太空中的“生物圈”

劉紅 厲海川 魯妮

當(dāng)航天員置身毫無(wú)生機(jī)的太空，太空艙就是他賴以生存的整個(gè)世界。在那狹小的空間中，他所擁有的食物、氧氣和水都是極為有限的。隨著人類探索太空的腳步不斷邁進(jìn)，太空航程不斷延長(zhǎng)，逐漸需要以年為單位來(lái)計(jì)量。傳統(tǒng)的攜帶式和物理化學(xué)再生式生命保障系統(tǒng)，似乎已經(jīng)難以支持更加長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的太空任務(wù)。

所以，在太空這無(wú)垠的“生命荒漠”上，我們?cè)撊绾未蛟煲黄幌⒌木G洲？

目前最可靠的答案是：生物循環(huán)再生。循環(huán)讓有限的資源可以得到近乎無(wú)限的利用，正如地球上相對(duì)稀薄的氧氣因物質(zhì)循環(huán)的存在，四億年中持續(xù)滋養(yǎng)著萬(wàn)物生長(zhǎng)，倘若在太空艙中打造一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的生命循環(huán)系統(tǒng)，它將在更加漫長(zhǎng)的太空飛行中穩(wěn)定保障航天員的生存需求。

生物再生生命保障系統(tǒng)（BLSS）是載人深空探測(cè)的十大關(guān)鍵技術(shù)之一，由于其較高的復(fù)雜度與難度，急需深入系統(tǒng)開展研究。在我國(guó)載人深空探測(cè)的戰(zhàn)略背景下，北京航空航天大學(xué)的劉紅教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了“月宮一號(hào)”空間基地生物再生生命保障系統(tǒng)地基綜合實(shí)驗(yàn)裝置。這是一個(gè)植物、動(dòng)物、微生物共存的人工閉合生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)期間與外界隔絕物質(zhì)交換，而是在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生航天員的太空生活所必需的食物、氧氣和水，為航天員提供類似地球生物圈的生命保 障。

這種繼攜帶式、物化再生式的生命保障系統(tǒng)后的第三代生命保障系統(tǒng)，具有包括但不限于以下3個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。

首先，它能夠保證人類在特殊環(huán)境下的密閉空間內(nèi)長(zhǎng)期自給自足，而不用一次性攜帶所需的全部食物、水和氧氣。目前，“月宮一號(hào)”已經(jīng)成功進(jìn)行了兩次大型實(shí)驗(yàn)。一次是2014年1—5月的“月宮105”實(shí)驗(yàn)——這是我國(guó)首次長(zhǎng)期高閉合度集成實(shí)驗(yàn)。3名志愿者在基地的密閉環(huán)境中生活105天，期間自行栽培并食用5種糧食（小麥、大豆等）、15種蔬菜（菠菜、黃瓜、油麥菜等）和1種水果（草莓），飼養(yǎng)黃粉蟲以提供一部分動(dòng)物食物，培養(yǎng)微生物來(lái)降解生活垃圾并用作肥料。另一次是2017—2018年進(jìn)行的“月宮365”實(shí)驗(yàn)，志愿者種植了35種作物，實(shí)現(xiàn)了蔬菜、水果和糧食的自給自足，培養(yǎng)并食用了黃粉蟲、蘑菇，用微生物循環(huán)再生利用有機(jī)廢物，創(chuàng)造了4名志愿者在密閉空間生活370天的紀(jì)錄，成為世界上時(shí)間最長(zhǎng)、閉合度最高的生物再生生命保障系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)。兩次實(shí)驗(yàn)的成果表明，生物再生生命循環(huán)系統(tǒng)具備對(duì)航天員提供長(zhǎng)期生命保障的潛 力。

其次，生物再生生命循環(huán)系統(tǒng)為人類提供了更加新鮮的食物來(lái)源。人類早期探索太空，包括我國(guó)神舟系列飛船，通常需要一次性攜帶全部食物。因此，食物必須具備質(zhì)量輕、體積小、保質(zhì)期長(zhǎng)等特征，航天員只能吃罐頭或者用“擠牙膏”的方式吃各類壓縮食品，其口味和新鮮程度均無(wú)法保障。后來(lái)出現(xiàn)了復(fù)水食品，即通過(guò)加水使食物恢復(fù)原本狀態(tài)，一定程度上提升了航天食品的口感;繼而又出現(xiàn)太空廚房，冷凍冷藏食品進(jìn)入太空艙，航天員可以自行加熱儲(chǔ)藏的食物……隨后，保鮮技術(shù)的提升帶來(lái)了更加豐富可口的自然型食物，即未經(jīng)處理的較為新鮮的食物。但隨著更加漫長(zhǎng)的太空任務(wù)的到來(lái)，為航天員提供源源不斷的新鮮食物來(lái)源逐漸成為重中之重?！霸聦m一號(hào)”中包含兩個(gè)58平方米左右、三層立體栽培的植物艙和一個(gè)42平方米的綜合艙，其中囊括了植物栽培系統(tǒng)和動(dòng)物飼養(yǎng)系統(tǒng)?！霸聦m一號(hào)”的一次次實(shí)驗(yàn)，正是希望把“月宮一號(hào)”這樣的小型生態(tài)系統(tǒng)帶到未來(lái)的太空艙中，讓航天員吃到自己栽培的糧食、蔬菜和水果，甚至是飼養(yǎng)的動(dòng)物。其實(shí)，此舉不僅能提供更高品質(zhì)的食物來(lái)源，還可以通過(guò)植物的光合作用產(chǎn)生氧氣，通過(guò)其蒸騰作用獲得純凈安全的飲用水。

