副刊名校听讲座 a19

　　中国乃至世界都有很多的载人航天计划和规划。未来大家不仅会有机会“月球一游”，还有可能更年轻的一辈的人选择去火星旅游甚至去火星移民，做一个火星人。

　　但人类要在太空上生存需要很多的条件。首先太空和地球上有很大的区别。太空舱外边是真空的，有很多的辐射，所以需要防辐射。还要有一个密闭的环境把人保护起来，这里面就需要舱室的环境控制系统。

　　我们吃的、喝的、呼吸的气全部都要带着，全部都要在这里面制造，这就需要一个生命保障系统来完成这个功能。

　　在太空中，重力是会发生变化的，可能是微重力，可能是部分重力，看你去哪里。如果在轨道空间站这样的地方，可能是微重力，若是到一些星球上，比如月球上，可能是六分之一重力，这时候对健康和心理会产生一些问题，所以需要健康保障系统。

　　舱室的环境控制系统、生命保障系统、健康保障系统是人类在太空舱生存必须具备的三大系统，我研究的是生命保障系统。

　　我国首个生命保障人工闭合生态系统装置“月宫一号”自造食物再利用废物成功完成105天多人密闭实验

　　听总设计师讲述“月宫”生活

　　什么是太空生命保障系统？

　　上太空必备三大件：氧气、水、吃的

　　生命保障系统的功能就是要满足人在太空中生存所必需的物质。如果把一个人送到太空，让他选择只带一种物质的时候，我想很多人会坚定地选择氧气，因为它是我们的第一需要。

　　如果还让带第二种物质，我想很多人不会带金银财宝，因为到那里，它一文不值，可能大家会选择水，水是我们生命所需要的第二重要的物质。

　　如果可以带第三种物质，可能大家会说要带点吃的，因为它是人类生产所需要的第三重要的物质。这些物质在我们的生活中都很廉价，但对于太空来说，这些廉价的东西都是很昂贵的。

　　另外，我们吃了、喝了、喘了气之后一定会有废物产生，这些废物不只是废水，比如人的粪便，生活用的各种水的排放，还有二氧化碳，我们必须要做废物处理。当然这是辩证的，废物从另一方面来说也是资源。保障氧气、水和食物的供给的系统就是生命保障系统的全部功能。

　　如何保证供应：携带式和再生式

　　生命保障的方式有很多种，我们可以把它概括为两大类：第一大类是携带式的，另一类是再生式的生命保障系统。

　　所谓携带式的就是人所需要的三大物全部携带。我们可以算一下，一个航天员，如果他的代谢强度是2800大卡的话，那么，他每天需要氧气0.83公斤，放出0.95公斤的二氧化碳，另外还需要15公斤的水，以及大概0.65公斤的食物，合计是16.4公斤。这是一天一人的量，如果是一年，那就是6吨。如果是3个人、5个人、10个人，这个量就非常大了。

　　要把这些物资运到空间站需要3.6亿人民币，运到月球要36亿人民币，运到火星要360亿人民币，这是一个人。我们去太空最少是3个人。如果去火星，按照目前的设计最少是6个人。大家可以算一下，这是一个天文数字，天下最富有的国家也承担不了这样的费用。另外，飞船不能造无限的大，还要受发射窗口的限制，所以对于月球基地、火星探测等来说携带式从技术上也是难以实现的。

　　携带式难以实现，因此必须要原位循环再生。也就是说在原地或者在舱内或者在月球上或者在火星上需要进行原地循环再生，把这些物质循环利用起来。空间站的生命保障系统就是物化再生的，是一个再生式的生命保障系统。再生式的生命保障系统分为物化再生的生命保障系统和生物再生的生命保障系统。

　　两大生命保障方式物化再生的生命保障系统

　　空间站主要采取物化再生的生命保障系统。在空间站里，人吸进氧气以后，会放出二氧化碳，二氧化碳会被收集，收集之后，进入一个反应器，叫萨巴蒂尔反应器。这个反应器还需要另外一种物质就是氢气。航天员会产生尿液，尿液收集之后经过尿液系统处理，获得水。

　　这个水进入水电解系统，水电解产生氢气，也到达萨巴蒂尔反应器，对二氧化碳进行反应生成了水。水电解的同时也产生氧气，氧气可供给航天员呼吸。

　　萨巴蒂尔反应器产生了水，进入水净化系统，净化之后进入饮用水储存箱，这部分水是给人喝的。所以大家不要以为航天员喝的是尿液处理之后的水。尿液处理后的这部分水是用来水电解制氧的，不是用来喝的，航天员喝的是净化后的空气冷凝水。

