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月宫一号将植物种上月球

南方日报发表于2014年07月05日22:14:31 | 新闻资讯 | 标签(tags):月宫一号 植物种植 月球

在最早的科幻电影《月球旅行记》中,乔治·梅里埃用一发炮弹将人送上月球,在他的镜头中,月球上生长着各种植物,就像是尚未被发现的某个秘境,虽然人迹罕至,但仍然适合人类生存。事实并非如此,但事实却有可能如此。

前苏联科学家齐奥尔科夫斯基在19世纪末提出借助生物循环,在空间站建立适合人类生存的环境的设想,即基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合,构建由植物、动物、微生物组成的人工生态系统。水和食物这些人类生活所必需的物质可在系统内循环再生,并为乘员提供类似于地球生物圈的生态环境。人进入这个人工生态系统中,成为生态系统的消费者链环,同时发挥控制者的功能,构成闭合人工生态系统。

随着运载火箭将人类送往太空,这一设想开始被苏联以及美国纳入到实践,并且先后建成了两个“生物再生生命保障系统(BLSS)”。最近,作为航天大国的中国也在构建这一系统的道路上迈出了坚实的一步。北京航空航天大学研制的“月宫一号”成为世界上第三个类似系统。

或许在不远的将来,人类可以真正实现在月球或者其他星球建立BLSS,为人类居住提供可能。正如齐奥尔科夫斯基所说:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”

“月宫一号”试验成功

“月宫一号”目前建成并投入试验的为一个植物舱和一个综合舱,三名试验人员在111平方米的密闭空间内,依靠系统循环所提供的空气、水源和食物等生活了105天。

5月20日,在北京航空航天大学校园里,一座并不起眼的建筑内挤满了等候的人们。这里放置着北京航空航天大学研制的“月宫一号”,即“月球基地生命保障人工闭合生态系统地基试验装置”。这个装置是生物再生生命保障系统的体现,人们等候的是即将走出“月宫一号”舱门的三名乘员:谢倍珍(舰长)、董琛、王敏娟。他们已经在里面生存了105天。

自2004年起,北京航空航天大学刘红团队瞄准国家载人深空探测重大需求,怀揣着月球梦,经过近10年的执着奋斗,系统开展了BLSS从单元关键技术到系统基础理论与系统基础调控方法的研究,建立了面向空间生命保障的BLSS基本理论和技术体系及研究方法。2013年10月集成所取得的理论和技术,研制出地基综合试验系统——“月宫一号”。

“月宫一号”总设计师、首席科学家、北航生物与医学工程学院刘红教授介绍,“月宫一号”由1个综合舱和2个植物舱组成,总面积160平方米,总体积500立方米。但是目前建成并投入试验的只有一个植物舱和一个综合舱,总面积为111平方米。另外一个植物舱还未建成,属于“月宫一号”的二期工程。

谢倍珍等三名试验人员就是在这111平方米的密闭空间内,依靠系统循环所提供的空气、水源和食物等生活了105天。“月宫一号”二期建成后,可满足4人更高闭合度的生命保障需求。

其中综合舱包括居住间、人员交流和工作间、洗漱间、废物处理和昆虫间。三名试验人员吃饭、睡觉、工作都在这个42平方米的综合舱。“通过空间的合理配置,完全能满足生活的空间需要。”刘红说。

69平方米的植物舱则分隔为2个植物间,可以根据不同植物生长需要独立控制环境条件。这次试验一共选取了5种粮食作物(小麦、大豆、花生、油莎豆、玉米),15种蔬菜作物(胡萝卜、四季豆、紫叶油菜、紫叶生菜、奶油生菜、油麦菜、茼蒿、马齿苋、苋菜等),1种水果(草莓)。这些植物为三名乘员提供必要的食物营养。而且,综合舱内饲养的黄粉虫为人体提供部分动物蛋白。

在本次长期多人高闭合度集成试验中,实现了在系统内循环再生100%的氧气和水、55%的食物。据了解,“月宫一号”试验系统的总闭合度达到了97%。

三名乘员出舱后,体检证明他们的身体比进入舱体之前还要健康,这宣布了这次“真正意义上的可实现满足人的主要营养需求、高闭合度的生物再生系统密闭试验”的成功。中国成为继俄罗斯、美国之后第三个建立生物再生生命保障系统的国家,密闭时间仅次于俄罗斯。

构建类地人工生态系统

区别于前苏联和美国所建造的系统,“月宫一号”构建的是一个完整的生态系统,一个适合人类生存的环境,从生产到废物处理完全依靠生物技术。

 “月宫一号”的核心即生物再生生命保障系统,这是目前世界上最先进的闭环回路生命保障技术,也是人类实现在外太空长期生存的核心技术,其特点是载人飞行器进入外太空后可以不再需要或很少需要地面物质支持,氧气、水和食物在系统内通过生物技术实现再生,航天员可长期在站内工作和生活,使得长期载人航天和行星探测成为可能。

因此,除去食物链顶端的人类,存在于“月宫一号”的生物就包含了5种粮食作物、15种蔬菜作物、若干黄粉虫以及微生物。在“月宫一号”中试验的志愿者,收获粮食、蔬菜、水果和黄粉虫在系统中自己进行加工并食用,而不可食用生物量(如秸秆)与人的粪便及食物残渣等废物一起,采用生物技术处理制备类土壤基质循环用于植物栽培。综合舱中人、动物和废物处理产生的富二氧化碳空气经过净化后送达植物舱,供植物光合作用;植物舱产生的富氧空气经空气净化后送到综合舱供人和动物呼吸,并提供废物处理所需氧气。

