楊先碧

鮮花、掌聲、閃光燈，如同數(shù)月前迎接“神九”航天員歸來一般，2012年12月1日，我國首次受控生態(tài)生保集成試驗(yàn)參試乘員唐永康、米濤順利出艙，受到人們的熱情迎接，因?yàn)樗麄儓A滿完成了在密閉試驗(yàn)艙內(nèi)為期30天的科學(xué)試驗(yàn)。這次試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著我國在“太空農(nóng)場(chǎng)”研究領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。在未來，將有越來越多的航天員在太空艙中享受“田園風(fēng)光”，在辛勤耕種之后可以享用到新鮮的蔬菜和肉食。

未來航天員變身“太空農(nóng)民”

太空旅行不像在地面上旅行，很多看起來平常的小事到了太空就成了大事情。太空是一個(gè)高真空的環(huán)境，中途也沒有飯館和廁所，所有的事情都要在封閉的太空艙中完成，需要萬無一失的生命保障系統(tǒng)來支撐。

開展長時(shí)間、遠(yuǎn)距離、多乘員的載人深空探測(cè)和外星移民開發(fā)，是未來航天技術(shù)發(fā)展的必然方向，而建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)是解決其生命保障問題的根本途徑。所謂受控生態(tài)生保系統(tǒng)，英文名稱為Controlled Ecological Life Support System，縮寫為CELSS。該系統(tǒng)是一項(xiàng)生物科學(xué)與工程科學(xué)相結(jié)合的綜合性生物工程，是利用不同生物種的特點(diǎn)，結(jié)合一些物理和化學(xué)方法，用工程技術(shù)手段在空間建立一個(gè)適合人類長期工作和生活的場(chǎng)所。該系統(tǒng)主要通過高等植物和微藻為航天員生產(chǎn)食物、氧氣和水，并吸收航天員產(chǎn)生的二氧化碳等廢氣；通過飼養(yǎng)動(dòng)物為乘員提供動(dòng)物蛋白；通過微生物的分解作用，將系統(tǒng)內(nèi)的廢物轉(zhuǎn)化為可再利用的物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的完全閉合循環(huán)。

上面的定義看上去稍稍有些復(fù)雜，我們可以把它簡化一下：所謂受控生態(tài)生保系統(tǒng)就是一個(gè)封閉的“太空農(nóng)場(chǎng)”，在這個(gè)“農(nóng)場(chǎng)”中，航天員的大小便和部分生活垃圾經(jīng)過微生物的分解發(fā)酵之后，可以作為植物的肥料，植物可以直接作為航天員的素食，也可以作為“農(nóng)場(chǎng)”中動(dòng)物的飼料，這些動(dòng)物則可以成為航天員的肉食。更為重要的是，植物還可以為航天員和動(dòng)物提供所需的氧氣，而航天員和動(dòng)物呼出的二氧化碳則可被植物吸收，通過光合作用合成有機(jī)物質(zhì)。植物吸收航天員的尿液后，還可以通過蒸騰作用把尿液部分轉(zhuǎn)化為水蒸氣，冷凝后就可以成為干凈的飲用水。

從受控生態(tài)生保系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程可以看出，在理想狀態(tài)下，未來的太空旅行不需要攜帶太多的飲食，只需要攜帶一些植物種子和不同性別的動(dòng)物幼體，另加少量的應(yīng)急飲水和食物，就可以在太空中長期漫游了。未來的太空飛船很可能就像是傳說中的諾亞方舟，其中承載了不少生物。這些生物不但是航天員的伙伴，也是航天員的食物。未來的航天員將擁有多重身份，他們不僅是航天員、科學(xué)家和探險(xiǎn)家，還是在太空艙中種地的“太空農(nóng)民”。當(dāng)然，受控生態(tài)生保系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)不僅適用于太空艙，也適用于外星基地。

參試乘員的幸福生活

1994年，我國在載人航天工程啟動(dòng)后不久就開始了太空農(nóng)場(chǎng)的相關(guān)研究工作。經(jīng)過近20年的發(fā)展，從最初的概念研究起步，逐步建成了受控生態(tài)生命保障技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。2011年，包括植物艙和乘員艙等12個(gè)分系統(tǒng)的受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建成。

