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火星宇航员为何需要的不仅仅是太空温室
当我们思考深空食品系统时，脑海中浮现的往往是电影《火星救援》中宇航员在火星土壤中勉强种植土豆以维持生计的画面。又或者，是星际运输飞船上那些配备人工照明和高科技的水培系统。然而，托尔·布隆奎斯特和拉尔夫·弗里茨施在《宇航学报》（Acta Astronautica）上发表的一篇新论文指出，种植食物仅仅是为宇航员提供深空补给整个循环中的一小部分。要真正了解这项任务的难度，我们必须审视全局。
他们将一个太空食品系统分解为五个关键要素：生产、采后管理、废物管理、准备和社会文化（消费）。如果其中任何一个要素出现故障，整个系统都可能崩溃，导致所有使用该系统的人员面临饥饿的风险。例如，如果一个新的水培系统能够生产出令人难以置信的营养丰富的作物，但其产生的废物无法被生命支持系统有效回收，那么这项技术本身的用处就只能持续到新的原料耗尽为止——这在深空中可能不会持续太久。
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生产似乎相对简单。虽然我们可以提前为为期五年的火星任务打包所需的一切，但这会增加大量的重量，而这些重量本可以用于其他必需品。此外，如果没有本地生产，废物管理将变得更加……浪费。人类排泄物的有机物质是植物生长周期的关键输入，因此在这两个系统之间形成闭环是创建“封闭”食品系统的最佳方法之一。
然而，还有其他因素需要考虑。其中之一是环境。深空任务中辐射无处不在，大多数人都了解它对人体生理的负面影响。但是，它也会影响食物——以及细菌。储存食物五年，并试图确保其在持续受到辐射的情况下仍然可以食用，这简直是灾难。在我们的探索旅程的现阶段，我们甚至不确定是否能在这些条件下安全地包装食物那么长时间。即使我们能做到，辐射也可能使细菌变异，使其潜在地更危险、更难杀死。如果任务中的每个人都患有严重的食物中毒，那将很难维持生命支持系统。
环境的另一个方面是实际的烹饪行为。虽然这提供了一些心理益处（我们稍后会提到），但物理学在微重力或低重力下是不同的。流体在微重力或部分重力下表现异常，热量和颗粒也是如此，所有这些都是烹饪的关键组成部分。我们不仅要建造专门适用于这些环境的系统，还要训练宇航员如何在以前从未有人经历过的环境中烹饪。
第一批前往火星的宇航员无疑将是迄今为止心理最健康（且经过最彻底测试）的个体。然而，即使是他们，在为期数年的红色星球任务中也需要某种提神。食物可以帮助做到这一点，因为有证据表明管理作物和烹饪可以提供心理上的提升。然而，这样做会占用其他任务关键型任务的时间，例如锻炼或导航，因此在这些系统提供的心理益处与处理其他任务关键型任务的机会成本之间存在权衡。菜单疲劳是宇航员面临的另一个实际问题。如果你五年内每天都吃同样的营养糊，那么很可能在一段时间后，你会因为厌倦而开始少吃。如果食物缺乏“感官吸引力”（即味道、质地和气味），那么宇航员很可能会直接丢弃它而不是真正食用，使其对任何人都没有价值。无论哪种情况，在为期数年的深空任务中营养不良都是灾难的根源。
所有这些考虑因素使得深空食品系统如此具有挑战性。为了确保我们在实际任务中进行测试之前开发出一个功能完善的系统，作者提出了一些建议。首先，我们应该建立一个食品系统的“数字孪生”，包括不同技术如何相互作用的模型，以及系统本身的输入和输出。这也可以用于模拟故障，通过使系统“模块化”，采用易于更换或互换的部件来减轻故障，从而避免单一故障导致整个食品网络崩溃。然而，要真正证明系统有效，我们应该首先在地面上进行测试——虽然它无法模拟微重力下的烹饪挑战或深空的辐射危险，但至少这是一个起点。
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为了支持这些努力，美国国家航空航天局（NASA）最近启动了“深空食品挑战赛”——一项价值75万美元的奖金竞赛，旨在开发论文中所述的集成食品系统。事实上，其中一位作者（弗里茨施）是该挑战赛的学科专家，这很可能是该论文至少一部分灵感的来源。挑战赛结束后，深空爱好者们应该会得到一些有趣的启示——希望其中不包含任何抗辐射细菌。