最后，生活垃圾在生物循環(huán)系統(tǒng)中不斷再生，利用率大大提升，廢物產(chǎn)生率大大降低，極大地節(jié)約了太空艙內(nèi)有限的資源及空間。諸如在“月宮365”實(shí)驗(yàn)中，氧氣和水的再生率為100%，而食物的再生率也達(dá)到了83%。其中循環(huán)主要包括三方面：空氣、水和固體廢棄物，在“月宮一號(hào)”中也分別對(duì)應(yīng)著空氣循環(huán)與凈化系統(tǒng)、水再生循環(huán)系統(tǒng)和固體廢棄物處理系統(tǒng)。

其中，空氣循環(huán)與凈化系統(tǒng)主要過(guò)程為航天員呼出二氧化碳、微生物將固定碳分解為二氧化碳，二氧化碳被植物用于光合作用，光合作用為航天員提供氧氣。

而水循環(huán)主要是航天員的尿液經(jīng)過(guò)生物預(yù)處理和低壓蒸餾進(jìn)行儲(chǔ)存，航天員的廚余和洗浴廢水經(jīng)過(guò)膜—生物活性碳反應(yīng)器處理進(jìn)入中水箱儲(chǔ)存，植物蒸騰的水分也通過(guò)冷凝儲(chǔ)存下來(lái)。這些儲(chǔ)存的水源可直接用于澆灌植物，或通過(guò)凈水箱再次為航天員生活所用。

固體廢棄物系統(tǒng)中，作物的秸稈、蔬菜的根和老葉、敗葉等不可食用部分，可用于飼養(yǎng)動(dòng)物（如黃粉蟲）為航天員提供蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，還可通過(guò)發(fā)酵用作肥料栽培植物，為航天員所食用。航天員的排泄物也可通過(guò)發(fā)酵形成富含二氧化碳的氣體，被植物光合作用所吸收。

這3個(gè)主要系統(tǒng)各自形成閉環(huán)，又能彼此交織，相輔相成?！霸聦m105”實(shí)驗(yàn)是世界上首次實(shí)現(xiàn)的“人-植物-動(dòng)物-微生物”四環(huán)系統(tǒng)。在“月宮365”實(shí)驗(yàn)中，復(fù)雜的四生物鏈環(huán)BLSS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了98%的系統(tǒng)閉合度，100%的氧氣和水再生與83%的食物再生。相信，未來(lái)更加復(fù)雜精密的四生物鏈環(huán)系統(tǒng)，將模擬更加真實(shí)的“生物圈”，達(dá)到更長(zhǎng)時(shí)間的生態(tài)平衡與生命保障。

國(guó)際上也有類似于“月宮一號(hào)”的生物再生生命保障系統(tǒng)，例如俄羅斯的BIOS-3系統(tǒng)和美國(guó)的月球-火星生命保障測(cè)試系統(tǒng)（LMLSTP）。在實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出BLSS的系統(tǒng)理論，包括但不限于：空間環(huán)境對(duì)生物和人工生態(tài)系統(tǒng)的影響、人工生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)以及生物單元之間的關(guān)系。同時(shí)，在“月宮一號(hào)”的實(shí)驗(yàn)中，還有機(jī)加入了航天員心理狀態(tài)方面的調(diào)節(jié)研究，為封閉隔離造成的心理影響以及乘員之間互動(dòng)的研究提供了極高價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

BBLS的發(fā)展路線分為地基和天基兩方面研究。構(gòu)建地基BLSS綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、完成地基長(zhǎng)期有人密閉生存實(shí)驗(yàn)，對(duì)于BLSS的發(fā)展具有里程碑意義，標(biāo)志著具有在地面環(huán)境下的密閉空間生物循環(huán)再生保障人員的長(zhǎng)期生存的技術(shù)能力。為了進(jìn)行空間應(yīng)用，劉紅教授團(tuán)隊(duì)的研究工作重點(diǎn)正在從地基實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)到天基實(shí)驗(yàn)，希望通過(guò)空間站、月球/火星探測(cè)器的科學(xué)載荷實(shí)驗(yàn)，獲取矯正參數(shù)和模型，從而將地面環(huán)境的大型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究取得的技術(shù)參數(shù)矯正，最終達(dá)到BLSS在軌道站和月球、火星等星球基地的空間應(yīng)用。

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