阿尔忒弥斯的太空食品已在现实生活中应用

Otilia Catanescu, Information Scientist/CAS
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NASA 的阿尔忒弥斯计划是一次令人难以置信的重返月球计划,可能会重新定义未来人类在太空和地球上的饮食方式。 七项植物相关的实验已经获得批准,以了解在太空中成功种植植物的不同要求。 除了太空农业,3D 打印食品、包装和微生物组的新应用等新发明可能会对地球上的食物产生重大影响。 太空食物的设计挑战(持久性、闭环循环、营养和无法烹饪)可以改善地球上恶劣环境中的营养获取。  

太空食物有哪些需求?

虽然地球上的大多数人都关注饮食的多样性和营养,但太空食物系统有以下几个主要标准

1. 食品安全:通过先进的植物生长闭环生态系统
,防止食品变质并进行废物处理和回收 2. 可靠性:能够承受太空中的恶劣条件,保质期长,所需空间最小。
3. 营养密度和享用(美味可口、丰富多样、易于制作等)

太空中充满独特的挑战

在太空中种植植物面临一些挑战,因为太空是一个封闭的生态系统,没有重力,没有阳光直射,空间有限,且供水有限。 没有重力意味着无法烹饪,必须尽量减少航天飞机上的资源压力(质量、功率、机组人员时间、水、废物处置)。 预包装食品并不总是可行,因为营养物质会变质且所需食物量大。 未来,深空探测将需要数年的时间,食物和水的供应有限,且没有再补给的可能性。

出版物和专利趋势

NASA 和其他机构关于太空食品的出版物和专利已经持续发布了几十年。 利用 CAS 内容合集™,我们对 2000 年至 2022 年间与太空食物和生命系统相关的全球科学出版物进行了查阅。研究布局表明,新太空计划的大量发行推动了未来全球出版物和专利的增加。 例如,国际空间站自 1993 年首次宣布以来一直在作出巨大努力。自此以后,出版物和专利的增加与随后进行的 2,500 多项实验密切相关。 同样,在 2011 年 NASA 宣布商业载人计划后,研究有明显增加的趋势,在 2017 年阿尔忒弥斯计划后,也出现了相应的激增(图 1)。

显示与太空探索食品和生命系统相关的年度出版物数量图
图 1. 与太空探索食品、食品系统和生命系统相关的年度出版物

新的解决方案:3D 打印太空食品

世界上味道最好的披萨? 请别介意我这么说,但国际空间站 3D 打印食品的新进展可能会对我们在地球上面临的一些最大的食品挑战产生巨大影响。 3D 打印机通过在食物中添加特定的成分来生产不同的设计和定制饮食。 如今,3D 打印机的墨水可以由肉干、蔬菜和乳粉组成,并添加了相关的微量营养素。 一些最常见的可打印可食性油墨包括土豆泥、巧克力、面团、奶酪、奶油、蛋糕糖霜和水果。

该技术对于延长太空食品的保质期至关重要。 可以确保食品材料无菌并以原料形式储存。 此外,这将最大限度地减少飞船上的存储空间。

利用微生物生产营养物质

研究人员正在研究不同类型的细菌,以将空气成分或身体废物转化为营养物质。 例如,被称为耗氢微生物(将氢气代谢为能量的单细胞微生物)的细菌可以在发酵过程中将宇航员呼出的二氧化碳转化为蛋白质。 还有研究人员发现,解脂耶氏酵母与面包酵母有亲属关系,通过人类尿液培养,其可以用来制造脂类甚至塑料,从而有可能将天然废物转化为对人体健康至关重要的营养物质。

预包装食品

虽然干燥或冷冻食品至关重要,但 NASA 正在研究新兴的食品保鲜技术,以寻求新的保鲜方法。 例如,压力辅助热杀菌和微波杀菌确保预包装食品更高的初始品质和营养。 研究人员还在研究更好的包装,以将食品保质期延长至长达 5 年。

闭环系统和太空农场

获得良好且持续的适当营养来源的最佳选择依赖于太空船上的农场。 太空农场将有助于创造可持续的环境,因为植物可以用来回收废水、产生氧气、净化空气,甚至回收太空船上的粪便。 目前,有一个名为 Veggie 的太空花园。 该花园可以容纳六种植物,已成功种植了生菜、大白菜、京水菜、红俄罗斯羽衣甘蓝和百日草。 过去四十年在太空中种植的植物清单详见此处

太空食品的现实意义

太空食品领域的相关研究使得我们的食品与地球之间建立更好、更加可持续的关系。 闭环温室和垂直农场可用于干旱、极地、偏远或人口稠密的地区,因为它们对水和土地的要求很低。 利用空气成分生产肉类可以减少牲畜数量,减少土地和水的使用。 一种为太空食品设计的增强型空气净化器目前用于食品保鲜和手术室中。

食品 3D 打印可以在缓解地球食物短缺方面发挥作用。 3D 打印机可以比任何厨师更快、更干净地制作食物,同时还可以定制营养价值和口感。 可食性油墨还可以扩大非传统食品原料的使用。

所有这些技术都可以通过接近客户来减少运输量、包装、配送和其他成本,从而减少生态足迹。 因此,继续进行太空探索研究的益处将延伸到地球环境及其居民,为维护和保护陆地生态系统提供思路。

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