“月宫一号”：未来的太空农场

陈福民

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“月宫一号”：未来的太空农场

陈福民

“嫦娥三号”探测器成功探访了月球，但看到“嫦娥”和“玉兔”在“月宫”中互拍时，我们会想，人类什么时候也可以在月球上长期生存？鲜为人知的是，我国地面隐藏着一个刚建成的“月宫一号”，正在为此做着超前准备……

2012年12月1日17时04分20秒，北京航天城内中国航天员中心，在一座特制的舱室前，随着一声“开舱”的口令，身穿蓝色实验服的唐永康、米涛结束了为期30天的封闭试验，顺利走出我国首次受控生态生命保障系统试验平台的密封舱。鲜花、闪光灯映照着他们幸福的笑容。这意味着，由中国航天员科研训练中心主持开展的我国首次2人30天“受控生态生命保障系统集成试验”获得圆满成功。它标志着我国在受控生态生保技术研究领域已迈进系统化、集成化阶段。这对推进我国长期载人航天飞行环控生保技术的发展具有标志性意义。

地球上的中国“月宫”

>>两位试验乘员出舱

时间拨回到2012年11月1日8时45分，该试验在北京航天城正式启动了，主动请缨参加此次30天“太空农场”之旅的唐永康、米涛走进了这个密封的舱室，这项科研项目将重点研究密闭系统中人与植物间的氧气、二氧化碳、水等物质的动态平衡调控机制，并掌握就地供应乘员新鲜食物的方法。

北京航空航天大学的科学家经过20多年的研究，建成了一个太空生命保障系统，取名为“月宫一号”。一走进这舱室的密封门，就是大约18平方米的乘员舱。这个舱室的布局很像一个“筒子楼”房间。进门左手边放置着医监医保设备，除了可以实时监测乘员的健康状况，乘员还可以在这里用餐。紧挨着的是一台跑步机，旁边还放着拉力器和有氧训练仪等健身设备和仪器。

右手边的区域则仿佛普通的大学宿舍，分别摆放着两张双层床，上面是床铺，下面装有写字台，平时参试乘员就在这里上网、看书。挨着床铺的则是密闭的淋浴室。舱内设有开放式的厨房，但只能用微波炉加热一些预包装的航天食品，绝对不能进行炒菜等易产生油烟、蒸气和废气的操作。在“灶台”附近有一扇小门，穿过这扇门就是总面积为36平方米的植物培养舱。这里种植的蔬菜全部采用无土栽培和滴灌技术。穿行其间，就像漫步在充满负离子的货架中。

你可别小瞧了这些菜，为了种好它们，技术人员真是大费周折！这是因为植物的生长环境要完全模拟太空状态，种植这些蔬菜要突破低气压、人工光照、人工土壤制备、微藻和废水循环以及缓释肥料等多种技术。一千克蔬菜的种植成本甚至高达上万元。

那么，两位试验乘员是怎样度过这30天的呢？在这期间，他们每天早晨6点30分起床，每晚23点休息。他们在密闭舱里好似航天员待在太空中一样，吃的是航天食品，菜品则根据舱内种植的生菜、油麦菜、紫背天葵、苦菊为原料，每4天轮换一次。但与处在太空环境中不同的是，他们每天都能吃到新鲜蔬菜，这些蔬菜是这次实验的主角。它们在进舱前均已培育好，作为一日两餐航天食品的调节，食用时才新鲜采摘，涂抹甜辣酱后“美美地生吃”。但两人根本吃不完36平方米的蔬菜。

在这一个月内，唐永康和米涛每天除了开展心理学、中医等各项科学实验外，还要照看设备、管理蔬菜。并进行有氧体能训练。此外，还可以上网看新闻，和亲友聊天。尽管待在全密闭的舱里，但日子却过得有滋有味。

>>生物再生生命保障系统原理图

“月宫”要完成的任务

这个包涵植物舱和乘员舱等在内共计12个分系统的“月宫一号”已于2011年建成。它又被称为空间生物再生生命保障系统，其最大特点是一个封闭循环系统，可以源源不断地提供食物、水和氧气，就连微生物的排泄物也都可以被分解再利用。

“月宫一号”具备氧气应急补充、二氧化碳应急去除、大气微量有害气体净化、睡眠保障、卫生保障、医学保障以及安全保障等功能，舱内大气环境、光照和营养条件等参数均实现自动控制，确保了参试乘员实验期间的安全、健康和舒适。此次试验的重点是研究密闭系统中人与植物间的氧气、二氧化碳、水等物质的动态平衡调控机制，并掌握就地供应乘员新鲜食物的方法。试验利用植物的光合作用为参试乘员生产氧气，并净化参试乘员呼出的二氧化碳，大气闭合度达到100%；系统产生的冷凝水得到100%的回收利用，卫生废水和尿液平均达到60%的回收利用，而食物的闭合度还只达到15%。

