地球是一艘像国际空间站一样的宇宙飞船 - 让我细细道来
在空间站和地球的栖息环境都是闭环系统，只是规模大相径庭
天地相连，地球如同空间站，如何发展小型封闭生态？
图一：1969年阿波罗10号执行任务期间，美国宇航员在三万六千海里外拍摄了这张地球照片。（图片来源：美国宇航局）
设想这样一种生活环境，您在一个有限的资源循环的环境中生存，消耗不得超过产能，水和氧气只能通过循环再生，您需要尽最大可能减少浪费，循环使用一切可能循环的东西，并且维持外生污染零排放。这正是宇航员在国际空间站中一定程度上需要适应的生存环境，也将是未来人类在月球或火星定居的生存范式。这种生存哲学恰好是在今年10月4日至10日举办的世界空间周的核心议题之一：人类若要保护地球生态环境，必须践行与之同构的可持续发展路径。空间站或月球基地的生存环境同属准闭合生态系统。其运行逻辑要求在系统内必须实现资源的原位生产与全循环利用，通过物质的闭环反馈机制来应对有限的资源产出。一旦资源消耗速率超过系统自循环能力，宇航员将面临空气枯竭，食物耗尽，水循环崩溃，或者能量供给失衡等致命风险。当然，目前我们可以通过地面实施在轨补给，但这也意味着空间站不再是严格的100%闭合生态系统。然而地球本身，却是一个完全闭合的生态系统。
宇宙飞船 - 地球
我们的星球具有有限的承载能力，或者称之为“罗马俱乐部”- 一个由智库中的学者、商业领袖、政治家们在1973年发表的著名报告《增长的极限》中所提出的概念。他们在报道中发出警告，地球正在接近其承载极限，我们将很快面临能源消耗过度，粮食需求过高，淡水供应不足，温室气体排放激增等一系列问题，使地球这个闭环生态需用难以维持可持续性发展。事实上，年复一年持续恶化的气候，例如频繁的干旱、饥荒、森林火灾以及极端天气，有些人认为我们已经到达了这一临界点。
这正是空间站中的生存环境能够为地球可持续发展提供参考的地方。这并不是全新的理念，但近期，德国航空航天中心的研究人员在《可持续地球评论》期刊上发表的一篇论文中，清晰的总结了如何将封闭式太空栖息地所依赖的技术应用于地球。他们详细阐述了一个闭环系统的空间站生态所必须具备的关键功能，并进一步探讨了如何在更大尺度上将这些原理应用于地球，以提升全球生态可持续性。
首先，资源必须合理培育并投入系统中。在该语境中，资源指的是维持生态系统正常运行所需的一切物资，包括从食物到能源等等。然而，人类必须严格管理这一过程，否则容易导致资源的过度开发。例如，如果快速开采月球表层的水冰，那么就难以维持月球基地的长期供水。其次需要保证资源的循环利用，以防止其迅速耗尽。在完全封闭的生态中，循环外的浪费不仅会造成资源的日益减少，也会影响生态的长期运行。此外，这些累积的废弃物还会污染环境，进一步削弱生态系统的稳定性。第三是自给自足。除了偶尔接收地球的补给外，空间站生态必须具备独立生产和循环所有资源的能力，来保证其可持续运行能力。最后，一个封闭的生态环境需要具备足够的稳定性，来无限期的维持其内部居民和其他动植物的生命。如果系统由于资源的过度消耗而崩溃，那么将大幅缩短生态系统的寿命。
图二：目前的国际空间站并非是完全封闭的生态系统，但我们正在开发新技术，期待有朝一日实现其自给自足。（图片来源：美国宇航局）
这些原则同样适用于地球。集约化农业，矿业、渔业等活动正是我们开发地球有限资源的方式。通过对资源的循环利用，我们保证资有限资源的可持续利用，也可也降低对环境的污染。此外，如果各地区能够实现高度自给自足，就能减少对进口资源的依赖，从而减少由于长距离运输产生的碳排放。地球在近四十亿年的时间内始终保持着强大的稳定性，然而，我们对资源的肆意消耗正在接近这一稳定性的极限，使地球生态承担巨大的压力。
地球上的太空科技
有趣的是，许多为太空探索开发的技术，如今正在帮助地球实现可持续的发展。最典型的例子便是1954年诞生的太阳能电池板。当时世界仍处于燃煤发电的时代，光伏电池在地球上的应用场景十分有限。太阳能电池板的首个突破性进展发生在在太空探索中。1958年，“先锋一号”卫星成为首个依赖太阳能供电的航天器。在“太空竞赛”的时代，各个国家在太阳能电池研发方面投入了大量资金，到1970年代，太阳能电池的技术已经发展成熟，可以在地面大批量应用。如今，太阳能电池板随处可见，平均每块面板每天可发电1.5千瓦时。截至2023年，太阳能发电已占全球电力供应的5.5%，而不会产生类似燃煤发电站的有害气体或者核裂变反应堆的放射性废料。
