离“太空菜园”还有多远?——华宏农堂

离“太空菜园”还有多远?——华宏农堂

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春天,万物初萌、生机勃勃,那一抹绿象征着希望和未来。你知道吗?“种菜”不仅仅是在田间巷陌,也曾出现在“天宫二号”,到了神舟十四号任务期间,航天员在“太空之家”种植的生菜还丰富了航天员的在轨食谱。太空种植植物有何难点?航天员又是如何浇水施肥的呢?今天我们一同了解。

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△航天员蔡旭哲同地面人员分享生菜生长情况

太空种植植物的目的

太空种植植物,主要有以下三个目的:

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一是利用空间实验室平台,研究太空微重力等特殊环境对植物生长发育、生理生化等方面的影响。

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二是为航天员提供食物、氧气和水。植物可通过光合作用吸收航天员产生的二氧化碳,生产氧气,可一定程度上净化密闭舱室环境,获得清新的空气;生产食物,为航天员提供新鲜蔬菜水果,补充维生素和膳食纤维,丰富航天员食谱;此外,通过植物的蒸腾作用,还可实现密闭系统内水的净化,为航天员补充纯净的水。植物的这种生产功能对建立自给自足、高物质闭合度的地外生命保障系统具有非常重要的作用,可大大降低长期载人飞行任务的后勤物资供应成本,科研人员已开展以植物为核心部件的地外生命保障系统研究工作。

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三是植物可为航天员提供绿色鲜活的环境,通过照料植物可以缓解航天员压力,正向调节航天员心理情绪。

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△航天员蔡旭哲给植物浇水

太空“种菜”有何难点?

太空微重力环境下种植植物有何难点?在神舟十四号航天员乘组返回75天后首次公开亮相的记者见面会上,航天员蔡旭哲就曾和大家分享在太空培育蔬菜与地面培育的不同:“我觉得最大的不一样就是浇水比较困难,在失重环境下,水停留在根系表面,不容易深入植物根层。”

我们知道,植物正常生长必须具备适宜的光照、水分、养分(土壤)、温度和空气(气体)等环境条件。太空微重力环境下,水分养分传导和气体交换等特性与地面1G重力环境不一样。太空微重力环境会造成在植物根系周围形成一个边界层,水、气无法自动分离,植物必须依赖外力才能与周围环境进行正常物质交换。如果植物根部水分运动控制不好,极易造成根部水分过多而根系缺氧,或者水分过少而根系缺水。太空微重力条件下的水分供应是否合理将直接影响植物生长介质中的水分、氧气分布情况,进而影响到植物根系水分吸收和根系呼吸,也会影响矿质养分的流动与供给,最终影响到植物的正常生长。因此,微重力条件下的水分养分供给技术是空间植物栽培的关键。

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△“神十四”任务期间生菜在轨生长情况

如何实现太空“种菜”?

为解决微重力条件下的水分养分供给问题,科技工作者们开展了大量的研究工作。从研究的结果来看,利用人工基质进行培养是太空植物培养的主要方式,水分的运动主要依靠基质颗粒的毛细作用力来进行。栽培基质的选择从早期的离子交换树脂、固态化琼脂,到后来的岩棉、蛭石、蒙脱石、P土、人工烧结的陶粒等,并围绕这些基质材料,研发了多种太空植物培养水分养分供应系统,应用到不同类型的太空植物栽培装置中,进行太空植物培养。

我国科研人员针对太空植物培养,也开展了大量研究工作。

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△在“天宫二号”种菜时使用的基质材料

天宫二号空间实验室阶段

中国航天员科研训练中心研发了空间植物培养装置,并于2016年在“天宫二号”成功进行了生菜的在轨培养试验。这次是我国首次在太空人工栽培蔬菜,当时并没有让航天员在轨食用,而是将植物采样带回进行生物安全性检测。

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△航天员景海鹏在“天宫二号”进行生菜培养试验

△航天员陈冬在“天宫二号”介绍太空中的植物栽培情况

空间站阶段

随着中国空间站进入常态化运营,航天员在轨工作生活长达半年之久,对新鲜蔬菜,以及太空绿色鲜活环境的需求增加,植物种植的面积和数量将会越来越大。

植物栽培基质“新升级”

在新的情况下,对植物培养过程中产生的各种废物(如根系、枯枝残叶、废弃基质等)的处理,成了科研人员需要解决的问题。

目前太空植物栽培采用的栽培基质大多为细小颗粒状,尽管采用了特殊的防护措施,但还是避免不了植物栽培过程中有颗粒状基质脱落并飘浮在舱内,给航天员制造了不少麻烦。为此,科研人员在开展废弃物处理与植物培养再利用的相关研究基础上,设计了一种可生物降解、能重复利用的植物栽培基质,这种基质以块状结构形式存在,不会脱落碎屑,而且具备良好的通气、保肥和导水性能。

此外,科研人员还根据植物生长对矿质养分的需求特性规律预先在材料中添加了一定量的缓释肥料,这样就不需要在植物生长过程中再进行添加肥料等操作,可大大降低太空植物栽培管理的复杂性,也较好地解决了太空环境下植物栽培过程中根系的水分供给、养分供给和通气等技术难题。

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△“天宫课堂”中展示的“太空菜园”

植物栽培装置“新设计”

中国航天员科研训练中心科研人员基于“新升级”的栽培基质,设计了一种模块化的简易太空植物栽培装置,采用开放式结构,摆脱了此前使用的“大装置”形式,航天员可以与植物随时亲密接触。植物生长所需要的二氧化碳、温湿度和氧气等气体环境,和舱内航天员基本一致,植物种植操作简单,便于照料。航天员还可按个人喜好将该装置任意摆放在舱内有光照的地方,为自己的工作生活环境增添一抹绿意,还能呼吸植物释放的新鲜氧气,起到心理调剂作用。

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△问天舱里生长的小麦

神舟十四号航天员乘组在轨期间,利用该装置成功栽培了生菜、小麦和矮秆番茄等植物,验证了利用这种“新”栽培基质的空间植物培养技术。尽管该装置没有专门配备植物光照系统,仅仅利用舱内照明光源,但种植的三种植物都完成了发芽、生长发育等过程。神舟十四号航天员乘组还收获了新鲜生菜,首次实现了在轨食用。

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△矮秆番茄在轨生长情况

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△2022年中秋节“神十四”乘组食用在轨种植的生菜

“天宫种菜梦”已经实现,目前,科研人员正基于“神十四”任务试验结果,抓紧研制功能更加强大的太空植物栽培装备,以便为航天员提供更多的鲜食蔬菜水果。期待在不久的将来,航天员能在空间站上种植收获更加多样化的蔬菜水果,丰富在轨食谱。

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