副刊名校聽講隨身碟座 a19
  中國乃至世界都有很多的載人航天計劃和規劃。未新竹售屋來大家不僅會有機會“月球一游”,還有可能更年輕的一輩的人選擇去火星旅游甚至去火星移民,做一個火星人。
  但人類要在太SD記憶卡空上生存需要很多的條件。首先太空和地球上有很大的區別。太空艙外邊是真空的,有很多的輻射,所以需要防輻射。還要有一個密閉的環境把人保護起來,這裡面就需要艙室的環境控制系統。
  我們吃的、喝的、呼吸的氣全部都要帶著,全部都要在這裡面製造,這就需要一商務中心個生命保障系統來完成這個功能。
  在太空中,重力是會發生變化的,可能是微重力,可能是部分重力,看你去哪裡。如果在軌道空間站這樣的地方,可能是微重力,若是到租辦公室一些星球上,比如月球上,可能是六分之一重力,這時候對健康和心理會產生一些問題,所以需要健康保障系統。
  艙室的環境控制系統、生命保障系統、健康保障系統是人類在太空艙生存必須具備的三大系統,我研究的是生命保障系統。
  我國首個生命保障人工閉合生態系統裝置“月宮一號”自造食物再利用廢物成功完成105天多人密閉實驗
  聽總設計師講述“月宮”生活
  什麼是太空生命保障系統?
  上太空必備三大件:氧氣、水、吃的
  生命保障系統的功能就是要滿足人在太空中生存所必需的物質。如果把一個人送到太空,讓他選擇只帶一種物質的時候,我想很多人會堅定地選擇氧氣,因為它是我們的第一需要。
  如果還讓帶第二種物質,我想很多人不會帶金銀財寶,因為到那裡,它一文不值,可能大家會選擇水,水是我們生命所需要的第二重要的物質。
  如果可以帶第三種物質,可能大家會說要帶點吃的,因為它是人類生產所需要的第三重要的物質。這些物質在我們的生活中都很廉價,但對於太空來說,這些廉價的東西都是很昂貴的。
  另外,我們吃了、喝了、喘了氣之後一定會有廢物產生,這些廢物不只是廢水,比如人的糞便,生活用的各種水的排放,還有二氧化碳,我們必須要做廢物處理。當然這是辯證的,廢物從另一方面來說也是資源。保障氧氣、水和食物的供給的系統就是生命保障系統的全部功能。
  如何保證供應:攜帶式和再生式
  生命保障的方式有很多種,我們可以把它概括為兩大類:第一大類是攜帶式的,另一類是再生式的生命保障系統。
  所謂攜帶式的就是人所需要的三大物全部攜帶。我們可以算一下,一個航天員,如果他的代謝強度是2800大卡的話,那麼,他每天需要氧氣0.83公斤,放出0.95公斤的二氧化碳,另外還需要15公斤的水,以及大概0.65公斤的食物,合計是16.4公斤。這是一天一人的量,如果是一年,那就是6噸。如果是3個人、5個人、10個人,這個量就非常大了。
  要把這些物資運到空間站需要3.6億人民幣,運到月球要36億人民幣,運到火星要360億人民幣,這是一個人。我們去太空最少是3個人。如果去火星,按照目前的設計最少是6個人。大家可以算一下,這是一個天文數字,天下最富有的國家也承擔不了這樣的費用。另外,飛船不能造無限的大,還要受發射窗口的限制,所以對於月球基地、火星探測等來說攜帶式從技術上也是難以實現的。
  攜帶式難以實現,因此必須要原位循環再生。也就是說在原地或者在艙內或者在月球上或者在火星上需要進行原地循環再生,把這些物質循環利用起來。空間站的生命保障系統就是物化再生的,是一個再生式的生命保障系統。再生式的生命保障系統分為物化再生的生命保障系統和生物再生的生命保障系統。
  兩大生命保障方式物化再生的生命保障系統
  空間站主要採取物化再生的生命保障系統。在空間站里,人吸進氧氣以後,會放出二氧化碳,二氧化碳會被收集,收集之後,進入一個反應器,叫薩巴蒂爾反應器。這個反應器還需要另外一種物質就是氫氣。航天員會產生尿液,尿液收集之後經過尿液系統處理,獲得水。
  這個水進入水電解系統,水電解產生氫氣,也到達薩巴蒂爾反應器,對二氧化碳進行反應生成了水。水電解的同時也產生氧氣,氧氣可供給航天員呼吸。
  薩巴蒂爾反應器產生了水,進入水凈化系統,凈化之後進入飲用水儲存箱,這部分水是給人喝的。所以大家不要以為航天員喝的是尿液處理之後的水。尿液處理後的這部分水是用來水電解制氧的,不是用來喝的,航天員喝的是凈化後的空氣冷凝水。
