地球上最後一個海底實驗室:未來太空人的試驗場

海底實驗室因其神秘、獨特,總給人以無限遐想。本文作者Susan Karlin實地考察後對水瓶座實驗室目前的情況、未來規劃作出了較為詳細的闡述。

佛羅里達州的水瓶座基地,地處偏遠,形狀狹窄,且存在潛在危險,這使它成為美國太空總署開展培訓和進行關鍵環境研究的理想場所。

在佛羅里達州伊斯拉莫拉達的水瓶座基地指揮中心有一張海報,記載著從第一個海底生物棲息地到國際太空站(ISS)的演變過程。它通常只是被參觀者匆匆瞥一眼。但Cady Coleman停下來仔細閱讀了關於海洋實驗站的文本,這是海軍在20世紀60年代進行的實驗性水下棲息地。

「我爸爸在海洋實驗站裡工作,」 Coleman說,慢慢地把手放在徽標上。「他是一名負責結構改造的工程師。我還記得水星太空人Scott Carpenter 一天晚上過來吃晚飯,他是即將生活在海底的團隊的一員。 他和Jacques Cousteau共進午餐。 我從小就認為探險是正常的:生活在一個危險的地方,你必須認真思考你在做什麼。 但我不認為我從小就認為自己可以成為那些探險家中的一員。」

退休太空人Cady Coleman查看一張關於海洋和太空探險家及棲息地演變的海報。圖片來源: Susan Karlin 

作為一名退休太空人,Coleman 在1995年到2011年間三次進入太空,並於2004年在水瓶座基地中生活。「在這個時間線上能看到Scott Carpenter... ... 」她輕輕地笑著說。「時間軸再往下走一點,圖片上的人就是我了。」 

最後的水下實驗室

在1957年以來建造的超過65個實驗室中,水瓶座實驗室是世界上最後一個在水下工作的實驗室。它由邁阿密的佛羅里達國際大學擁有和運營,駐紮在離基拉戈6英里的佛羅里達基國家海洋保護區。它包括一個1400立方英尺的攝影鏡頭和感應器裝備的棲息地和實驗室,一個500立方英尺的入口鎖,一個700立方英尺的「濕門廊」和潛水員集結區,位於水下60英尺的沙地上。該設施與直徑33英尺的地面支持浮標相連,浮標提供空氣、電力、高速網際網路和VOIP電話服務。

礁石基地主要用於海洋環境研究,完善海軍潛水技術和訓練潛水員。自2001年以來,它也是NASA極端環境任務行動(NEEMO)計劃的所在地。在那裡,太空人一次在水下完成訓練任務、水下居住和工作的時間累計長達三個星期,因為當他們在水下極端環境中排除障礙和為當前及未來的任務彙編數據時,困難程度與他們在太空中遇到的任務和挑戰相同。

NEEMO海底實驗室工作人員在2016年參與一項任務。圖片來源: NASA/Karl ShreevesColeman在2004年作為極端環境任務行動NEEMO 7號參與者在海底實驗室度過了11天。這次在冠狀病毒危機前的返程是為了陪同我們這一小群私人潛水者去實驗室參觀一天,實驗室通常不對公眾開放。我們透過Dent the Future來到這裡,Dent the Future是西雅圖的一個網路組織,負責舉辦以科學、商業和文化為主題的思想領袖會議、聖地牙哥漫畫展板以及為會員提供獨特體驗。(事實上,Dent 的水瓶座之旅源於漫畫展上一個受水瓶座啟發的海洋技術小組。)我們是一個古怪的團體,其中包括管理顧問和數位企業家、玻璃吹製大師、Dent 的聯合創始人Steve Broback,以及一個從孩提時代就開始訓練成為太空人的19歲天體生物學專業學生。其他自稱DENTers的人,如他們所說的,包括退休太空人和NEEMO海底實驗室工作人員Tim Kopra,將在旅程的最後一天加入我們在邁阿密的行列。

但是進入水瓶座基地的機會並不是不容改變的定局。11月是颶風季節的尾聲。計劃在這裡進行的四次DENT旅行中,有兩次受到天氣條件的阻礙。這次,天氣晴朗,水溫達80華氏攝氏度,但最後一刻的法律障礙阻滯了我們的計劃。因此,Broback迅速將這次旅行的行程重組為水瓶座地面行動的幕後之旅,並與附近的珊瑚修復基金會一起潛水,該基金會尋求公眾在礁石保護方面的幫助,並隸屬於水瓶座基地。

