在外太空維持人類生命

為太空人造園不再是幻想

作者：丁冠中教授　美國羅格斯大學生物資源工程系
譯者：方煒教授　台大農機系

　　一趟到火星的飛行任務，包括交通和探勘的時間，可花費長達三年以上。在旅程當中，太空人搭乘的太空運輸工具是一個完全封閉的環境，由可靠地設計與操作的工程系統支撐著系統的運作。

　　太空人的三個基本需求—空氣，水和食物—必須不斷給予補充以維持生命。現今的研究人員針對這太空旅程有關的特殊環境，致力研究出替代物以滿足這些需求。食物的補充可藉由栽培農作物，固態和液態廢棄物的處理及潔淨空氣和水可透過生物處理方式來完成。有關此類生質再生的維生系統（Bio-regenerative Life Support System, BLSS）的研究在數個國家已進行了超過二十年。

　　BLSS由多個不同功能的單元組成，像是提供太空人活動的空間，生質的產出，食物和廢棄物處理的單元等。透過各種生物處理，結合物理和化學的處理方式，允許太空人在最少或全無任何來自地球的補給的情況下仍能有效地執行任務。

　　在封閉的BLSS中的植物，可提供多樣的價值。他們必須生產可食用的物質，減少二氧化碳，提供氧氣，淨化水質，處理廢棄物及回收資源。此外，培育綠色植物可為太空人提供鎮靜及激勵的氣氛。

　　在BLSS裡進行作物栽培引起很多注意。首先，挑選栽培的作物種類必須該作物在重力減弱或零重力的狀況下，仍能提供滿足人類營養和飲食需求的食物價值為基礎。除此之外，另一個同等重要的議題是此種作物在維持一個可居住的環境中尚扮演工程元件的角色。

　　在BLSS中，所選擇栽培的作物的特性影響著對資源的需求，工程的設計及作物生產的操作管理。為了減少太空人照料作物所需花費的時間及對相關專業知識的需求，在一個生質產出單元裡便需要有高度的自動化。

　　營養對太空人來說是重要的，但是使食物變得美味也是一個關鍵的步驟，因為要讓太空人吃得下食物，其營養才得以發揮。

　　在BLSS裡準備食物必須考慮許多因素，其中包括：

• 當人們在太空中行進時，他們的知覺狀態可能會改變。
• 在BLSS裡，物質和居住的空間是有限的必需品。
• 地球上現存的食品工業製造策略主要是以多量為基礎，這對使用在BLSS上來說太多。
• 在太空中食品處理的特性和在地球上不一樣。

　　外太空不適合人類生存與作物的生產。在BLSS裡必須小心地監視與控制環境的狀況，以支援維持各類活動。

　　環境控制的一部份工作是要處理從太空人的活動空間、生質生產單元及食物處理單元所產出的廢棄物，包括氣態、液態和固態的廢棄物。

　　為了使BLSS能夠再生，所有的廢棄物必須轉化並再製造成可利用的資源。維持重要元素的質量平衡，並以可利用的形式貯存，一直是廢棄物處理研究的重點。

　　BLSS是一個複雜的系統，其功能及可靠度都非常重要。系統中的每個組件、程序或資料庫均為建構系統的基礎元件。系統是否能正常運作取決於每個基礎元件所表現的性能，其間的相互關係也是很重要的。

　　系統研究旨在辨認、瞭解、描述、指定、使用及操縱這些關係。電腦模式則是進行系統研究的主要工具。近來，如何整合來自各不同來源的研發成果，尤其是那些正持續進行的研究，已成為一熱門的研究主題。

　　美國太空總署（NASA）一直都在領導著BLSS的發展，包括植物生產，食品加工和廢棄物處理，以及系統整合的研究和發展。

　　1996年五月在Rutgers大學創立紐澤西NASA的BLSS研究和訓練專門中心（NJ-NSCORT）。主要成員為Rutgers大學庫克學院和史蒂芬技術學院的工程師和科學家，其任務在發展可分析、設計和操作BLSS的系統。

　　NJ-NSCORT有四個研究小組主持多個計畫，主要針對BLSS的四大方向進行研發，包括：生質生產，食品加工和營養，廢棄物處理及系統研究和模式建立。這四個小組的負責人分別為園藝工程師，食品工程師，生物環境工程師和生物系統工程師。

　　Rutgers大學的生物資源工程學系提供園藝工程，食品工程和生物環境工程等三個學門，讓研究生及大學生能參與NJ-NSCORT的研究。

　　NJ-NSCORT的研究會持續到2001年。目前已建立一個網頁，可提供四個小組即時的線上資訊，此四個小組除了Rutgers大學生物資源工程系的兩組之外，尚包括康乃爾大學的食品加工及營養小組與廢棄物處理小組。

　　生質生產小組的現階段目標為：

• 在BLSS裡發展自動監控系統來監視、控制農作物的生產和發展。
• 探討環境和生物因子對植物成長、產品品質和勞力需求的影響，並予以量化。
• 建立針對作物生產的教學和訓練的多媒體工具。

　　使用機器視覺進行作物生長狀況的非破壞性量測的研究正在進行，此系統可即時量測作物的情況以評估其是否能勝任其在BLSS系統中所擔負的角色。如果發現其生長已有偏離常軌，則相對應的控制策略便會被執行以將作物生長狀況”調回”正軌。

　　系統研究及模式建立小組則致力於資訊的整合與分析，以找出各系統內及系統間各種問題的答案。資訊統合的過程包括收集、處理和呈現資訊。

　　ACESYS網址的長程目標在提供：

• 參與者的資訊輸入
• 資料庫允許資訊儲存及組織
• 資料庫內容的展示
• 公開討論的場所
• 分享文獻的儲存庫
• 資訊處理應用程式的收集

　　ACESYS網站提供彈性的結構，允許同步科學及工程的進行。然而，其實用程度及功能大小取決於其內所包括的資訊的種類及功能性模組。另外有關系統研究的工作亦將透過模式的建立來發展出有效的ACESYS。

　　NASA的研究都需掌握能提供雙重用途的理念，換言之，研究成果在太空及在地球上均應有其應用之空間。在NJ-NSCORT的BLSS研究計畫即在加強使用生物資源（包括食物與廢棄物）的能力，不論是在外太空或在地球上。