“月宫一号”——太空种植的绿色梦想在这里启航

“月宫一号”——太空种植的绿色梦想在这里启航

［ 作者：佚名     来源：国载人航天工程网 5月29日          更新时间：2014年06月06日     ]

5月20日，我国首项空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置“月宫一号”舱门开启，三位志愿者手捧在实验舱中辛勤收获的粮食作物和蔬菜从容走出实验舱，标志着此次长达105天的密闭实验圆满成功，为[/url][url=http://www.cast.cn/CastCn/Special.asp?SpecialID=15]载人航天生命保障技术发展奠定了重要基础。 图1：“月宫一号”3d设计图 　　十年来，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授刘红及其团队瞄准国家[/url][url=http://www.cast.cn/CastCn/Special.asp?SpecialID=15]载人航天重大需求，开展了相关基础理论和关键技术的研究，设计完成了“月宫一号”系统，并于近日成功完成3人105天高闭合度集成试验。 　　作为“月宫一号”总设计师，刘红教授带着谢倍珍、董琛和王敏娟三位志愿者在“月宫一号”试验舱前接受了本站记者的采访。 　　圆“月球梦”，十年磨剑 　　刘红教授的博士专业是环境保护方向，曾任教于中国矿业大学、中国农业大学、北京师范大学等高校。2004年，她来到北京航空航天大学生物与医学工程学院任教授，开始构想自己的下一个项目。 图2：“月宫一号”总设计师刘红教授 　　“我们小时候，觉得人登上月球是不可想象的梦，现在觉得我国在未来一定会发展[/url][url=http://www.cast.cn/CastCn/Special.asp?SpecialID=15]载人登月，建设月球基地，这样的系统是非常必要的，很难说有一天，人类不会把植物种上月球。”刘红对自己的研究很乐观，多次实验的空间生物再生生命保障系统，就是要解决地球人飞上太空后吃什么，呼吸什么，能生存多久的难题。 　　如何支持人类在太空长期健康生活，长达数月甚至数年？科学家的共识是必须依靠一套空间生物再生生命保障系统(blss)，国内也称之为受控生态生命保障系统(celss)。 　　这套闭环回路生命保障技术可以被通俗地解释为：在月球或火星等太空环境中，将有限资源进行反复处理与再生，从而源源不断地生产食物、氧气和水，确保为航天员提供最基本的生存必需品。因为航天飞行时从地面向空间补给物资十分昂贵，而到月球和火星的长期空间飞行，几乎不可能再补给。 　　“我的想法是把自己的本专业（环境保护）和北航的航空航天特色相结合，”刘红说，“看到国际上很早就开始研制生物再生生命保障系统，但至今还没有十分完备的成果，我和我的团队决心对此展开深入研究。” 　　十年的艰辛，很难用一两句话来表达，那是日复一日的辛苦与磨练，细微到从一个公式的算法、一粒种子的种植开始。从最初的一个人到目前的26人团队，从理论和技术研究、舱室系统的工程设计、施工组织和质量监督、系统内关键设备安装、系统联合调试到长期多人密闭科学技术实验，他们的执着只为实现心中的梦想。刘红教授的孜孜以求，成就了今天"我国第一个，世界上第三个生物再生生命保障试验系统"。该项目从2013年3月开始进行系统建设调试，11月进入启动阶段；2014年1月3日至5月20日成功完成105天的实验任务。 　　兢兢业业，攻坚克难 　　生物再生生命保障系统是目前世界上最先进的闭环回路生命保障技术，也是人类实现在外太空长期生存的核心技术。