水瓶座實驗室有著傳奇的歷史,吸引了海洋學方面的傑出人物Sylvia Earle、 Fabien Cousteau 和Robert Ballard,以及活動家/ 演員,如吸血鬼日記的Ian Somerhalder 和《明星夥伴》的Adrian Grenier。儘管遭受著大自然母親的無常、所有權改變和預算困境,它依然堅持不懈。颶風不斷地造成破壞,迫使它在1989年從原來位於維爾京群島聖克魯斯的原始泊位搬走,隨後幾次關閉進行維修。這個實驗室最初屬於美國國家海洋暨大氣總署(NOAA) ,由北卡羅萊納州威明頓大學運營; 直到2012年佛羅里達國際大學(FIU)接管運營控制權之前,削減開支問題一直威脅著實驗室的生存,在關閉邊緣徘徊。

目前,水瓶座運營的預算為150萬美元,而在其聯邦撥款最高時僅為460萬美元,最近它一直在探索新的收入來源。有人建議將其開放給更大的海洋教育團體。在疫情爆發之前,它正在建立自己的水瓶座學院,這是一項K-12計劃,將水瓶座基地上所做的科學轉化為國家認可的課程,其中包括將潛水員帶到教室,以及提供實地考察項目以供教師和學生學習當地知識及生態系統。水瓶座基地研究副主任Tom Potts說:「在附近的縣里,有些學生離大海20英里,他們從來沒有到過那裡。」

由於新型冠狀病毒肺炎的流行,水瓶座實驗室再次暫時關閉,除非主要設備發生故障外,其他潛水操作暫停。在我們訪問的時候,這個棲息地剛剛完成在2017年9月颶風「厄瑪」肆虐後開展的近兩年的修繕。它於去年6月恢復,執行為期10天的NEEMO 23任務。「我們在項目開始前三天得到了人類居住的許可,」已退休的海軍潛水員、運營經理Roger Garcia說。「就差這麼一點。」

遊覽基地

對於這樣一次技術性的行動,指揮中心顯得非常低調,它只佔據了一個釣具店的舊址。唯一的亮點是一張背光牆大小的水下暗礁照片和陳列古董潛水設備。工程學上的第一個提示是U形的任務控制台,裡面有五個監視器,充當水瓶座的眼睛和耳朵。Garcia大部分時間都在這個辦公桌前,協調6到10人的工作人員團隊(根據任務不同) ,他們包括負責維護外部系統的船隻操作員和潛水員,以及管理船上生命支援和潛水操作的棲息地技術人員。

水瓶座的運營經理Roger Garcia和研究副總監Tom Potts。圖片來源:Susan Karlin

「我們確保它不會在任務進行到一半時關閉,」Garcia說。「實際上,幕後發生的事情比人們想像的要多得多。我們一直都很忙。即使一切都完成了,NASA和任務支援人員都回家了,我們也必須在這裡應對緊急情況。我們一直在與腐蝕和海洋生長作鬥爭。這是一場永無休止的戰鬥。我們甚至遇到有入侵者,儘管這是一個受保護的區域。我們停止鎖門,因為門鎖老是生鏽。」

Garcia把我們帶回來,沿著碼頭,兩名工作人員正在給一艘船裝載維修設備,旁邊是一個緊急減壓艙,一個中型卡車大小的鐵罐。減壓病是一種由於升壓過快而引起痛苦的潛在致命疾病,在這種情況下,氮氣會膨脹,氣泡進入血液。減壓室會將患者帶回更高的壓力,並緩慢降低身體上的壓力,以更平穩地釋放氮氣。

「在這個專案的歷史上,我們只用過兩次,」Garcia說。「伊斯拉莫拉達和邁阿密的醫院有用於治療的再壓縮室,但他們不了解我們的治療方案。 當你進行飽和潛水時,這是一種不同於普通潛水的項目。 治療時間更長,也更複雜。」

Roger Garcia站在水瓶座的減壓艙旁邊。圖片來源:Susan Karlin

在水下任何深度24小時後,人體都會被氮氣所飽和。透過「飽和潛水」 ,潛水員可以在水下待很長時間。飽和潛水是一種確定潛水員需要減壓的時間,讓氮離開他們的身體,然後返回水面的技術。在這種情況下,棲息地變成了一個巨大的減壓室。當潛水員完成任務並準備上升時,他們會將自己鎖在棲息地中,呼吸一個小時的氧氣,同時艙室會在17個小時內緩慢降低氣壓,這樣他們就不會遭受減壓症的折磨。飽和潛水,在珊瑚礁沿岸設有水箱補充站,使得棲息地潛水時間長達9個小時,而水面潛水只需要1到2個小時。

