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月宫一号:人在里面挺好的

中国航天报飞天科普周刊    
admin    
2015-06-10

核心提示:5月20日上午10点18分,在众人的掌声中,“月宫一号”的舱门缓缓开启,谢倍珍、王敏娟和董琛3名志愿者先后走出舱门。一脸微笑的他们一出舱门就向大家送上了“礼物”,那是他们的劳动成果,一包包蔬菜和粮食,里面有毛豆、胡萝卜、生菜、空心菜、玉米、小麦……这标志着长达105天的密闭实验取得了圆满成功。

那么,月宫一号是什么?它如何运作?此次试验又有什么意义呢?

“月宫一号”二期结构示意图

“月宫一号”是什么

“月宫一号”是一个类似地球生物圈的小型生态系统,是北京航空航天大学生物与医学工程学院刘红教授带领团队,集成10年来的研究成果构建的我国第一个、世界第三个生物再生生命保障地基有人综合密闭实验系统。

为什么要建“月宫一号”呢?这是人类长时间、远距离太空探索的前提。航天员离开地球,要在遥远的太空中生存,离不开氧气、水和食物。而在我国神舟系列飞船里,航天员吃的食物只能一次性携带充足,不能再生。即使是长期在轨运行的国际空间站,也必须定期进行物资补给。

然而,如果人类在未来进行更长时间、更远距离的太空探索,例如建设月球基地、火星基地等,由于路途遥远,食物完全通过携带储存供给或进行地面定期补给,将变得十分昂贵且很难实现。在刘红看来,最行之有效的解决办法就是依靠“生物再生”的方式,在地外天体或者宇宙飞船中,构建一个类似地球生物圈的小型生态系统。

科学家们把这样一个小型生态系统称为“生物再生生命保障系统”。它通过构建由植物、动物、微生物组成的人工生态系统,让人类生活所必需的物质在系统内循环再生,为人类提供类似地球生态环境的生命保障。在这样一个系统真正飞向太空之前,需要在地面构建一个一模一样的系统,进行一系列集成试验研究,为将来人类真正在太空居住提供保障,“月宫一号”——一个模拟生态系统就应运而生了。

中国科学院微生物所研究员刘志恒也认为:“这项实验的成功,为我国未来开展进一步的深空探测活动进行了有益的尝试。”

再造一个小型世界

“月宫一号”分两期建设,目前建成的一期包含了一个植物舱和一个综合舱,总体积约300立方米,可以为3位志愿者提供生命保障。

植物舱为60平方米,舱内设计了三层立体栽培,种植面积达69平方米,分隔为两个植物间,可以根据不同植物生长需要独立控制环境条件。综合舱为42平方米,包括3名志愿者的居住间、工作间、洗漱间、废物处理和昆虫间。二期建成后,“月宫一号”将再增加1个植物舱,总面积将达160平米,总体积为500立方米,能够满足4人更高闭合度的生命保障需求。

在本次试验中,3名志愿者在“月宫一号”内收获粮食、蔬菜、水果和黄粉虫,并进行加工、食用。对于那些废弃物(如秸秆、人的粪便及食物残渣等),他们则分类收集起来,经过技术处理后,循环用于植物栽培。

在综合舱中,人、动物和废物处理产生的富二氧化碳,经过处理后可送达植物舱,供植物光合作用。而植物舱产生的富氧空气经过净化后,又能输送到综合舱供人和动物呼吸。此外,植物舱中植物蒸腾作用产生的冷凝水通过处理后,一部分由系统补充微量元素后送到综合舱满足人的生活用水,其余与净化后的生活废水和尿液一起用于植物栽培。由此,形成一个闭环回路的生命保障系统。

就在这样一个人造的小型世界里,科研人员和志愿者成功栽培生产出了小麦、大豆、花生、油莎豆、玉米等5种粮食作物,胡萝卜、豇豆、四季豆、紫叶油菜、油麦菜、茼蒿、马齿苋、苋菜等15种蔬菜作物和1种水果(草莓)。同时,他们还利用植物不可食生物量(经发酵处理的秸秆)培养黄粉虫,为志愿者提供部分动物蛋白。

从97%迈向99%

5月22日,3名志愿者走出“月宫一号”两天后,做了全面的身体检查。“结果显示一切正常,有的人身体状况比入舱前还好,”刘红笑着说,“比如,进去之前有点高血脂,出来后指标反而正常了。因为他们在舱内的饮食都是遵循科学定制的,里面空气的PM2.5指数总是1。吃得健康,空气又清新,身体能不好么。”

虽然此次试验取得了的成功,但刘红和他们的团队仍然没有松懈。在之前的有人实验中,人正常的活动也会影响舱内环境。以二氧化碳浓度为例,人走到哪里,二氧化碳的浓度就会随之升高。因此,为了能够掌握更为精确的实验数据,科研人员还将进行为期10天的无人实验,以调整修正参数,为下一步扩建生物舱,进行4人试验做准备。

“月宫一号”现有2个舱室,实现了在系统内循环再生100%的氧气和水,以及55% 的食物,总闭合度达97%。但仍有3%的物质,需要从外界输送进舱。刘红说:“我们想要将闭合度提高到99%,从而能够几乎完全实现舱内的自给自足。在未来的二期试验中,还要增加一名志愿者入舱,并延长志愿者在舱内的停留时间。”

“现在1个植物舱内的种植面积是69平方米,平均到每名志愿者身上是23平方米。增加一个植物舱后,种植面积会扩大,平均每个人是30平方米,供给能力会好得多。”刘红对“月宫一号”的未来充满信心。

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