在經(jīng)過多次成功的植物密閉試驗(yàn)后，我國首次讓參試乘員進(jìn)入密閉的受控生態(tài)生保系統(tǒng)，進(jìn)行為期30天的密閉試驗(yàn)。這次試驗(yàn)的重點(diǎn)是研究密閉系統(tǒng)中人與植物間的氧氣、二氧化碳、水等物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控機(jī)制，并掌握就地供應(yīng)乘員新鮮食物的方法。在這次試驗(yàn)中，空氣、水和食物的閉合度（即自給自足比例）分別達(dá)到100%、85%和15%，系統(tǒng)產(chǎn)生的冷凝水得到100%的回收利用，廢水和尿液平均達(dá)到60%的回收利用。

2012年11月1日，唐永康和米濤進(jìn)入試驗(yàn)艙，開始了參試乘員的幸福生活。在30天的時(shí)間里，兩人每天除了開展各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)，還要照看設(shè)備、管理蔬菜以及鍛煉身體。密閉試驗(yàn)艙是個(gè)“兩居室”，兩個(gè)房間的空氣是互相流通的。其中的大屋子有36平方米，用來種植生菜、油麥菜、紫背天葵和苦菊四種植物，它們靠參試乘員的尿液和試驗(yàn)之初帶入的部分自來水澆灌。這些蔬菜可為參試乘員提供呼吸用氧，并吸收他們呼出的二氧化碳，利用紅色LED燈光進(jìn)行高效光合作用。試驗(yàn)艙的小房間有18平方米，是兩人的生活空間，他們?cè)谶@里可以吃飯、睡覺、健身，還能上網(wǎng)。雖然生活在密閉的試驗(yàn)艙中，他們一點(diǎn)也不感到孤獨(dú)和寂寞，更多的是興奮和自豪。

參與試驗(yàn)的兩名參試乘員每天吃飯還是以航天食品為主，不過和太空中的航天員不同，他們每餐還可親手采摘并食用新鮮蔬菜30～50克。由于密閉系統(tǒng)中沒有爐灶，他們無法吃到煮熟或炒熟的蔬菜，只能吃涼拌的生蔬菜。參與試驗(yàn)的唐永康說：“感覺很奇妙，我很喜歡吃這里的蔬菜?！碧焯斐陨卟耍犉饋硭坪跤行╇y受。然而，對(duì)于那些成年累月在太空中旅行的航天員來說，新鮮蔬菜則是他們夢(mèng)想中的食物?，F(xiàn)在的航天食品大多是高度濃縮的、流質(zhì)狀的，航天員需要像擠牙膏似的把這些流質(zhì)食物擠進(jìn)嘴里。

中國航天員中心副總設(shè)計(jì)師高峰指出，接下來還有很多工作要做。比如，以后還要在這個(gè)建在地面上的“太空農(nóng)場(chǎng)”中飼養(yǎng)動(dòng)物，包括牲畜和魚類。中國航天員中心正積極籌劃，擬建具有世界先進(jìn)水平、規(guī)模更大的太空密閉生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)研究基地。我國已經(jīng)建成了“天宮一號(hào)”空間站，還將建設(shè)更多的“天宮”系列空間站，未來的試驗(yàn)將從地面轉(zhuǎn)移到這些空間站中。這些試驗(yàn)將為我國載人飛船探索月球和火星打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在外星上建造“伊甸園”

近幾十年來，國外一些發(fā)達(dá)國家一直沒有間斷過對(duì)“太空農(nóng)場(chǎng)”可行性的研究。早在20世紀(jì)60年代，美國和蘇聯(lián)就開始了“太空農(nóng)場(chǎng)”的研究，在空間植物培養(yǎng)等方面開展了大量研究，并在空間站上成功地進(jìn)行了植物栽培。“和平”號(hào)空間站上有一個(gè)太空溫室，面積約為900平方厘米，播種了數(shù)十粒不同品種小麥的“太空種子”。在太空失重條件下，播種的小麥在70～90天后成熟。在這個(gè)封閉的太空溫室內(nèi)，松土、澆灌等所有農(nóng)活均是在航天員控制下由機(jī)器人自動(dòng)操作完成的。

