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中國建成“月宮一號” 人和植物可封閉共存

來源:本站 發布時間:2013/12/18 9:50:58 瀏覽量:

  嫦娥三號探測器探訪月球,“嫦娥”和“玉兔”在“月宮”中互拍,人類什么時候也可以在月球上長期生存?鮮為人知的是,我國地面隱藏著一個剛建成的“月宮一號”,正在為此做著超前準備。

  “因為月球高輻射和微重力的環境在地球上極難模擬,目前地面實驗只是在做生命保障系統的封閉性物質循環實驗上完善?!必撠熑藙⒓t教授介紹,為滿足實驗人員生命需要,密閉的“月宮一號”中種植糧食、水果和蔬菜。

  美國宇航局近日傳出2015年“帶植物去月球”的計劃,而我國在近20年的研究中,已經完成了人和植物封閉共存的部分自給自足小型實驗,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通過了模擬環境的考驗,等待著到月球生長的那天。

  負責人劉紅透露,在寬闊的“月宮一號”,不僅種有蔬菜,還將有糧食和水果,滿足實驗人員的全部氣體、水和食物的需要。

  生保系統核心:植物

  “我們小時候,覺得人登上月球是不可想象的夢,可現在我國也能輕松實現,很難說有一天,人類不會把植物種上月球?!眲⒓t是北京航空航天大學生物與醫學工程學院空間生命科學與生命保障技術中心主任,她對自己的研究很樂觀。她多次實驗的空間生物再生生命保障系統,就是要解決土生土長的地球人,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期健康生活,長達數月甚至數年?科學家的共識是必須依靠一套空間生物再生生命保障系統(BLSS),國內也稱之為受控生態生命保障系統(CELSS)。

  這套目前世界上最先進的閉環回路生命保障技術可以被通俗地解釋為,在月球或火星等太空環境中,將有限資源進行反復處理與再生,從而源源不斷地生產食物、氧氣和水,確保為航天員提供最基本的生存必需品。因為航天時從地面向空間補給物資十分昂貴,在美國每千克花費1萬-10萬美元,而到月球和火星的長期空間飛行,幾乎不可能再補給。

  在科學家基于空間環境特點,人工設計建造的密閉微生態循環系統中,綠色植物,尤其是蔬菜,承擔了主要節點的重任。

  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的水循環。微生物則擔負著下游的收尾工作,降解植物不可食用部分、乘員排泄物和生活廢水等,使他們再生為植物提供水分和養料,為動物提供部分食品,使食物再生循環。

  早在20世紀60年代,載人航天開啟之前,俄、美等國就在考慮人類未來在外太空長期駐留的生命保障問題。建立由植物、動物、微生物、人以及其他構成的物質流不斷循環更新的閉路生態系統,是科學家努力的方向。

  但最初開展的封閉的BLSS設計和空間應用研究,無論是在俄羅斯還是美國的實驗中,綠色植物都是缺席者。

  擔此重任的是單細胞藻類,但俄羅斯科學家后來發現,盡管藻類放氧和吸收二氧化碳的能力較強,但吃起來卻口感差,營養單一。如何建立包含糧食蔬菜等高等植物的“太空農場”成了俄美科學家的研究重點。

  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境里生長,忍受從零下175攝氏度到零上120攝氏度巨大溫差,忍受長達十幾天的漫漫黑夜,以及微重力等環境?

  這些即將承擔大任的植物,需要滿足一系列在狹小、密閉、微重力、超真空、強輻射的空間環境生存特點,還要能發揮食物生產、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。

  植物是整個生保系統的核心部分,篩選的植物合適與否在很大程度上決定著試驗的成敗。

  那些體積小、培養技術簡單、易于繁殖和移植,遺傳性狀穩定、生長快、周期短、產量高、可食部分比值高,抗病和抗逆性強的植物優先被挑選,科學家還注意到,主要作為食物的它們,要符合人們的飲食文化習慣,并能滿足食譜的多樣化,還要具備一些本國特點。

  微生物領域的金針菇、平菇、酵母菌,藻類中的螺旋藻、小球藻等,還有研究中我國首次引入的水生蕨類植物紅萍成為科學家選中的第一批實驗者。

  研究初期,歐美各國均把目標集中在葉菜類上,希望為宇航員提供新鮮蔬菜,實驗中生菜成為外國科學家的最愛。

  我國也把目標集中在葉菜類上。1997年,我國航天醫學工程研究院聯合中科院的多家研究所進行了植物選育,從十幾種葉菜類蔬菜中選出生菜、油菜、白菜和豌豆苗,實驗證實,其中更符合我國人口味的油菜和白菜被認為是非常理想的“太空食品”。而豌豆幼苗則勉強通過了密閉環境的考驗。

