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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 送来农民
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氮气不仅仅用来制造气压，我们还需要它来种植食物。因此，当NASA的“好奇号”探测器在2015年探测到火星上存在一氧化氮（NO）时，就像是找到了闪闪发光的金子。一氧化氮可能来自受热的硝酸盐（NO3 ）。硝酸盐是一种生物学上可获得的氮，不同于氮气（N2 ）。硝酸盐可以转化为肥料，这是农业生产的必需品。简而言之，“好奇号”的发现，意味着在火星上耕种变得稍微容易了一些，而这原本是一项极其困难的任务。现在的问题是，在哪里种植食物呢？
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第4章讨论的生物再生生命维持系统（BLSS）水培温室，在火星和月球上同样适用。困难之处是在一系列BLSS温室中种植一个大型社区所需的全部食物。由于月球离地球足够近，所以可将散装食品运到月球上，而来自BLSS的新鲜食物真的只是作为一种补充，就像在南极的冬天那样。另外我还预测，由于月球上的重力极低，使得在月球上养育后代的可能性大大降低，任何时候只有几千人在月球生活。没有那么多要吃饭的人，对大型月球农场可能不会有巨大需求。
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从一开始，火星任务的目标就是实现各种形式的自给自足。这要从种植满足火星定居者需求的全部食物开始，不管定居者数量多少。一种方法是利用人造光源建造大型地下温室。在地球，室内堆叠水培或垂直种植已经实现了惊人的效率。一层又一层的植物，由LED灯照明，电脑控制温度、湿度、营养输送，并使用最适合植物生长或结果的波长。没有杂草，没有虫害。这种效率可以在一个集装箱大小的空间里生产出一英亩土地才能产出的食物，大部分是绿叶蔬菜。蘑菇可以在木头、茎秆和其他不能食用的植物上生长，增加蛋白质，极大提高了将所有植物转化为可食用能量的效率。这是亚利桑那大学“火星蘑菇”项目（Mushrooms for Mars）的一个关键特征。
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这一切在地球上都非常有效。但有一个问题很少有人讨论：你从哪里得到灯泡？灯泡不能永远使用，最多只能用一年。在火星上制造LED灯是几十年以后的事情；在这之前，你需要频繁地从地球运送灯泡，就跟运送食物一样。除非火星在LED灯或其他照明设备方面能够自给自足，否则使用人工照明的温室进行食品生产是无法实现自给自足的。
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火星上有很多陆地，所以空间利用率不是问题。火星也有充足的阳光，大约是地球的一半。第一批基地和定居点的位置很可能选在赤道附近。那里的太阳每天大约照射12小时，强度约为600瓦/米2 。这相当于位于北纬75度的加拿大德文岛的夏季阳光。如果作物可以在德文岛的温室里生长……它们的确可以，那么它们就应该能在火星上生长。但种植的应该是冷季作物，如白菜、根茎类蔬菜和冬小麦。限制性因素不是温度，而是缺少阳光。像番茄和瓜类这样的夏季作物需要大量的阳光。你可以在阿拉斯加这样遥远的北方种植一棵番茄——勉强种植，在温室温度的帮助下提前开始种植——但这是因为夏季的日光可以持续18小时或更长时间。在火星赤道，你最多有12小时的日照，不管你能提供多少温暖，一天只有12小时的光照且光线太暗，番茄可能无法结果。
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没关系。在火星巨大的温室里，我们可以在自然光下种植各种各样的主食来生存，包括谷物、绿色植物和喂鸡的蛆。像番茄和西瓜这样的夏季作物只能依靠人工照明。不管有没有人造光源，这些温室肯定是火星基地或村庄最受欢迎的地方，是一片温暖的绿洲。我们也可以办养鱼场。地球上耕养共生的超高效养殖系统——水产养殖加水培技术——可以形成一个近乎完美的闭环：富含氮的鱼类废料通过细菌过滤成为植物的肥料。这里需要注意的是，会有几周的时间，由于沙尘暴的缘故太阳光不够明亮。这是一场远未结束的大辩论。火星上的沙尘暴是否很频繁且持续时间很长，足以摧毁庇护所里植物的生长？如果是这样的话，温室里的辅助人工照明能帮助我们度过这段黑暗期吗？2018年，一场特别强烈的沙尘暴席卷了整个火星，使火星的天空黑暗了两月之久。