  空間站的生命保障系統是物化再生的。物化再生的系統實際上有一部分物質是排放掉的,也就是它不是所有的都可以循環再生,它的循環再生率可以達到70%。
  生物再生的生命保障系統
  在空間站裡面,我們可以時不時地給它送一些東西上去,可以滿足航天員的基本需求。但是如果我們要建立月球基地,要建火星基地,物化再生生命保障系統是不能滿足要求的。因為它只能再生氧氣和水,而且還不是百分之百的,它不能再生食物。到目前以及可以預見的技術發展的將來,物化的技術還不能把人的糞便重新做出食物來,或者說做出來了人心理上也難以接受。
  到目前為止,只有生物再生的方式才能把各種廢物通過生物處理之後重新獲得食物,同時獲得氧氣,獲得水。這就是我這個團隊研究的主題——生物再生的生命保障系統。
  我們這個系統是基於生態系統的原理,結合工程控制技術和生物技術把植物、動物、微生物組合在一起,組合成一個人工閉合生態系統。在這個人工閉合生態系統裡面,人所需要的物質,氧氣、水和食物都可以循環再生,同時它有綠色植物、有動物,人長期以來已經習慣這樣的環境。所以它對人的心理也是非常有益的,因此這個技術是長期載人航天必須的生命保障技術。
  為登月準備的“月宮一號”105天的生存實驗
  從2004年開始我們開展了研究,要將其用到太空,必須要在地面做實驗。2013年,我們設計了空間基地生命保障人工閉合生態系統地基綜合實驗裝置,這是它的學名,我們給它命名為“月宮一號”,這樣命名是因為在可預見的將來,它應該是最早會用在月球上。
  我們從2014年2月3日(大年初四)開始做的實驗,到5月20日結束,實驗持續了105天。“月宮一號”由兩個艙組成,植物艙和綜合艙,艙中的每個角落除了私密空間卧室和洗漱間以外所有的角落都有視頻監控,24小時監控,艙外的監控室24小時有人值班,艙內的各個部分的溫濕度、壓力和氣體的情況也進行實時在線監控和數據採集。
  植物艙:十期小麥共存,為人類供氧供食
  我們在植物艙內種植了21種作物,它包括5種糧食作物,有小麥、大豆、花生、油莎豆和玉米。
  油莎豆大家可能不太瞭解,它類似於花生,屬於油料作物,是提供植物性脂肪的。另外的作物還有一些蔬菜,一種水果,水果就是草莓。相對於其他水果,草莓生長期比較短,而且它株高較低,占用的空間很少。
  對於這個系統來說我們篩選植物首先要考慮它的株高,這跟地面上是不一樣的,我們要考慮單位體積的產量,不是單位面積的產量。另外一個,我們要考慮這個作物是不是能夠進行長日照,能夠進行長日照是我們優先選擇的,因為這樣它生長得比較快,晚上也進行光合作用。我們採用的是人工光源,用的是LED燈,紅燈和白燈組合的,24小時照明,光強也是可以調的,我們要通過這次實驗進一步地優化我們的技術和工藝參數。
  在我們這個艙里我們是三層立體栽培,做到三層後也可以做到多層立體栽培,因為它的技術是一樣的。作物的營養液的供給是用特製微孔管,植物需要多少水,它會從這個微孔管里吸出來多少,這樣就沒有浪費。
  在這個系統中種植植物的方式是跟我們地面上完全不一樣的,地面上是種了一茬,收了之後再種下一茬,有的可能一年只能種一茬,而我們採用的是分批半連續培養。
  我們的系統中同時會存在處在各個生長階段的植物,比如說小麥,就同時種著長了幾天的小苗,已經是十幾天的苗,二十幾天的……馬上要收穫的,每隔7天收穫一批種植一批,十期小麥同時存在。如果按照地面傳統的種植方式,當小麥都處在第一期的時候,剛種下的種子前三四天不進行光合作用,之後的幾天它長得很慢,光合作用強度很低,產氧很少,過不了幾天,人就會因為二氧化碳濃度高中毒死了,或昏厥過去,所以我們必須分批半連續種植,每個生長階段的都有,這樣這裡面的氣體才是均衡的。不同批次同時種植還可以始終保持為乘員提供新鮮食物,而且庫存很少,減少額外的庫存花費。
  綜合艙:異養生物“供給”二氧化碳和肥料
  “月宮一號”綜合艙中主要是異養的生物,包括人、動物和微生物。這裡的動物說的是黃粉蟲,黃粉蟲它給人提供動物蛋白。另外利用微生物進行廢物處理,全部都是消耗氧氣的。異養生物消耗了氧氣然後排放了二氧化碳,空氣就變成了富二氧化碳的空氣,我們把它送到植物艙,植物用二氧化碳進行光合作用就產生了很多的氧氣,空氣就變成了富氧的空氣,我們把它通過空氣凈化後再送到綜合艙,這樣我們的氣體就可以循環起來了。
