接續前文:在國際太空站上也能種菜!  

接下來,我們與NASA的專案經理Brian G. Onante會面,進一步了解NASA的先進植物培養系統(Advanced Plant Habitat,APH)。

20171106NT01P1 圖1 Brian G. Onante(右)與我正在討論進APH。(圖片來源:Loretta Taranovich)

APH是新加入「VEGGIE」蔬菜生產系統的植物培養系統。此新系統提供了一個大型封閉的環境控制空間,在國際太空站上進行商業和基礎植物研究,或其他生物科學研究;它能連續運行至少1年而無需維護。APH被設計成一個四方形負載鎖櫃(quad-locker payload),安裝在國際太空站上的一個標準機櫃上(Expedite the Processing of Experiment to Space Station(EXPRESS) rack)。

其三個主要的子系統為水回收和輸配系統、環境控制系統和用於主要系統零件的流體溫度控制系統,這些系統一起高效地運作並使用標準機櫃的資源。

太空人將可運用目前稱為「農夫(Farmer)」的電腦來監控實驗狀況,或是讓NASA的工作人員在地球上操作此系統。此植物培養系統結合了先前的驗證過的微重力植物生長技術與新開發的容錯與復原技術,以提升整體的效率、可靠性和穩定性。此系統也提供單層嵌入式的手套口(glove ports)給太空人進行植物採樣或進行實驗時使用。基本設計採用開放式架構概念,允許在國際太空站上移除和更換關鍵子系統。

一般來說,農作物生長的環境中以70W功率的LED燈做為照射光源,並使用風扇使空氣流通。在此環境耕種的三種農作物為:「Outredgeous」紅蘿蔓萵苣、日本蕪菁(Japanese Mizuna mustard)和瓦爾德曼綠萵苣(Waldman’s Green lettuce),這些蔬菜含有抗氧化劑,有助於保護太空人免受太空輻射源(space radiation sources)的傷害。

APH的耕種空間將包含1,708平方公分的空間與43公分的高度給植物的地上部區域(shoot zone,指莖與葉),以及1,853平方公分的空間與5公分深度的根部生長空間。此系統具備主動(method-active)溫度控制,使用溫度範圍為+18~+30℃的熱電致冷器(thermoelectric coolers),將溫度控制在設定值的±0.5℃範圍內與植物冠層的±1℃內;濕度維持在相對濕度(RH)的50~90%範圍內,相對濕度的準確度維持在設定值的±3%和植物冠層的±5%範圍內。

在地上部區域,APH的感測器能夠測量光合作用有效(photosynthetically active)和紅/遠紅外光範圍內的光照等級(light level),以及植物冠層或其他樣本(sample)表面溫度。在根部區域(root zone),此標準、科學化的植物培養平台提供了多種感測功能,包括:根部區域溫度、濕度等級(moisture level)和氧氣含量的偵測。

20171106NT01P2 圖2 APH側面圖。(照片來源:NASA)

此系統也使用高密度LED照明,採用紅光(光照強度為0~600μmol m-2 s-1,波長為630~660nm±10nm)、藍光(光照強度為0~400μmol m-2 s-1,波長為400~500nm±10nm)、綠光(光照強度為0~100μmol m-2 s-1,波長為525nm±10nm)、寬頻白光(光照強度為0~600μmol m-2 s-1,波長為400~700nm)和遠紅外光(光照強度為0~50μmol m-2 s-1,波長為730~750nm±10nm)光源。

透過多孔材料構成的生根環境(rooting matrix)中進行主動轉移(active transfer)來輸送水中營養物質。植物培養系統中的大氣成分為400~5000ppm±50ppm濃度的二氧化碳。此系統並具備EXPRESS機櫃相容的的資料/照片介面,支援即時數據遙測、遠端控制和可下載照片到NASA甘迺迪太空中心(NASA Kennedy Space Center)的實驗室。

20171106NT01P3 圖3 APH正面圖。(照片來源:NASA)

仔細地監測重要的參數

APH團隊將APH送往國際太空站之前,先在地球上的NASA進行測試。

20171106NT01P4 圖4 透過此系統仔細地監測所有重要的參數。(圖片來源:Loretta Taranovich

APH系統由登陸國際太空站的太空人啟動,但控制方面則由位於甘迺迪太空中心的團隊負責,減少太空人種植蔬菜所需的時間,因為NASA不希望太空人變成太空農夫。該系統配備180多個感測器,將空氣和土壤中、植物根部附近以及莖葉的溫度、氧氣含量和濕度等級之即時訊息傳送回甘迺迪太空中心。

LED照明

NASA的測試已經確認LED照明是植物生長在地球和太空中最佳單一光源的照明方式。 這裡有LED燈、高強度氣體放電燈(HID)和其他光源燈的比較。

LED燈不像螢光燈需要鎮流器(ballast),你可以擁有單色照明,或者可以輕鬆地轉換成由不同波長LED光所組成的照明組合。而且,LED產生很少的熱度或不產生熱度,因此LED燈與其他照明設備相比,能更靠近植物——尤其是在狹小的空間中。

