文/腾月

鲜花、掌声、闪光灯，如同5个月前迎接“神九”航天员出舱一般。前不久，我国首次受控生态生保集成试验参试乘员唐永康、米涛顺利出舱，接受人们的热情迎接，因为他们圆满完成了在密闭试验舱内为期30天的科学试验。这次试验的成功，标志着我国在“太空农场”研究领域取得了重大进展。在未来，将有越来越来越多的航天员在太空舱中享受“田园风光”，在辛勤耕种之后可以享用到新鲜的蔬菜和肉食。

太空旅行如何吃喝拉撒

在接近真空状态的太空中，如何保障航天员的吃喝拉撒和呼吸都能正常进行？这就是生命保障系统要做的事情。太空旅行不像在地面上旅行，随时可以自如地呼吸新鲜空气，吃喝可以不断找到供给之地，拉撒的事情就更好解决了。然而，在地面上看起来稀松平常的事情到了太空就成了大事情。太空是一个近似真空的环境，中途也没有饭馆和厕所，所有的事情都要在封闭的太空舱中来完成，需要万无一失的生命保障系统来支撑。

如何对航天员的日常生活提供保障？目前人们所能想到的有3种方法。第一种方法是自带所需物资，这是目前所有载人航天器所采用的方法。在航天器起飞之前，航天员在太空飞行中所必需的氧气、饮水和食物都全部带好。有时还要稍稍多带一些，以防需要多停留时也有吃喝。当然，也不能带得太多，因为航天飞行的成本很高，每多带一千克物资就可能要多耗费数万美元，带多少东西需要精打细算。对于需要长期在太空中生活的航天员，比如国际空间站中的航天员，第一次上去带的饮食是不够的，中途还需要运输飞船抵达国际空间站补充物资。

航天员在太空中的大小便怎么处理？在我国早期的绿皮火车上，乘客是直接把大小便排到铁路上。早期的一些航天器的做法也类似绿皮火车，是把装满粪便和其他垃圾的垃圾箱弹出太空舱外。然而，这种处理方法制造了大量太空垃圾，极大地污染了太空环境。在一片反对声中，后来的航天器全部要把粪便等废弃物打包带回地面。

第二种方法是就地取材在外星上获得物资，这种方法目前还没有什么实际进展。在未来对月球、火星甚至更远的星球进行科学探索时，科学家希望建设外星基地，以便人们进行长期、多批次的探索。到了那时，外星探索者一般会在外星球上生活一段时间，修建基地和科学探索所需的材料和能源得从外星球就地获取，保障生命所需的饮食和空气可能也得就地生产。

上面两种方法都存在很大的问题。第一种方法成本很高，升空的时候要携带大量生活必需品，返航的时候要携带粪便和其他生活垃圾。现在的太空飞行大多只有几天，对于一直在太空中停留的载人国际空间站，也需要3个月补给一次物资。国际空间站距离地球只有360公里，一般两天的飞行就可以抵达。而如果要进行外星探索，比如飞往火星，那时间就很长了。火星距离地球最近距离有5500万公里，最远距离则有4亿公里。2011年发射到火星的“好奇”号火星车，经历了10个月才抵达了火星。如果载人航天器飞往火星，飞行时间肯定会超过1年，往返就得2年。在这2年的时间内，就算只有2个航天员，单趟至少得准备3吨的饮食。为了让这些饮食保鲜，还需要相应的设备。如果按照第二种方法就地取材生产返程的饮食，那么所携带的饮食会减半。但是这种方法所需的技术要求很高，近50年都难以完成。