这样的系统十分复杂，要研究物质循环的关系和资源再利用，为维持整个系统的正常运转，首先必须保证所有资源都可以循环利用，接下来再解决废物处理、无害化等问题。 　　“我们首先做了一些概念构型，构想这样的系统应该有哪些部分组成。接下来是关键单元技术研究，包括植物培养单元、动物单元和废物处理单元等，从定量的角度设计系统。”刘红说。 　　其中，微生物控制不在循环链里，但非常重要，微生物的过度繁殖会导致一些问题。如何在密闭环境下控制微生物的繁殖呢？刘红团队研究了微生物生长规律及各种材料对微生物的影响，并建立了实时在线控制单元，这对整个系统平衡起着至关重要的作用。 　　同样必不可少的是关键单元技术。他们研究和集成了一些理论和设计方法，并在试验中一步步改进单元技术和设计计算方法。“如果仅仅将系统组合在一起，不做任何人为干预与调控，系统会很快崩溃。” 　　“月宫一号”是一个完全人工的、利用自然材料组成的系统。“我们在后面还会做进一步的细化，研究宏观上定量的关系。” 　　“月宫一号”系统最关键的就是物质循环，必须建立一个闭环程度越来越高的物质循环链，最终目标是形成一个完全闭合的生态系统。目前“月宫一号”的闭合度达到97%，还需要进一步的提高。“这次试验中，总闭合度达到97%，氧气和水闭合度达100%，食物闭合度达55%。这是由于种植舱的面积相对还不够。未来进行新的四人试验时，会增加一个种植舱，食物供给率可达到80%以上，包括植物油。”这次实验中，植物油、大部分动物蛋白及一些辅料都来自外界补给。 图3：“月宫一号”中种植的植物 筛选出合适的植物后，志愿者将植物种子带入舱内种植。“我们选择了小麦、大豆和油沙果，这些是生产型的粮食作物，可以按批种植，短期内便可以收割食用。这些粮食作物的生产周期与外界不一样，正常一百多天才能收割的小麦，在舱内的长时间光照条件下，只需要70天就成熟了。还有一些实验性的作物，如玉米和花生。我们选择了多种玉米进行种植，观察它们在舱内的生长情况，再作进一步的筛选。”。同时，扁豆和黄瓜是藤科植物，可以吸收种植舱内的散射光生长，不必单独给予光照，因此可以节省空间与能量。 　　本次实验没有选择水稻，刘红解释说，因为水稻需要度过淹水期，在此期间会产生对密闭系统不利的甲烷气体。 　　从营养均衡的角度来看，志愿者在“月宫一号”里仅仅食用这些粮食是不够的，蛋白质、脂肪与碳水化合物的比例并不符合人体的需求，因此需要从外界补给一些碳水化合物和脂肪。植物油、玉米和肉类等必需品通过专门的物流通道送入；同时，在舱内采集的水样、微生物样本，也都通过物流通道送出进行分析。 　　未来之路，任重道远 　　美国与俄罗斯在上世纪七十年代便开始研制类似的生命保障系统，我国虽然起步较晚，但已经走在了世界的前列。 　　“美国与俄罗斯系统的固体废物都做了焚烧处理，而‘月宫一号’里的固体废物是通过生物发酵处理的。生物处理比较温和，不容易产生有害气体。我们还增加了尿液处理的设备，可以回收氮素。此外，‘月宫一号’里培养了动物（面包虫），提供了一部分动物蛋白，这也是其他系统中没有的。” 　　“月宫一号”试验圆满完成，那么下一步刘红教授还会开发更加先进的系统吗？ 　　“接下来我们还有很多工作需要做。通过这次试验，我们发现了系统中存在的一些问题，将会在单元技术和系统集成上作进一步优化，形成新的系统，再做试验。”刘红说。 　　除了地面试验改进，这一系统还需要做空间搭载，如空间站、登月探测器。搭载的迷你系统与地面试验室进行比照，以调整地面实验室的各项参数。 　　“月宫一号”系统内还形成了很多可以应用到空间站的单元技术，如空间栽培。在太空中吃到栽培出的新鲜蔬菜水果，不仅可以补充营养，更可以调节人的心情。