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生物再生生命保障系統(tǒng)原理圖
資料圖：月宮一號(hào)內(nèi)的植物
嫦娥三號(hào)探測(cè)器探訪月球，“嫦娥”和“玉兔”在“月宮”中互拍，人類什么時(shí)候也可以在月球上長(zhǎng)期生存？鮮為人知的是，我國(guó)地面隱藏著一個(gè)剛建成的“月宮一號(hào)”，正在為此做著超前準(zhǔn)備。
“因?yàn)樵虑蚋咻椛浜臀⒅亓Φ沫h(huán)境在地球上極難模擬，目前地面實(shí)驗(yàn)只是在做生命保障系統(tǒng)的封閉性物質(zhì)循環(huán)實(shí)驗(yàn)上完善。”負(fù)責(zé)人劉紅教授介紹，為滿足實(shí)驗(yàn)人員生命需要，密閉的“月宮一號(hào)”中種植糧食、水果和蔬菜。
美國(guó)宇航局近日傳出2015年“帶植物去月球”的計(jì)劃，而我國(guó)在近20年的研究中，已經(jīng)完成了人和植物封閉共存的部分自給自足小型實(shí)驗(yàn)，小麥、水稻、大豆、花生、甜椒、胡蘿卜、西紅柿、芫荽等十余種蔬菜糧食也已經(jīng)通過了模擬環(huán)境的考驗(yàn)，等待著到月球生長(zhǎng)的那天。
負(fù)責(zé)人劉紅透露，在寬闊的“月宮一號(hào)”，不僅種有蔬菜，還將有糧食和水果，滿足實(shí)驗(yàn)人員的全部氣體、水和食物的需要。
生保系統(tǒng)核心：植物
“我們小時(shí)候，覺得人登上月球是不可想象的夢(mèng)，可現(xiàn)在我國(guó)也能輕松實(shí)現(xiàn)，很難說有一天，人類不會(huì)把植物種上月球。”劉紅是北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院空間生命科學(xué)與生命保障技術(shù)中心主任，她對(duì)自己的研究很樂觀。她多次實(shí)驗(yàn)的空間生物再生生命保障系統(tǒng)，就是要解決土生土長(zhǎng)的地球人，登上太空后吃什么，呼吸什么，能生存多久的難題。
如何支持人類在太空長(zhǎng)期健康生活，長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年？科學(xué)家的共識(shí)是必須依靠一套空間生物再生生命保障系統(tǒng)(BLSS)，國(guó)內(nèi)也稱之為受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)(CELSS)。
這套目前世界上最先進(jìn)的閉環(huán)回路生命保障技術(shù)可以被通俗地解釋為，在月球或火星等太空環(huán)境中，將有限資源進(jìn)行反復(fù)處理與再生，從而源源不斷地生產(chǎn)食物、氧氣和水，確保為航天員提供最基本的生存必需品。因?yàn)楹教鞎r(shí)從地面向空間補(bǔ)給物資十分昂貴，在美國(guó)每千克花費(fèi)1萬-10萬美元，而到月球和火星的長(zhǎng)期空間飛行，幾乎不可能再補(bǔ)給。
在科學(xué)家基于空間環(huán)境特點(diǎn)，人工設(shè)計(jì)建造的密閉微生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中，綠色植物，尤其是蔬菜，承擔(dān)了主要節(jié)點(diǎn)的重任。
光合作用下，綠色植物提供食物和氧氣，又將二氧化碳和其他廢物“變廢為寶”，植物還是水凈化的功臣，根系吸收和葉片蒸騰參與系統(tǒng)的水循環(huán)。微生物則擔(dān)負(fù)著下游的收尾工作，降解植物不可食用部分、乘員排泄物和生活廢水等，使他們?cè)偕鸀橹参锾峁┧趾宛B(yǎng)料，為動(dòng)物提供部分食品，使食物再生循環(huán)。
早在20世紀(jì)60年代，載人航天開啟之前，俄、美等國(guó)就在考慮人類未來在外太空長(zhǎng)期駐留的生命保障問題。建立由植物、動(dòng)物、微生物、人以及其他構(gòu)成的物質(zhì)流不斷循環(huán)更新的閉路生態(tài)系統(tǒng)，是科學(xué)家努力的方向。
但最初開展的封閉的BLSS設(shè)計(jì)和空間應(yīng)用研究，無論是在俄羅斯還是美國(guó)的實(shí)驗(yàn)中，綠色植物都是缺席者。
擔(dān)此重任的是單細(xì)胞藻類，但俄羅斯科學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)，盡管藻類放氧和吸收二氧化碳的能力較強(qiáng)，但吃起來卻口感差，營(yíng)養(yǎng)單一。如何建立包含糧食蔬菜等高等植物的“太空農(nóng)場(chǎng)”成了俄美科學(xué)家的研究重點(diǎn)。
