航天员太空自给自足新探秘：如何实现？“吃”小行星是否可行？

科技飞速发展的今天，长时间的太空旅行对人类来说依然是非常困难的，除了幽闭的小空间可能会对航天员带来心理损伤之外，航天器有限的载重如何在人员、水、空气以及食物之间取得平衡也是一个很大的问题。

航天员的食物从哪里来？

如果这些维系生命所必需的物质完全由地球补充的话，不仅意味着巨大的成本，也意味着我们对太空的探索注定无法走远……举个例子，根据一项科学研究，六位航天员执行一次火星任务，其食物需求将会重达 12 吨（不含包装净重），而即使是运载成本较低的 SpaceX，其每千克载重的成本也高达 2720 美元。

如果说载人探索火星还属于我们咬咬牙就能够达到的水平，那未来要探索木星、土星这种更遥远的行星，甚至是外太阳系，其成本将会高到完全无法承受的地步，而且补给的时效性也会非常低下。

正因如此，人们对太空食物的研究从未停下脚步，比如在目前条件下最容易实现的太空农场，即直接在空间站或航天器中种植植物并收获食物，已经在中国和美国的两个空间站内进行了多次实验，并已经在太空中培育出了多种蔬菜，美国航天员甚至早已在太空吃到了他们种下的生菜、胡萝卜和辣椒等蔬菜。

中国空间站上产出的蔬菜。图片来源：CCTV

除了蔬菜之外，人们还试图在太空中养殖藻类、蘑菇以及昆虫等，但这些养殖或种植设备都需要进行复杂的设计和长期的维护来模拟地球生态系统，才能让动植物们在设备中正常生长，若要做到在太空中实现食物自给自足，目前的设备产量还远远不够，还需要增加设备体积和数量，这无疑会占据大量航天器空间。

左图：国际空间站上进行蔬菜种植的设备（Veggie）。图片来源：NASA

右图：国际空间站中种植出来的辣椒。图片来源：ISS Research

为了寻找更加简便又节省空间和成本的方法，有科学家将目光投向了小行星：从小行星开采有机物，经过简单处理后喂食给细菌，细菌会消化它们，并形成人类可食用的有机物。

小行星中也有有机物

人类对小行星的研究已经进行了数百年，虽然当时我们无法直接从小行星获取样本，但这并不妨碍它们自己过来找我们，每年都会有大量小行星的碎片坠落到地球上，我们将其称之为陨石，根据估算，每年坠落的陨石数量高达 1.7 万颗。

经过长期研究，科学家们将陨石按照成分分为三大类：石陨石，石铁陨石，铁陨石，并依据陨石中的具体结构和成分，进一步将这三大类陨石分为更多的陨石组，比如，在石陨石之下又按照陨石的结构，将其分为球粒陨石和无球粒陨石，球粒陨石指的就是陨石中存在球状颗粒的类型。据统计，坠落在地球上的陨石中有 86% 都是球粒陨石。

Allende陨石上的球粒。图片来源：Wikipedia

这些陨石中的球粒被认为在太阳系形成之初，由星云物质直接冷却形成的，它们形成后由小球粒结合形成小个头的小行星，小行星们又互相碰撞生长，形成如今太阳系内的岩质行星，而那些未能形成岩质行星的小行星们则集中在了小行星带。

根据坠落在地球上的球粒陨石的高比例，可以推断在小行星带内的绝大部分小行星的成分也都与球粒陨石类似，而且由于球粒是太阳系内最古老的固体物质之一，对于研究太阳系早期的历史具有重大意义，科学家们对球粒陨石的研究非常上心，并对它们的成分结构进行了详细分析。

他们将球粒陨石分为 15 个不同的陨石组（CI，CM，CO，CV，CK，CR，CH，CB，H，L，LL，EH，EL，R和K），其中以 C 开头的被归为碳质球粒陨石，在这些陨石中含有浓度非常高的有机化合物，有些陨石中有机物可能占其重量的 5% 左右。

其中，被研究得很深的碳质球粒陨石包括默奇森陨石（Murchison）和塔吉什湖陨石（Tagish Lake），科学家们在它们中发现了包括酮、烷烃、羧酸、氨基酸、甲烷以及多环芳烃在内的多种小分子有机物，但是其中绝大部分有机物都是大分子有机物，默奇森陨石和塔吉什湖陨石的主要有机物成分见下图。

