嫦娥奔月、萬戶飛天，地外空間的拓展對人類而言，是夢想也是挑戰(zhàn)。

自二十世紀(jì)六十年代，美國通過實施“阿波羅計劃”實現(xiàn)人類首次登月后，各國對地外空間的探索從未停止。正如航天科學(xué)家齊奧爾科夫斯基所說：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里?！?/p>

人類如何去往地外空間并在那里生存？探月工程“嫦娥四號”任務(wù)突出貢獻者、重慶大學(xué)空間科學(xué)研究院院長謝更新教授帶領(lǐng)團隊一直在為人類更好地適應(yīng)地外空間環(huán)境研究“新方案”。

如何到達(dá)地外空間

進入太空的主要方式有哪些？

謝更新：太空交通運輸主要有四種形式。一是火箭，通過燃燒燃料產(chǎn)生強大推力，將航天器送入太空。“長征五號”是目前我國運載能力最大的火箭，對月球采樣和空間站建造發(fā)揮了重要作用。二是飛船，它是宇航員在太空中的“家園”，由指令艙、服務(wù)艙和返回艙組成，指令艙是宇航員操作和生活的區(qū)域，服務(wù)艙提供飛行所需的能源和支持，返回艙用于宇航員安全返回地球。三是航天飛機，它具有像飛機一樣的機翼，能在大氣層中滑翔和降落。四是天梯，也稱太空電梯，目前處于理論和概念研究階段，被認(rèn)為是未來太空運輸?shù)膭?chuàng)新方案，通過長長的纜繩連接地球和太空，運輸人員和物資。

地外星球上能蓋房子嗎

地外星球環(huán)境如何？在上面蓋房子有哪些挑戰(zhàn)？

謝更新：以月球為例，具有高真空、強輻射、寬溫差和極高概率隕石撞擊等特性，惡劣的環(huán)境會給建造棲息地和人員健康安全帶來威脅。為此，人類在地外星球建房必須是封閉的，科學(xué)家們?yōu)閷崿F(xiàn)在地外星球上的長期居住，致力于研究和開發(fā)“密閉受控生態(tài)系統(tǒng)”構(gòu)建可居住設(shè)施，并且建筑物的外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須設(shè)計堅固，建筑材料是由地外星球土壤、巖石經(jīng)過3D打印或激光燒結(jié)等技術(shù)形成的混凝土。

密閉受控生態(tài)系統(tǒng)是怎么一回事？

謝更新：我們搭建的“密閉受控生態(tài)罐”，能實時監(jiān)測試驗過程中裝置內(nèi)的溫度、濕度、光照強度、氣壓、氧氣濃度、二氧化碳濃度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能中控系統(tǒng)進行環(huán)境調(diào)控，滿足植物全生命周期的最佳生長環(huán)境需求。

我們是否已經(jīng)設(shè)計出了理想的地外星球棲息地？

謝更新：地外星球洞穴內(nèi)部的溫度變化、輻射劑量、受隕石撞擊的概率相對較小，在工程量、能源消耗、建造成本上有巨大優(yōu)勢，理論上是理想的地外星球棲息地。

我們團隊正在研究基于地外星球洞穴建設(shè)人類居住地，2019年以來勘測了重慶、四川、海南、湖南等地的近百個天然洞穴，最終選擇在重慶酉陽土家族苗族自治縣建立地外星球洞穴基地地面模擬裝置。目前正在開展天然洞穴改造、密閉受控生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建及運行、原位資源利用、密閉環(huán)境下人-機-環(huán)境工效等技術(shù)的攻關(guān)研究。

