太空生活什么樣?“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)告訴你
透過(guò)一個(gè)泛著紫紅色光的圓形密閉窗口，一名志愿者正在種滿植物的實(shí)驗(yàn)艙中做實(shí)驗(yàn)。這是世界頂尖科學(xué)雜志《自然》發(fā)布的2017年最佳科學(xué)圖片中的一幅，圖中展現(xiàn)的正是“月宮一號(hào)”里的場(chǎng)景。
如果你看過(guò)科幻小說(shuō)，想象過(guò)太空生存，你也許知道，當(dāng)人類進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的深空探測(cè)，必須建設(shè)一個(gè)“地外生命保障系統(tǒng)”，原位循環(huán)再生人類生存所需的氧氣、水和食物。而這項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用到空間前，要在地面構(gòu)建地基模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控技術(shù)研究。
在北京航空航天大學(xué)，“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)由此而生。“月宮365”實(shí)驗(yàn)完成了全球最長(zhǎng)時(shí)間的一次太空艙人工密閉生態(tài)系統(tǒng)生存試驗(yàn)，使中國(guó)在載人航天生物再生生命保障領(lǐng)域走在了世界前列。在他們手上，科幻一步步變成了科學(xué)。
“在當(dāng)時(shí)看來(lái)，這是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)”
2018年5月15日，是劉慧永遠(yuǎn)也忘不了的日子。
當(dāng)北京航空航天大學(xué)校園中的一座白色圓頂建筑——“月宮一號(hào)”的艙門(mén)開(kāi)啟，劉慧和另外3位志愿者走出艙外，把在“月宮”里種植的大豆、小麥、胡蘿卜、西紅柿、辣椒等，分發(fā)給艙外慶祝的人群。這意味著“月宮365”實(shí)驗(yàn)成功結(jié)束。紀(jì)錄片《大國(guó)重器》第二季里介紹“月宮365”實(shí)驗(yàn)時(shí)說(shuō)，全球太空艙生存模擬密閉試驗(yàn)此前最長(zhǎng)的時(shí)間是180天，由俄羅斯創(chuàng)造，這次，中國(guó)挑戰(zhàn)的目標(biāo)是365天。
事實(shí)上，從2017年5月10日到2018年5月15日，共有2個(gè)乘員組的8名志愿者在全封閉的“月宮一號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙中連續(xù)駐留370天，比原定的365天又增加了5天，系統(tǒng)閉合程度達(dá)98%。
入艙前一晚，有記者問(wèn)劉慧：是什么使你有勇氣接受這樣一個(gè)長(zhǎng)期密閉實(shí)驗(yàn)的任務(wù)?她毫不猶豫地回答：是劉紅教授十年磨一劍的堅(jiān)持和我們每一位“月宮人”的月宮夢(mèng)。
的確，為了這一刻，北京航空航天大學(xué)教授劉紅和她的“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)已準(zhǔn)備十多年。
2003年，神舟五號(hào)載人飛船成功發(fā)射并返回，中國(guó)成為世界上第三個(gè)把人送入太空的國(guó)家。一個(gè)問(wèn)題擺在科學(xué)家面前：在近地軌道，宇航員賴以生存的物資可全部攜帶;如果人類進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間、更遠(yuǎn)距離的太空探索，這一難題該如何解決?
