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北航再造“生物圈2号”:持续一年,挑战98%封闭度

时间: 2017年05月12日 | 作者: admin | 来源: 科研圈
2017年5月10日,在北京航空航天大学,著名的“月宫一号”实验室再次启程,开始为期一年的“月宫365计划”

 

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媲美地球的微型生物圈

 

“月宫一号”是我国第一个、世界第三个空间基地生命保障地基综合实验装置,该计划将进行为期365天的多人次更高闭合度的生物再生生命保障系统综合实验,属于世界上时间最长、闭合度最高的该类型实验,将为宇航员搭建一个高闭合度的再生生命保障系统。

 

“月宫一号”总设计师、首席科学家、北京航空航天大学生物与医学工程学院教授刘红介绍,“月宫一号”是能与地球媲美的微型生物圈,可实现航天员在远离地球的太空长期生活的目标,由1个综合舱和2个植物舱组成。其中,综合舱包括居住间、人员交流和工作间、洗漱间、废物处理和昆虫间,植物舱可根据不同植物生长需要独立控制环境条件。

 

事实上这不是“月宫一号”第一次投入应用。早在2014年,就有3位北航学生“宇航员”在全密闭的舱内自给自足生活了105天。与上次相比,这次实验又有了新的变化。研究团队负责人刘红教授说,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,8名志愿者分为2组,设置3班。1组值第一班,持续时间60天,2组值第二班,持续时间200天,1组再值第三班,持续时间105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。”

 

同时记者了解到,这次新增了一个植物舱,所种植的蔬菜、农作物增加到了30多个品种,包括小麦、茄子、豆类、西红柿,还有作为水果的草莓。动物蛋白方面,“宇航员”们除了自己带了一些肉类外,主要就靠舱内养殖的黄粉虫补给。“宇航员”们还带了一些启动用水,入舱后将完全依靠这些水循环使用维持生活。

 

第一批“宇航员”中的舰长刘慧介绍,进舱后每位队员都有独立的分工,比如她就负责统筹舱内所有工作,2号植物舱的种植和管理,还有做饭,“我们收获小麦后会脱粒磨粉,我是河南人,会做馒头。”她笑道。在这样密闭的空间长时间生活会不会孤独?刘慧说他们已经安排了丰富多彩的实验项目和业余生活,“里面还有动感单车,我们也可以上网、看书,不会孤独的。”

 

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“月宫一号”一期实验期间,志愿者收获草莓。图片来源:“月宫一号”微信公众号

 

刘红介绍道,在上次实验基础上,“月宫一号”的软硬件都进行了升级。此次实验目的是明晰在不同代谢水平的乘员组合变换、超高负荷冲击、遭遇停电故障等的情况下,生物再生生命保障系统的抗变换性,进一步验证和完善系统长期稳定运行的调控技术,并研究该生物系统可靠性的评价方法。

 

目标:无补给航天探索

 

“对于身处太空的宇航员来说,每延长一天,都是极端的考验。这次实验所积累的数据,将会对未来保障我国载人登月、月球基地及火星探测等航天计划的顺利进行提供重要的理论和数据支持。”北京航空航天大学校长徐惠彬院士介绍。

 

据了解,“月宫一号”的核心是生物再生生命保障系统(BLSS),这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,在载人深空探测的十大关键技术中优先级最高。其特点是载人飞行器进入外太空后可不再需要或很少需要地面物质支持,氧气、水和食物在系统内通过生物技术实现再生,航天员可长期在站内工作和生活,使得长期载人航天和行星探测成为可能。

 

刘红带领科研团队经过10年努力,突破了系统核心单元技术、系统构建、启动、运行与调控等系列关键技术,从无到有建立了我国空间生物再生生命保障技术体系,自主研制出“月宫一号”,为空间生命保障及其相关领域的科学技术研究建立了独特的实验平台,填补了国内空白。

 

“目前,世界上只有美国和俄罗斯掌握该技术,经过这几年的实验,我们国家的这套生物再生生命保障系统的闭合度已经超越美国和俄罗斯,成为世界最高。”刘红介绍,2014年在“月宫一号”的人工闭合生态系统里,总闭合度达到了97%,而此次会争取达到98%。这意味着,志愿者的每100公斤食物,将有98公斤来自系统内部。

 

有专家评价,“月宫一号”实验团队利用此次“月宫365”大科学实验,将要验证和探索多项深空探测生命保障技术,推动中国航天深空探测技术的发展,是完成世界生物再生生命保障系统中国领航的重要契机。

 

“生物圈2号”的区别

 

提到“自给自足”的生态系统实验,许多人会想到上世纪90年代的著名实验——“生物圈2号”。那么,月宫一号系统与生物圈2号有何区别,又有哪些避免重蹈覆辙的措施呢?

 

生物圈2号的目的是模拟地球生物圈,设计人员将地球的大部分生态系统类型按照比例放到系统内部,虽然生物物种丰富,系统复杂且体积庞大,但是与地球生物圈相比还是非常的简单,依靠其自身不能实现平衡。而人们对这些自然生态系统尚不能精确量化,因此没能实现对其进行人工调控。“月宫一号”目的是为了提供地外生命保障,所有的生物部件(动物、植物、功能微生物)都是经过筛选并进行大量实验研究,实现精确量化,系统是在此基础上经过定量计算设计完成的,因此系统可以实现人工控制。

 

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生物圈2号:一次失败的人造生态系统实验

 

生物圈2号更像一个巨大的密闭玻璃温室,内部环境条件(光照、温度)受到外界天气的影响变化较大,系统内部生物过程(例如植物的呼吸、光合)不易控制,从而影响系统内部气体再生、物质流动。月宫一号为不锈钢结构的密闭舱系统,植物所需的光能来自于人工光源(LED),且系统内部温湿度可人工调控,因此生物过程更易于控制,从而有利于控制系统稳定。

 

生物圈2号内部的农田生态系统大量使用了亚利桑那州的土壤,土壤中带有大量微生物,且其中的有机物非常有利于微生物生长,为了净化系统中的空气,设计了将空气用鼓风机鼓风通过土壤层,利用土壤净化空气,土壤中的微生物疯狂消耗空气的氧气,造成了内部的气体失衡。月宫一号内部的空气净化由空气净化器完成。

 

在结构材料上:生物圈2号的设施大量使用了混凝土,混凝土吸收了大气中的二氧化碳,从而导致系统二氧化碳损失。而月宫一号舱体内壁整体为食品级不锈钢无缝焊接,不会发生二氧化碳被固定的现象,也不会释放气体。


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