□ 吳琳

“月宮365”：挑戰(zhàn)世界紀(jì)錄的密閉生存實(shí)驗(yàn)

□ 吳琳

▲ 香港航展上的“月宮一號(hào)”模型

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

再入“月宮”

“月宮365”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是在“月宮一號(hào)”中生活365天，實(shí)驗(yàn)人員分兩組交替進(jìn)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(hào)”由北京航空航天大學(xué)教授劉紅帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制建立，是一個(gè)生物再生生命保障系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)BLSS）。它是干什么用的呢？

大家知道人類(lèi)要離開(kāi)地球在遙遠(yuǎn)的太空生存，離不開(kāi)氧氣、水和食物。不論是我國(guó)的神舟系列飛船還是國(guó)際空間站或者蘇聯(lián)/俄羅斯和平號(hào)空間站，飛船上天通常會(huì)攜帶全部物資，或通過(guò)物理化學(xué)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(lèi)在不遠(yuǎn)的未來(lái)進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間、更遠(yuǎn)距離的太空探索，例如構(gòu)建月球、火星基地，由于路途遙遠(yuǎn)，食物完全通過(guò)攜帶或從地面定期補(bǔ)給將變得十分昂貴且很難實(shí)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(gè)類(lèi)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(chǎng)，靠種植土豆在火星維生，而真實(shí)的太空生存比電影中復(fù)雜得多。“月宮一號(hào)”正是在地面上模擬未來(lái)太空生存保障模式，使進(jìn)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(guò)生物技術(shù)再生，航天員可長(zhǎng)期在站內(nèi)工作和生活成為可能。

2014年1月—5月，“月宮一號(hào)”完成了105天的處女秀，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次長(zhǎng)期高閉合度集成實(shí)驗(yàn)，在此之前，世界上只有美國(guó)、俄羅斯掌握這項(xiàng)技術(shù)。

如今“月宮365”是在此前實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)閉合度、實(shí)驗(yàn)周期等實(shí)現(xiàn)再突破，還將研究人長(zhǎng)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(lèi)植物對(duì)人情緒的影響等。實(shí)驗(yàn)人員在入住月宮周記里這樣寫(xiě)道：“我們有固定的生物節(jié)律、科學(xué)的飲食搭配，衣食住行遵循統(tǒng)一要求?！薄拔覀冏鳛閷?shí)驗(yàn)操作者同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)對(duì)象，我們需要對(duì)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(cè)量，我們每個(gè)人都是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)?！?/p>

▲ “月宮一號(hào)”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(chēng)為“太空農(nóng)場(chǎng)”，在“月宮一號(hào)”這個(gè)農(nóng)場(chǎng)里，“太空農(nóng)夫”是如何生活的呢？這要從“月宮一號(hào)”的戶(hù)型結(jié)構(gòu)說(shuō)起。

“月宮一號(hào)”由一個(gè)綜合艙和兩個(gè)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(chóng)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(gè)植物艙分隔為兩個(gè)植物間，可根據(jù)不同植物生長(zhǎng)需要獨(dú)立控制環(huán)境條件。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這個(gè)“農(nóng)場(chǎng)”除了“農(nóng)夫”外，還住了植物、動(dòng)物、微生物三類(lèi)成員，因此，“月宮一號(hào)”成為世界上第一個(gè)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(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣、通過(guò)蒸騰作用獲得純凈的飲用水，“月宮一號(hào)”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(lái)飼養(yǎng)動(dòng)物，動(dòng)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(jìn)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(jìn)入到空氣中重新被植物利用進(jìn)行光合作用；從尿液中回收水和氮素以及經(jīng)過(guò)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(zhǎng)出新的食物。這樣就形成了“月宮一號(hào)”里物質(zhì)的閉合循環(huán)。

在“月宮一號(hào)”首次長(zhǎng)期高閉合度集成實(shí)驗(yàn)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(huì)有疑問(wèn)：小麥?zhǔn)羌竟?jié)性作物，產(chǎn)量夠吃嗎？其實(shí)小麥?zhǔn)欠峙卧耘嗟?，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(wú)機(jī)基質(zhì)，用特制的微孔管產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)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?！霸聦m一號(hào)”中植物生長(zhǎng)所依賴(lài)的“太陽(yáng)”就是LED光源。

“月宮一號(hào)”里飼養(yǎng)的動(dòng)物黃粉蟲(chóng)可以算是明星乘員，它是國(guó)際上公認(rèn)的安全可食用的蟲(chóng)子，含高達(dá)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(hào)”中，油炒黃粉蟲(chóng)就是一道營(yíng)養(yǎng)豐富的家常菜。黃粉蟲(chóng)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(hào)”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(lái)降解廢物。有的微生物還充當(dāng)著系統(tǒng)保護(hù)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(shí)有可能變?yōu)橹虏【?，還有一些微生物寄居在艙室關(guān)鍵設(shè)備上腐蝕材料，有可能影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，“月宮一號(hào)”要定期監(jiān)測(cè)、清除有害微生物。

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

當(dāng)然，“月宮”生活也有“驚心動(dòng)魄”的時(shí)候。楊利偉自述在太空曾遭遇的神秘敲擊聲，在“月宮一號(hào)”系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)期間艙內(nèi)也聽(tīng)到了類(lèi)似的“咚、咚”敲擊聲，實(shí)驗(yàn)人員一度非常擔(dān)心。經(jīng)過(guò)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(shí)發(fā)生微小變形所產(chǎn)生的聲音。