“靠攜帶供給或由地面補(bǔ)給，費(fèi)用昂貴且技術(shù)上難實(shí)現(xiàn)。”一個(gè)新的研究方向在劉紅腦海中閃現(xiàn)——地外生命保障系統(tǒng)。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是依靠“生物再生”的方式，在月球、火星基地，或是飛向火星的飛船中，構(gòu)建一個(gè)類似地球生物圈的小型生態(tài)系統(tǒng)。
“在當(dāng)時(shí)看來(lái)，這是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)。很多人不理解，覺(jué)得這只是科幻。”但劉紅堅(jiān)信，科學(xué)家就是要關(guān)注10年、20年乃至百年后的技術(shù)需求。放眼世界，一些國(guó)家已陸續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究，她說(shuō)：“中國(guó)人要在這個(gè)領(lǐng)域做出更多貢獻(xiàn)，甚至成為國(guó)際領(lǐng)先。”
這位兒時(shí)就喜歡抬頭看月亮、數(shù)星星的女教授，從2004年起，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)了地外生命保障系統(tǒng)的研究，真正從事起與太空星辰相關(guān)的工作。
外國(guó)專家參觀后寫(xiě)下滿滿一頁(yè)紙的贊嘆
怎樣在地外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)氧氣、水、食物等各種物質(zhì)的循環(huán)利用，構(gòu)建人工生態(tài)系統(tǒng)?這是所有載人航天大國(guó)都希望站上的技術(shù)制高點(diǎn)。此前，其他國(guó)家是在植物和人之間構(gòu)建密閉生存系統(tǒng)，而劉紅決定，打造“人—植物—動(dòng)物—微生物”的“四生物鏈環(huán)”。
從“二”到“四”，看起來(lái)只是數(shù)字的變化，要解決的卻是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的兩個(gè)技術(shù)難題——有供人食用的“動(dòng)物蛋白”問(wèn)題和負(fù)責(zé)廢物處理的“微生物”問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)反復(fù)研究、實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)在1000多種可食用昆蟲(chóng)中，精選了富含蛋白質(zhì)又易于飼養(yǎng)的黃粉蟲(chóng)，解決了整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)的“牛鼻子”;又在種類眾多的微生物中，找到生存在寒冷山洞或極熱高溫地帶、在人體體溫條件下無(wú)法生存的微生物。
這樣，“月宮一號(hào)”里物質(zhì)的閉合循環(huán)就形成了：植物給宇航員提供食物，還能通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣、通過(guò)蒸騰作用產(chǎn)生純凈的飲用水。植物中人不吃的部分，比如作物的秸稈、蔬菜的根和老葉敗葉，用來(lái)飼養(yǎng)動(dòng)物(黃粉蟲(chóng))，為宇航員提供優(yōu)質(zhì)的蛋白和更合理的氨基酸配比。植物的不可食部分、人的排泄廢物、廚余和生活垃圾，通過(guò)微生物分解，變成二氧化碳進(jìn)入到空氣中;從尿液中回收的水和氮素以及經(jīng)過(guò)生物凈化后的衛(wèi)生廢水，用于灌溉培養(yǎng)植物。植物吸收了這些二氧化碳和水，不斷生長(zhǎng)出新的食物。
當(dāng)團(tuán)隊(duì)在小場(chǎng)地里能做的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成，就急需一個(gè)大的場(chǎng)地做系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。一次跟著校領(lǐng)導(dǎo)走訪俄羅斯，在參觀完俄羅斯的密閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，時(shí)任北航校領(lǐng)導(dǎo)連連贊嘆，劉紅瞅準(zhǔn)機(jī)會(huì)，立下軍令狀，“如果給我500平方米，我一定做出更好的。”于是，“月宮一號(hào)”項(xiàng)目終于獲批，在北航新主樓西側(cè)拔地而起。
2013年元旦，“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)給俄羅斯的科學(xué)友人發(fā)去新年祝福電子賀卡，附了上“月宮一號(hào)”的樣圖。這幾位科學(xué)家打開(kāi)賀卡，一致“贊許”道：“他們‘畫(huà)’得可真好!”直到2013年冬天，“月宮一號(hào)”建設(shè)完成并成功試運(yùn)轉(zhuǎn)，外國(guó)幾位科學(xué)家受邀來(lái)華進(jìn)行學(xué)術(shù)研討，還是將信將疑的態(tài)度。
