地球是一艘像國(guó)際空間站一樣的宇宙飛船 - 讓我細(xì)細(xì)道來(lái)

在空間站和地球的棲息環(huán)境都是閉環(huán)系統(tǒng)，只是規(guī)模大相徑庭

天地相連，地球如同空間站，如何發(fā)展小型封閉生態(tài)？

圖一：1969年阿波羅10號(hào)執(zhí)行任務(wù)期間，美國(guó)宇航員在三萬(wàn)六千海里外拍攝了這張地球照片。（圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局）

設(shè)想這樣一種生活環(huán)境，您在一個(gè)有限的資源循環(huán)的環(huán)境中生存，消耗不得超過(guò)產(chǎn)能，水和氧氣只能通過(guò)循環(huán)再生，您需要盡最大可能減少浪費(fèi)，循環(huán)使用一切可能循環(huán)的東西，并且維持外生污染零排放。這正是宇航員在國(guó)際空間站中一定程度上需要適應(yīng)的生存環(huán)境，也將是未來(lái)人類在月球或火星定居的生存范式。這種生存哲學(xué)恰好是在今年10月4日至10日舉辦的世界空間周的核心議題之一：人類若要保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境，必須踐行與之同構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展路徑。空間站或月球基地的生存環(huán)境同屬準(zhǔn)閉合生態(tài)系統(tǒng)。其運(yùn)行邏輯要求在系統(tǒng)內(nèi)必須實(shí)現(xiàn)資源的原位生產(chǎn)與全循環(huán)利用，通過(guò)物質(zhì)的閉環(huán)反饋機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)有限的資源產(chǎn)出。一旦資源消耗速率超過(guò)系統(tǒng)自循環(huán)能力，宇航員將面臨空氣枯竭，食物耗盡，水循環(huán)崩潰，或者能量供給失衡等致命風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，目前我們可以通過(guò)地面實(shí)施在軌補(bǔ)給，但這也意味著空間站不再是嚴(yán)格的100%閉合生態(tài)系統(tǒng)。然而地球本身，卻是一個(gè)完全閉合的生態(tài)系統(tǒng)。

宇宙飛船 - 地球

我們的星球具有有限的承載能力，或者稱之為“羅馬俱樂(lè)部”- 一個(gè)由智庫(kù)中的學(xué)者、商業(yè)領(lǐng)袖、政治家們?cè)?973年發(fā)表的著名報(bào)告《增長(zhǎng)的極限》中所提出的概念。他們?cè)趫?bào)道中發(fā)出警告，地球正在接近其承載極限，我們將很快面臨能源消耗過(guò)度，糧食需求過(guò)高，淡水供應(yīng)不足，溫室氣體排放激增等一系列問(wèn)題，使地球這個(gè)閉環(huán)生態(tài)需用難以維持可持續(xù)性發(fā)展。事實(shí)上，年復(fù)一年持續(xù)惡化的氣候，例如頻繁的干旱、饑荒、森林火災(zāi)以及極端天氣，有些人認(rèn)為我們已經(jīng)到達(dá)了這一臨界點(diǎn)。

這正是空間站中的生存環(huán)境能夠?yàn)榈厍蚩沙掷m(xù)發(fā)展提供參考的地方。這并不是全新的理念，但近期，德國(guó)航空航天中心的研究人員在《可持續(xù)地球評(píng)論》期刊上發(fā)表的一篇論文中，清晰的總結(jié)了如何將封閉式太空棲息地所依賴的技術(shù)應(yīng)用于地球。他們?cè)敿?xì)闡述了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的空間站生態(tài)所必須具備的關(guān)鍵功能，并進(jìn)一步探討了如何在更大尺度上將這些原理應(yīng)用于地球，以提升全球生態(tài)可持續(xù)性。

首先，資源必須合理培育并投入系統(tǒng)中。在該語(yǔ)境中，資源指的是維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的一切物資，包括從食物到能源等等。然而，人類必須嚴(yán)格管理這一過(guò)程，否則容易導(dǎo)致資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)。例如，如果快速開(kāi)采月球表層的水冰，那么就難以維持月球基地的長(zhǎng)期供水。其次需要保證資源的循環(huán)利用，以防止其迅速耗盡。在完全封閉的生態(tài)中，循環(huán)外的浪費(fèi)不僅會(huì)造成資源的日益減少，也會(huì)影響生態(tài)的長(zhǎng)期運(yùn)行。此外，這些累積的廢棄物還會(huì)污染環(huán)境，進(jìn)一步削弱生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第三是自給自足。除了偶爾接收地球的補(bǔ)給外，空間站生態(tài)必須具備獨(dú)立生產(chǎn)和循環(huán)所有資源的能力，來(lái)保證其可持續(xù)運(yùn)行能力。最后，一個(gè)封閉的生態(tài)環(huán)境需要具備足夠的穩(wěn)定性，來(lái)無(wú)限期的維持其內(nèi)部居民和其他動(dòng)植物的生命。如果系統(tǒng)由于資源的過(guò)度消耗而崩潰，那么將大幅縮短生態(tài)系統(tǒng)的壽命。

