NASA举办“深空食物挑战赛”，助力太空食品技术研发

工程（英文） ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (9) : 4 -7. DOI: 10.1016/j.eng.2024.07.016

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Chris Palmer. NASA举办“深空食物挑战赛”，助力太空食品技术研发[J]. 工程（英文）, 2024, 40(9): 4-7 DOI:10.1016/j.eng.2024.07.016

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几十年来，宇航员在太空旅行期间的餐食主要由预先包装的脱水或冻干食品组成，偶尔会搭配一些在玻璃容器中种植的生菜（图1）[1‒2]。随着前往地外前哨站的长期任务即将开展，美国国家航空航天局（NASA）的一项竞赛现已进入最后阶段，该竞赛旨在满足深空航行中宇航员的营养需求。该竞赛的另一个潜在益处是推动低资源食品生产的创新，从而有助于为地球上仍在增长的人口提供食物。

在1972年阿波罗17号任务之后的首次载人登月任务中，NASA计划于2025年让四名宇航员绕月飞行，这是其阿尔忒弥斯计划的一部分[3]。然而，NASA的更大目标是让人类在21世纪晚些时候重返月球表面，最初可能停留数天，但最终停留时间将延长至数周、数月甚至更长。早期，短期的月球任务将配备脱水及冻干食品，类似于宇航员在国际空间站（ISS）上所食用的食品，并每两到三个月通过航天飞机进行补给。然而，长期登月任务以及前往火星的旅程将需要摆脱对携带补给的依赖，并减少从地球进行昂贵补给的频率[4]。此外，食物多样性对宇航员来说至关重要，因为他们会厌倦反复吃同一种食物；尤其是被限制在太空舱狭小空间时，菜单疲劳可能会导致宇航员产生食欲减退、体重减轻、营养缺乏等多种问题[5‒6]。

美国加利福尼亚州山景城NASA艾姆斯空间生物科学研究分部的高级科学家Yuri Griko说：“实际上，首次火星任务可能仍需在一定程度上依赖预包装食物，但这并不足以满足宇航员的所有营养需求，因为这些食物的保质期稳定性有限，且维生素会随时间的推移而分解。对于长期任务而言，种植新鲜食物是绝对必要的。”

为满足在未来太空任务中可持续生产食物的需求，NASA与加拿大航天局（后者也举办了一项平行竞赛）携手合作，于2021年1月发起了“深空食物挑战”（DSFC）[7]。参赛者需为执行三年往返任务的四人小组设计出资源消耗最小且能最大限度生产出安全、营养且美味食物的技术或系统。发明无需满足宇航员全部的饮食需求，但必须提供多种营养丰富的食物。

大约200家公司参加了第一阶段的比赛，提交了详细的概念提案。2021年10月，NASA宣布了第一阶段的优胜团队名单：18个美国团队，每个团队获得了2.5万美元的奖金；以及10个国际团队，但他们没有资格获得现金奖励[8]。这28个团队进入了比赛的第二阶段，每组都需要制作并展示他们发明的厨房规模的原型。2024年5月，NASA宣布了第二阶段项目的8个获胜团队：5个美国团队，每个团队获得15万美元奖金；以及3个国际团队[9]。在比赛的最后阶段，即第三阶段，各团队将测试他们的方法并进行模拟飞行操作，预计获胜团队名单将于2024年8月公布。得分最高的美国团队将获得75万美元的奖金，两名亚军团队将各获得25万美元的奖金，其他技术成熟的团队将获得5万美元的奖金[10]。

入围决赛的美国公司之一、总部位于纽约市的AIR COMPANY，设计了一种基于可再生能源的系统。该系统将宇航员呼出的二氧化碳与水和少量酵母结合，生成酒精，随后将酒精用于细菌培养，进而生产出可制成食物的蛋白质[11]。该公司已经实现利用处理后的二氧化碳生产飞机燃料、伏特加和香水。“对我们而言，学习如何构建一个生物系统是一项有趣的挑战。”该公司的创新项目经理Mahlet Garedew说。“它的味道类似于蛋白粉或纯素肉类替代品seitan——它可以很容易地用来制作蛋白奶昔，或者用来提升沙拉等其他菜肴的营养价值。”

另一家入围决赛的美国公司Nolux（加利福尼亚州河滨市）开发了一种人工光合作用方法。与AIR COMPANY一样，Nolux公司的方法利用呼出的二氧化碳，通过电解将其和水转化为氧气和乙酸盐。然后将乙酸盐泵入一个生长室，用于培养平菇孢子，这些孢子可以于几周内在黑暗中生长成全尺寸的蘑菇。据该公司称，该过程同样适用于培养藻类和酵母，与光合作用相比，该过程能更有效地将能量转化为生物质[12]。

Nolux团队成员、美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学能源、环境和化学工程教授Feng Jiao表示：“考虑投入的能源和资源与产出的可食用生物质相比，地球上现有农业系统的效率非常低。借助该技术，我们致力于高效利用有限的资源，生产出尽可能多的可食用生物质。”

五支美国决赛队伍中还包括位于美国佛罗里达州梅里特岛的星际实验室（Interstellar Lab）、位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的Kernel Deltech公司以及位于美国科罗拉多州博尔德的Ascent Technologies公司。星际实验室打造了一套模块化、烤面包机大小的胶囊装置，每个装置配备了独立的湿度、温度和浇水系统。该系统名为NUCLEUS，将助力宇航员培育可食用的真菌（图2）、蔬菜甚至昆虫（如富含蛋白质的黑水虻幼虫等）[13]。Kernel Deltech公司开发了紧凑型生物反应器，能够利用有限的资源来种植和收获镰刀菌（Fusarium venenatum），这是一种富含蛋白质的真菌，其作为肉类替代品品牌Quorn已有数十年的食用历史，该品牌由英国斯托克利的Quorn公司开发[14]。Ascent Technologies公司是唯一一个敢于挑战在微重力环境下安全烹饪食物的团队，其发明被称为SATED（意为安全、整洁、高效、美味）。这是一种食品处理器大小的离心式烤箱，能够在旋转的同时烹饪食物，使宇航员能够制作各种餐点，包括披萨、煎蛋卷和冰淇淋等[15]。

