北航再造「生物圈2號」：持續一年，挑戰98％封閉度

第一組兩名參與實驗的志願者在「月宮一號」的植物艙內向艙外致意。圖片來源：新華社記者 鞠煥宗

2017年5月10日，在北京航空航天大學，著名的「月宮一號」實驗室再次啟程，開始為期一年的「月宮365計劃」，志願者將在最大限度的封閉環境下「自給」一年，探索未來用於航天的高閉合度的再生生命保障系統。

綜合整理自人民日報、北航新聞網、中國青年網、科學網等

編輯 張士超

媲美地球的微型生物圈

「月宮一號」是我國第一個、世界第三個空間基地生命保障地基綜合實驗裝置，該計劃將進行為期365天的多人次更高閉合度的生物再生生命保障系統綜合實驗，屬於世界上時間最長、閉合度最高的該類型實驗，將為宇航員搭建一個高閉合度的再生生命保障系統。

據「月宮一號」總設計師、首席科學家、北京航空航天大學生物與醫學工程學院教授劉紅介紹，「月宮一號」是能與地球媲美的微型生物圈，可實現航天員在遠離地球的太空長期生活的目標，由1個綜合艙和2個植物艙組成。其中，綜合艙包括居住間、人員交流和工作間、洗漱間、廢物處理和昆蟲間，植物艙可根據不同植物生長需要獨立控制環境條件。

事實上這不是「月宮一號」第一次投入應用。早在2014年，就有3位北航學生「宇航員」在全密閉的艙內自給自足生活了105天。與上次相比，這次實驗又有了新的變化。研究團隊負責人劉紅教授說，首先是實驗時間更長，這次8位「宇航員」分兩組，每組兩男兩女，將在艙內生活整整365天，8名志願者分為2組，設置3班。1組值第一班，持續時間60天，2組值第二班，持續時間200天，1組再值第三班，持續時間105天。「兩組人交替入艙，交接在專門的『氣閘艙』緩衝帶完成，跟真實的空間站換班一模一樣。」

同時記者了解到，這次新增了一個植物艙，所種植的蔬菜、農作物增加到了30多個品種，包括小麥、茄子、豆類、西紅柿，還有作為水果的草莓。動物蛋白方面，「宇航員」們除了自己帶了一些肉類外，主要就靠艙內養殖的黃粉蟲補給。「宇航員」們還帶了一些啟動用水，入艙後將完全依靠這些水循環使用維持生活。

第一批「宇航員」中的艦長劉慧介紹，進艙後每位隊員都有獨立的分工，比如她就負責統籌艙內所有工作，2號植物艙的種植和管理，還有做飯，「我們收穫小麥後會脫粒磨粉，我是河南人，會做饅頭。」她笑道。在這樣密閉的空間長時間生活會不會孤獨？劉慧說他們已經安排了豐富多彩的實驗項目和業餘生活，「裡面還有動感單車，我們也可以上網、看書，不會孤獨的。」

劉紅介紹道,在上次實驗基礎上,「月宮一號」的軟硬體都進行了升級。此次實驗目的是明晰在不同代謝水平的乘員組合變換、超高負荷衝擊、遭遇停電故障等的情況下，生物再生生命保障系統的抗變換性，進一步驗證和完善系統長期穩定運行的調控技術，並研究該生物系統可靠性的評價方法。

目標：無補給航天探索

「對於身處太空的宇航員來說，每延長一天，都是極端的考驗。這次實驗所積累的數據，將會對未來保障我國載人登月、月球基地及火星探測等航天計劃的順利進行提供重要的理論和數據支持。」北京航空航天大學校長徐惠彬院士介紹。

據了解，「月宮一號」的核心是生物再生生命保障系統（BLSS），這是目前世界上最先進的閉環迴路生命保障技術，也是人類實現在外太空長期生存的核心技術，在載人深空探測的十大關鍵技術中優先順序最高。其特點是載人飛行器進入外太空後可不再需要或很少需要地面物質支持，氧氣、水和食物在系統內通過生物技術實現再生，航天員可長期在站內工作和生活，使得長期載人航天和行星探測成為可能。

劉紅帶領科研團隊經過10年努力，突破了系統核心單元技術、系統構建、啟動、運行與調控等系列關鍵技術，從無到有建立了我國空間生物再生生命保障技術體系，自主研製出「月宮一號」，為空間生命保障及其相關領域的科學技術研究建立了獨特的實驗平台，填補了國內空白。

「目前，世界上只有美國和俄羅斯掌握該技術，經過這幾年的實驗，我們國家的這套生物再生生命保障系統的閉合度已經超越美國和俄羅斯，成為世界最高。」劉紅介紹，2014年在「月宮一號」的人工閉合生態系統里，總閉合度達到了97%，而此次會爭取達到98%。這意味著，志願者的每100公斤食物，將有98公斤來自系統內部。

首批四名志願者進行入艙宣誓。圖片來源：北航新聞網

有專家評價，「月宮一號」實驗團隊利用此次「月宮365」大科學實驗，將要驗證和探索多項深空探測生命保障技術，推動中國航天深空探測技術的發展，是完成世界生物再生生命保障系統中國領航的重要契機。

與「生物圈2號」的區別

提到「自給自足」的生態系統實驗，許多人會想到上世紀90年代的著名實驗——「生物圈2號」。那麼，月宮一號系統與生物圈2號有何區別，又有哪些避免重蹈覆轍的措施呢？

生物圈2號的目的是模擬地球生物圈，設計人員將地球的大部分生態系統類型按照比例放到系統內部，雖然生物物種豐富，系統複雜且體積龐大，但是與地球生物圈相比還是非常的簡單，依靠其自身不能實現平衡。而人們對這些自然生態系統尚不能精確量化，因此沒能實現對其進行人工調控。「月宮一號」目的是為了提供地外生命保障，所有的生物部件（動物、植物、功能微生物）都是經過篩選並進行大量實驗研究，實現精確量化，系統是在此基礎上經過定量計算設計完成的，因此系統可以實現人工控制。

生物圈2號：一次失敗的人造生態系統實驗

生物圈2號更像一個巨大的密閉玻璃溫室，內部環境條件（光照、溫度）受到外界天氣的影響變化較大，系統內部生物過程（例如植物的呼吸、光合）不易控制，從而影響系統內部氣體再生、物質流動。月宮一號為不鏽鋼結構的密閉艙系統，植物所需的光能來自於人工光源（LED），且系統內部溫濕度可人工調控，因此生物過程更易於控制，從而有利於控制系統穩定。

生物圈2號內部的農田生態系統大量使用了亞利桑那州的土壤，土壤中帶有大量微生物，且其中的有機物非常有利於微生物生長，為了凈化系統中的空氣，設計了將空氣用鼓風機鼓風通過土壤層，利用土壤凈化空氣，土壤中的微生物瘋狂消耗空氣的氧氣，造成了內部的氣體失衡。月宮一號內部的空氣凈化由空氣凈化器完成。

在結構材料上：生物圈2號的設施大量使用了混凝土，混凝土吸收了大氣中的二氧化碳，從而導致系統二氧化碳損失。而月宮一號艙體內壁整體為食品級不鏽鋼無縫焊接，不會發生二氧化碳被固定的現象，也不會釋放氣體。

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