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《科技潮》

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在太空舱中种地

2013-04-19 19:30:57


/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%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。

2012111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3050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7090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。

 

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