劉紅至今記得，一位俄羅斯科學(xué)家圍著占地不過(guò)百平方米的實(shí)驗(yàn)艙來(lái)來(lái)回回看了將近一個(gè)小時(shí)，不相信眼前這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是真的。當(dāng)天晚上10點(diǎn)左右，會(huì)議已結(jié)束，這位科學(xué)家提出還要去實(shí)驗(yàn)艙看看，他擔(dān)心白天看到的只是“裝裝樣子”的假設(shè)備，夜里就會(huì)停掉或者“沒(méi)有了”。劉紅笑了笑，欣然邀請(qǐng)他隨時(shí)去實(shí)驗(yàn)艙參觀。后來(lái)，這位被震撼到的俄羅斯科學(xué)家按捺不住激動(dòng)，在留言簿上寫(xiě)了一整頁(yè)贊語(yǔ)表達(dá)敬意。
“月宮一號(hào)”在建期間正值炎夏，常常是室外38攝氏度、艙內(nèi)溫度40攝氏度，但團(tuán)隊(duì)還是克服困難，在6個(gè)月內(nèi)順利完工。在外人看來(lái)，這不過(guò)是3個(gè)圓柱形的“大罐子”，而團(tuán)隊(duì)成員相信，在這個(gè)總面積160平方米、總體積500立方米的空間內(nèi)，他們的“月宮夢(mèng)”終將實(shí)現(xiàn)——“我有一所房子，面朝月宮，春暖花開(kāi)”。
“進(jìn)入‘月宮一號(hào)’，就像直接把你送到外太空”
早上7點(diǎn)鐘起床，量體溫、血壓，稱體重。洗漱完沖杯牛奶，一個(gè)饅頭就一盤(pán)生菜炒梅花肉便是早餐，盡管感受不到陽(yáng)光照到身上的溫暖，但走到植物艙，和滿室的綠色打個(gè)招呼，仍然感覺(jué)朝氣蓬勃……志愿者褚正佩這樣向人介紹她在“月宮一號(hào)”里的清晨時(shí)光。
聽(tīng)起來(lái)悠閑，但“月宮”里的生活不比地球，志愿者們承擔(dān)了重要的科研工作。艙內(nèi)遵循“日出而作、日落而息”，但僅靠燈光啟閉模擬日出日落。劉慧說(shuō)：“進(jìn)入‘月宮一號(hào)’，就像直接把你送到外太空。”
在模擬的“外太空”里，每組志愿者4人所需的全部氧氣和水、大部分食物，都要在1個(gè)綜合艙和2個(gè)植物艙里循環(huán)再生。有限的空間里，志愿者們?cè)耘嗔?種糧食作物、29種蔬菜作物、1種水果，僅小麥就要每周收獲3次。他們常常打趣道：“我們就是未來(lái)月球上或者火星上的農(nóng)民。”
370天里，志愿者們重復(fù)“播種、收割和脫粒”這一植物耕作流程160余次，監(jiān)測(cè)記錄健康數(shù)據(jù)700余次，采集2000多個(gè)唾液、尿液、糞便樣品以及口腔、材料表面和空氣的微生物樣品，采集廢物處理系統(tǒng)樣品50余次。此外，他們還克服了幽閉環(huán)境內(nèi)“遮窗”“斷電”“延遲出艙”等種種困難。
志愿者伊志豪說(shuō)，“心理關(guān)”是他們要克服的最大難題。“在艙內(nèi)的生活，就像處于一個(gè)密閉的臥鋪車廂，每天隔著小小的窗口看外面，但有時(shí)需要把窗口遮蔽起來(lái)，適應(yīng)不同的環(huán)境，調(diào)試不同的參數(shù)。這時(shí)，就感覺(jué)車廂進(jìn)了隧道。”
當(dāng)然，“月宮”生活不乏輕松有趣的時(shí)光。志愿者們可以上網(wǎng)、發(fā)微信、看視頻、玩飛鏢，一組4個(gè)人生活在“同一屋檐下”，如同“親兄妹”。
油菜、莜麥菜、西紅柿……利用艙內(nèi)種出的簡(jiǎn)單蔬菜，如何做出一頓可口的飯菜?這難不倒志愿者們。2018年2月15日，“月宮365”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第280天時(shí)正值農(nóng)歷除夕，大家在完成科研任務(wù)之余，用自己種植的食材包了餃子，做了果蔬拼盤(pán)和花饃，吃了一頓“月宮”里的年夜飯。
吃膩了蔬菜，想吃點(diǎn)葷的怎么辦?志愿者劉佃磊與“月宮一號(hào)”里的明星——黃粉蟲(chóng)打交道最多，他用“香、嫩、酥、脆，回味悠長(zhǎng)”來(lái)形容炒熟后黃粉蟲(chóng)的味道，至今仍覺(jué)得是美味。
為了保證植物的產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)，植物艙的LED燈是智能的，其光強(qiáng)和光譜可以根據(jù)植物生長(zhǎng)需求來(lái)調(diào)節(jié)，那么人在艙里待久了想曬曬太陽(yáng)可以嗎?志愿者劉光輝對(duì)“月宮”里的光源最有研究，綜合艙特地安裝的“小太陽(yáng)”，通過(guò)光學(xué)透鏡收集陽(yáng)光，再利用光纖將光束導(dǎo)入艙內(nèi)，讓志愿者們?cè)?ldquo;月宮”里也能“曬太陽(yáng)”。
“記得隔一兩天要喝一次荊芥水，防止感冒。”“月宮365實(shí)驗(yàn)”期間，劉紅一直保持著與艙內(nèi)成員的通話，而志愿者們也在“太空生存”中收獲了豐富的生活技能。“水電工、做飯、保潔、種地、理發(fā)、攝影攝像等，這些技能我們都學(xué)會(huì)了。”劉慧說(shuō)，“這絕對(duì)是偉大又夢(mèng)幻的經(jīng)歷。”
“以終點(diǎn)為起點(diǎn)，我們仰望星空永不止步!”