三位国际决赛团队分别是来自澳大利亚墨尔本的Enigma of the Cosmos公司、瑞典哥德堡的Mycorena公司和芬兰赫尔辛基的Solar Foods公司。宇宙谜题公司开发了一个2 m²的系统，该系统每天能生产多达0.7 kg的绿叶蔬菜和微型蔬菜（图3）[16]。Mycorena公司的藻类-真菌循环解决方案（Algae-Fungi Circular Solution, AFCiS）利用真菌生产出一种高蛋白、高纤维、富含维生素等营养素且低脂低糖的蛋白质[17]。将这种相对无味的蛋白质与香料结合，可以制作出各种食物，如汉堡或肉块等。AFCiS系统配备了一个喷嘴，能够以3D打印的方式将真菌产品塑造成所需食品的形状。Solar Foods公司的高蛋白粉末Solein可轻松融入各种菜肴中（图4）。这种粉末由可安全食用的脱水氢氧化细菌构成，这些细菌在发酵过程中生长并代谢二氧化碳和氢气，而二氧化碳和氢气正是载人航天器上标准生命支持系统的副产品[18]。

除了DSFC，NASA还支持了其他一些专注于在太空中种植植物的项目，包括蔬菜生产系统（Veggie）、先进植物栖息地（APH）和柔性航空系统（FAS）等[19‒20]。Veggie是一个小型低功耗系统，它采用水培系统和发光二极管（LED）灯，在受控环境中培育植物。APH是一种自给自足的胶囊装置，它利用LED灯和多孔黏土基底向植物输送水、营养和氧气。FAS是一个轻便的充气式生长室，配有网架，网架上可放置种子，并可以向种子喷洒富含营养的喷雾。

所有进入DSFC挑战赛决赛阶段的食品种植系统都依赖于在胶囊装置、生物反应器或其他高科技实验室设备中培育食物。然而，也有几位勇敢的太空食物先驱正尝试采用传统方式——在土壤中或者更确切地说，在月壤中——种植食品。例如，得克萨斯州农工大学（美国得克萨斯州科利奇站）的研究人员展示了一种在合成介质中种植鹰嘴豆的系统，该系统旨在模拟月壤，即月球表面松散的岩石碎片和灰尘[21]。与地球上的土壤不同，月壤缺乏营养丰富的有机物和对植物生长至关重要的微生物。得克萨斯州农工大学的科学家将陆地土壤中的真菌与蠕虫粪便混合，研制出了一种肥沃的月尘混合物。尽管这些改良剂有助于隔离月尘中的有毒污染物、改善月壤保水性并增强植物耐受性，但种植在此混合物中的鹰嘴豆的成熟时间却延长了20%，并表现出了压力反应[21]。

佛罗里达大学（美国佛罗里达州盖恩斯维尔）的科学家在2022年发表的一项类似研究显示，拟南芥（一种与花椰菜、羽衣甘蓝和萝卜同属十字花科的小型植物）等植物可以在仅相当于茶匙体积的月壤实际样本（收集自阿波罗11号、阿波罗12号和阿波罗17号月球任务）中发芽生长[22]。然而，尽管在月壤中培育的植物与在地球土壤中生长的同类植物发芽速度相同，但它们的根系发育迟缓、生长速度更慢、叶冠面积更小且压力反应增强。

中国是首个实现在月球上实际种植植物的国家。2019年，在嫦娥月球着陆器执行月球背面任务期间，着陆器的一个舱室内成功培育出一颗棉花种子[23]。澳大利亚国立大学（澳大利亚堪培拉）的一个研究小组计划在月球上利用种子种植植物[24]。在2025年的月球任务中，该团队将把种子搭载在以色列的Beresheet2着陆器上，其中将搭载一种名为Tripogon loliformis的澳大利亚草，这种草被誉为“复活植物”，能够在长时间休眠和脱水后，通过补充水分即可恢复生机[25]。位于挪威特隆赫姆的挪威科技大学（SINTEF）正在进行的研究可能会对未来的此类研究有所帮助。SINTEF的研究小组正计划利用月球冰盖中的水、宇航员的尿液以及用于包装易碎任务设备的纤维素基材料，在水培室中实现在月球上种植植物。

宇航员并非唯一能从超高效食物生产创新中获益的群体。联合国粮食及农业组织估计，到2050年，全球粮食产量需增长50%以上才能满足近100亿人口的粮食需求[27]。与此同时，气候变化将继续对全球农作物构成威胁，进一步加剧全球粮食安全问题。此外，当前全球粮食生产体系属于资源密集型，其温室气体排放量占全球总排放量的20%~40% [28]。NASA要求其DSFC团队积极探索，将这些发明用于帮助地球上的人类解决温饱问题，从而减少温室气体排放[7]。希望这些旨在适用于太空低资源环境的创新技术，能够更可持续地满足地球上不断增长的人口的需求，并解决恶劣气候和荒凉地区的粮食安全问题。AIR COMPANY的Garedew说：“利用二氧化碳（我们都知道这是一种丰富的资源）制造可食用蛋白质，如果部署得当，有可能彻底改变农业和食物生产。这也有望减少我们对传统耕作方法的依赖，而这些方法是全球温室气体排放的主要原因之一。”

参考文献

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