从目前的技术来看，载人火星探索光是吃喝拉撒似乎就是难以完成的任务。难道就没有办法了？有！这就是太空生命保障的第三种方法：受控生态生保系统。

带着生物去太空旅行

开展长时间、远距离和多乘员的载人深空探测和外星移民与开发，是未来航天技术发展的必然方向，而建立受控生态生保系统是解决其生命保障问题的根本途径。所谓受控生态生保系统，英文名称为Controlled Ecological Life Support System，缩写为CELSS。该系统是一项生物科学与工程科学相结合的综合性生物工程，是利用不同生物种的特点，结合一些物理和化学方法，用工程技术手段在空间建立一个适合人类长期工作和生活的场所。该系统主要通过高等植物和微藻为航天员生产食物、氧气和水，并吸收航天员产生的二氧化碳等废气；通过饲养动物为乘员提供动物蛋白；通过微生物的分解作用，将系统内的废物转化为可再利用的物质，从而实现系统内物质的完全闭合循环。

上面的定义看上去稍稍有些复杂，我们可以把它简化一下：所谓受控生态生保系统就是一个封闭的“太空农场”。在这个“农场”中，航天员的大小便和部分生活垃圾经过微生物的分解发酵之后，可以作为植物的肥料。植物可以直接作为航天员的素食，也可以作为“农场”中动物的饲料，这些动物则可以成为航天员的肉食。更为重要的是，植物还可以为航天员和动物提供所需的氧气，而航天员和动物呼出的二氧化碳则可被植物吸收，通过光合作用合成有机物质。植物吸收航天员的尿液后，还可以通过蒸腾作用把尿液部分转化为水蒸气，冷凝后就可以成为干净的饮用水。

从受控生态生保系统的物质循环过程可以看出，在理想状态下，未来的太空旅行不需要携带太多的饮食，只需要携带一些植物种子和不同性别的动物幼体，另加少量的应急饮水和食物，就可以在太空中长期漫游了。未来的太空飞船很可能就像是传说中的诺亚方舟，其中承载了不少生物。这些生物不但是航天员的伙伴，也是航天员的食物。未来的航天员将拥有多重身份，他们不仅是航天员、科学家和探险家，还是会在太空舱中种地的“太空农民”。当然，受控生态生保系统是相关技术不仅适用于太空舱，也适用于外星基地。

试乘员的幸福生活

1994年，我国在载人航天工程启动后不久就开始了太空农场的相关研究工作。经过近20年的发展，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。2011年，包括植物舱和乘员舱等12个分系统的受控生态生保系统集成实验平台建成。

在经过多次成功的植物密闭试验后，我国首次让试乘员进入密闭的受控生态生保系统，进行为期30天的密闭试验。这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。在这次试验中，大气、水和食物的闭合度(即自给自足比例)分别达到100%、85%和15%，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。

2012年11月1日，唐永康和米涛进入实验舱，开始了试乘员的幸福生活。在30天的时间里，两人每天除了开展各种科学实验，还要照看设备、管理蔬菜以及锻炼身体。密闭试验舱是个“两居室”，两个房间的空气是互相流通的。其中的大屋子有36平方米，用来种植生菜、油麦菜、紫背天葵和苦菊四种植物，它们靠试乘员的尿液和试验之初带入的部分自来水浇灌。这些蔬菜可为2名参试乘员提供呼吸用氧，并吸收乘员呼出的二氧化碳，利用红色LED灯光进行高效光合作用。实验舱的小房间有18平方米，是两个人的生活空间，他们在这里可以吃饭、睡觉、健身，还能上网。虽然生活在密闭的实验舱中，他们一点也不感到孤独和寂寞，更多的是兴奋和自豪。

参与试验的两名试乘员每天还是以航天食品为主，不过和太空中的航天员不同，每名试乘员每餐还可亲手采摘并食用新鲜蔬菜30〜50克。由于密闭系统中没有炉灶，他们不能吃到煮熟或炒熟的蔬菜，只能吃凉拌的生蔬菜。参与试验的唐永康说：“感觉很奇妙，我很喜欢吃这里的蔬菜。”天天吃生蔬菜，听起来似乎有些难受。然而，对于那些成年累月在太空中旅行的航天员来说，新鲜蔬菜则是他们梦想中的食物。现在的航天食品大多是高度浓缩的、流质状的，航天员需要像挤牙膏似的把这些流质食物挤进嘴里。