為何要有不同的光照顏色?NASA發現以下原因:

˙紅光(波長630~660nm)對於植物莖部的生長與葉片的伸展很有幫助。此段波長也可調節開花、休眠期與種子發芽。

˙藍光(波長400~520nm)需要小心地與其他光譜中的光混合,因為某些植物品種若過度地暴露在這個波長中的光線下,可能會影響到生長狀況。藍光範圍內的光也會影響到植物中的葉綠素含量以及葉片厚度。

˙以往曾認為不需要使用綠光(波長500~600nm)來種植作物,但最近的研究發現此段波長的光可穿透較密集的植物冠層頂端區域,協助下層區域中的樹葉生長。

˙遠紅外光(波長720~740nm)也可穿透密集的植物冠層上層區域,協助較下層區域樹葉的生長。此外,在紅外光的照射下,可縮短植物開花的時間。使用遠紅外光的好處是在此段波長的光線照射之下,植物的葉子會長得比較大片。

科學家們發現,將白光LED燈組合在一起,可以確保種植在室內的植物能獲得所需的光合有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR),進而使植物的健康、生長和產量達到最佳化。

能源管理

國際太空站上有四套供電系統,每套總功率為1kW,提供APH所需的1,500W電源。

介面

透過中等通訊速度的乙太網路系統與一個控制器區域網路(CAN bus)進行數據遙測。

了解更多:第二生物圈(控制科學研究的實驗室)將改善第一生物圈(地球)與更多方面

NASA的創意太空食物點子

由於NASA正在編定更為精簡的預算,這些60年代輝煌時期的技術人員、工程師和科學家們必須「跳脫框架」來思考問題,尋求新的、具有成本效益的解決方案。這裡是用於太空飛行時其中一項的食物補給方案,提供給甘迺迪太空中心的月球與火星探測團隊,未來可能應用於地球與月球中間的「深空閘口」太空站(deep space gateway)

20171106NT01P5 圖5 NASA深空閘口太空站概念。(圖片來源:NASA)

這個團隊由植物科學家與硬體專家所組成,研究先進的農業技術,例如麻省理工學院的「都市農場(Crops near urban areas)」與「貨櫃農場(Freight Farms)」。當獵戶座(Orion)太空船在2030年代將太空人帶上火星時,也許這個想法能因而促成火星居住艙的建立。

使用創新的工業電子零件,如客製化的Opto22固態繼電器(SSR)來組裝標準建構模組(standard building blocks)是未來居住艙系統架構的必要條件,他們說像國家儀器(National Instruments)LabVIEW這樣的系統工程軟體是納入架構空間(architectural space)設計中的好選擇。

他們計劃採用客製化、300微摩爾(u moles)、富含藍光(blue-enriched)的白光,此光線有助於產生人體褪黑激素。人體晝夜節律系統(human circadian system)對於這種光線很敏感,關係到太空人的日夜作息。

如同先前所提到,NASA並不想讓太空人成為在太空中種植、照顧與灌溉作物的農夫,所以自動化耕種系統相當重要。因此,NASA的團隊向外購買了要價3,500美元的自動化機電系統,並將此修改為可透過手機、電腦等產品控制的農業耕種系統。

20171106NT01P6 圖6 NASA的發明家僅僅花費了3,500美元就研發出此系統,並運用此系統實驗性地種植種子、灌溉、讓太空人施肥,並包含回饋系統中的土壤感測器,有助於在太空居住艙中優化植物生長與照顧狀況。(圖片來源:Loretta Taranovich)

他們的系統類似農耕機器人(Farmbot Genesis),由NASA提供經費預算。此團隊的另一個研究領域為如何處理火星土壤中的高氯酸鹽和細菌。觀看Space.com的YouTube影片一探究竟:

20171106NT01P7 圖7 電子產業中所使用的標準模組零件正迅速成為開發太空系統時所使用的一種方式,例如運用在深空居住艙(Deep Space Habitat,DSH)。(圖片來源:Loretta Taranovich)

20171106NT01P8 圖8 我與團隊成員們討論太空中的食物。Larry Koss(左)為太空探索與通訊部門(ESC)的技術工程師,Matt Romeyn(右邊第二位)為生命科學專案的科學家,Ralph Fritsche(右)為長期食物生產經理。(圖片來源:Loretta Taranovich)

對於5年以下的任務,他們計畫打包散裝食物加上使用其他系統例如APH所供應的新鮮食物,作為補給。在我未來的火星訪問中,將會有更多如同這些令人興奮的技術出現(我只是開個玩笑,我的意思是到NASA採訪)。

(參考原文:NASA growing food in space: An amazing technological feat,by Steve Taranovich)