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还有一个重要警告是，火星土壤是有毒的。它充满了高氯酸盐，即高氯酸根（ClO4- ）的盐和酸。植物不能在这种物质中生长，人类摄入这些物质也会生病，因为它会损害甲状腺调节激素的能力。但正如老话所言，当生活给予你ClO4- 时，就去制造氧气吧。由我们的朋友克里斯托弗·麦凯领导的一个小组提出了解决方案，利用高氯酸盐还原菌或其产生的酶，来进行转化。作为概念验证，该小组用酶和水把6千克的ClO4- 转化成了可供呼吸1小时的氧气。[38] 科学家们把这想象成火星上的应急空气供应，手头只要有一盒酶就行了。目前还不知道这种方法能否大规模应用，使大片大片的土地变得无毒。
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除去了高氯酸盐，农作物就有可能直接在火星的土壤中与肥料一起生长。宾夕法尼亚州费城附近维拉诺瓦大学的一个研究小组在模拟土壤中测试了多种作物。罗勒、甘蓝、蛇麻子、洋葱、大蒜、生菜、红薯和薄荷都长得很茂盛。首席研究员爱德华·吉南（Edward Guinan）开玩笑说，如果学生们记得按时浇水，这些作物可能会生长得更好。[39] 但这还不能称为伊甸园。地球上的农业有很多被我们认为是理所当然的东西，比如被称作土壤的复杂的生命网络。它是由矿物质、死去的有机物以及无数活着的微观和宏观生物混合在一起组成的。火星上没有地球上的这种土壤。因此，尽管植物可以生长，但这些植物的营养价值却是另一个未知数。即使在地球上，土壤矿物质的匮乏也会导致植物营养缺失，例如克山病。火星上的访客可以靠氮、磷、钾三种常见肥料种植的食物生存，但是必须确保定居者摄入了所有必需的维生素、矿物质和植物营养素——而该领域人们还没有完全了解。
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还有一个缺失的成分是脂肪。人们可以得到种子和坚果油，但是种这些东西需要大量的空间。向日葵也许就够了。据农民的粗略估计，1.5千克种子可以榨取1升油，相当于一个家庭一个月的供应量。在地球上，1公顷土地可以生产1800千克种子，也就是1200升油。这大约是100个家庭1年的供应量，所以无论困难有多大，在更大的温室里是可以达到这个目标的。油菜籽、芝麻和花生也是如此。树坚果的含油量较高，但在火星微弱的阳光下可能难以生长。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 那么土豆呢？
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考虑到阳光、土壤和与生长有关的其他问题，《火星救援》中的人物马克·沃特尼能种土豆吗？不能。不能在有毒的土壤里，也不能在那些灯光下。他在其他方面都做得很好：肥料（人类粪便）、水和少量二氧化碳。但是，他必须将土壤中的高氯酸盐除掉。还有那些灯是为基本照明设计的，无法提供足够的能量来生产块茎。充其量，只能长出一点绿叶。沃特尼也不可能像他的计划那样，仅靠土豆就活了4年。土豆含丰富的维生素C、钾、镁、碘和部分B族维生素，但是在没有生命的土壤以及粪便中生长的土豆，其营养状况还无法确定。但即使在地球上，土豆也缺乏一些基本的营养。不到一年沃特尼就会出现一系列症状：因缺乏维生素A患上夜盲症，因缺乏维生素D患上佝偻病，因缺乏维生素E导致神经损伤，因缺乏维生素K容易挫伤，因缺钙导致骨骼脆弱，因缺硒导致心脏衰竭和致命的克山病。而且土豆几乎不含脂肪，而脂肪是另一种重要的营养物质。
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如果NASA用红薯代替土豆，沃特尼的日子会好过很多。红薯也很容易种植（在适当的光照下）；每平方英尺可以产出更多的热量；提供可食用的绿色蔬菜，其营养价值几乎是白色土豆的两倍，可以生吃，同样耐储存。在此我要更进一步说明：土豆不是火星上的首选，因为它们相对缺乏营养，而且容易受到各种细菌、病毒和真菌的影响。