并不是任何东西都可以进入“月宫一号”。据介绍,所有进入密闭空间的生物都经过了长期的严格筛选,其中还包括参加试验的人员。“他们进舱之前都经过严格的体检,确定身体各项指标健康,没有传染病,不携带病菌等。”刘红说。

粮食作物的选择则最为严格。在69平方米的植物舱内,小麦的种植面积达到了40平方米。粮食作物最主要就是麦子和水稻,刘红的科研团队也曾经尝试过水稻的栽培,但试验结果不太满意。“稻有厌氧期,在这个阶段会产生甲烷气体”。

相比之下,小麦就不会产生类似有害物体,且比水稻容易栽培,研究组因此“弃稻从麦”。接下来要解决的是小麦品种的问题。从2010年开始,刘红所带领的科研团队就开始了对春小麦品种的选育,选育的标准是足高要矮,“足高矮才可能多种植,提高产量”。

最终,通过试验室选育出来的小麦只有45厘米左右的高度,最高也不超过50厘米。在后期的试验中,这个品种的小麦成功在“月宫一号”实现了丰收,为试验人员提供了足够的粮食。

 “月宫一号”里的人如果想要获得动物蛋白,就得食用富含蛋白质的黄粉虫,也被称作面包虫。为何不是鱼类或者其他动物?刘红给出的解释是,黄粉虫既不会制造噪音,也容易饲养,更为重要的是人类不容易对它产生感情。

物质循环 能量开环

 “月宫一号”形成了密闭微生态循环系统,未来如果密封舱建在太空中,则可以使用太阳能帆板为其提供能量来源。这为我国空间站作业和探索月球提供技术基础。

“月宫一号”植物舱内的植物还担负着为整个密闭舱消耗二氧化碳、输送氧气的重任,这需要植物的光合作用来实现。但“月宫一号”并非由透明材质搭建,只能通过灯光照射来提供光源。

“提供光源的不是普通的日光灯,而是特殊的LED灯,这种灯提供的能量更为高效。”刘红说,灯光以及其他设备所需要的电能则需要外部提供。“在‘月宫一号’里面,物质是循环的,而能量是开环的。”刘红说,如果真要将密封舱建在太空中,可以使用太阳能帆板来提供能量来源。

通过本次试验,刘红的团队初步建立了系统中物质动态平衡调控技术、共生植物优化配置与动植物高效培养技术以及废物的高效循环利用技术,发现了新的气体平衡调控方法,空气中CO2浓度变化对植物暗呼吸、光合以及人的呼吸的影响量化规律。而他们也依靠这些规律,完成了“月宫一号”内的空气、水等物质的循环再生。

“舱内有专门监测空气质量以及氧气含量的设备,我们根据这个设备对舱内的空气状况进行调节,使其适合人呼吸。”刘红说。

相比于看不见摸不着的空气,水的循环再生相对容易。刘红表示,今年2月3日“月宫一号”封舱时,舱内共有各类用水2.5吨,而在封舱之后,舱内所需洗漱、饮用以及灌溉用水都是依靠这2.5吨水的不断循环。

舱内人员所产生的卫生废水将通过北航与某公司一起研发的膜生物反应器持续处理,处理之后的废水将用于植物灌溉。

饮用水则是净化之后的冷凝水。无论是小麦这样的粮食还是菠菜、生菜这样的蔬菜以及人的日常生活,都会通过蒸发产生冷凝水,通过一定的技术回收,每天可以得到300升冷凝水。3人一天用水大约需要75升,由此,“月宫一号”内的水形成了闭路循环。

对于“月宫一号”的成功,刘红认为这将为日后我国空间站作业和探索月球提供技术基础,同时还将用于研究地球生态系统物质循环机制,为地球生物圈的可持续发展作贡献。而且“月宫一号”的二期试验将在闭合度以及各个技术单元上进行改善。“在一些自然条件恶劣的地区,也可以通过建立这么一个装置改善居住环境,而且在成本上可以控制得更低”。

据了解,从2004年到目前,“月宫一号”试验总共花费约2000万元,封舱试验开始后每人每天的花费在1万至2万元左右。刘红认为这并不昂贵,相反,其衍生的技术将带来更大的经济效益。

舱内生活并不枯燥

“里面空气可好了,比外面PM2.5低多了。”出舱后的王敏娟说。

此次入住“月宫一号”的共有三名志愿者,他们都来自北京航空航天大学。讲师谢倍珍是“月宫一号”的“舰长”,博士研究生董琛和王敏娟是乘员,董琛是唯一的男生。进入“月宫一号”之后,三个人的作息以及工作时间都有严格要求。

7时30分开始准备吃早餐。早餐之后便进入工作时间,谢倍珍收集所有人的尿液,提取尿素并进行净化处理。董琛和王敏娟则进入植物舱,董琛为40平方米的麦子添加营养液。这些麦子是分10批种下的,每7天就有一批麦子成熟,做成粮食,足够3人一周食用。王敏娟负责照料29平方米的蔬菜和水果。

上午忙完之后,12时-14时为午餐及午休时间。接着是下午的工作。晚饭后的三人跟上班族一样进入自由时间,每个人都有自己的房间,可以上网、聊天,也可以休息。

“其实在舱内他们都很忙,很多科研工作要做,根本没时间感受孤独,再者我们也会定期通过外面的监控室与他们通话,了解里面的情况。”对于舱内人员的心理状况,刘红很乐观。

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