“月宮365”：挑戰(zhàn)世界紀錄的密閉生存實驗

□ 吳琳

“月宮365”：挑戰(zhàn)世界紀錄的密閉生存實驗

□ 吳琳

▲ 香港航展上的“月宮一號”模型

從7月9日至今，“月宮365”實驗計劃的第二組成員已經(jīng)入住北京學院路“最貴學區(qū)房”兩個月了，他們避開了大北京的酷暑和間歇性暴雨，在“月宮一號”中過著自給自足的“田園生活”。他們要完成接下來200天的駐留生存，如果成功則意味著中國志愿者創(chuàng)造了新的紀錄。此前，這一紀錄為180天，由俄羅斯創(chuàng)造。

再入“月宮”

“月宮365”實驗計劃是在“月宮一號”中生活365天，實驗人員分兩組交替進行，每組4人，第一組60天，第二組200天，之后第一組再完成105天。

“月宮一號”由北京航空航天大學教授劉紅帶領(lǐng)團隊研制建立，是一個生物再生生命保障系統(tǒng)（簡稱BLSS）。它是干什么用的呢？

大家知道人類要離開地球在遙遠的太空生存，離不開氧氣、水和食物。不論是我國的神舟系列飛船還是國際空間站或者蘇聯(lián)/俄羅斯和平號空間站，飛船上天通常會攜帶全部物資，或通過物理化學方式再生氧氣和水，而航天員吃的食物只能一次性攜帶充足，不能再生。

然而，如果人類在不遠的未來進行更長時間、更遠距離的太空探索，例如構(gòu)建月球、火星基地，由于路途遙遠，食物完全通過攜帶或從地面定期補給將變得十分昂貴且很難實現(xiàn)。解決辦法只有依靠“生物再生”——在月球、火星基地或是飛向火星的飛船中，構(gòu)建一個類似地球生物圈的小型生態(tài)系統(tǒng)，即生物再生生命保障系統(tǒng)。

在電影《火星救援》中，主人公馬克把部分居住艙改造成了自體循環(huán)的小農(nóng)場，靠種植土豆在火星維生，而真實的太空生存比電影中復雜得多?！霸聦m一號”正是在地面上模擬未來太空生存保障模式，使進入太空后不再需要或很少需要地面物質(zhì)支持，氧氣、水和食物在系統(tǒng)內(nèi)通過生物技術(shù)再生，航天員可長期在站內(nèi)工作和生活成為可能。

2014年1月—5月，“月宮一號”完成了105天的處女秀，實現(xiàn)了我國首次長期高閉合度集成實驗，在此之前，世界上只有美國、俄羅斯掌握這項技術(shù)。

如今“月宮365”是在此前實驗基礎(chǔ)上對系統(tǒng)閉合度、實驗周期等實現(xiàn)再突破，還將研究人長期在幽閉環(huán)境中的心理變化，以及自然光節(jié)律、腸道微生物、不同種類植物對人情緒的影響等。實驗人員在入住月宮周記里這樣寫道：“我們有固定的生物節(jié)律、科學的飲食搭配，衣食住行遵循統(tǒng)一要求?！薄拔覀冏鳛閷嶒灢僮髡咄瑫r也是實驗對象，我們需要對自身取樣，從頭發(fā)絲到尿液糞便，還要定期完成心理和生理測量，我們每個人都是強大的數(shù)據(jù)庫?！?/p>

▲ “月宮一號”植物艙的三層種植架

“月宮”生活

生物再生生命保障系統(tǒng)被形象地稱為“太空農(nóng)場”，在“月宮一號”這個農(nóng)場里，“太空農(nóng)夫”是如何生活的呢？這要從“月宮一號”的戶型結(jié)構(gòu)說起。

“月宮一號”由一個綜合艙和兩個植物艙組成。綜合艙包括居住間（四間臥室）、人員交流和工作間、洗漱間、廢物處理和昆蟲間。植物艙采用三層立體栽培方式，使種植面積大幅增加，每個植物艙分隔為兩個植物間，可根據(jù)不同植物生長需要獨立控制環(huán)境條件。

簡單來說，這個“農(nóng)場”除了“農(nóng)夫”外，還住了植物、動物、微生物三類成員，因此，“月宮一號”成為世界上第一個四生物鏈環(huán)的人工閉合生態(tài)系統(tǒng)。