劉紅解釋?zhuān)霸聦m一號(hào)”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(zhǎng)的條件，因此艙室內(nèi)外壓差會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致艙體內(nèi)壁的材料就會(huì)發(fā)生一些形變，內(nèi)外壓差變大時(shí)，向外變形，減小時(shí)，向內(nèi)變形，從而發(fā)出響聲，聽(tīng)上去類(lèi)似有木頭錘子敲在艙外面的感覺(jué)。不過(guò)這個(gè)變形對(duì)艙體的安全沒(méi)有影響，屬于正?，F(xiàn)象。

▲ “月宮一號(hào)”結(jié)構(gòu)3D圖

▲ “月宮一號(hào)”系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)示意圖

▲ “月宮一號(hào)”植物艙外觀

與地球媲美的“月宮”

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

美國(guó)“生物圈2號(hào)”——

很多人將“月宮一號(hào)”與美國(guó)亞利桑那州的“生物圈2號(hào)”相比較，其實(shí)兩者之間有本質(zhì)差別。生物圈1號(hào)指的是我們賴(lài)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(guó)為了模擬地球生物圈建立了“生物圈2號(hào)”。

劉紅認(rèn)為，“生物圈2號(hào)”雖然將地球的大部分生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型按照比例各取一塊放到一個(gè)密閉系統(tǒng)內(nèi)部，生物物種豐富，系統(tǒng)復(fù)雜且體積龐大。但是與地球生物圈相比還是非常的簡(jiǎn)單，依靠其自身不能實(shí)現(xiàn)自平衡。同時(shí)，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(jìn)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(guò)程（例如植物的呼吸、光合）不能實(shí)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(dòng)。

“生物圈2號(hào)”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(jī)物非常有利于微生物生長(zhǎng)，為了凈化系統(tǒng)中的空氣，設(shè)計(jì)將空氣用鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)通過(guò)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(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)二氧化碳損失。

“生物圈2號(hào)”實(shí)驗(yàn)雖然失敗了，但它讓我們意識(shí)到，要讓這樣簡(jiǎn)單的自然生態(tài)系統(tǒng)自調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)平衡是不可能的。

“月宮一號(hào)”目的是為了提供地外生命保障，所有的生物部件（動(dòng)物、植物、功能微生物）都是經(jīng)過(guò)篩選并進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)精確量化，系統(tǒng)是在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)定量計(jì)算設(shè)計(jì)完成的，植物所需的光能來(lái)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(guò)程可以實(shí)現(xiàn)人工控制，從而可以通過(guò)人工干預(yù)調(diào)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時(shí)艙室內(nèi)構(gòu)造和設(shè)備所使用的各種材料不會(huì)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(hào)”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(jìn)行了2～3人180天的生命保障實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)非常成功。BIOS-3告訴我們，每個(gè)生物單元都進(jìn)行精確定量，按照生態(tài)系統(tǒng)的原理進(jìn)行定量計(jì)算和設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控和物質(zhì)平衡。

“月宮一號(hào)”借鑒了俄羅斯的經(jīng)驗(yàn)和“生物圈2號(hào)”的教訓(xùn)，每個(gè)生物單元都進(jìn)行精確定量，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控和物質(zhì)平衡，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

▲ 實(shí)驗(yàn)人員在艙內(nèi)揮手微笑

▲ 生物圈2號(hào)外景

但“月宮一號(hào)”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(méi)有處理，秸稈采用焚燒；“月宮一號(hào)”中將人的糞、廚余、秸稈共同進(jìn)行生物發(fā)酵處理，生物轉(zhuǎn)化制備類(lèi)土壤基質(zhì)，同時(shí)回收二氧化碳。第二，BIOS-3中完全沒(méi)有動(dòng)物培養(yǎng)，動(dòng)物蛋白完全從外部提供；“月宮一號(hào)”中探索了在系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)物培養(yǎng)，將秸稈進(jìn)行發(fā)酵處理后飼喂黃粉蟲(chóng)，為成員提供部分動(dòng)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(hào)”為三層立體栽培，采用的是無(wú)動(dòng)力負(fù)壓按需供水栽培技術(shù)，光源為L(zhǎng)ED燈，在栽培技術(shù)上有很大進(jìn)步。第四，BIOS-3中種植了11種作物，“月宮一號(hào)”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(shì)，“月宮一號(hào)”被稱(chēng)為能與地球媲美的“微型生物圈”。當(dāng)初“月宮一號(hào)”處女秀進(jìn)行了105天，有人以為其系統(tǒng)不穩(wěn)定只能運(yùn)行105天。劉紅表示：“這是一種誤解。之前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉合度為97%，就是說(shuō)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(yùn)轉(zhuǎn)下去。進(jìn)行了105天的實(shí)驗(yàn)，主要是因?yàn)橘Y金限制，同時(shí)105天可以滿(mǎn)足第一次長(zhǎng)期多人密閉實(shí)驗(yàn)的科學(xué)與技術(shù)目標(biāo)?！?★

（特別感謝“月宮一號(hào)”微信公眾號(hào)為本文提供相關(guān)素材）