[科普中国]-航天员的太空“后勤部”——全方位帮你解读月宫一号

2017年5月10日，北京，“月宫365”计划入舱仪式在北航“月宫一号”实验室举行。从该日起，8位北京航空航天大学的学生“宇航员”将分两批进入该校自主设计的密闭舱室“月宫一号”，开启365天的完全自主生活。在这365天的时间之内，这些学生们真正做到了“足不出户”，仅靠网络与外界联系。那么，为什么我们要花费大量的时间和金钱成本设计月宫一号？这项实验的意义何在？“嫦娥”的“后勤部”“月宫一号”是空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置的简单称谓。航天之父齐奥尔科夫斯基曾说过：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。首先人类会小心翼翼的穿过大气层，之后便去征服整个太阳系空间”。中国航天发展的三个重要里程碑分别是两弹一星、载人航空以及探月工程。其中探月工程又包括三个阶段：绕、落、回。“嫦娥一号”、“嫦娥二号”实现了“绕”月阶段；探月二期工程发射月球软着陆器，月球车巡视勘察，“嫦娥三号”已经完成任务；第三阶段“回”是在月球表面采样后返回地球进行分析。如若建立起月球基地，则可以进行更多、更长时间的科学实验与科学探索活动。即“嫦娥”需要“月宫”以栖身。目前，我国神舟系列飞船、国际空间站，通常做法是会携带全部物资，或通过物理化学方式再生氧气和水，宇航员吃的食物也只能一次性携带充足，不能再生。以每名宇航员170cm、标准体重、中等劳动强度为例计算，每名宇航员的代谢强度为2800千卡/天，所需的水、食物、氧气以及释放的二氧化碳数量见下表。表1由上表可知，若深空探测时间延长到一年，则需要携带6吨物质，其所需要的费用是36亿元！这只是一名宇航员的物资要求，如果是“三人行”的话，试想这将是怎样一个天文数字啊！以目前技术从地球往返火星的征途大概需要五百多天。这样昂贵的旅程，很难找到“赞助商”的。因此，如果人类在不远的未来，进行更长时间、更远距离的太空探索，例如上文所提，构建月球基地、火星基地的话，由于路途遥远，食物完全通过携带储存供给或者进行地面定期补给将变得十分昂贵且很难实现。因此，仅仅依靠携带或物理化学再生方式满足生命保障需求，载人深空探索几乎不可能实现。所以“嫦娥”需要的是长期居所而不只是“快捷宾馆”而已，需要的是一种能与地球媲美的微型生物圈，可以实现航天员在远离地球的太空长期舒适的生活。微型生物圈即依靠生物再生的方式，在月球、火星基地或是飞向火星的飞船中，构建一个类似地球生物圈的小型生态系统，有效的解决载人深空探索的生态保障需求。科学家们把这样一个小型生态系统统称为“生物再生生命保障系统”。在“生物再生生命保障系统”真正飞向太空之前，需要在地面构建一个一模一样的系统，进行一系列实验研究，为将来人类真正在太空居住提供保障。这就是月宫一号（Lunar Palace1)——我国第一个、世界第三个“生物再生生命保障系统”的地基有人综合实验系统，也是全球第一个四生物链环人工生态系统。它对保障我国载人登月、月球基地及火星探测等航天计划的顺利进行、保障航天员生命安全和生活质量具有重大意义。植物界里选拔“航天员”选拔月宫一号里栽培的植物是一个难题。选拔的绿色植物要在残酷的月球环境里生长，忍受从零下175摄氏度到零上120摄氏度巨大温差，忍受长达十几天的漫漫黑夜，以及微重力等环境。这些即将“天将降大任于斯也”的植物，不仅需要满足一系列在狭小、密闭、微重力、超真空、强辐射的空间环境生存特点，还要能发挥食物生产、大气再生与净化、水分再生与净化和废物处理与再生等一种或几种作用。因此，植物是整个生保系统的核心部分，筛选的植物合适与否在很大程度上决定着试验的成败。经过研究，那些体积小、培养技术简单、易于繁殖和移植，遗传性状稳定、生长快、周期短、产量高、可食部分比值高，抗病和抗逆性强的植物被优先挑选。并且科学家还注意到，作为主食的它们，要符合人们的饮食文化习惯，并能满足食谱的多样性、具备一些本国特点。我国把目标集中在叶菜类上。早在1997年，我国航天医学工程研究院联合中科院的多家研究所进行了植物选育，从十几种叶菜类蔬菜中选出生菜、油菜、白菜和豌豆苗。实验证实，其中更符合中国人口味的油菜和白菜被认为是非常理想的“太空食品”。而豌豆幼苗则勉强通过了密闭环境的考验。在月宫一号此次实验中的蔬菜，相比第一期的胡萝卜、黄瓜、四季豆、奶油生菜等又增加了西红柿、茄子、土豆等蔬菜（一盘东北乱炖出锅了）。“月宫”中产生的废物是怎样“内部解决”的呢？人工闭合保障系统中最重要的是物质循环，在月宫一号中是怎样实现“自给自足”的呢？实验系统内乘员的生命保障基本物资包括：氧气、水和食物。所以空间生物再生生命保障系统主要通过定量化的生物过程实现氧气、水、食物的循环再生为人提供生命保障。在月宫一号的生物再生生命保障系统中，栽培有粮食作物、蔬菜和水果，饲养了动物（黄粉虫），还有微生物来降解废物。构建了由植物、动物、微生物组成的闭合生态系统。整整一年的实验时间，该打麻将还是斗地主？最后，也是最让人担心的一点是：两组共8人的志愿者的“闭关”生活应该如何渡过呢？被问起此次实验与2014年的密闭实验相比有何不同时，刘红10日上午介绍说，首先是实验时间更长，这次8位“宇航员”分两组，每组两男两女，将在舱内生活整整365天，“两组人交替入舱，交接在专门的‘气闸舱’缓冲带完成，跟真实的空间站换班一模一样。” 并且已经安排了丰富多彩的实验项目和业余生活，“带进去了象棋和一些小乐器，里面还有动感单车，也可以上网、和家人视频、看书等。