地球正在變暖，海洋正在酸化，亞馬遜正在燃燒殆盡，塑膠正在北極飄落。專家表示，人類對環境的破壞如此嚴重，以至於全球規模的生態災難已經開始。即使是那些持樂觀態度的人也很難否認，我們目前的全球足跡與其說是輕輕一觸，不如說更像是靴子踩在地球的臉上。在這樣黯淡的背景下，人們可能會問，花費巨資將人類送往其他世界是愚蠢的分心，還是對地球生命走向衰落的一種憤世嫉俗的對沖。
然而，太空飛行有可能不僅僅是古怪億萬富翁的行星逃生艙。無論是在今天環繞地球的宇宙飛船中，還是在未來某天可能在月球和火星上建造的前哨站中，為了在地球之外生存，我們都必須在地球外複製我們星球上所有維持生命的基本要素。幾乎可以回收一切的技術——使水、空氣和食物儘可能地可再生和自給自足的技術——對於當前和未來的人類太空飛行至關重要。
再說，我們已經知道我們是如何危害地球的，以及需要為此做些什麼。“我們幾乎擁有了現在和未來可持續生活所需的所有工具，”哥倫比亞大學和NASA的氣候科學家凱特·漫威說。“我們未能解決氣候變化問題，不僅僅是因為我們對太空感興趣。” 同樣，僅靠太空飛行無法拯救地球，但這並不意味著它僅僅助長了幼稚的夢想，即拋棄我們的星球。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
罐頭農業
宇航員需要技術創新才能在太空中生存，但在過去，這些解決方案在某種程度上是臨時的——想想NASA載人阿波羅登月任務，其持續時間最長只有12天多一點。變革正在進行中：特朗普政府現在希望到2024年將宇航員送上月球。盧克·羅伯森是NASA肯尼迪航天中心飛行研究高階首席研究員，他說該機構正在最早於2028年在月球表面尋求可持續的建築——這種建築需要技術來提供長期、可再生的食物、空氣和水儲備。
其中一些技術可能不會留在太空。畢竟，許多由太空機構資助或設計的發明已被轉移到商業領域。這些包括幾個以生態為重點的專案，包括一個製造可持續石油的專案，以及另一個使用LED顏色組合或“光配方”來觸發不同風格的作物生長的專案。
在太空中種植作物絕非易事。但是，NASA植物科學家喬亞·馬薩說，諸如專用照明和先進感測器等技術在國際空間站（ISS）上至關重要，那裡的蔬菜系統等實驗展示了節能型食品生產。該系統使用LED進行植物生長的概念是20世紀80年代NASA資助的研究提出的。馬薩說，這項技術現在為室內農業節省了大量能源。
NASA還與弗羅裡坎公司合作，該公司開發了一種肥料，其聚合物塗層可以控制營養物質的緩慢釋放。它旨在減少肥料徑流進入環境，這可能會導致生態災難。馬薩說，這種肥料正在太空中使用，並且已經證明了其在國際空間站上增強植物生長的能力。這些產品經過調整以繼續在太空中使用，也正在向商業溫室所有者銷售。
NASA的技術轉移工作負責人丹尼爾·洛克尼說，一些環保創新源於NASA僅僅是試圖對環境負責。在地球上建造航天裝置是一項骯髒的業務，燃料、油漆、溶劑和其他有毒物質可能會滲入自然環境。這就是為什麼NASA開發了乳化零價鐵（EZVI）的原因，這是一種附著在地下水中氯化溶劑上的材料。當用強效化學品擦洗骯髒的發射臺時，EZVI有助於事後清理它們。除了發射臺之外，這種化合物已在全國各地的化工廠和嚴重汙染的超級基金場地中得到常規使用。
對於太空旅行者和地面居民來說，飲用水的供應也至關重要。而水汙染恰好是每年數百萬人死亡的原因之一，因此任何有助於消除這場悲劇的技術都將受到歡迎。