一旦減壓完成,技術人員重新給棲息地加壓,使其與棲息地深處的外部水壓相匹配。這使得潛水員能夠打開一個通往潮濕的門廊的氣閘,這個房間有一個可通向水域的地板。保持走廊空氣壓力等於或大於水壓力,能夠在這個深度阻止海水淹沒房間。在那裡,潛水員可以戴上水肺,進入水中,然後無減壓潛水到水面。

使命中的生活

NEEMO(極端環境任務行動)的任務是解決未來太空探索者面臨的挑戰,從科學到心理。水下工作緊密模擬在零重力條件下的工作,提供有限的機動性、靈活性、視覺和方向。相比在游泳池中執行任務而言,生活在水下可以與團隊一起練習操作,模擬演練的是危險的環境和沒有快速達到出口的近距離求生路線等難題。潛水員學習水下導航,這樣他們就不會迷路或者耗盡空氣。因為它們的血液中充滿了氮,他們不能立即浮出水面,否則會有死亡的危險。

「很明顯,這涉及風險,需要技術專業知識,然後與地面上幫助我們協調任務的人分離。」Kopra說,他在2006年的NEEMO 11任務中在水瓶座待了7天,然後在2009年和2015年前往國際太空站。「這是人類太空飛行的一個很好的模擬。」

任務已經復制和評估了在月球表面使用科學儀器和工具的場景,獲得地質核心樣本,使用擴增實境指南,並研究身體組成,睡眠,生理和心理。Kopra的工作人員為在月球上工作和行走的新宇航服設計提供了科學和工程方面的反饋。Coleman的團隊研究了遠端遙控手術,醫生遠端指導他們在解剖假人上進行模擬膽囊和闌尾切除等手術。

在著名的拉戈珊瑚礁的前景中,失重的潛水者使用艙外活動臂(EVA)原型在海底移動,模擬小行星表面的運動。圖片來源:NASA

「這裡是一個做研究的好地方,可以選擇一兩個方面來進行未來的探索並真正進行挖掘:比如這項新技術、這種新的構建方式、這種新的交流方式或這種新的藥物療法有哪些可能性?」 Coleman說,他於2010-2011年居住在國際太空站上。「通常,我認為太空可以成為技術加速器。 我們希望將它用於太空,但它可以幫助我們為同樣重要甚至更重要的地球應用進行技術開發。」

隨著美國太空總署重新燃起對重返月球的興趣, Garcia注意到NEEMO 的任務重點發生了轉變,從早期的專注於小行星探索轉移開來。他說: 「我們幫助他們搭建了一個小小的工作區,作為一堵石牆。」。「潛水員會把安全帶夾在牆上,就像在小行星上一樣工作。 現在任務內容更多的是與鑽探、取樣以及在顯微鏡下觀察相關。」

此外,在緊湊的日程安排中,還要維持一個富有挑戰性的工作流程,在那裡,四名科學家和兩名棲息地技術人員平均要完成10天的任務。「當你做手術時,你如何簡潔清晰地與人溝通?」」Kopra說。「你如何應對共同生活和履行這些職能的壓力?」

潛水員幾乎沒有休息時間。Coleman說: 「我們有一個時間表,你每一分鐘都有安排。如果你提前完成了任務,那麼你應該環顧四周,看看誰需要幫助。 如果沒有人需要幫助,那麼你應該拿起相機拍張照片或者拍個影片。 如果你仍然無所事事,這種情況從來沒有發生過,那麼你應該整理你拍攝的照片和影片,然後把它們發送到海面上。」

實驗室人員Tim Peake(ESA)和Steve Squyres(康奈爾大學)帶著他們的iPad和一些好奇的海洋觀察者在水瓶座棲息地拍攝照片。圖片來源:NASA

雖然爭吵很少發生,但其他同居問題也隨之而來。Garcia笑著說: 「我們遇到過一些人,比如說,他們不善於清理自己的垃圾。」。「我們不得不說,『嘿,我們不是你的女僕。 你得自己洗盤子了』,有時我們不得不在棲息地內部處理損傷,或者設備故障。 最糟糕的情況是當冷卻系統失靈時,真的一點也不舒服。」

