回收水技術,火星上有水是確定的事實,但問題就是這些水中可能含有大量的氯酸鹽及其它物質及鹽分,所以能否直接用在作物上還有待觀察。但可以想像的是,以後的長期火星任務,太空人可能要帶著取水幫浦和肥料,先以水耕栽種一段時間後,再移到火星土壤生長中以節省空間。

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實驗中的水耕作物(圖片來源: NASA

不一樣的陽光

地球距離火星最少也有5500萬公里,如果大家覺得太陽曬不夠,你能想像火星能接收到多少陽光嗎? 2007年,再觀測火星兩年後,我們得出火星平均只接收到相較於地球43%的陽光,這讓很多植物無法生存,但好消息是,在低緯度還是有許多地方有適量的陽光,即使如此,不時的大型沙塵暴會遮住陽光。

陽光及沙塵暴不只對植物有影響,如果你想在火星用太陽能板,你將會遇到效率低下的問題,這也是為什麼長途、並且飛離太陽的太空計畫並不是以太陽能板為能源,而是以《絕地救援》中出現過的放射性同位素熱電機(radioactive thermal generators, RTG)中不斷衰變的鈽元素為能量來源產生電(忘記是什麼了?Astronauts lesson 1, do not dig up the big box of Plutonium)。

回到正題,既然火星的陽光這麼不可靠,那我們該如何提供作物光呢?國際太空站上現在是用高效能的藍色及紅色LED燈提供植物光合作用,而這也是NASA現在認為最有效的方式,未來再導入垂直農場的概念,在火星上種植大量作物或許就可以實現……嗎?

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Advanced Life Support Research的領導人Ray Wheeler與植物生長用的高效能的LED燈,只有我覺得像鋼鐵人的能源嗎? (圖片來源: NASA

輻射危機

在地球上,因為大氣層的關係我們從來不需要擔心太陽輻射,但是一到太空或是火星,這便成了科學家們必須考慮的重點之一。儘管火星的距離和大氣層已經過濾掉部分輻射,但平均還是比地球高出300倍,每小時火星地面接收到大約30微西弗,相較下地球只有0.27微西弗(如果扣除掉人為輻射的話只有0.045微西弗),所以就算前述的設備搭建完美,我們仍是無法將作物置於室外,甚至還要擔心設施的耐輻射性,或許把溫室建在地底下會是個方案,但就得全靠人工方式產生適合植物生長的環境,輻射的控制將左右我們之後是生活在火星地面上還是地下的一個重大的因素。

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人承受輻射量比較表,單位:毫西弗(圖片來源:Sci-News

回收再利用好幫手

要說我們人類在摧殘地球這麼久後有學到什麼嗎,大概是現在我們在開發時,大部分都會帶著一個很重要的概念—永續經營,幸好在地球上我們技術已經夠發達到能夠在太空站或火星計畫一開始就將永續經營納入評量範圍,而不管是太空站或是火星的作物都能夠在持續運行太空計畫上盡一份心力。

眾所皆知,馬鈴薯及番薯繁殖很直接…..將他的部分塊根或塊莖重新種回去就好了,而生長中的作物能夠產生氧氣,並吸收二氧化碳。甚至太空人的尿液也可以給作物提供養分,給他們執行水質淨化的前處理。

最貧脊的地方就是最棒的試驗場

那麼現在NASA該如何準備這場“馬鈴薯生存戰”呢?

幸好地球上有各式各樣的地方可以模擬,和各式各樣的組織可以合作。

在祕魯,國際馬鈴薯中心(International Potato Center,CIP)與NASA合作,將從世界上最貧脊的地方—南美洲的阿他加馬沙漠(Atacama Desert)取部分土壤進行實驗。這個片沙漠是全世界最乾燥的地方,岩層崩落後幾乎沒有生物作用,含有極少的有機質和微生物,土壤不過就是一堆單純的氧化物,這樣的成分和火星非常類似。計畫已於1月開始,除了單純的種植之外,NASA也將試驗不同的保存狀況(如冷藏)及在低大氣壓下的影響。再兩個月後,大家可以期待有什麼結果,如果如果我們能在這種土讓上種出東西,先別說火星了,提升全球糧食產量、解決糧食危機也不遠了。

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位於智利、祕魯、玻利維亞、阿根廷間的阿他加馬沙漠(Atacama Desert)是世界上最乾燥、也是最難生存的地方(圖片來源:DailyGalaxy

《絕地救援》上映後,「住火星就種馬鈴薯啊~不然要幹嘛」變成了太空生活須知,事實上在實現前我們仍有很長一段路要走,太空旅行是件漫長的任務,更貼切點,是"生活";再踏上火星紅紅的土地、開啟一個人類新境界前,還有很多困難在等著我們(說不定阿他加馬沙漠連馬鈴薯都養不活……),然後回頭看看能怎麼幫助已經養育我們許久的地球。

參考資料:

1. NASA Plant Researchers Explore Question of Deep-Space Food Crops。  NASA(2016/2/18)

2.  How much radiation will the settlers be exposed to?。 Mars One

3.  Scientists Try to Grow Peruvian Potatoes on “Mars" 。Scientific American

4. NASA plans to grow potatoes in Mars-like conditions。 ABC news (2015/12/23)

5.  NASA wants to grow potatoes on Mar 。International Potato Center (2015/12/22)

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關於作者

Rock Sun

泛科學的實習編輯,目前就讀台大生物環境系統工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但這或多或少已經不重要了。除了環境外,也對太空科學和科普教育有很大的興趣。在吊車尾的物理數學影響下,多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。