圖二：目前的國(guó)際空間站并非是完全封閉的生態(tài)系統(tǒng)，但我們正在開(kāi)發(fā)新技術(shù)，期待有朝一日實(shí)現(xiàn)其自給自足。（圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局）

這些原則同樣適用于地球。集約化農(nóng)業(yè)，礦業(yè)、漁業(yè)等活動(dòng)正是我們開(kāi)發(fā)地球有限資源的方式。通過(guò)對(duì)資源的循環(huán)利用，我們保證資有限資源的可持續(xù)利用，也可也降低對(duì)環(huán)境的污染。此外，如果各地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)高度自給自足，就能減少對(duì)進(jìn)口資源的依賴，從而減少由于長(zhǎng)距離運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放。地球在近四十億年的時(shí)間內(nèi)始終保持著強(qiáng)大的穩(wěn)定性，然而，我們對(duì)資源的肆意消耗正在接近這一穩(wěn)定性的極限，使地球生態(tài)承擔(dān)巨大的壓力。

地球上的太空科技

有趣的是，許多為太空探索開(kāi)發(fā)的技術(shù)，如今正在幫助地球?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。最典型的例子便是1954年誕生的太陽(yáng)能電池板。當(dāng)時(shí)世界仍處于燃煤發(fā)電的時(shí)代，光伏電池在地球上的應(yīng)用場(chǎng)景十分有限。太陽(yáng)能電池板的首個(gè)突破性進(jìn)展發(fā)生在在太空探索中。1958年，“先鋒一號(hào)”衛(wèi)星成為首個(gè)依賴太陽(yáng)能供電的航天器。在“太空競(jìng)賽”的時(shí)代，各個(gè)國(guó)家在太陽(yáng)能電池研發(fā)方面投入了大量資金，到1970年代，太陽(yáng)能電池的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，可以在地面大批量應(yīng)用。如今，太陽(yáng)能電池板隨處可見(jiàn)，平均每塊面板每天可發(fā)電1.5千瓦時(shí)。截至2023年，太陽(yáng)能發(fā)電已占全球電力供應(yīng)的5.5%，而不會(huì)產(chǎn)生類似燃煤發(fā)電站的有害氣體或者核裂變反應(yīng)堆的放射性廢料。

另一項(xiàng)源于太空的可持續(xù)技術(shù)涉及食品生產(chǎn)。宇航員們正在嘗試在太空環(huán)境培育作物，支持長(zhǎng)期任務(wù)中的食物供給。這一技術(shù)被稱蔬菜培育系統(tǒng)，在2021年實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)步，由美國(guó)航天局宇航員邁克爾·霍普金斯在空間站收獲了首批在太空中培育的蔬菜。該系統(tǒng)適用“種子枕”技術(shù)，在封閉生態(tài)中提供定量的肥料和土壤，采用主要發(fā)射紅藍(lán)光的LED照明系統(tǒng)以促進(jìn)光合作用，催熟作物。如今，這項(xiàng)燈光技術(shù)在地面的垂直農(nóng)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在城市環(huán)境中利用多層種植結(jié)構(gòu)培育農(nóng)作物，以減少土地占用和水資源的高效循環(huán)利用。同時(shí)，在人口密集的城市種植糧食，也可以減少運(yùn)輸和大規(guī)模農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的碳排放，從而發(fā)展出可持續(xù)供應(yīng)的作物種植體系。

水循環(huán)