目前，“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)已取得大量寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們一邊等待可以將生命保障系統(tǒng)帶到地外環(huán)境測(cè)試的合適機(jī)會(huì)，一邊繼續(xù)拓展系統(tǒng)在地面極端條件下的應(yīng)用性。
“這個(gè)項(xiàng)目主要針對(duì)月球、火星等地外基地，同時(shí)還可以應(yīng)用于高原、極地、島礁、深海、深地等具有重要國(guó)防或科研價(jià)值的極端環(huán)境，或者應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)與生態(tài)科學(xué)研究中。”劉紅說(shuō)。
參與過(guò)“月宮365實(shí)驗(yàn)”的志愿者劉光輝，正通過(guò)自主創(chuàng)業(yè)，將月宮中一些技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。“我們已經(jīng)做出了第一臺(tái)集裝箱式植物工廠裝備，目前正在試運(yùn)行狀態(tài)。”劉光輝說(shuō)，雖然很忙，但他還是一直關(guān)注實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)，相信“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)會(huì)再接再厲、再鑄輝煌。
曾是志愿者的董琛已從當(dāng)年的博士生成為一名人民教師。他給兒子起了個(gè)有紀(jì)念意義的小名——“航航”。“希望兒子能傳承航天人特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)的精神，甚至未來(lái)能夠作為宇航員遨游太空。”
曾經(jīng)的團(tuán)隊(duì)成員學(xué)成畢業(yè)，新鮮的年輕力量也在不斷加入。
“讀高中的時(shí)候，生物課本上提到的‘生物圈2號(hào)’(美國(guó)建的一座微型人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng))給我留下深刻印象，其失敗也令人扼腕。之后，在網(wǎng)絡(luò)上看到中國(guó)的‘月宮一號(hào)’，我又激動(dòng)又振奮。”北京航空航天大學(xué)2019級(jí)碩士研究生徐子昂說(shuō)，他一直想加入“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)，終于圓夢(mèng)。“希望今后我們團(tuán)隊(duì)能讓更多科幻變成科學(xué)。”
回望過(guò)去，劉紅很感慨：“一個(gè)當(dāng)初沒(méi)有多少人看好的夢(mèng)想，最終打破世界紀(jì)錄，成為國(guó)人驕傲，我覺(jué)得這半輩子過(guò)得真值。”劉紅說(shuō)，16年間很多青年才俊加入進(jìn)來(lái)，有的人留下了名字，更多的人留下的只是一個(gè)背影，但大家都一樣高興，因?yàn)檫@是大家念茲在茲的月宮夢(mèng)、星空夢(mèng)。
對(duì)于將來(lái)的科研工作，劉紅和團(tuán)隊(duì)成員信心滿滿：“以終點(diǎn)為起點(diǎn)，我們仰望星空永不止步!”
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“月宮一號(hào)”大事記
■ 2013年10月，“月宮一號(hào)”地基綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功研制，這是中國(guó)第一個(gè)、世界上第三個(gè)月球基地生命保障人工閉合生態(tài)系統(tǒng)地基實(shí)驗(yàn)裝置。
■ 2014年5月，“月宮一號(hào)”成功進(jìn)行了中國(guó)首次長(zhǎng)期高閉合度集成試驗(yàn)，密閉試驗(yàn)持續(xù)了105天。
■ 2014年9月，“月宮一號(hào)”研究成果入選“新中國(guó)65年十大引智成果”。
■ 2017年12月，世界頂尖科學(xué)雜志《自然》雜志在其官網(wǎng)上發(fā)布了2017年最佳科學(xué)圖片，共計(jì)14幅，“月宮一號(hào)”入選。
■ 2018年5月，“月宮365”實(shí)驗(yàn)成功，這是世界上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、閉合度最高的密閉實(shí)驗(yàn)。
■ 2019年4月，“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)榮獲“中國(guó)五四青年獎(jiǎng)?wù)?rdquo;。
責(zé)任編輯：Rex_01