植物不僅能夠提供食物，還可以通過光合作用產(chǎn)生氧氣、通過蒸騰作用獲得純凈的飲用水，“月宮一號”大約每天可以收集300升水。植物中人不吃的部分，比如作物的秸稈、蔬菜的根和老葉敗葉，可以用來飼養(yǎng)動物，動物能夠提供優(yōu)質(zhì)蛋白和更合理的氨基酸配比。剩下的植物不可食部分、人的排泄廢物、廚余/生活垃圾，被送進微生物降解環(huán)節(jié)，微生物可以分解被固定的碳，變成二氧化碳進入到空氣中重新被植物利用進行光合作用；從尿液中回收水和氮素以及經(jīng)過生物凈化后的衛(wèi)生廢水，用于灌溉培養(yǎng)植物。植物吸收了這些廢物處理產(chǎn)生的二氧化碳和水，又可以不斷生長出新的食物。這樣就形成了“月宮一號”里物質(zhì)的閉合循環(huán)。

在“月宮一號”首次長期高閉合度集成實驗中，栽培篩選出5種糧食作物（小麥、大豆、花生、油莎豆、玉米），15種蔬菜作物（胡蘿卜、豇豆、四季豆、紫葉油菜、紫葉生菜、奶油生菜、油麥菜、茼蒿、馬齒莧、莧菜等），1種水果（草莓）。

很多人會有疑問：小麥是季節(jié)性作物，產(chǎn)量夠吃嗎？其實小麥是分批次栽培的，這樣既保障了連續(xù)不斷的食物供給，也能保障氧氣的穩(wěn)定供給。種植小麥的“土壤”是一種經(jīng)特殊篩選的無機基質(zhì)，用特制的微孔管產(chǎn)生的負壓進行按需供水，這一栽培方式在月球的低重力條件以及空間站的微重力條件下依然可行。“月宮一號”中植物生長所依賴的“太陽”就是LED光源。

“月宮一號”里飼養(yǎng)的動物黃粉蟲可以算是明星乘員，它是國際上公認的安全可食用的蟲子，含高達60%的蛋白質(zhì)，還含有磷、鉀、鐵等常量元素和多種微量元素。在“月宮一號”中，油炒黃粉蟲就是一道營養(yǎng)豐富的家常菜。黃粉蟲可以處理系統(tǒng)中部分不可食部分，它呼吸產(chǎn)生的二氧化碳還為植物光合作用提供了原料。

“月宮一號”中還有一群數(shù)量龐大但常常被忽略的生物體——微生物群落，主要來降解廢物。有的微生物還充當著系統(tǒng)保護者的角色，比如某些植物抗病微生物可以幫助植物抵抗病害，再比如人體的腸道益生菌群可以幫助消化。有的微生物如條件致病微生物，在環(huán)境發(fā)生改變時有可能變?yōu)橹虏【€有一些微生物寄居在艙室關(guān)鍵設備上腐蝕材料，有可能影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，因此，“月宮一號”要定期監(jiān)測、清除有害微生物。

“太空農(nóng)場”的四類成員就是通過上述過程完成了固體物質(zhì)循環(huán)、氣體循環(huán)和水循環(huán)，實現(xiàn)氧氣和水100%再生、食物80%再生的目標，過上了“吃喝不愁”的生活。

當然，“月宮”生活也有“驚心動魄”的時候。楊利偉自述在太空曾遭遇的神秘敲擊聲，在“月宮一號”系統(tǒng)啟動實驗期間艙內(nèi)也聽到了類似的“咚、咚”敲擊聲，實驗人員一度非常擔心。經(jīng)過分析檢查，發(fā)現(xiàn)是艙體內(nèi)壁材料在艙內(nèi)壓力變化時發(fā)生微小變形所產(chǎn)生的聲音。

劉紅解釋，“月宮一號”是密閉艙室，艙室內(nèi)溫度和濕度是調(diào)控在適宜艙內(nèi)人或生物生活或生長的條件，因此艙室內(nèi)外壓差會發(fā)生變化，導致艙體內(nèi)壁的材料就會發(fā)生一些形變，內(nèi)外壓差變大時，向外變形，減小時，向內(nèi)變形，從而發(fā)出響聲，聽上去類似有木頭錘子敲在艙外面的感覺。不過這個變形對艙體的安全沒有影響，屬于正?，F(xiàn)象。

▲ “月宮一號”結(jié)構(gòu)3D圖

▲ “月宮一號”系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)示意圖

▲ “月宮一號”植物艙外觀

與地球媲美的“月宮”

前面說到生物再生生命保障系統(tǒng)是為將來人類真正在太空居住提供保障，因此，俄羅斯、美國、日本和歐洲等航天大國都投入大量人力、物力，先后建立了不同類型的生物再生生命保障地面綜合實驗研究裝置。

美國“生物圈2號”——

很多人將“月宮一號”與美國亞利桑那州的“生物圈2號”相比較，其實兩者之間有本質(zhì)差別。生物圈1號指的是我們賴以生存的地球生物圈，是指地球上所有生態(tài)系統(tǒng)的整合。美國為了模擬地球生物圈建立了“生物圈2號”。