1972年，蘇聯(lián)科學(xué)家首次嘗試建造了受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)，完成了“生態(tài)圈3號(hào)”的建造，這個(gè)約1 033平方米的生態(tài)圈位于西伯利亞，可供3人生存。大型水池中的藻類可以為他們提供氧氣，若生態(tài)圈內(nèi)的一切都運(yùn)行良好，這個(gè)系統(tǒng)可以為居住者提供85%所需的空氣和循環(huán)水。在“生態(tài)圈3號(hào)”里進(jìn)行的最長的一次實(shí)驗(yàn)，曾長達(dá)180天。

1989年，美國宇航局在建造的“生態(tài)之家”中開始生命保障系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。這是一個(gè)形似太空艙的建筑，里面也有兩個(gè)房間，一個(gè)房間種植植物，一個(gè)房間有人進(jìn)行科學(xué)研究。研究人員在人造的環(huán)境中研究廢水的處理和室內(nèi)空氣質(zhì)量的狀況，結(jié)果不出所料，種植植物能夠極大地提高空氣質(zhì)量并改善居住者的身體狀況。1991年，美國亞利桑那州圖森市建造了“生物圈2號(hào)”，這是當(dāng)時(shí)最大的受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)。其中種植了精心挑選的3 500種植物，放養(yǎng)了豬、羊、雞等300種動(dòng)物。遺憾的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)以失敗告終。這也說明，生命要長期融入太空，絕非簡單的事情。

如果受控生態(tài)生保系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成熟，那么人類就有希望未來在月球或是火星上，人工構(gòu)造一個(gè)“小地球”?？茖W(xué)家認(rèn)為，將來“太空農(nóng)場(chǎng)”也很可能是建成球冠狀，利用其外面可以轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，從而使植物處于類似地球上的生長環(huán)境。英國在英格蘭南部建造的“伊甸園”，就是這樣的一片球冠狀建筑。這是一片半密閉式生態(tài)生保系統(tǒng)，栽種了來自全球總數(shù)超過4 000種的植物，人們可以通過特殊的艙門進(jìn)入?yún)⒂^。

未來移民外星，你有心理準(zhǔn)備嗎？科學(xué)家預(yù)測(cè)，如果吃喝拉撒的問題能得到很好的解決，第一批外星移民可能在50年內(nèi)出現(xiàn)。美國民營航天公司SpaceX執(zhí)行總裁埃隆·馬斯科就表示，未來他們將在火星表面建造8萬人的移居基地。目前，他們也在進(jìn)行密閉生態(tài)系統(tǒng)的試驗(yàn)?？梢灶A(yù)計(jì)，外星移民潮可能在我們大多數(shù)人的有生之年中涌現(xiàn)。到了那時(shí)，去火星看日出將成為新的旅游熱潮。

小鏈接

太空新鮮肉食很可能是蠶

在太空艙中可生產(chǎn)哪些新鮮的蔬菜和肉食？除了考慮動(dòng)植物的適應(yīng)性外，還得考慮航天員的營養(yǎng)需求。美國、俄羅斯等國都對(duì)太空食譜進(jìn)行了大量研究，嘗試種植小麥、大豆、土豆、胡蘿卜、番茄、卷心菜、青椒等，它們能在光照下生產(chǎn)供食用的淀粉、植物蛋白、維生素、礦物質(zhì)等。

說到肉食，我們馬上會(huì)想到豬牛羊和雞鴨魚。然而，中國科學(xué)家卻推薦了一款我們可能難以下咽的肉食——煎蠶。在外星基地中飼養(yǎng)大型動(dòng)物還有可能，要在太空艙的狹小空間中飼養(yǎng)這些動(dòng)物就很不現(xiàn)實(shí)了，科學(xué)家為此推薦了小個(gè)頭的蠶。他們認(rèn)為蠶的蛋白質(zhì)含量高、生長周期短、生物轉(zhuǎn)化效率高、活動(dòng)所需空間小，飼養(yǎng)蠶的過程中氣味小、不產(chǎn)生廢水。因此，蠶有希望作為太空旅行所需動(dòng)物蛋白質(zhì)的最佳候選動(dòng)物。