洛克尼指出了微生物止回閥，這是一個關於NASA如何緩解這個問題的有力例子。最初為該機構的太空梭艦隊開發的系統，現在更先進的版本可以被動地阻止廢水中的有害微生物游回國際空間站上的飲用水水庫。其他版本正在地球上工作，在髒水和無電力供應的地區以及牙科診所中使用最少的能源保持水清潔。（還記得牙科檢查後在嘴裡漱口的液體嗎？這種水通常由相同的閥門淨化，以最大限度地降低口腔感染的風險。）
羅伯森和NASA的博士後研究員梅蘭妮·皮克特都在研究用於太空飛行的淨水系統，包括國際空間站上的淨水系統。那裡的廢水通常用化學混合物分解。“但這種化學方法是不可持續的，”羅伯森說，因為它需要透過地球的補給任務定期補充。他和皮克特現在正在設計利用植物和微生物更可持續地回收廢物的系統，這些方法最終可能有助於重新設計地球上的廁所和化糞池。
正如水的情況一樣，在太空中使可呼吸的空氣成為無限資源也絕非易事。在國際空間站上，氧氣傳統上是從必須從地球帶來的水中提取的，這既昂貴又浪費。截至2018年，歐洲航天局（ESA）正在透過其新的先進閉環系統改變這種現狀，該系統可以清除空間站環境中的二氧化碳，並在此過程中吸出氧氣，以補充可呼吸空氣的供應，同時節約用水。
雖然規模更大，操作要求也略有不同，但地球上可能需要碳捕獲系統，作為減緩氣候變化步伐的更大組合的一部分。為在軌道上使用而開發的技術可能為在我們的星球上做同樣的事情提供參考。
意外的衍生技術
不浪費任何東西是許多這些創新技術的 underlying principle。馬薩說，在太空中，廢物必須被視為一種資源，而不是無意識地丟棄的東西。這是所謂閉環系統的一部分：如果這樣一個系統是完美的，其所有元件都會被回收，並且沒有任何東西作為廢物從系統中排出。想想密封的生態瓶，其中微型植物生態系統無需外界干預即可自行茁壯成長數十年。
微型生態生命支援系統替代方案（MELiSSA）專案強烈遵守這一理想。這個由ESA主導的專案以巴塞羅那一個不斷調整的“試驗工廠”測試設施為特色，目標是建立一個自我維持、生物驅動的閉環生命支援系統。
該試驗工廠的隔間試圖降解廢物並利用光合作用清潔空氣、提供氧氣和生產食物，它使用一群老鼠作為宇航員的替身，以瞭解該系統在維持機組人員數月之久的有效性。已經使用了幾代老鼠，到目前為止，還沒有出現傷亡。一些MELiSSA衍生的實驗，例如光合作用驅動的氧氣和可食用生物質製造ARTEMISS，正在被送往國際空間站，以瞭解它們的表現。
該專案始於1989年，旨在到2020年代中期發展成為一個能夠維持人類機組人員進行長期星際航行的系統。ESA的MELiSSA負責人克里斯托夫·拉瑟說，與此同時，其衍生技術已經顯示出前景。例如，其尿液回收技術最終可以部署在偏遠地區和災難現場，以具有成本效益的方式提供飲用水，並最大限度地減少環境影響，從而無需從遠處運送清潔水。
崇高的理想是一回事，但正如以往一樣，證明在於實踐。並非所有創新想法都可能成為現實，對於那些成為現實的想法，從太空到地球的開發和轉移幾乎不會在一夜之間發生。羅伯森解釋說，他自己的發明平均需要7到10年才能商業化。MELiSSA被認為是50年的努力。
耐心當然是一種美德。“這有一定的偶然性，”洛克尼說。“就像我們知道水是溼的一樣，我們知道對這些新任務的投資將產生造福全人類的發明。”
如果說有什麼的話，這些創新突顯了為什麼對基礎研發的投資如此值得。“科學真正酷的地方在於，你真的不知道會從中得到什麼，”漫威說。畢竟，沒有人想到全球資訊網會從導致大型強子對撞機的同一旅程中誕生。