刘红团队目前正在研制空间站可用的植物栽培装置。 图4：“月宫一号”综合舱内部结构 　　三位志愿者的“月宫”体验 　　“一开始觉得试验环境较为艰苦，所以优先选择男性，后来考虑到需要在舱内做实验，因此我们优先选择志愿者的技能。当然，最好是比较‘宅’的人。”刘红笑着说。三位志愿者在舱内分别负责自己的研究方向，既有分工，也有合作。 　　谢倍珍：十年耕耘开花结果 　　谢倍珍博士作为世界上第一位该型项目的女“舰长”，是环境工程背景出身，从本科便开始参与“月宫一号”项目，目前做环境生物技术的研究。试验期间，她主要负责水的循环，水循环包括卫生废水、冷凝水、尿液的循环。此外，还要负责植物的种植、动物饲养方面的取样测试以及固体排泄物的处理。 图5：“月宫一号”志愿者谢倍珍 　　在被问及出舱时的感受时，谢倍珍说：“感觉如释重负。团队经历十年努力，终于实现了目标。我们克服了困难，收获了成果，对大家有所交代。这次试验是人生中难忘的宝贵经历。” 　　董琛：是责任感让我撑了下来 　　志愿者中唯一的男性董琛的博士论文课题是《面向空间生物再生生命保障系统的小麦培养研究》，而舱里种植面积最大的植物是小麦，因此首先被选为了志愿者。董琛负责小麦的种植、研究，包括观察其生理情况、采样测试等，他已经围绕实验做了很多研究。 图6：“月宫一号”志愿者董琛 　　董琛曾一度想要放弃试验。“在105天里，我的心情呈波浪形的变化，感觉和之前想象中不一样。”他笑道，“可能是因为太久没有和其他人交流了，有一段时间特别想出来，有点想放弃。但是一想到这次试验耗费了这么多人力和物力，感觉自己责任太重大了，不能因为自己一个人造成整个试验失败，所以还是坚持下来了。” 　　“困难在人生中是很多的，不能因为困难就退缩。”董琛很感谢这次试验磨练了他的意志，能够忍受孤独与寂寞了。 　　回忆起在舱内最难忘的经历，他马上说：“是第一次收小麦的时候，因为马上就有吃的了。当时刚看了一期《舌尖上的中国》讲到‘麦客’，纪录片里的麦客可能是为了卖钱，而我们这些麦客是出于对食物的渴望。” 　　当被问及未来想不想上太空进行小麦种植时，董琛坚定地说，如果有这样的机会，可以用任何代价来换，哪怕是生命。 　　王敏娟：素手纤纤做面食 　　王敏娟负责蔬菜类和大豆的种植、研究，还负责3个人一日三餐的烹饪。 图7：“月宫一号”志愿者王敏娟 　　“我每天睁眼第一件事就是给大家做早饭。”王敏娟是陕西人，擅长各种面食，又恰好“月宫一号”里种植了很多小麦，所以她负责了团队的饮食。 　　“面粉是我们的主食，我平时主要做馒头和面包，时间比较充裕的话，会做包子、饺子和面条。三个人每天能吃一公斤蔬菜，但是由于条件限制，不能进行炒制，只能拌或煮。”王敏娟说起做饭的经历颇有兴致。 　　“不像董琛，这105天里我的心情变化并不明显，从来没想过要出来。只是在出舱前二十天时特别想吃其他口味的东西，因为带进来的调味品太少了。”她笑着说。 　　谈起此次试验的收获，王敏娟认为是责任感。“在生活、工作和家庭方面，最重要的是有责任感。只要承担起那一份责任，你会突破自己，完成很多想象不到的事情。我平时性格比较开朗，自己和家人都想不到能在舱内平心静气的呆那么长时间。有了责任和信念，在实现自己梦想的路上，可以走得更远。” 　　携手“月宫”共筑梦想 　　在采访即将结束时，刘红表示：“我认为这个系统最大的意义在于，能够为月球基地提供必要的理论基础和技术支持。”记者注意到，“月宫一号”的植物舱内挂着写有“月球梦”三个字的装饰品，相信通过她们的不懈努力，太空种植的绿色梦想一定会早日实现。（刘爽 张媞媞） http://www.cast.cn/CastCn/Show.asp?ArticleID=46703