另一项源于太空的可持续技术涉及食品生产。宇航员们正在尝试在太空环境培育作物，支持长期任务中的食物供给。这一技术被称蔬菜培育系统，在2021年实现突破性进步，由美国航天局宇航员迈克尔·霍普金斯在空间站收获了首批在太空中培育的蔬菜。该系统适用“种子枕”技术，在封闭生态中提供定量的肥料和土壤，采用主要发射红蓝光的LED照明系统以促进光合作用，催熟作物。如今，这项灯光技术在地面的垂直农业中得到了广泛的应用，实现在城市环境中利用多层种植结构培育农作物，以减少土地占用和水资源的高效循环利用。同时，在人口密集的城市种植粮食，也可以减少运输和大规模农业产生的碳排放，从而发展出可持续供应的作物种植体系。
水循环
谈及水资源，由于其重量造成高昂的运输成本，空间站中对水资源的循环利用至关重要。在国际空间站中配备的水资源回收系统保证了水的循环利用，它作为空间站生态控制和生命支持系统的一部分，能够将宇航员呼出的水蒸气、汗液，甚至尿液净化为可饮用水（听宇航员们说这种再生水的口感还不错）。其中，尿液处理装置适用真空蒸馏技术，从宇航员的尿液中提取清洁水，余下的则变成听起来有些恶心的“浓缩尿液盐水”。为了最大化对水资源的循环利用，在空间站中研发了浓缩盐水处理装置，从这些残留物中进一步提取可用的水分。在封闭的生态系统中，每一滴水都要物尽其用。虽然地面上的人类不需要从尿液中获取饮用水，但全球仍然有许多地区面临严重的淡水匮乏。美国航天局已经把上述的水回收技术授权给商业公司，用以开发便携式滤水设备，使缺乏淡水的区域能够从被污染的水源中获取饮用水。
图三：欧洲宇航员安德烈·库伊珀斯在国际空间站的微重力环境中拍摄的一滴水空间站上的水是一种宝贵的资源，必须加以保护和回收。（图片来源：欧洲航天局/美国宇航局）
碳清洁
除了水蒸气，宇航员在呼吸时也会释放二氧化碳。早在阿波罗13号的太空探索任务中，宇航员们就亲身经历了二氧化碳积聚的危害，被迫在航天飞船内临时制造二氧化碳过滤器，以确保回程中飞船内安全的空气环境。因此，在国际空间站上，二氧化碳必须被有效的从空气中清除。最开始，地球每年需要往空间站运送约400升水来支持空间站利用电解水的方式生产足够的氧气，这破坏了空间站的封闭生态。现在，欧洲航天局开发的高级闭环生态系统大大改善了这种情况，它能够将空间站内约50%的二氧化碳循环再生为氧气，大大降低了水的运输成本。
该二氧化碳循环装置通过混合氢气与从空气中提取的二氧化碳，反应产生水和甲烷。甲烷将被排放至太空，而水则被电解产生氧气和氢气，其中氢气可以循环利用。在此之前，空间站主要用名为沸石的矿物来清除二氧化碳，其纳米级孔隙可以吸附二氧化碳分子并排放到太空。现在，爱丁堡大学的斯特凡诺·布兰达尼和朱利奥·桑托里正在探索是否可以把这项技术应用在地球上。他们计划使用巨型的风扇将富含二氧化碳的空气吸入沸石床过滤站用以清除大气中的二氧化碳。此外，该技术也可以用于工业废气处理，在其排放到大气之前先去除二氧化碳，从源头减少碳排放。尽管这些碳捕获技术无法彻底消除全球变暖的威胁，但它们可以有效的缓解气候变化，将全球气温升幅控制在1.5摄氏度以内。
长期以来，全球范围内的太空计划常因其高昂的成本而饱受批评。许多人认为，与其将巨额资金投入太空探索，不如将其用于解决地球上的贫困、医疗、教育和环境问题。然而，讽刺的是，正是这些为了支持人类在太空生存而研发的技术，正在帮助我们在地球上实现更可持续的生活方式。当然太空旅行本身也会破坏环境，每次火箭发射预计会排放约300吨二氧化碳，对大气层造成客观的冲击。然而，如果太空技术能够在地球上合理的使用，这些技术的确可以带来能够弥补它本身带来的环保效益。毕竟，地球本身就是一艘了不起的太空飞船。
BY: Keith Cooper
FY: Amberoid
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