撇開漫長的工程時間和不可預測性不談，太空飛行已經為消費者帶來了一系列有效（即使不是改變遊戲規則的）環保副產品。那麼，為什麼它們仍然如此鮮為人知呢？風險投資集團Space Angels的執行長查德·安德森懷疑，這部分歸咎於糟糕的營銷。
安德森說，來自太空相關研發的技術轉移不僅在環保產品方面，而且在更廣泛的交通運輸、醫療保健和通訊領域都引發了重大創新。問題在於，太空機構沒有有效地向公眾宣傳這些成功案例。“太空公司非常不擅長談論他們在做什麼，”安德森說。
安德森說，為應對這種情況而做出的一些努力，具有諷刺意味地體現了首要問題。想想NASA的內部出版物衍生技術，自1976年以來，該航天機構一直使用該出版物來突出成功的技術轉移。儘管有這樣的歷史，安德森說，該雜誌仍然是一份非常技術性、相對難以理解的期刊，很少有人真正閱讀，更不用說了解了。為了提高公眾的參與度和認可度，安德森建議在太空飛行研究及其對我們日常生活的影響之間建立更明確和更個人化的聯絡。
親愛的，我把地球縮小了
無論如何，這些生態創新是值得歡迎的，但我們不應該依賴技術解決方案來拯救我們。漫威說，地球已經適合居住，我們不應該渴望住在罐頭裡。幸運的是，一些研究專案幫助我們瞭解我們的星球，並提高我們在太空中生存的能力。
以亞利桑那州著名的生物圈2號設施為例。它最初是1990年代一項開創性實驗的所在地，該實驗將男女鎖定在一個與世界其他地方隔絕的棲息地中，以觀察他們和內部環境在兩年內的發展。（地球被稱為“生物圈1號”。）
儘管生物圈2號實驗最令人印象深刻的是氧氣水平驟降，危及居民並需要外界干預，但它比人們可能回憶起的要成功；它使人們更好地瞭解了地球的生命支援系統和大量的科學論文。事實上，這正是該專案的最初目的：提高我們對地球各種系統的理解，以便我們可能成為“更好的星球管理者”，該設施現任副主任約翰·亞當斯說，該設施現在由亞利桑那大學擁有和運營。
今天的設施包括幾個模型生態系統，從逼真的熱帶雨林到海洋環境。透過控制這些生態系統中的元素，科學家可以瞭解真實世界的對應物是如何在隔離狀態下執行和受到干擾的。
在同一地點，但不是原始生物圈2號實驗的一部分，人們可以找到景觀演化觀測站（LEO），它由三個巨大的結構組成，這些結構建立在火山玄武岩山坡上，在許多方面，它類似於火星的地形。彼得·特羅什是生物圈2號的科學主任，他解釋說，LEO可以用來了解如何將一片毫無生機的景觀變成可以維持生物的東西。“通常，物理世界和生物世界在外部縫合在一起，很難將它們拆開，瞭解其動態並重新縫合在一起，”亞當斯說。像LEO這樣的實驗允許這種生態解剖。
特羅什說，雖然對理解地球外棲息地具有明顯的意義，但這項工作的見解也可能有助於恢復地球上一些退化最嚴重的生態系統。ESA的探索系統主管丹尼爾·勞里尼說：“在太空和地面活動之間，我們正在努力解決相同的問題。”
然而，理解地球至關重要。“如果我們無法理解[地球的]系統——我們生活在其中、依賴於其中的系統——我們怎麼能認為我們將永遠能夠重建任何可以支援我們的東西？”亞當斯問道。
太空技術當然發揮著關鍵作用，而且不僅僅是在生命支援系統方面。漫威說，畢竟，衛星使我們能夠在過去幾十年中以驚人的細節觀察地球，這對大氣和環境科學家來說是一個改變遊戲規則的工具。
但是，如果我們不確保地球仍然是一個適合許多人居住的世界——這是一場我們已經有能力解決的危機——那麼瞄準星空又有什麼意義呢？我們可能想要在火星上生產氧氣供呼吸，在月球上種植沙拉食用，但“地球已經為我們做了所有這些事情”，馬薩說。她推測，也許，在太空中生活的艱辛可能會讓人們更好地欣賞我們在家理所當然的事情。