中国航天员中心副总设计师高峰指出，接下来还有很多工作要做。比如，以后还要这个建在地面上的“太空农场”中饲养动物，包括牲畜和鱼类。中国航天员中心正积极筹划，拟建具有世界先进水平、规模更大的太空密闭生态循环系统研究基地。我国已经建成了“天宫一号”空间站，还将建设更多“天宫”系列空间站，未来的试验将从地面转移到这些空间站中。这些试验在未来如果都能获得成功，将为我国载人飞船探索月球和火星打下坚实的基础，航天员也有望在太空中吃到新鲜蔬菜。

未来去火星看日出

近几十年来，国外一些发达国家一直没有间断过对太空农场可行性的研究。早在20世纪60年代，美国和前苏联就开始了太空农场的研究俄，在空间植物培养等方面开展了大量研究，并在“和平号”空间站、国际空间站上成功地进行了植物栽培。俄罗斯的“和平”号空间站上有一个太空温室，面积约为900平方厘米，播种了数十粒不同品种小麦的“太空种子”。在太空失重条件下，播种的小麦在70〜90天后成熟。在这个封闭的太空温室内，松土、浇灌等所有农活均是在航天员控制下由机器人自动操作完成的。

1972年，苏联科学家首次尝试建造了受控生态生命保障系统，完成了“生态圈3号”（BIOS-3）的建造，这个约1033平平方米的圈地位于西伯利亚，可供3人生存。大型水池中的藻类可以为他们提供氧气，若生态圈内的一切都运行良好，这个系统可以为居住者提供85%所需的空气和循环水。在BIOS-3里进行的最长的一次实验曾长达180天。

1989年，美国宇航局在开始生命保障系统实验，首先建造的“生态之家”（BioHome）。这是一个形似太空舱的建筑，里面也有两个房间，一个房间种植植物，一个房间有人进行科学研究。研究人员在人造的环境中研究废水的处理和室内空气质量的状况，结果不出所料，种植植物能够极大的提高空气质量并改善居住者的身体状况。1991年，美国亚利桑那州图森市建造了“生态圈2号”（Biosphere 2），这是当时最大的受控生态生命保障系统。其中种植了精心挑选的3500种植物，放养了猪、羊、鸡等300种动物，以及昆虫、微生物。遗憾的是，这个实验以失败告终。这也说明，生命要长期融入太空，绝非简单的事情。

如果受控生态生保系统技术发展成熟，那么人类就有希望未来在月球或是火星上，人工构造一个“小地球”。科学家对从月球上取回的土壤进行了分析，认为只要略加改造即可用来作为太空农场种植庄稼的土壤。很可能是先种植容易把外星岩石转化为土壤的地衣和苔藓，等到外星上出现一定厚度的土壤时，再种植蔬菜和树木等高等植物。在地球生命演化的过程中，陆地上最早出现的植物就是地衣和苔藓。

科学家认为，将来外星农场也很可能是建成球冠状，利用其外面可以转动的反射镜调节室内温度，从而使植物处于像地球上的生长环境一样。英国在英格兰南部建成名为“伊甸园”，就是这样的一片球冠状建筑。这是一片半密闭式生态生保系统，人们可以通过特殊的舱门进入其中参观。其中栽种了来自全球总数超过4000种的植物，其球形穹顶最高竟达60米。太空农场种植庄稼，无需除草和喷洒农药，所以没有污染，生产出的蔬菜和水果非常洁净。另外，太空农场全部是自动化作业，只需在“控制室”操纵按钮，即可对作物进行全面管理。

将来移民外星，你有心理准备吗？科学家预测，如果吃喝拉撒的问题能得到很好的解决，第一批外星移民可能在50年内出现。美国民营航天公司SpaceX执行总裁埃隆•马斯科就表示，未来他们将在火星表面建造8万人的移居基地。目前，他们也在进行密闭生态系统的试验。可以预计，外星移民潮可能在我们大多数人的有生之年中涌现。到了那时，去火星看日出将成为新的旅游热潮。