高輻射和微重力極難模擬
但如何讓綠色植物在殘酷的月球環(huán)境里生長(zhǎng)，忍受從零下175攝氏度到零上120攝氏度巨大溫差，忍受長(zhǎng)達(dá)十幾天的漫漫黑夜，以及微重力等環(huán)境？
這些即將承擔(dān)大任的植物，需要滿足一系列在狹小、密閉、微重力、超真空、強(qiáng)輻射的空間環(huán)境生存特點(diǎn)，還要能發(fā)揮食物生產(chǎn)、大氣再生與凈化、水分再生與凈化和廢物處理與再生等一種或幾種作用。
植物是整個(gè)生保系統(tǒng)的核心部分，篩選的植物合適與否在很大程度上決定著試驗(yàn)的成敗。
那些體積小、培養(yǎng)技術(shù)簡(jiǎn)單、易于繁殖和移植，遺傳性狀穩(wěn)定、生長(zhǎng)快、周期短、產(chǎn)量高、可食部分比值高，抗病和抗逆性強(qiáng)的植物優(yōu)先被挑選，科學(xué)家還注意到，主要作為食物的它們，要符合人們的飲食文化習(xí)慣，并能滿足食譜的多樣化，還要具備一些本國(guó)特點(diǎn)。
微生物領(lǐng)域的金針菇、平菇、酵母菌，藻類中的螺旋藻、小球藻等，還有研究中我國(guó)首次引入的水生蕨類植物紅萍成為科學(xué)家選中的第一批實(shí)驗(yàn)者。
研究初期，歐美各國(guó)均把目標(biāo)集中在葉菜類上，希望為宇航員提供新鮮蔬菜，實(shí)驗(yàn)中生菜成為外國(guó)科學(xué)家的最愛。
我國(guó)也把目標(biāo)集中在葉菜類上。1997年，我國(guó)航天醫(yī)學(xué)工程研究院聯(lián)合中科院的多家研究所進(jìn)行了植物選育，從十幾種葉菜類蔬菜中選出生菜、油菜、白菜和豌豆苗，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其中更符合我國(guó)人口味的油菜和白菜被認(rèn)為是非常理想的“太空食品”。而豌豆幼苗則勉強(qiáng)通過了密閉環(huán)境的考驗(yàn)。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)結(jié)論中不無擔(dān)憂：“這些通過地面實(shí)驗(yàn)或短期空間搭載實(shí)驗(yàn)篩選出的物種，是否確實(shí)可行，還必須進(jìn)一步通過大量地面模擬和空間飛行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證”。
上月底，英國(guó)《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站報(bào)道稱，美國(guó)航天局正在開發(fā)一個(gè)含有5天空氣用量的密封種植罐，罐內(nèi)的植物種子可以在浸泡過營(yíng)養(yǎng)液的過濾紙上發(fā)芽。這個(gè)重1公斤的小“溫室”將成為某次不載人的登月行動(dòng)中的一個(gè)付費(fèi)搭載項(xiàng)目，行動(dòng)很可能計(jì)劃于2015年底由月球捷運(yùn)公司完成。
這次行動(dòng)成為人們對(duì)真正的植物在月球上生長(zhǎng)最切近的期盼，受限于航空器的空間和重量限制，我國(guó)實(shí)驗(yàn)室里的植物還沒有登上月球的福利。
“因?yàn)樵虑蚋咻椛浜臀⒅亓Φ沫h(huán)境在地球上極難模擬，目前地面實(shí)驗(yàn)只是在做生命保障系統(tǒng)的封閉性物質(zhì)循環(huán)實(shí)驗(yàn)上完善。”劉紅介紹說，但十年前，俄羅斯就在國(guó)際空間站建成了“空間溫室菜園”，20余次植物培養(yǎng)試驗(yàn)培養(yǎng)了甜豆、番茄、小麥和生菜等多種植物。
“月宮一號(hào)”種蔬菜、糧食、水果
36平米的植物艙內(nèi)，高亮度的紅光照射在在翠綠的生菜、油麥菜、紫背天葵、苦菊4種可食用蔬菜上，30多歲的試乘員唐永康、米濤呼吸著蔬菜提供的氧氣，每餐還親手采摘30-50克新鮮蔬菜充饑，“這些蔬菜在進(jìn)艙前已培養(yǎng)好，新鮮采摘后涂抹甜辣醬后美美地生吃，但兩人根本吃不完36平米的蔬菜?！彼麄兂鰝}后總結(jié)。
這一幕出現(xiàn)在去年中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心主持開展的2人30天B LSS集成技術(shù)試驗(yàn)成功后。經(jīng)過近20年單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，我國(guó)逐步拉近與國(guó)外的研究差距，建成了BLSS集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