默奇森陨石和塔吉什湖陨石的主要有机物成分。图片来源：作者自制

这些有机物在刚被发现的时候，引发了全球欢呼，人们纷纷相信在外星存在生命，甚至就连地球上的生命也都来自外星，因为当时人们认为只有生命过程才能形成有机物。但是很快，经过详细的研究发现，在自然状态下，化学反应也能形成有机物，比如氨基酸的形成就仅需一些简单的无机物：

由简单无机物形成氨基酸（最右侧化学式）的化学反应方程式。图片来源：Wikipedia

此外，这些有机物均由自然的化学反应形成的证据还包括：陨石和地球上的同种有机物在分子结构上是存在差异的，许多都是同分异构体（分子式相同，结构不同）；手性不同，陨石中的有机物既有左旋，也有右旋，但地球上由生命形成的有机物都只有左旋结构。

氨基酸的手性示意图，它们的结构镜像对称，但是无法通过平移重合到一起。

图片来源：Wikipedia，作者

而且随着科技的进步，科学家们也开始在遥远的星云中发现了有机物的信号，这一切都在告诉我们，有机物在宇宙中是广泛存在的。时至今日，陨石中、宇宙中存在有机物这件事已经成为科学界的常识。

怎么才能“吃掉”小行星？

由于这些陨石中含量最大的有机物都是一些类似塑料的大分子有机物，直接“吃”肯定是不现实的，因此科学家们借鉴了一个最新实现的塑料微生物处理实验。在这个实验中，人们将塑料热解（400℃-900℃），让大分子的长链有机物破坏形成一系列低分子量的碳氢化合物，然后利用细菌处理这些碳氢化合物，结果发现细菌能正常消化这些碳氢化合物，并大量繁殖。

科学家们认为，未来航天员也可以利用热解的方式处理开采出来的富含碳质球粒的小行星矿物，然后利用细菌消化这些物质，由于细菌生长速度极快，它们将会源源不断的为航天员提供足够的食物。

此外，就在今年，还有科学家通过实验发现，如果直接将陨石打碎成粉，在缺氧条件下，假单胞菌科的一些细菌甚至能直接利用这些陨石粉末生存并长期繁殖下来。

这些实验都证明，先利用细菌“吃”小行星，人再“吃”细菌产生的生物质，这可能是一个前景广阔的太空食物方案。

为了搞清楚小行星能提供多少有机物，科学家们以小行星（101955）贝努（Bennu）为例进行了计算。小行星贝努是人类目前已经登陆并取回样本的两颗小行星之一，另一颗为小行星（162173）龙宫（Ryugu），贝努的直径小于 500 米，质量为 7760 万，且其成分与碳质球粒陨石成分相似。

小行星贝努。图片来源：Wikipedia

经过计算，他们发现，仅小行星贝努在最低效率情况下产生的生物质，足够 631 位航天员一年的食物消耗，而在最高效率的情况下，足够 17000 位航天员一年的食物消耗。

通过换算后科学家发现，在最低效率情况下，为了供应一位航天员一年的食物需求，需要处理大约 16 万吨小行星矿物；在最高效率情况下，则仅需处理 5000 吨小行星矿物。

通过计算得到的小行星贝努能提供的最低（橘色方框）和最高（红色方框）食物量。图片来源：参考文献[1]

虽然这个研究看上去很有前途，但未来的航天员如果真的在执行长期任务时必须以细菌为生的话，这多少惨了点吧？

未来还需更多探索

发现小行星作为未来航天员食物来源的潜在价值不仅是对传统太空食品供应体系的一次革新，更是人类适应极端环境、实现星际旅行梦想的重要一步。

当然，将小行星转化为食物来源仍面临诸多技术挑战与伦理考量，让我们以开放的心态和不懈的努力，继续在这条充满未知与奇迹的太空探索之路上前行。或许在不远的将来，小行星将不再仅仅是宇宙中的孤独旅者，而是人类探索宇宙的亲密伙伴。

参考文献

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

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出品丨科普中国

作者丨地星引力

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林