地外星球是否有足夠資源確保人類的正常生活？

謝更新：為了讓人類實現(xiàn)自給自足，要開發(fā)高效的原位資源和能源利用系統(tǒng)，比如利用地外星球的水冰和太陽能為基地提供能源和生活支持。

月壤中豐富的氦-3引起了科學(xué)家關(guān)注，這是一種高效、清潔、安全、廉價的核聚變發(fā)電燃料，100噸氦-3提供的能源總量可以讓人類使用一年。氦-3在地球上的蘊藏量很少，人類已知的容易取用的氦-3在全球僅有500千克左右。而據(jù)初步探測，月球地殼的淺層內(nèi)就含有上百萬噸氦-3，足夠人類使用上萬年。

如何篩選適合在月球培育的“種子選手”？

謝更新：選擇植物種子時需要考慮以下因素：營養(yǎng)全面、抗旱節(jié)水、光周期不敏感、溫度不敏感、抗貧瘠、生長周期短以及與糧棉油藥作物等相關(guān)。

當(dāng)下，我們亟須從地球上廣泛篩選可滿足人類在月球上所需營養(yǎng)的植物候選者，結(jié)合遺傳改良、基因編輯等改造技術(shù)，優(yōu)化植物，以適應(yīng)低重力、高輻射和特殊光照條件，創(chuàng)制一批可應(yīng)用于月球生命保障前沿基地的先鋒植物。

太空農(nóng)場真能實現(xiàn)嗎

近年來，“太空菜園”不斷上新。如今我們在月壤中也發(fā)現(xiàn)了分子水，月球能種菜嗎？

謝更新：2019年，我?guī)ьI(lǐng)團隊成功研制了首個“月面微型生態(tài)系統(tǒng)”，這是供生物生存的小小“房屋”。在這里，我們進行了人類月面首次生物實驗，培育出了人類月球第一片綠葉，攻克了生物靜置生長控制、復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下生物固定、高濕度條件下相機防霧成像以及月面自然條件下導(dǎo)光、密封、自主溫控等核心技術(shù)。

基于這套月面微型生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)在我們?nèi)栽陂_展基于月面原位資源利用的小型生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建研究，希望讓植物在月球上利用月壤等原位資源完成種子發(fā)芽、幼苗生長、開花和結(jié)果的全過程，讓蟲蛹能夠孵化、破蛹變?yōu)槌上x，并完成昆蟲授粉的全過程。

太空農(nóng)場植物生長所需的能源、土壤從哪來？

謝更新：太空農(nóng)場除利用太陽能提供電力供應(yīng)外，還可以通過導(dǎo)光裝置直接將月面陽光作為植物的光照需求。改良處理后的地外星球土壤或其他原位資源可以作為植物栽培基質(zhì)。植物基質(zhì)培養(yǎng)相比氣培和水培更有優(yōu)勢，比如可直接原位獲取，無需地球運輸；含有植物生長所需的基本礦質(zhì)元素；可實現(xiàn)系統(tǒng)中生物可降解廢棄物的資源化利用和養(yǎng)分循環(huán)利用；有一定的自凈能力和相對較高的緩沖能力；水分消耗少，不需要過多營養(yǎng)液補給。

針對月壤微生物群落多樣性低、植物難以扎根、不能滿足植物生長所需營養(yǎng)等弊端，我團隊正在開展月壤可種植改良研究，結(jié)果表明，改變月壤粒徑配比能顯著改善月壤保水保肥性能，增加植物生物量；添加適量生物炭可有效地緩解月壤中氮磷的淋失，提高月壤養(yǎng)分。

知識鏈接

月面微型生態(tài)系統(tǒng)長什么樣？

這個供生物生存的小“房屋”形狀為圓柱體，重2.608kg，內(nèi)部生物凈空間0.82L，頂板開天窗，通過導(dǎo)光管采集月面自然陽光進行光合作用。半導(dǎo)體制冷／制熱片配合聚酯薄膜材料與鋁箔構(gòu)成了溫控系統(tǒng)，內(nèi)部溫度在25-35℃范圍內(nèi)變化，最大功率小于15w，保障植物生存對溫度的需求。本次試驗證明人類可以利用月球陽光等原位資源生存。