参试乘员唐永康、米涛两人在这30天里，生活在总面积为54平方米的“两居室”密闭舱内，模拟航天员在太空的生存环境。他们的生活空间，除了18平方米的乘员舱，还有隔壁36平方米的植物培养舱。在试验过程中，每名乘员每餐还可亲手采摘并食用新鲜蔬菜30～50克。

在制氧绿色植物的选择上，科研人员也煞费苦心。本次试验选择的4种蔬菜的氧气转化效率最优。也就是说，在同等种植面积下可以吸收最多的二氧化碳，释放出最多的氧气。而培养舱内的紫红色LED灯光也是根据这4种蔬菜对光谱、光质的“偏爱”而确定的。

密闭舱内，人的活动对氧气含量影响明显。试验数据显示，每天参试乘员上床休息后，舱内氧气含量就会明显升高。而早晨两位参试乘员起床开始刷牙时，舱内含氧量就会随之降低，两人开展有氧体能训练时舱内的氧气含量最低。经试验可以确定，每13.5平方米绿色植物可为1名中国航天员提供足够的氧气。

航天专家指出，此前“神舟”飞船和“天宫一号”目标飞行器均使用高压氧气瓶供氧或电解制氧，以维持航天员生命，应用的是第一代非再生生保系统。现已逐步纳入第二代用以净化航天员呼出的二氧化碳，主要由化学药剂等构成，即物理化学再生生保系统。此次试验标志着我国第三代生保系统取得阶段性成功，我国在受控生态生保技术研究领域已迈入系统化、集成化阶段。未来用植物供氧的太空舱内，高压氧气瓶和制氧药剂将成为应急物品，只在二氧化碳浓度超限时使用。

为登陆地外星球服务

目前，人类仅仅是到达了低地球轨道，并建立了国际空间站，它的补给品主要来自地球，使用的是部分再生式生保系统。随着人类对月球的深入研究，建立月球基地将成为可能。而登陆火星也成了继登陆月球后，人类的下一个目标。若继续采用从地球补充物资的方式，不管从花费还是技术角度，都是一个不可能完成的任务。

1994年，我国在载人航天工程启动后不久就开始了太空生命保障系统的研究工作。经过近20年的发展，我国从最初的概念研究起步，逐步建成了受控生态生命保障技术实验室。“月宫一号”是中国在地面建立的模拟月球环境的密闭循环基地，现已实现了人和植物封闭共存部分自给自足的小型实验，小麦、水稻、大豆、花生、甜椒、胡萝卜、西红柿、芫荽等十余种粮食、蔬菜也已经通过了模拟环境的考验。接下来的目标是挑战种植水果。

然而，“月宫一号”的建成并不意味着我国就拥有了自给自足式空间站的制造能力。局部的地球实验室和遥远的太空环境有着极大的差别。在地面局部小环境里实验得到的数据，还需到太空环境验证，观察实验的可行性。地面和太空的环境大不一样。以植物为例，在失重环境、震动、噪声、辐射等因素的影响下，植物的生长状态不会像在地球上一样。比如在失重环境下，小麦不再是向上生长，而是向四面八方生长。

生保系统还有很多其它问题需要解决。比如在太空中，栽培植物用什么营养液合适？需要什么样的光照条件？植物在太空的生长规律是怎样的？这些都必须到真正的太空环境中去探索。因此，中国航天员中心还将建设更大规模的“月宫”，可以满足最多8人，数月乃至数年的物质闭合循环试验研究，为将来建立月球或火星基地生命保障系统提供技术支撑。

在未来的“月宫”和外星基地中不仅只是种植蔬菜，还会尝试种植小麦和养殖动物。由于要长期驻守在地外星球，种植粮食是必须攻克的技术难关。而太空中养殖的动物，将优选无异味的水生动物，入选的鱼类等还需具备少骨、少刺和生长快的特征，最好全部都能食用，为航天员提供动物蛋白质。泥鳅、海参等都是目前的备选品种。总之，要做到通过利用当地资源生产人类生活所必需的材料，逐步达到保障人类在宇宙空间自主生活的目标。

有专家指出，“月宫一号”并不是单纯模拟月球环境的封闭系统，因为在地面试验中种出来的蔬菜，到了真实的月球环境下如何适应高辐射，还有一些微重力的难题目前还没有解决。但可以肯定的是，人类总有一天能把植物种上月球。