  聯合研究團隊在試驗結論中不無擔憂:“這些通過地面實驗或短期空間搭載實驗篩選出的物種,是否確實可行,還必須進一步通過大量地面模擬和空間飛行試驗進行驗證”。

  上月底,英國《新科學家》周刊網站報道稱,美國航天局正在開發一個含有5天空氣用量的密封種植罐,罐內的植物種子可以在浸泡過營養液的過濾紙上發芽。這個重1公斤的小“溫室”將成為某次不載人的登月行動中的一個付費搭載項目,行動很可能計劃于2015年底由月球捷運公司完成。

  這次行動成為人們對真正的植物在月球上生長最切近的期盼,受限于航空器的空間和重量限制,我國實驗室里的植物還沒有登上月球的福利。

  “因為月球高輻射和微重力的環境在地球上極難模擬,目前地面實驗只是在做生命保障系統的封閉性物質循環實驗上完善?!眲⒓t介紹說,但十年前,俄羅斯就在國際空間站建成了“空間溫室菜園”,20余次植物培養試驗培養了甜豆、番茄、小麥和生菜等多種植物。

  “月宮一號”種蔬菜、糧食、水果

  36平米的植物艙內,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,“這些蔬菜在進艙前已培養好,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。

  這一幕出現在去年中國航天員科研訓練中心主持開展的2人30天B LSS集成技術試驗成功后。經過近20年單項關鍵技術攻關,我國逐步拉近與國外的研究差距,建成了BLSS集成實驗平臺。

  “試驗突破了‘人-植物’氧氣和二氧化碳交換動態平衡調控技術和微生物廢水綜合處理與循環利用等多項關鍵技術,大氣、水和食物的閉合度分別達到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,試驗期間保持了良好的空氣質量?!眳⑴c實驗的中國航天員中心載人航天環控生保室主任郭雙生撰文總結道。

  郭雙生在今年6月的《航天醫學與醫學工程》中介紹,中國航天員中心先后研制成三代空間站植物裝置地面樣機,并進行了充分的地面驗證考核,正等待時機進行空間在軌驗證。

  各國科學家研究月球種植物的初始,都是在地面營建模擬月球環境的實驗裝置。俄羅斯建成了世界上第一座用于研究BLSS的大型地基綜合實驗裝置———B IO S系統,系統從藻類培養到增加植物生長艙,四年實驗證明,氧氣完全能自給自足。

  其后連續十年的升級實驗表明,63平方米的植物種植面積使系統在氣體、水循環方面完全自給自足,并滿足3名實驗人員約70%的食物需求。

  “BIO S-3是迄今為止最成功的BLSS實驗系統,它為后來其他國家開展相關研究奠定了基礎?!眲⒓t教授撰文評價說,她曾帶領團隊進行了近10年的B LSS研究,上世紀90年代就在國內首次完成了“人-萵苣——— 藻-蠶”地面小型實驗系統。

  11月初,劉紅主持修建的“月宮一號”也得到了類似的評價,在多國專家參觀了北京航空航天大學建立的空間生命保障人工閉合生態系統實驗裝置———“月宮一號”后,認為它“是目前世界上最先進的生物再生生命保障地基綜合實驗系統之一,將對生物再生生命保障系統的研究發展做出重大貢獻?!?/p>

  目前,“月宮一號”還披著神秘的面紗,“10月底剛剛全部安裝完成,目前剛開始啟動性實驗,我們將利用‘月宮一號’開展有人密閉實驗研究,建立具有自主知識產權的、中國特色的月球基地B LSS技術?!眲⒓t說,“月宮一號”將在2014年春節前后向公眾公開。

  劉紅透露,在寬闊的“月宮一號”,不僅種有蔬菜,還將有糧食和水果,滿足實驗人員的全部氣體、水和食物的需要。

  BLSS技術雖然經歷了50余年的發展歷程,但至今該技術仍停留在實驗研究階段,遠未實現工程化應用。但美、德等國卻進行了各種月球基地B LSS的概念設計: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,植物的生長保障著航天員長期封閉生存和自給自足。

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