“月宫一号”——太空种植的绿色梦想在这里启航
［ 作者：佚名     来源：国载人航天工程网 5月29日          更新时间：2014年06月06日     ]5月20日，我国首项空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置“月宫一号”舱门开启，三位志愿者手捧在实验舱中辛勤收获的粮食作物和蔬菜从容走出实验舱，标志着此次长达105天的密闭实验圆满成功，为[/url][url=http://www.cast.cn/CastCn/Special.asp?SpecialID=15]载人航天生命保障技术发展奠定了重要基础。

图1：“月宫一号”3d设计图
　　十年来，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授刘红及其团队瞄准国家[/url][url=http://www.cast.cn/CastCn/Special.asp?SpecialID=15]载人航天重大需求，开展了相关基础理论和关键技术的研究，设计完成了“月宫一号”系统，并于近日成功完成3人105天高闭合度集成试验。
　　作为“月宫一号”总设计师，刘红教授带着谢倍珍、董琛和王敏娟三位志愿者在“月宫一号”试验舱前接受了本站记者的采访。
　　圆“月球梦”，十年磨剑
　　刘红教授的博士专业是环境保护方向，曾任教于中国矿业大学、中国农业大学、北京师范大学等高校。2004年，她来到北京航空航天大学生物与医学工程学院任教授，开始构想自己的下一个项目。图2：“月宫一号”总设计师刘红教授　　“我们小时候，觉得人登上月球是不可想象的梦，现在觉得我国在未来一定会发展[/url][url=http://www.cast.cn/CastCn/Special.asp?SpecialID=15]载人登月，建设月球基地，这样的系统是非常必要的，很难说有一天，人类不会把植物种上月球。”刘红对自己的研究很乐观，多次实验的空间生物再生生命保障系统，就是要解决地球人飞上太空后吃什么，呼吸什么，能生存多久的难题。
　　如何支持人类在太空长期健康生活，长达数月甚至数年？科学家的共识是必须依靠一套空间生物再生生命保障系统(blss)，国内也称之为受控生态生命保障系统(celss)。
　　这套闭环回路生命保障技术可以被通俗地解释为：在月球或火星等太空环境中，将有限资源进行反复处理与再生，从而源源不断地生产食物、氧气和水，确保为航天员提供最基本的生存必需品。因为航天飞行时从地面向空间补给物资十分昂贵，而到月球和火星的长期空间飞行，几乎不可能再补给。
　　“我的想法是把自己的本专业（环境保护）和北航的航空航天特色相结合，”刘红说，“看到国际上很早就开始研制生物再生生命保障系统，但至今还没有十分完备的成果，我和我的团队决心对此展开深入研究。”
　　十年的艰辛，很难用一两句话来表达，那是日复一日的辛苦与磨练，细微到从一个公式的算法、一粒种子的种植开始。从最初的一个人到目前的26人团队，从理论和技术研究、舱室系统的工程设计、施工组织和质量监督、系统内关键设备安装、系统联合调试到长期多人密闭科学技术实验，他们的执着只为实现心中的梦想。刘红教授的孜孜以求，成就了今天"我国第一个，世界上第三个生物再生生命保障试验系统"。该项目从2013年3月开始进行系统建设调试，11月进入启动阶段；2014年1月3日至5月20日成功完成105天的实验任务。
　　兢兢业业，攻坚克难