　　空间站的生命保障系统是物化再生的。物化再生的系统实际上有一部分物质是排放掉的，也就是它不是所有的都可以循环再生，它的循环再生率可以达到70%。

　　生物再生的生命保障系统

　　在空间站里面，我们可以时不时地给它送一些东西上去，可以满足航天员的基本需求。但是如果我们要建立月球基地，要建火星基地，物化再生生命保障系统是不能满足要求的。因为它只能再生氧气和水，而且还不是百分之百的，它不能再生食物。到目前以及可以预见的技术发展的将来，物化的技术还不能把人的粪便重新做出食物来，或者说做出来了人心理上也难以接受。

　　到目前为止，只有生物再生的方式才能把各种废物通过生物处理之后重新获得食物，同时获得氧气，获得水。这就是我这个团队研究的主题——生物再生的生命保障系统。

　　我们这个系统是基于生态系统的原理，结合工程控制技术和生物技术把植物、动物、微生物组合在一起，组合成一个人工闭合生态系统。在这个人工闭合生态系统里面，人所需要的物质，氧气、水和食物都可以循环再生，同时它有绿色植物、有动物，人长期以来已经习惯这样的环境。所以它对人的心理也是非常有益的，因此这个技术是长期载人航天必须的生命保障技术。

　　为登月准备的“月宫一号”105天的生存实验

　　从2004年开始我们开展了研究，要将其用到太空，必须要在地面做实验。2013年，我们设计了空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置，这是它的学名，我们给它命名为“月宫一号”，这样命名是因为在可预见的将来，它应该是最早会用在月球上。

　　我们从2014年2月3日(大年初四)开始做的实验，到5月20日结束，实验持续了105天。“月宫一号”由两个舱组成，植物舱和综合舱，舱中的每个角落除了私密空间卧室和洗漱间以外所有的角落都有视频监控，24小时监控，舱外的监控室24小时有人值班，舱内的各个部分的温湿度、压力和气体的情况也进行实时在线监控和数据采集。

　　植物舱：十期小麦共存，为人类供氧供食

　　我们在植物舱内种植了21种作物，它包括5种粮食作物，有小麦、大豆、花生、油莎豆和玉米。

　　油莎豆大家可能不太了解，它类似于花生，属于油料作物，是提供植物性脂肪的。另外的作物还有一些蔬菜，一种水果，水果就是草莓。相对于其他水果，草莓生长期比较短，而且它株高较低，占用的空间很少。

　　对于这个系统来说我们筛选植物首先要考虑它的株高，这跟地面上是不一样的，我们要考虑单位体积的产量，不是单位面积的产量。另外一个，我们要考虑这个作物是不是能够进行长日照，能够进行长日照是我们优先选择的，因为这样它生长得比较快，晚上也进行光合作用。我们采用的是人工光源，用的是LED灯，红灯和白灯组合的，24小时照明，光强也是可以调的，我们要通过这次实验进一步地优化我们的技术和工艺参数。

　　在我们这个舱里我们是三层立体栽培，做到三层后也可以做到多层立体栽培，因为它的技术是一样的。作物的营养液的供给是用特制微孔管，植物需要多少水，它会从这个微孔管里吸出来多少，这样就没有浪费。

　　在这个系统中种植植物的方式是跟我们地面上完全不一样的，地面上是种了一茬，收了之后再种下一茬，有的可能一年只能种一茬，而我们采用的是分批半连续培养。

　　我们的系统中同时会存在处在各个生长阶段的植物，比如说小麦，就同时种着长了几天的小苗，已经是十几天的苗，二十几天的……马上要收获的，每隔7天收获一批种植一批，十期小麦同时存在。如果按照地面传统的种植方式，当小麦都处在第一期的时候，刚种下的种子前三四天不进行光合作用，之后的几天它长得很慢，光合作用强度很低，产氧很少，过不了几天，人就会因为二氧化碳浓度高中毒死了，或昏厥过去，所以我们必须分批半连续种植，每个生长阶段的都有，这样这里面的气体才是均衡的。不同批次同时种植还可以始终保持为乘员提供新鲜食物，而且库存很少，减少额外的库存花费。

　　综合舱：异养生物“供给”二氧化碳和肥料

　　“月宫一号”综合舱中主要是异养的生物，包括人、动物和微生物。这里的动物说的是黄粉虫，黄粉虫它给人提供动物蛋白。另外利用微生物进行废物处理，全部都是消耗氧气的。异养生物消耗了氧气然后排放了二氧化碳，空气就变成了富二氧化碳的空气，我们把它送到植物舱，植物用二氧化碳进行光合作用就产生了很多的氧气，空气就变成了富氧的空气，我们把它通过空气净化后再送到综合舱，这样我们的气体就可以循环起来了。

