漫谈太空农业-生物产业自动化教学及研究中心

環控農業工程學期中報告題目太空農業漫談指導老師方煒教授報告人蕭世傑年級博士班二年級學號D89631004簡介太空旅行＝天方夜譚？太空居住＝遙不可及的夢？簡介當有朝一日美夢成真時我們的旅遊與居住真的會如同想像中快樂嗎簡介不妨思考一下可能會遭遇到哪些問題簡介食物與資源回收再利用應是首要解決的問題簡介目前只能將在地球上生產（生長）的食物（作物）帶到太空中為何要在太空中生產作物在太空中生長作物可以解決食物的問題如何在太空中生產作物必須在地球上有一些初步研究之後才能開始在太空中生產作物研究太空生長食物的大學1.UtahStateUniversity：小麥2.TheUniversityofWisconsin:馬鈴薯3.PurdueUniversity：萵苣4.NorthCarolihaStateUniversity：大豆5.theUniversityofCaliforniaatDavis：氮素太空農業發展的三大方向1.太空旅行2.太空站3.太空殖民地太空農業研發計畫中較著名者包括1.第二生物球試驗:BIOSPHEREII,美國Arizona州沙漠區，4對成年男女研究人員,1991-1993第一次試驗。太空農業研發計畫中較著名者包括2.環境生態控制下維生系統:CELSS：ControlledEnvironment（Ecological）LifeSupportSystem，環境生態控制下的維生系統。NASA太空計畫1991-1995。太空農業研發計畫中較著名者包括3.CBLSS：ControlledBioregenerativeL.S.S.，可控制的生質再生的維生系統。NASA目前之主要太空計畫之一太空農業研發計畫中較著名者包括4.BIOS-3:前蘇聯太空計畫之一太空農業研發計畫中較著名者包括5.生物圈-J:日本太空計畫之一您不能不知道運送一磅的物質到太空中的花費？需要美金5000元請您算算看把一加侖（8.3磅）的水送到太空中需要多少錢？需要美金40000元約折合台幣132萬元左右在太空中需要做資源回收在月球上洗一次澡需要付出相當高的代價在太空中需要做資源回收因為水的費用昂貴所以在太空中的水需要小心翼翼回收並且循環再利用在太空中需要做資源回收我們呼出的二氧化碳需要透過植物轉換變成氧氣被再次的利用在太空中需要做資源回收這意味著在太空中幾乎所有的東西都不能浪費都需要回收再利用CELSS系統介紹在太空中循環利用的維生系統NASA稱之為CELSSCELSS系統介紹CELSS：ControlledEcologicalLifeSupportSystemCELSS系統介紹CELSS是由美國太空總署NASA資助研究建立的一套維生系統。CELSS系統介紹CELSS包含生物性的、物化性的過程，能夠將長途太空任務所需的食物、空氣、及水作再生循環利用。CELSS系統的介紹利用生物再生CELSS系統生產者的產物可以做為消費者的營養源CELSS系統的重要性因為在太空中不可能用化學方法製造碳水化合物及蛋白質所以必須要有一個溫室系統CELSS系統的重要性長期的太空任務如果能有一個溫室來生長作物不但可以循環利用廢棄物也可以利用植物來製造氧氣，更可以紓解太空人的身心一位蘇聯太空人說沒有（栽培）作物是不可能做長期、持續的太空任務CELSS與外界無任何質量傳遞CBLSS的主要精神在於強調系統的封閉與生質再生，系統與外界無任何質量傳遞，唯一的熱量傳遞將僅有太陽能在CELSS中植物扮演的角色在CELSS中植物扮演的角色包括吸收CO2，釋出O2，食物生產與淨化H2O。CELSS系統的功用CLESS提供純化過的水和氧氣在CELSS中選擇作物的條件高產量，可食部份比例高，可食部份可完全消化，可自動化生產，體積小。在CELSS中作物選擇的結果小麥稻米馬鈴薯甘薯大豆花生甜菜萵苣CELSS系統之組成這樣的系統模擬在地球上的光合成系統、呼吸系統來組成這個系統這也是唯一的一個穩定的再生的維生系統例子CELSS系統之組成因為太空任務的關係，所以對於系統的設計有嚴格的要求，因此，系統的設備及電腦控制將適時的輔助這個再生系統。CELSS系統之組成CELSS包含下列三大部分1.BPC：生質生產艙（BiomassProductionChamber）2.作物處理系統3.廢棄物處理系統ProductionGas&LiquidBiomassMonitoringandcontrolHabitationCrewProcessingWasteProcessingBiomassPreparationFood1.BPC生質生產艙BPC生質生產艙在甘迺迪太空中心研發出一種名為BPC（biomassproductionchamber）生質生產艙，為CELSS系統中最重要的部分。