儘管如此,對於與海洋生物一起生活和工作的稀有經歷來說,這只是一點小小的代價。

「當你在吃晚飯、工作、使用電腦,而食物鏈就在窗外,」 Coleman說。「有些魚感覺棲息地就是它們的家,而且總是在窗戶周圍。 我幾乎每天晚上都熬夜到很晚,它們會在附近逗留,直到我上床睡覺,然後遊走。 所以這就是共享世界的完美結合。 他們意識到我們是他們世界的一部分是有原因的,我真的很喜歡這一點。」

「我們在餐桌旁邊有一扇大窗戶,我們通常就是在那裡吃飯的。 有種大石斑魚,直徑大約2英尺,長9英尺,它會把它的眼球放在我們的大窗戶旁邊,向裡面看,」 Kopra補充說。「我記得我走到外面,看到了那條大石斑魚,我想靠近它,但它對我來說有點太大了。」

恢復珊瑚礁

在水瓶座行動之旅結束後,我們的團隊前往珊瑚恢復基金會(CRF),這是一個有13年歷史的保護和教育項目,旨在恢復佛羅里達州沿海的珊瑚礁,這些珊瑚礁由於暴風雨、全球變暖和污染環境條件的改變而遭到破壞。我們參加了一個為期一天的項目,了解珊瑚數量的減少如何影響海洋生態系統,並幫助培育和種植新的珊瑚。

那裡的研究人員測試了不同的基因型,以確定哪種珊瑚最適合繁殖。它們在「珊瑚樹上」生長出新的珊瑚,每個珊瑚樹上都有幾根縱橫交錯的水平管和一根垂直管。發育中的幼年珊瑚(實際上是動物群落)被繩子掛在「樹枝」上。「當珊瑚長到大約半英尺高時,潛水員就會把它們移植到周圍的礁石上。

課堂部分包括早晨播放一個關於科學的幻燈片,然後是關於我們水下工作的樹木和礁石模型的培訓課程。午飯後,與其他潛水員乘船30分鐘到達一個鹿角珊瑚苗圃,那裡有幾十棵珊瑚樹,位於保護區水下大約30英尺。在第一次潛水時,我們花了大約45分鍾清除覆蓋在樹枝和細繩上的海藻,這樣海藻就不會過度生長,淹沒珊瑚。魚兒們立刻圍繞在我們周圍,抓取破碎的海藻碎片。分散注意力的棘手部分是保持浮力,以免意外地踢或抓住珊瑚,對它造成潛在傷害。

作者Susan Karlin清洗一棵珊瑚樹。圖片來源:Torian Richardson

船再開半個小時,我們就到了第二次潛水和作業的地方。一名潛水員從現存的死珊瑚上刮下一小塊,形成一塊粗糙的區域。接下來將一種可塑的環氧樹脂粘在每個小珊瑚的指甲尖上,在水下變硬,然後把它粘在刮過的那塊地方,並保持在那裡直到黏好。這是一種緩慢的、刻意的、令人驚訝的冥想。最終,整船的潛水員成功地種植了95個珊瑚。

Cady Coleman和Josh Simpson種植珊瑚。圖片來源:Torian Richardson「我們與水瓶座基地的NEEMO任務合作過很多次,」CRF的通訊主管愛Alice Granger說。「為了訓練太空人適應太空或其他星球上的環境,他們需要一些任務,讓他們有一種感覺,讓他們了解在不同重力環境下穿著太空服工作是什麼樣子。」

去年,CRF為NEEMO 23號任務潛水員提供了珊瑚樹和圓石珊瑚,供他們在任務期間安裝。「這能幫助他們解決問題,提高運動技能,」Granger說。「FIU的研究人員正在監測它們的生長。這對我們的工作非常有用,因為這讓我們能夠研究圓石珊瑚如何在不同深度、不同光環境和不同魚類環境中生長。」

與水瓶座基地一樣,珊瑚恢復基金會(CRF)在流感大流行期間不對公眾開放,只有少數工作人員參與本次活動,但計劃在病毒得到控制後重新開放。「我們不能單獨做這件事。我們需要和盡可能多的人一起工作,」Granger說。Buzz Aldrin幾年前去過那裡,像《追逐珊瑚》這樣的電影真的有助於激勵和動員公眾。結果,我們有更多的人參與進來。在這裡,我們表明,如果我們一起努力,我們可以做一些事情。我們可以扭轉局勢,還有機會。」

「有些人認為太空人是關於太空的,但是太空人也是關於地球的,」 Coleman補充說。「了解珊瑚礁和珊瑚礁消失背後的一些事實對我來說意義重大,但以一種更有希望的方式來看,也許有所幫助。 我喜歡知道自己在海裡種了一些東西,可能會有所不同。」

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