　　生物再生生命保障系统是目前世界上最先进的闭环回路生命保障技术，也是人类实现在外太空长期生存的核心技术。这样的系统十分复杂，要研究物质循环的关系和资源再利用，为维持整个系统的正常运转，首先必须保证所有资源都可以循环利用，接下来再解决废物处理、无害化等问题。
　　“我们首先做了一些概念构型，构想这样的系统应该有哪些部分组成。接下来是关键单元技术研究，包括植物培养单元、动物单元和废物处理单元等，从定量的角度设计系统。”刘红说。
　　其中，微生物控制不在循环链里，但非常重要，微生物的过度繁殖会导致一些问题。如何在密闭环境下控制微生物的繁殖呢？刘红团队研究了微生物生长规律及各种材料对微生物的影响，并建立了实时在线控制单元，这对整个系统平衡起着至关重要的作用。
　　同样必不可少的是关键单元技术。他们研究和集成了一些理论和设计方法，并在试验中一步步改进单元技术和设计计算方法。“如果仅仅将系统组合在一起，不做任何人为干预与调控，系统会很快崩溃。”
　　“月宫一号”是一个完全人工的、利用自然材料组成的系统。“我们在后面还会做进一步的细化，研究宏观上定量的关系。”
　　“月宫一号”系统最关键的就是物质循环，必须建立一个闭环程度越来越高的物质循环链，最终目标是形成一个完全闭合的生态系统。目前“月宫一号”的闭合度达到97%，还需要进一步的提高。“这次试验中，总闭合度达到97%，氧气和水闭合度达100%，食物闭合度达55%。这是由于种植舱的面积相对还不够。未来进行新的四人试验时，会增加一个种植舱，食物供给率可达到80%以上，包括植物油。”这次实验中，植物油、大部分动物蛋白及一些辅料都来自外界补给。图3：“月宫一号”中种植的植物筛选出合适的植物后，志愿者将植物种子带入舱内种植。“我们选择了小麦、大豆和油沙果，这些是生产型的粮食作物，可以按批种植，短期内便可以收割食用。这些粮食作物的生产周期与外界不一样，正常一百多天才能收割的小麦，在舱内的长时间光照条件下，只需要70天就成熟了。还有一些实验性的作物，如玉米和花生。我们选择了多种玉米进行种植，观察它们在舱内的生长情况，再作进一步的筛选。”。同时，扁豆和黄瓜是藤科植物，可以吸收种植舱内的散射光生长，不必单独给予光照，因此可以节省空间与能量。　　本次实验没有选择水稻，刘红解释说，因为水稻需要度过淹水期，在此期间会产生对密闭系统不利的甲烷气体。
　　从营养均衡的角度来看，志愿者在“月宫一号”里仅仅食用这些粮食是不够的，蛋白质、脂肪与碳水化合物的比例并不符合人体的需求，因此需要从外界补给一些碳水化合物和脂肪。植物油、玉米和肉类等必需品通过专门的物流通道送入；同时，在舱内采集的水样、微生物样本，也都通过物流通道送出进行分析。
　　未来之路，任重道远
　　美国与俄罗斯在上世纪七十年代便开始研制类似的生命保障系统，我国虽然起步较晚，但已经走在了世界的前列。
　　“美国与俄罗斯系统的固体废物都做了焚烧处理，而‘月宫一号’里的固体废物是通过生物发酵处理的。生物处理比较温和，不容易产生有害气体。我们还增加了尿液处理的设备，可以回收氮素。此外，‘月宫一号’里培养了动物（面包虫），提供了一部分动物蛋白，这也是其他系统中没有的。”
　　“月宫一号”试验圆满完成，那么下一步刘红教授还会开发更加先进的系统吗？
　　“接下来我们还有很多工作需要做。通过这次试验，我们发现了系统中存在的一些问题，将会在单元技术和系统集成上作进一步优化，形成新的系统，再做试验。”刘红说。
　　除了地面试验改进，这一系统还需要做空间搭载，如空间站、登月探测器。搭载的迷你系统与地面试验室进行比照，以调整地面实验室的各项参数。
　　“月宫一号”系统内还形成了很多可以应用到空间站的单元技术，如空间栽培。在太空中吃到栽培出的新鲜蔬菜水果，不仅可以补充营养，更可以调节人的心情。刘红团队目前正在研制空间站可用的植物栽培装置。图4：“月宫一号”综合舱内部结构　　三位志愿者的“月宫”体验