談及水資源，由于其重量造成高昂的運(yùn)輸成本，空間站中對(duì)水資源的循環(huán)利用至關(guān)重要。在國(guó)際空間站中配備的水資源回收系統(tǒng)保證了水的循環(huán)利用，它作為空間站生態(tài)控制和生命支持系統(tǒng)的一部分，能夠?qū)⒂詈絾T呼出的水蒸氣、汗液，甚至尿液凈化為可飲用水（聽(tīng)宇航員們說(shuō)這種再生水的口感還不錯(cuò)）。其中，尿液處理裝置適用真空蒸餾技術(shù)，從宇航員的尿液中提取清潔水，余下的則變成聽(tīng)起來(lái)有些惡心的“濃縮尿液鹽水”。為了最大化對(duì)水資源的循環(huán)利用，在空間站中研發(fā)了濃縮鹽水處理裝置，從這些殘留物中進(jìn)一步提取可用的水分。在封閉的生態(tài)系統(tǒng)中，每一滴水都要物盡其用。雖然地面上的人類不需要從尿液中獲取飲用水，但全球仍然有許多地區(qū)面臨嚴(yán)重的淡水匱乏。美國(guó)航天局已經(jīng)把上述的水回收技術(shù)授權(quán)給商業(yè)公司，用以開(kāi)發(fā)便攜式濾水設(shè)備，使缺乏淡水的區(qū)域能夠從被污染的水源中獲取飲用水。

圖三：歐洲宇航員安德烈·庫(kù)伊珀斯在國(guó)際空間站的微重力環(huán)境中拍攝的一滴水空間站上的水是一種寶貴的資源，必須加以保護(hù)和回收。（圖片來(lái)源：歐洲航天局/美國(guó)宇航局）

碳清潔

除了水蒸氣，宇航員在呼吸時(shí)也會(huì)釋放二氧化碳。早在阿波羅13號(hào)的太空探索任務(wù)中，宇航員們就親身經(jīng)歷了二氧化碳積聚的危害，被迫在航天飛船內(nèi)臨時(shí)制造二氧化碳過(guò)濾器，以確保回程中飛船內(nèi)安全的空氣環(huán)境。因此，在國(guó)際空間站上，二氧化碳必須被有效的從空氣中清除。最開(kāi)始，地球每年需要往空間站運(yùn)送約400升水來(lái)支持空間站利用電解水的方式生產(chǎn)足夠的氧氣，這破壞了空間站的封閉生態(tài)。現(xiàn)在，歐洲航天局開(kāi)發(fā)的高級(jí)閉環(huán)生態(tài)系統(tǒng)大大改善了這種情況，它能夠?qū)⒖臻g站內(nèi)約50%的二氧化碳循環(huán)再生為氧氣，大大降低了水的運(yùn)輸成本。

該二氧化碳循環(huán)裝置通過(guò)混合氫氣與從空氣中提取的二氧化碳，反應(yīng)產(chǎn)生水和甲烷。甲烷將被排放至太空，而水則被電解產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中氫氣可以循環(huán)利用。在此之前，空間站主要用名為沸石的礦物來(lái)清除二氧化碳，其納米級(jí)孔隙可以吸附二氧化碳分子并排放到太空。現(xiàn)在，愛(ài)丁堡大學(xué)的斯特凡諾·布蘭達(dá)尼和朱利奧·桑托里正在探索是否可以把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在地球上。他們計(jì)劃使用巨型的風(fēng)扇將富含二氧化碳的空氣吸入沸石床過(guò)濾站用以清除大氣中的二氧化碳。此外，該技術(shù)也可以用于工業(yè)廢氣處理，在其排放到大氣之前先去除二氧化碳，從源頭減少碳排放。盡管這些碳捕獲技術(shù)無(wú)法徹底消除全球變暖的威脅，但它們可以有效的緩解氣候變化，將全球氣溫升幅控制在1.5攝氏度以內(nèi)。

長(zhǎng)期以來(lái)，全球范圍內(nèi)的太空計(jì)劃常因其高昂的成本而飽受批評(píng)。許多人認(rèn)為，與其將巨額資金投入太空探索，不如將其用于解決地球上的貧困、醫(yī)療、教育和環(huán)境問(wèn)題。然而，諷刺的是，正是這些為了支持人類在太空生存而研發(fā)的技術(shù)，正在幫助我們?cè)诘厍蛏蠈?shí)現(xiàn)更可持續(xù)的生活方式。當(dāng)然太空旅行本身也會(huì)破壞環(huán)境，每次火箭發(fā)射預(yù)計(jì)會(huì)排放約300噸二氧化碳，對(duì)大氣層造成客觀的沖擊。然而，如果太空技術(shù)能夠在地球上合理的使用，這些技術(shù)的確可以帶來(lái)能夠彌補(bǔ)它本身帶來(lái)的環(huán)保效益。畢竟，地球本身就是一艘了不起的太空飛船。

BY: Keith Cooper

FY: Amberoid

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