“試驗(yàn)突破了‘人-植物’氧氣和二氧化碳交換動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控技術(shù)和微生物廢水綜合處理與循環(huán)利用等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，大氣、水和食物的閉合度分別達(dá)到100%，901%和10 .4%，并證明種植面積為13.5平方米的共生蔬菜能夠提供1人的呼吸用氧，并能清除其呼出的二氧化碳，試驗(yàn)期間保持了良好的空氣質(zhì)量?！眳⑴c實(shí)驗(yàn)的中國(guó)航天員中心載人航天環(huán)控生保室主任郭雙生撰文總結(jié)道。
郭雙生在今年6月的《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程》中介紹，中國(guó)航天員中心先后研制成三代空間站植物裝置地面樣機(jī)，并進(jìn)行了充分的地面驗(yàn)證考核，正等待時(shí)機(jī)進(jìn)行空間在軌驗(yàn)證。
各國(guó)科學(xué)家研究月球種植物的初始，都是在地面營(yíng)建模擬月球環(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置。俄羅斯建成了世界上第一座用于研究BLSS的大型地基綜合實(shí)驗(yàn)裝置———B IO S系統(tǒng)，系統(tǒng)從藻類培養(yǎng)到增加植物生長(zhǎng)艙，四年實(shí)驗(yàn)證明，氧氣完全能自給自足。
其后連續(xù)十年的升級(jí)實(shí)驗(yàn)表明，63平方米的植物種植面積使系統(tǒng)在氣體、水循環(huán)方面完全自給自足，并滿足3名實(shí)驗(yàn)人員約70%的食物需求。
“BIO S-3是迄今為止最成功的BLSS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它為后來其他國(guó)家開展相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)?！眲⒓t教授撰文評(píng)價(jià)說，她曾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了近10年的B LSS研究，上世紀(jì)90年代就在國(guó)內(nèi)首次完成了“人-萵苣——— 藻-蠶”地面小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
11月初，劉紅主持修建的“月宮一號(hào)”也得到了類似的評(píng)價(jià)，在多國(guó)專家參觀了北京航空航天大學(xué)建立的空間生命保障人工閉合生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置———“月宮一號(hào)”后，認(rèn)為它“是目前世界上最先進(jìn)的生物再生生命保障地基綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之一，將對(duì)生物再生生命保障系統(tǒng)的研究發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)?！?/p>
目前，“月宮一號(hào)”還披著神秘的面紗，“10月底剛剛?cè)堪惭b完成，目前剛開始啟動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，我們將利用‘月宮一號(hào)’開展有人密閉實(shí)驗(yàn)研究，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、中國(guó)特色的月球基地B LSS技術(shù)?！眲⒓t說，“月宮一號(hào)”將在2014年春節(jié)前后向公眾公開。
劉紅透露，在寬闊的“月宮一號(hào)”，不僅種有蔬菜，還將有糧食和水果，滿足實(shí)驗(yàn)人員的全部氣體、水和食物的需要。
BLSS技術(shù)雖然經(jīng)歷了50余年的發(fā)展歷程，但至今該技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。但美、德等國(guó)卻進(jìn)行了各種月球基地B LSS的概念設(shè)計(jì)：它建在月球南極常年光照的阿特肯盆地的山峰上，藏于月壤覆蓋的地下或半地下，全封閉的系統(tǒng)中，低壓接近1/2的地球海平面大氣壓，人和植物共同克服高真空、高輻射和隕石撞擊，植物的生長(zhǎng)保障著航天員長(zhǎng)期封閉生存和自給自足。?
