[论文解读] Numerical constraints on the size of generation ships from total energy expenditure on board, annual food production and space farming techniques

F. Marin, C. Beluffi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2019

Global Energy and Sustainability Research参考文献 39被引用 5

一句话总结

本文使用改进版的 HERITAGE 蒙特卡洛模拟代码，模拟了一艘载有500人的多代星际方舟的粮食生产需求，整合了与年龄相关的热量需求和农业技术。研究发现，使用气耕法种植植物、传统农业养殖动物产品，仅需0.45 km²的人工土地即可维持均衡的杂食性饮食能力，避免依赖逐渐劣化的储存食物。

ABSTRACT

In the first papers of our series on interstellar generation ships we have demonstrated that the numerical code HERITAGE is able to calculate the success rate of multi-generational space missions. Thanks to the social and breeding constraints we examined, a multi-generational crew can safely reach an exoplanet after centuries of deep space travel without risks of consanguinity or genetic disorders. We now turn to addressing an equally important question : how to feed the crew? Dried food stocks are not a viable option due to the deterioration of vitamins with time and the tremendous quantities that would be required for long-term storage. The best option relies on farming aboard the spaceship. Using an updated version of HERITAGE that now accounts for age-dependent biological characteristics such as height and weight, and features related to the varying number of colonists, such as infertility, pregnancy and miscarriage rates, we can estimate the annual caloric requirements aboard using the Harris-Benedict principle. By comparing those numbers with conventional and modern farming techniques we are able to predict the size of artificial land to be allocated in the vessel for agricultural purposes. We find that, for an heterogeneous crew of 500 people living on an omnivorous, balanced diet, 0.45 km2 of artificial land would suffice in order to grow all the necessary food using a combination of aeroponics (for fruits, vegetables, starch, sugar, and oil) and conventional farming (for meat, fish, dairy, and honey).

研究动机与目标

• 确定在星际航行中维持多代船员所需的最小人工土地面积。
• 评估在太空栖息地中使用现代农业技术实现闭环食物生产的可行性。
• 解决长期食物储存的局限性，包括维生素降解和质量限制。
• 将与年龄相关的热量需求和繁殖动态整合到食物需求建模中。
• 评估替代性蛋白质来源（如昆虫）在减少农业用地需求方面的作用。

提出的方法

• 更新了 HERITAGE 蒙特卡洛模拟代码，以纳入与年龄相关的生物参数，如身高、体重和代谢率。
• 使用哈里斯-本尼迪克特方程计算热量需求，并根据性别、年龄和活动水平进行调整。
• 通过对比传统农业（用于肉类、乳制品、鱼类、蜂蜜）和气耕系统（用于水果、蔬菜、淀粉、糖类、油脂）来建模农业用地需求。
• 模拟考虑了人口动态，包括生育率、流产率和怀孕率，以预测长期食物需求。
• 基于现有关于蛋白质产量和空间效率的数据，评估了昆虫基蛋白质作为潜在补充以减少土地使用。
• 考虑了水和养分回收的挑战，尽管未进行量化，以评估系统的可持续性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长达数个世纪的星际航行中，维持500人杂食性饮食的最小人工农田面积是多少？
• RQ2 气耕法和传统畜牧养殖等不同农业技术在满足热量和营养需求方面分别起到何种作用？
• RQ3 像昆虫这样的替代性蛋白质来源能在多大程度上减少所需的农业用地面积？
• RQ4 与年龄和性别相关的热量需求如何影响长期食物生产规划？
• RQ5 营养和水回收效率低下会对生命支持系统的总质量与体积产生何种影响？

主要发现

• 在长达数个世纪的任务中，维持500人杂食性饮食能力，约需0.45 km²的人工农田即可实现自给自足。
• 气耕系统足以种植水果、蔬菜、淀粉、糖类和油脂等植物性食物。
• 传统农业方法对于生产肉类、乳制品、鱼类和蜂蜜等动物性食品是必要的。
• 如黄粉虫等昆虫可显著减少所需农田面积，维持160人船员的蛋白质需求，每天需约160,000只黄粉虫。
• 由于维生素降解和巨大的质量需求，长期食物储存不可行，因此原位农业至关重要。
• 水回收与养分回收系统虽关键但本研究尚未量化，凸显未来研究的关键方向。