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我建议，作为水培系统的补充，在火星土壤中种植的理想作物包括木薯、高粱、香蒲、竹子和所谓的杂草，如蒲公英。原因是物超所值。木薯可以生长在贫瘠的土壤中，是已知的最耐旱的作物之一，同时通过基因工程已经变得更有营养。高粱是一种谷物，在小片贫瘠的土地上可以产出大量的粮食。与沃特尼的土豆相比，按照同样种植面积的产出计算，高粱的蛋白质是土豆的5倍，脂肪是土豆的30倍，热量是土豆的4倍。蒲公英、菊苣、灰菜等可以在人行道的缝隙中生长，每个部分——根、茎、叶、花和种子——都可以食用。同样，速生竹子也是一种理想的建筑材料。至于香蒲，每英亩产出的可食用碳水化合物最多。[40] 它的绒毛可用作填充物，纤维可用来制作绳子。
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当然，科学家们正在考虑那些可以在火星环境中生长得很好的基因工程植物和藻类，它们甚至可以在没有遮蔽的环境中生长，但所有这些都还没有经过检验，因为没有人可以接近真实的环境，只能模拟。我们的火星农场一开始最明智的做法是，在火星上种植地球上已知的生命力最强、产量最高的可食用植物。野葛，有人知道吗？
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幸运的是，火星上有水可以用来种植作物。我们现在知道有足够的水冰，尽管大部分在地下。如果这些水以某种方式完全释放和融化（假设有大气层来防止它蒸发），就可以有一片浅浅的海洋覆盖整个火星。2018年7月，意大利航天局宣布在火星南极下面发现了一个约20千米宽、1.5千米深的巨大液态湖泊，这大大增加了在火星上发现生命的可能性。[41] 这是一个惊人发现，第一次在火星上发现一处巨大的液态水源。[42]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 送来化学家和工程师
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目前火星上除了土壤、散落着的坠毁的航天器以及电能耗尽的着陆器和火星车，没有什么可以建造的东西。第一批游客会带来一些东西：一个栖息地，一两辆车，以及部分机器。但在大多数情况下，我们需要依靠土地来生存，让火星成为一个可持续发展的环境。这就需要化学家和工程师凭借稀薄的空气和地下岩洞创造出一个文明。
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火星上需要高技能、足智多谋、意志坚定的人。这也是“火星1号”计划如此愚蠢的部分原因。所谓的普通人在这个红色星球上会毫无用处。今天移民火星与17世纪移居新大陆在两个方面会截然不同。火星上没有土著居民教新移民如何生存。今天活着的人几乎没几个人知道该怎么做。现代的大多数人只会购买、置换，而不会制造。你可能知道如何使用电脑，但你会制造电脑吗？如果你的车坏了，你知道如何用3D打印机设计和制作的零件来修车吗？
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从最近的拓荒时代开始，无数自力更生的技能已经消失了。我们中有多少人能建起一座不会垮塌、不会漏雨的庇护所？有多少人会使用金属？有多少人能把沙子变成玻璃，把泥土变成陶瓷？有多少人能做家具，修剪果树，保存食物，做醋或酒，做肥皂，织衣服，修理坏掉的机器，了解管道和空气流通，止血，给折断的骨头上夹板？……首先，火星上最重要的人将是那些对事物如何运作有深入了解的。火星上存在现代舒适生活需要的所有化学元素，重要的是要有知识渊博的人将这些元素用于实际目的。罗伯特·祖布林把这种需求总结为一种对民用、农业、化学和工业工程技术的广泛需求，以便将原材料转化为食品、燃料、陶瓷、玻璃、塑料、金属、电线、结构和生存工具。[43]
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制造这些产品不需要高科技工厂。这些产品如何制造，人类大多已经掌握了数千年。只有塑料是相对较新的，但制造塑料是一个简单的过程。首先让一氧化碳和氢气结合制造出乙烯（C2 H4 ）。它本身不是塑料，但它是制造大多数塑料的起点，无论是软塑料还是硬塑料。由于定居者需要寻找替代材料，比如用硫黄代替水作为黏合剂来制作混凝土，或者制作没有石灰的玻璃（石灰来自古代海洋生物的骨骼残骸），聪明的想法就会发挥作用。不过，在大多数情况下，技术熟练的定居者应该能够在定居点内的简陋工业区创造出他们需要的几乎所有东西。
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