  同樣的道理,我們的水也是循環的,空間站的人喝的水來自於空氣冷凝水,我們的系統里的人喝的水、用的水也是來自空氣冷凝水。植物在光合作用的同時會有蒸騰蒸發作用,蒸騰蒸發作用會產生水汽,還有人的呼吸、體表蒸發,以及廢物處理都會產生很多的水汽,這些水汽我們通過冷凝獲得冷凝水,通過處理凈化之後給人飲用或者是用於衛生使用,多餘的部分會把它配製成營養液用於植物栽培。
  人洗漱、洗菜、洗碗都會產生很多的衛生廢水,單獨收集之後也是經過處理把它凈化,凈化之後配製營養液用於植物栽培。尿液我們也是收集之後進理,同時回收尿液裡面的水和氮素,尿液里的尿素含量很高,這個是植物所需要的營養元素,我們把水和氮素回收之後也是用於植物栽培。這樣我們的水也是完全循環起來的,可以百分之百循環。
  各種固體廢物,像植物的秸稈,人們吃的葉子,還有剩的一些飯,以及人的排泄物,把它們共同進行生物處理,它會放出二氧化碳,我們把這些二氧化碳送到植物艙進行光合作用,殘留的物質可以用於植物栽培,這樣我們的物質大多數也就可以循環利用起來。此外,這個系統裡面將秸稈進行生物發酵之後跟老的菜葉子一起飼喂黃粉蟲,還可以獲得一部分的動物蛋白。
  這樣我們整個系統的物質、氧氣、水和食物都可以循環利用起來。
  除了肉所有物質97%循環再生
  5月20日我們完成了我國首次生物再生生命保障系統長期多人密閉實驗。這次實驗系統總的閉合度達到了97%,也就是說人所需要的所有物質97%是循環再生的,只有3%是外援的,主要是肉類。雖然我們培養了黃粉蟲,但是人不能全吃黃粉蟲,還是需要其他的肉類的。我們系統的氧氣和水是百分之百再生的,食物總體再生了55%。
  “月宮一號”這次實驗的居民有三個人,謝倍珍是博士(教師),董琛是博士研究生,王敏娟也是博士研究生。他們的分工非常明確,謝倍珍在這個系統裡邊除了擔任艦長,還要負責艙內的科研管理工作,以及所有的廢物處理,還有就是負責養黃粉蟲。
  董琛主要是負責培養小麥,這個任務非常重要,因為在這裡邊一共有69平方米的種植面積,小麥40平方米,小麥是最主要的糧食作物,他種的好壞決定了這三個人能不能吃飽,氧氣是否充足。王敏娟負責21種作物中除了小麥以外所有作物的栽培,種類非常多。此外,她還要負責做飯,對於我們這個系統來說,做飯很特殊,我們要從小麥粒開始去做。收穫了小麥以後要把它磨成面,然後再去做面點。另外我們這個系統裡邊是不許爆炒、不允許有油煙的,所以她要用蒸煮的方式或者水炒的方式做出可口的飯。草莓是他們的奢侈品,不能天天供應,可能三天、四天能摘到一盤,所以他們吃草莓的時候就像過節。但是好處是105天每隔三天五天他們都能吃到一盤,這和我們地面上不一樣,他們沒有季節性。
  航空技術改變生活
  服務國防海島沙漠高原都能用
  我們針對航天需求研究了這些技術,主要是用在航天上,也可以用在地面改善我們的生活。比如我們可以利用微生物對水源進行實時在線監測。我們的微生物燃料電池中有生物,微生物在裡邊活動,如果水是正常的,它正常地產電,在一定的電壓水平上;如果水是有毒的,它會受到影響,而電是跟它的生命相關的,那麼電壓就會降下來,電壓降下來到一定程度達到我們設置的預警線就會報警,可以自動切斷水源,就不會造成受污染的水源進入各家各戶的情況發生,因此這個技術在地面上將有很廣的應用。
  這個生物再生生命保障系統還可以在地面上很多地方找到應用成果。比如我們要開發南極北極,開發的人要在那裡生活,就需要生命保障。那些地方非常寒冷,除了一些特殊的生命以外,綠色植物非常的少,那麼要在這樣的野外生存還不污染周邊的環境,我們的系統就可以提供生命保障。除此以外,像海島、沙漠、高原等這樣一些極端惡劣環境條件下,都可能有一些非常大的應用前景,因此我們的系統也可以服務國防,會有非常大的應用前景。 整理/記者張麗新聞觀察員劉為
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