專責為生物產能的生產及大氣的循環。BPC生質生產艙之組成1.HVAC：Heating,ventilationandairconditioning加熱、通風、及空氣調節BPC之HVAC系統HVAC系統之加熱是藉由加熱線圈來作用，使熱水來作循環，冷卻則是用壓縮機來作熱交換。冷凝水也是會收集起來作再循環利用BPC生質生產艙之組成2.Light：光源控制系統利用HPS的光源，提供介於400-700nm波長的光合作用有效光（PAR）BPC生質生產艙之組成3.Nutrientdelivery：營養傳輸系統在BPC系統中共有64個0.245m2的植物生長的生長容器BPC生質生產艙之組成4.控制及監測系統：這個系統是由監視控制及資料的取得等部分組成BPC生質生產艙之組成5.ACS：theatmosphericcontrolsystem大氣控制系統BPC之ACS系統5.ACS：這個系統最初僅控制二氧化碳的成分目前已能控制包含O2及CO2的成分，也有不同的壓力，及連續監測的功能2.作物處理系統簡介CELSS栽培系統需求1.量化資料容易建立2.允許同時栽培多種作物3.容易擴充與管理4.可以將產物的所有部分做處理並得到最大可食用的部分CELSS的繁殖方式以生物技術繁殖無菌高品質，品質均一的單細胞或癒合組織。希望在營養繁殖階段即可收穫。3.廢棄物處理系統簡介CELSS之廢棄物處理系統將所有的固、液、氣體廢棄物作再生及循環來維持生命其它與太空農業有關的研究以探測作物產量的極限為研究的目標影響作物產量的三大因素當外在的條件不再保持恆定的時候。發現有三大因素會影響作物的產量。影響作物產量的三大因素1.葉面的環境2.根部的環境3.測試的設備及配備葉面的環境葉面的環境與下列因素有關1.空氣的溫度2.照度等級3.二氧化碳的濃度4.相對溼度5.風速中國大陸的太空農業中國大陸的太空農業自1987年發射的FSW—0返地衛星，首次搭載植物種子以來的9顆衛星和兩艘飛船，共吸引中國大陸22個省市的70多個單位參與種子搭載試驗。中國10年、人類40年來進行的太空效應研究所取得的成果，已使人們認識到，空間環境因子所產生的效應將為生物資源的利用開闢一條新途徑中國大陸的太空農業“神舟”號宇宙飛船搭載進軍太空的“生物軍團”中國大陸的太空農業在“神舟二號”宇宙飛船上攜帶的太空通用生物培養箱內，裝載19類25種植物、動物、水生生物、微生物、細胞和細胞組織，再加上15種蛋白質和其它生物大分子，是世界航太領域首次進行的多物種、綜合性生物學研究實驗中國大陸的太空農業航太誘變育種已成為中國在空間生命科學研究方面的一大特色，目前已進行了500多個植物微生物品種的搭載試驗中國大陸的太空農業經地面選育已獲得了大量的新品種、品系和新的種子資源，航天誘變育種已成為中國在空間生命科學研究方面的一個特色。它不僅開創了中國育種的新途徑，而且吸引了美國、俄羅斯、保加利亞、菲律賓等國家與中國合作。中國大陸的太空農業袁隆平院士領導的科研組利用空間誘變處理水稻種子，一些性狀變其頻率達12﹒5％，目前正在培育水稻新品種上應用。中國大陸的太空農業品種上應用航太育種篩選的青椒一個就可以炒一盤菜；一條黃瓜最重可達1500克（3市斤）與重力場有關的實驗製造細微的負重力單軸的傾斜儀被用來製造細微的負重力以及一個旋轉的碟子因為不同的旋轉離心速度而有最大到48g的離心力在管狀的培養基中種植米的種子在常溫20℃的空氣以及平均光度在110μmol/m2/s（PPF）的環境下，米的種子被種植在管狀的培養基中。其中溼度並不加以控制但均維持在90%以上觀察量測芽及根的總長因為管狀容器並不是很大無法長期培養，因此芽及根的成長平均每12小時觀察一次直到第6天為止，在最後一天也分別量測植物的芽及根的總長。結果莖的長度受到微重力的影響，但是根的長度就有不同的趨勢。日本的實驗到目前為止，動植物的行為與重力息息相關，因此分別以動物與植物來作實驗。日本的實驗動物實驗方面1.動物與重力關係之研究2.成體之營養攝取和刺激與生長反應關係之研究3.在不同重力下行走性之研究日本的實驗植物實驗方面1.在某種重力容器下種植之植物體內物質之研究2.重力與屈曲性關係之研究3.背離性之誘導關係的研究日本的實驗依照重力的大小實驗可分成1.高重力實驗2.微小重力實驗日本的實驗裝置與設備日本的實驗結果1.就莖的生長方向而言，光的影響大於重力2.就根的生長方向而言，受到重力方向的影響3.發芽，發根的時期不受高重力的影響日本的實驗結果4.微小重力處理會促進發芽，發根的時期5.微小重力處理也會影響到根的成長方向6.高重力會促進或抑制莖，根的成長尚無定論