劉紅認為，“生物圈2號”雖然將地球的大部分生態(tài)系統(tǒng)類型按照比例各取一塊放到一個密閉系統(tǒng)內(nèi)部，生物物種豐富，系統(tǒng)復雜且體積龐大。但是與地球生物圈相比還是非常的簡單，依靠其自身不能實現(xiàn)自平衡。同時，由于其采用的是玻璃日光溫室的結(jié)構(gòu)，是直接利用自然光進行植物培養(yǎng)，環(huán)境條件（光照、溫度）受到外界天氣的影響變化較大，系統(tǒng)內(nèi)部生物過程（例如植物的呼吸、光合）不能實現(xiàn)人工控制，從而影響系統(tǒng)內(nèi)部氣體再生、物質(zhì)流動。

“生物圈2號”失敗的原因還在于空氣凈化方法和結(jié)構(gòu)材料的選擇。其內(nèi)部農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大量使用了亞利桑那州的土壤，土壤中帶有大量微生物，其中的有機物非常有利于微生物生長，為了凈化系統(tǒng)中的空氣，設計將空氣用鼓風機鼓風通過土壤層，利用土壤凈化空氣，但土壤中的微生物瘋狂消耗空氣的氧氣，造成了內(nèi)部的氣體失衡。此外，內(nèi)部設施大量使用了混凝土，混凝土吸收了大氣中的二氧化碳，從而導致系統(tǒng)二氧化碳損失。

“生物圈2號”實驗雖然失敗了，但它讓我們意識到，要讓這樣簡單的自然生態(tài)系統(tǒng)自調(diào)節(jié)實現(xiàn)平衡是不可能的。

“月宮一號”目的是為了提供地外生命保障，所有的生物部件（動物、植物、功能微生物）都是經(jīng)過篩選并進行大量實驗研究，實現(xiàn)精確量化，系統(tǒng)是在此基礎(chǔ)上經(jīng)過定量計算設計完成的，植物所需的光能來自于可控的人工光源（LED），且系統(tǒng)內(nèi)部溫濕度也可人工調(diào)控，因此生物過程可以實現(xiàn)人工控制，從而可以通過人工干預調(diào)控實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時艙室內(nèi)構(gòu)造和設備所使用的各種材料不會吸附或者釋放氧氣、二氧化碳等。

俄羅斯BIOS-3系統(tǒng)——

鮮為人知的是，俄羅斯在“生物圈2號”之前就建立了BIOS-3系統(tǒng)，120平方米，300立方米，不銹鋼密閉艙室，人工光源（氙燈），并進行了2～3人180天的生命保障實驗，實驗非常成功。BIOS-3告訴我們，每個生物單元都進行精確定量，按照生態(tài)系統(tǒng)的原理進行定量計算和設計，系統(tǒng)可以實現(xiàn)人工調(diào)控和物質(zhì)平衡。

“月宮一號”借鑒了俄羅斯的經(jīng)驗和“生物圈2號”的教訓，每個生物單元都進行精確定量，系統(tǒng)可以實現(xiàn)人工調(diào)控和物質(zhì)平衡，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

▲ 實驗人員在艙內(nèi)揮手微笑

▲ 生物圈2號外景

但“月宮一號”與BIOS-3也有一些區(qū)別。第一， BIOS-3中人的糞干燥排出系統(tǒng)外沒有處理，秸稈采用焚燒；“月宮一號”中將人的糞、廚余、秸稈共同進行生物發(fā)酵處理，生物轉(zhuǎn)化制備類土壤基質(zhì)，同時回收二氧化碳。第二，BIOS-3中完全沒有動物培養(yǎng)，動物蛋白完全從外部提供；“月宮一號”中探索了在系統(tǒng)中進行動物培養(yǎng)，將秸稈進行發(fā)酵處理后飼喂黃粉蟲，為成員提供部分動物蛋白。第三，BIOS-3為平面種植，采用的普通潮汐水培，光源為氙燈；“月宮一號”為三層立體栽培，采用的是無動力負壓按需供水栽培技術(shù)，光源為LED燈，在栽培技術(shù)上有很大進步。第四，BIOS-3中種植了11種作物，“月宮一號”中種植了21種作物，大幅提高了食物的多樣性。

正是具備了上述優(yōu)勢，“月宮一號”被稱為能與地球媲美的“微型生物圈”。當初“月宮一號”處女秀進行了105天，有人以為其系統(tǒng)不穩(wěn)定只能運行105天。劉紅表示：“這是一種誤解。之前實驗系統(tǒng)的閉合度為97%，就是說97%的物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，3%的物質(zhì)由外源提供。理論上在保證3%外源的情況下，系統(tǒng)可以一直運轉(zhuǎn)下去。進行了105天的實驗，主要是因為資金限制，同時105天可以滿足第一次長期多人密閉實驗的科學與技術(shù)目標?！?★

（特別感謝“月宮一號”微信公眾號為本文提供相關(guān)素材）