　　“一开始觉得试验环境较为艰苦，所以优先选择男性，后来考虑到需要在舱内做实验，因此我们优先选择志愿者的技能。当然，最好是比较‘宅’的人。”刘红笑着说。三位志愿者在舱内分别负责自己的研究方向，既有分工，也有合作。
　　谢倍珍：十年耕耘开花结果
　　谢倍珍博士作为世界上第一位该型项目的女“舰长”，是环境工程背景出身，从本科便开始参与“月宫一号”项目，目前做环境生物技术的研究。试验期间，她主要负责水的循环，水循环包括卫生废水、冷凝水、尿液的循环。此外，还要负责植物的种植、动物饲养方面的取样测试以及固体排泄物的处理。图5：“月宫一号”志愿者谢倍珍　　在被问及出舱时的感受时，谢倍珍说：“感觉如释重负。团队经历十年努力，终于实现了目标。我们克服了困难，收获了成果，对大家有所交代。这次试验是人生中难忘的宝贵经历。”
　　董琛：是责任感让我撑了下来
　　志愿者中唯一的男性董琛的博士论文课题是《面向空间生物再生生命保障系统的小麦培养研究》，而舱里种植面积最大的植物是小麦，因此首先被选为了志愿者。董琛负责小麦的种植、研究，包括观察其生理情况、采样测试等，他已经围绕实验做了很多研究。图6：“月宫一号”志愿者董琛　　董琛曾一度想要放弃试验。“在105天里，我的心情呈波浪形的变化，感觉和之前想象中不一样。”他笑道，“可能是因为太久没有和其他人交流了，有一段时间特别想出来，有点想放弃。但是一想到这次试验耗费了这么多人力和物力，感觉自己责任太重大了，不能因为自己一个人造成整个试验失败，所以还是坚持下来了。”
　　“困难在人生中是很多的，不能因为困难就退缩。”董琛很感谢这次试验磨练了他的意志，能够忍受孤独与寂寞了。
　　回忆起在舱内最难忘的经历，他马上说：“是第一次收小麦的时候，因为马上就有吃的了。当时刚看了一期《舌尖上的中国》讲到‘麦客’，纪录片里的麦客可能是为了卖钱，而我们这些麦客是出于对食物的渴望。”
　　当被问及未来想不想上太空进行小麦种植时，董琛坚定地说，如果有这样的机会，可以用任何代价来换，哪怕是生命。
　　王敏娟：素手纤纤做面食
　　王敏娟负责蔬菜类和大豆的种植、研究，还负责3个人一日三餐的烹饪。图7：“月宫一号”志愿者王敏娟　　“我每天睁眼第一件事就是给大家做早饭。”王敏娟是陕西人，擅长各种面食，又恰好“月宫一号”里种植了很多小麦，所以她负责了团队的饮食。
　　“面粉是我们的主食，我平时主要做馒头和面包，时间比较充裕的话，会做包子、饺子和面条。三个人每天能吃一公斤蔬菜，但是由于条件限制，不能进行炒制，只能拌或煮。”王敏娟说起做饭的经历颇有兴致。
　　“不像董琛，这105天里我的心情变化并不明显，从来没想过要出来。只是在出舱前二十天时特别想吃其他口味的东西，因为带进来的调味品太少了。”她笑着说。
　　谈起此次试验的收获，王敏娟认为是责任感。“在生活、工作和家庭方面，最重要的是有责任感。只要承担起那一份责任，你会突破自己，完成很多想象不到的事情。我平时性格比较开朗，自己和家人都想不到能在舱内平心静气的呆那么长时间。有了责任和信念，在实现自己梦想的路上，可以走得更远。”
　　携手“月宫”共筑梦想
　　在采访即将结束时，刘红表示：“我认为这个系统最大的意义在于，能够为月球基地提供必要的理论基础和技术支持。”记者注意到，“月宫一号”的植物舱内挂着写有“月球梦”三个字的装饰品，相信通过她们的不懈努力，太空种植的绿色梦想一定会早日实现。（刘爽 张媞媞）




http://www.cast.cn/CastCn/Show.asp?ArticleID=46703