　　同样的道理，我们的水也是循环的，空间站的人喝的水来自于空气冷凝水，我们的系统里的人喝的水、用的水也是来自空气冷凝水。植物在光合作用的同时会有蒸腾蒸发作用，蒸腾蒸发作用会产生水汽，还有人的呼吸、体表蒸发，以及废物处理都会产生很多的水汽，这些水汽我们通过冷凝获得冷凝水，通过处理净化之后给人饮用或者是用于卫生使用，多余的部分会把它配制成营养液用于植物栽培。

　　人洗漱、洗菜、洗碗都会产生很多的卫生废水，单独收集之后也是经过处理把它净化，净化之后配制营养液用于植物栽培。尿液我们也是收集之后进理，同时回收尿液里面的水和氮素，尿液里的尿素含量很高，这个是植物所需要的营养元素，我们把水和氮素回收之后也是用于植物栽培。这样我们的水也是完全循环起来的，可以百分之百循环。

　　各种固体废物，像植物的秸秆，人们吃的叶子，还有剩的一些饭，以及人的排泄物，把它们共同进行生物处理，它会放出二氧化碳，我们把这些二氧化碳送到植物舱进行光合作用，残留的物质可以用于植物栽培，这样我们的物质大多数也就可以循环利用起来。此外，这个系统里面将秸秆进行生物发酵之后跟老的菜叶子一起饲喂黄粉虫，还可以获得一部分的动物蛋白。

　　这样我们整个系统的物质、氧气、水和食物都可以循环利用起来。

　　除了肉所有物质97%循环再生

　　5月20日我们完成了我国首次生物再生生命保障系统长期多人密闭实验。这次实验系统总的闭合度达到了97%，也就是说人所需要的所有物质97%是循环再生的，只有3%是外援的，主要是肉类。虽然我们培养了黄粉虫，但是人不能全吃黄粉虫，还是需要其他的肉类的。我们系统的氧气和水是百分之百再生的，食物总体再生了55%。

　　“月宫一号”这次实验的居民有三个人，谢倍珍是博士(教师)，董琛是博士研究生，王敏娟也是博士研究生。他们的分工非常明确，谢倍珍在这个系统里边除了担任舰长，还要负责舱内的科研管理工作，以及所有的废物处理，还有就是负责养黄粉虫。

　　董琛主要是负责培养小麦，这个任务非常重要，因为在这里边一共有69平方米的种植面积，小麦40平方米，小麦是最主要的粮食作物，他种的好坏决定了这三个人能不能吃饱，氧气是否充足。王敏娟负责21种作物中除了小麦以外所有作物的栽培，种类非常多。此外，她还要负责做饭，对于我们这个系统来说，做饭很特殊，我们要从小麦粒开始去做。收获了小麦以后要把它磨成面，然后再去做面点。另外我们这个系统里边是不许爆炒、不允许有油烟的，所以她要用蒸煮的方式或者水炒的方式做出可口的饭。草莓是他们的奢侈品，不能天天供应，可能三天、四天能摘到一盘，所以他们吃草莓的时候就像过节。但是好处是105天每隔三天五天他们都能吃到一盘，这和我们地面上不一样，他们没有季节性。

　　航空技术改变生活

　　服务国防海岛沙漠高原都能用

　　我们针对航天需求研究了这些技术，主要是用在航天上，也可以用在地面改善我们的生活。比如我们可以利用微生物对水源进行实时在线监测。我们的微生物燃料电池中有生物，微生物在里边活动，如果水是正常的，它正常地产电，在一定的电压水平上；如果水是有毒的，它会受到影响，而电是跟它的生命相关的，那么电压就会降下来，电压降下来到一定程度达到我们设置的预警线就会报警，可以自动切断水源，就不会造成受污染的水源进入各家各户的情况发生，因此这个技术在地面上将有很广的应用。

　　这个生物再生生命保障系统还可以在地面上很多地方找到应用成果。比如我们要开发南极北极，开发的人要在那里生活，就需要生命保障。那些地方非常寒冷，除了一些特殊的生命以外，绿色植物非常的少，那么要在这样的野外生存还不污染周边的环境，我们的系统就可以提供生命保障。除此以外，像海岛、沙漠、高原等这样一些极端恶劣环境条件下，都可能有一些非常大的应用前景，因此我们的系统也可以服务国防，会有非常大的应用前景。 整理/记者张丽新闻观察员刘为