小行星能成為太空人的食物來源嗎？

By Sam Fan 樊潤璋

我們能吃石頭嗎？

想像一下，你是一名太空人，漂浮在淒冷幽寂、茫無邊際的虛空中。孤獨感席捲而來，深空中只有天體、星雲作伴，每份預製餐點都是你與地球有所連結的僅有依據。向焦香的牛排和香脆的多士告別吧 — 人生在世最糟糕的事，莫過於失去梅納反應所帶來的絕頂美味。然而，未來太空人的味蕾可能面臨更嚴峻的挑戰，因為科學家正探索如何將小行星物質轉化為食物。地球上應該從不會有人問：「我們能吃岩石或塵土嗎？」－ 除非你已經花光這個月的零用。不過對於漫長的深空任務來說，一直依賴地球的補給是不切實際的。

一些創新方案，例如在太空船上培育植物、藻類、蘑菇，甚至是人造肉的生物再生系統等，也許能被寄予厚望，但這些系統需要大量資源，包括水、光和養分 [1, 2]。相較之下，將「開採」的概念用於食物上光想就令人躍躍欲試了。到底太空豐富的資源能否提供食物來源？科學家正在研究透過開採小行星來製造食物的可行性，一些富含碳元素的小行星也許是關鍵，它們蘊含著把有機物轉化為太空人食物的潛力 [2]。

小行星食物背後的科學

富含碳元素的小行星，包括1969年墜落在澳洲的著名默奇森隕石（Murchison meteorite），含有各種形式的有機物，例如脂肪族烴（aliphatic hydrocarbons）和不溶性有機物（insoluble organic matter）[2]。從小行星開採食物的過程正正涉及將較短的碳氫化合物餵給細菌，理想的碳鏈長度為10到40個碳原子 [2]。先前的研究發現一些細菌能將高密度聚乙烯塑膠的熱分解產物轉化為可供人類食用的生物質 [3]。由於那些塑膠的熱分解產物與小行星物質的成分相似，因此我們能預期微生物群能像一支微型廚師團隊，將小行星原料轉化為富含碳水化合物、蛋白質和其他人類生存所需營養的食物 [2–4]。

算算看！

在以下的計算中，我們選擇以小行星貝努（Bennu）來展示一顆小行星到底可以提供多少食物 [2]。貝努是一顆小型、富含碳元素的近地小行星，質量為7.329 × 10¹³克。這顆小行星也是美國太空總署首次執行小行星樣本收集任務的目標 [5]。以下是一些關於計算的假設：第一，貝努中有機物所佔之比是從已被廣泛研究的默奇森隕石的數據中推斷；其次，食物最大產量是基於貝努的不溶性有機物總量來計算，我們假設這些物質能被提取並轉化為可食用的生物質。

讓我們先計算貝努中不溶性有機物的質量：

      貝努的質量 × 不溶性有機物所佔之比

      = 7.329 × 10¹³ × 0.096

      = 7.036 × 10¹² 克

提取和轉化過程的效率預計不會太高。假設不溶性有機物中可被提取作生產食物之用的質量比e為0.32 [3]、細菌群落的轉化效率k₁為0.2 [3]，以及從貝努提取有機物的效率k₂為0.008 [6]。貝努能提供的可食用生物量估計為：

      貝努中不溶性有機物的質量 × e × k₁ × k₂

      = 7.036 x 10¹² × 0.32 × 0.2 × 0.008

      = 3.602 × 10⁹ 克

已知每100克可食用生物質含有442千卡，貝努可提供的總熱量估計為：   

      可食用生物質的質量 ÷ 100 × 442

      = 3.602 × 10⁹ ÷ 100 × 442

      = 1.592 × 10¹⁰ 千卡

美國太空總署每天的標準膳食為每名太空人提供2,500千卡。那麼，貝努能滿足一名太空人多少年的食物需求？

      貝努可提供的總熱量 ÷ 2,500 ÷ 365

      = 1.592 × 10¹⁰ ÷ 2,500 ÷ 365

      = 17,447年

計算結果顯示是長達17,447年（或是為17,447名太空人提供一年所需的食物）。我們正在談論的是體積約為6,230萬立方米的小行星，即大小相當於約25,000個奧運標準泳池 [7, 8]。如果僅為一名太空人提供一天的食物，每天所需的原材料體積就相當於約四分一輛香港19座公共小巴 [9]。

漫漫長路

僅為一名太空人提供食物，每天就需要加工大量的小行星物質。在太空中每公斤的設備和物資都必須受到嚴格管理，因此要進行這種大規模的處理在安排上並不簡單。對於餵飽整個太空人團隊來說，所需要的儲存與加工能力遠遠超出當前技術的可行範圍，因此儘管利用小行星來生產糧食是個令人興奮的概念，但目前它仍處於構想階段。

未來發展必須專注於提高提取和轉化過程的效能，減少所需的小行星原料量，並集中開發精密、節能，且能適應太空獨特環境的系統 [2]。生產的食品還需經過毒理分析、動物試驗以及最終的人體試驗，以策安全 [2]。只有全部達到標準，這構想才能被實際採用於長期太空探索之中。

嶄新領域

儘管這項技術仍處於理論階段，並且面臨諸多挑戰，無可否認的是其具備重新定義太空旅行的潛力。這種方法有望減少對地球資源的依賴，使人類能夠執行更長時間的宇宙探索任務。雖然目前看來還遙不可及，但這個構想展現了人類無限的創意與決心，即使在廣闊、荒蕪且嚴酷的太空，也希望找到生存與發展的方式。

參考資料

[1] Douglas GL, Wheeler RM, Fritsche RF. Sustaining Astronauts: Resource Limitations, Technology Needs, and Parallels between Spaceflight Food Systems and those on Earth. Sustainability. 2021;13(16):9424. doi:10.3390/su13169424

[2] Pilles E, Nicklin RI, Pearce JM. How we can mine asteroids for space food. Int J Astrobiol. 2024;23. doi:10.1017/s1473550424000119

[3] Byrne E, Schaerer LG, Kulas DG, et al. Pyrolysis-Aided microbial biodegradation of High-Density polyethylene plastic by environmental inocula enrichment cultures. ACS Sustain Chem Eng. 2022;10(6):2022-2033. doi:10.1021/acssuschemeng.1c05318

[4] Wilkins A. Astronauts could one day end up eating asteroids. New Sci. Published online October 4, 2024. https://www.newscientist.com/article/2450719-astronauts-could-one-day-end-up-eating-asteroids/

[5] Barnett A. Bennu. NASA Science. Updated December 17, 2024. Accessed January 22, 2025. https://science.nasa.gov/solar-system/asteroids/101955-bennu/

[6] Zhang L, Dong H, Liu Y, et al. Bioleaching of rare earth elements from bastnaesite-bearing rock by actinobacteria. Chem Geol. 2018;483:544-557. doi:10.1016/j.chemgeo.2018.03.023

[7] Lauretta DS, Bartels AE, Barucci MA, et al. The OSIRIS‐REx target asteroid (101955) Bennu: Constraints on its physical, geological, and dynamical nature from astronomical observations. Meteorit Planet Sci. 2014;50(4):834-849. doi:10.1111/maps.12353

[8] Bureau of Meteorology, Australian Government. When dam size matters. Updated October 25, 2012. Accessed January 22, 2025. https://media.bom.gov.au/social/blog/39/when-dam-size-matters/

[9] Toyota Hong Kong. Toyota Coaster. Accessed January 22, 2025. https://www.toyota.com.hk/en/our-vehicles/coaster/