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人類如何實現太空中長期生存

2019-06-26 09:46:18  來源:新浪科技

目前,太空探索正如火如荼,各航天大國都有載人航天計劃,目的就是要把人類送到太空去。人類要進入太空,首先得了解太空。人在太空中是沒辦法生存的,不只是因為真空環境,另外還有很強的宇宙射線。當太陽照射到物體表面的時候,溫度可能高達到一兩百度甚至更高;溫度低的時候可能低至零下七八十度,甚至更低。在這樣的環境,不采取措施人類是沒法生存的。

人類如何實現在太空中長期生存?

人類在太空如何能夠生存下來呢?首先要有一個密閉艙的系統,這個密閉艙系統要能夠很好的防輻射,并在里面制造一個合適的空氣壓力,什么叫合適?就像地球的大氣壓就是合適的。還要有合適的溫度濕度, 60%左右的濕度是比較合適的,我們制造了合適的濕度,然后在里面還要制造空氣流速,這個是非常重要的。那問題來了,在家不開風扇的時候,我們也活的挺好的,為什么要在太空中要制造合適的空氣流速呢?因為在太空中微重力的條件下,空氣不對流,如果不人為的攪動空氣,空氣是靜止的,完全靠濃度的差異來進行對流,速度是很慢的。如果這樣,待在一個地方不動就會被憋死,因為頭部周圍的二氧化碳濃度會特別高,從而導致二氧化碳中毒,所以空氣的流速是很重要的。

太空艙是一個封閉的系統,空氣污染物很容易累積。密閉艙里有很多材料,這些材料會產生很多污染物,這類污染物占一大部分,也有很多污染物來源于人類自身。我們人在活著的過程中,每時每刻都在釋放污染物,大概有兩三百種,人在密閉艙系統里會把自己毒死,所以一定要進行空氣凈化。

人類如何實現太空長期生存

人類如何實現太空長期生存

上圖中,藍的一圈是環境保障,有了環境保障我們在這里大概能夠待一段時間,但是待不長。因為我們還缺很多物質,就是里面綠的這一圈,它會提供人活著需要的空氣、食物、水,并把產生的廢物進行有效的處理和處置,這套系統叫物質條件保障系統。有了環境、物質,我們在里面可以活下來了。但是因為太空跟地面差別很大,重力有區別,輻射會更強,還有封閉的環境比較狹窄,我們可能會郁悶,甚至會抑郁,所以我們還要解決人的生理、心理健康調控的問題。

三大系統保障太空中人類的安全

這樣我們就構成三大系統:艙室環境控制系統、生命保障系統、健康保障系統。我們團隊研究的主題就是生命保障系統,是這里面最復雜和最重要的系統。假如現在我要把你送到太空,如果只允許你帶一種物質,你要帶什么?

地球上所有的物質隨便帶,包括金剛鉆、藍寶石、紅寶石、奢侈包都可以帶,那你選擇帶什么呢?有人說帶水、氧氣、3D打印,大家的想法是不一樣的。我們要看人在太空中,對人最重要的物質是什么?沒有氧氣我們能活多長時間,一般是3-5分鐘,對我們第一重要的是氧氣。

接下來是水,如果沒有水能活多長時間?大概能活三五天。對我們來說第二重要的是水。

第三重要的就是食物。這樣我們就知道了對于人來說,最重要的是氧氣、水和食物。在地球上最重要的是不要錢的,比如說氧氣,沒有人說你今天呼吸了多少氧氣,在嘴上安裝一個計量器,喘了多少氧氣要計費。我們要知道,便宜的東西不等于不珍貴,最重要、最珍貴的東西是不要錢的。

生命保障系統

生命保障系統

接下來就要進行廢物處理了,因為我們吃了、喝了、喘氣了一定會有廢物產生。比如人會排泄,有糞便、尿液,還有很多衛生廢水。其實還有一種廢物,大家平時沒有太注意到,就是二氧化碳。

如果大家關注新聞會聽到很多,地球溫室效應的罪魁禍首是二氧化碳,所以大家都很仇恨它。那么二氧化碳真的一無是處嗎?二氧化碳有什么用呢?二氧化碳有非常重要的作用——光合作用。地球上光合作用最主要的原料就是二氧化碳,沒有二氧化碳我們是沒有辦法活下去的,因為光合作用產生了氧氣、產生了食物,我們才能活下來。因此可以說地球上如果沒有二氧化碳,地球上幾乎所有的生命都將不復存在,所以二氧化碳是很重要的,并不是一無是處。一切都是辯證的,沒有絕對好的東西,也沒有絕對壞的東西,我們要用辯證的思維去思考問題。

我們給人提供氧氣、水和食物,并且對它產生的廢物進行有效的處理和處置,這個系統就是滿足人在太空中生存所需要物質的一套生命保障系統。生命保障的方式有很多種,最簡單的方式也就是現在一些飛船的方式,我們叫攜帶式,就是所需要的東西都帶著,比如氧氣、水、食物都帶著,然后對它產生的廢物打包存起來,二氧化碳用一些吸附劑吸附,然后去除掉,這就是攜帶式。

來計算一下需要帶多少物資,假設一名航天員,身高170厘米,體重70公斤,男性,在中等勞動強度下,稍微干一點輕體力活,再做一些腦力勞動,這樣一個人需要的熱量是2800千卡/天,這種條件下他每天需要吸收0.83公斤氧氣,釋放出0.95公斤二氧化碳,需要15公斤的水。其實15公斤水是很少的,在上海生活,日常每人每天消耗應120-150公斤左右的水,宇航員也就差不多十分之一,已經很節約了,凍干食物0.65公斤,合計是16.4公斤/天。

那么去太空、月球、火星探索,可能不只這么多。如果待一年就需要6噸,把這些東西運到天上就要算一算花多少錢。這是送一個人到近地軌道空間站所需要花的錢,保守估計360 000 000人民幣,要送到月球的費用是3600 000 000人民幣,多了一個0,要送到火星是36 000 000 000人民幣,再加一個0。即使有錢,在技術上估計也是不可能的。比如要去火星,那邊說缺物資了,還要等發射窗口,你可能要等一年,一年以后可能已經變成木乃伊了,因為火星上是真空的環境,一旦物資消耗完了,在真空環境里很快就變成木乃伊了。所以從技術上也是很難實現的,那怎么辦呢,我們必須要用別的技術來解決,我們必須要原位循環再生。

生物再生生命保障系統:太空長期住留探索不可或缺

生物再生生命保障系統

生物再生生命保障系統

近地軌道空間站是怎么原位循環再生的呢?是用物理化學再生的方式。從上圖可以看出,可以把很大一部分氧氣和水循環再生。仔細看就會發現,人消耗氧氣,產生二氧化碳,二氧化碳會被收集、濃縮,然后進入反應器,同時進入反應器的還有水電解產生的氫氣,二氧化碳就會被還原生成水,凈化之后可以給人喝,當然人產生的尿液也會被收集然后凈化。

目前國際空間站上,能夠再生50%的氧氣,再生75%的水,食物完全是從地面攜帶來提供的。所以這樣一套系統,很顯然不適合我們在月球或者在火星上長期住留,那么怎么辦呢?

對于宇宙來說,地球是特別渺小的,它特別像一個球形的飛船,千千萬萬的生命生活在地球這個球形飛船上面,那么這些生命是怎么活下來的?地球上的氧氣夠支撐地球上的生物活大約兩千年,而我們地球上的生命已經延續了幾十萬年,即使對于人類來說,從有文字記載開始,到現在已經有1萬多年了。這就有一個悖論,一方面資源非常有限,另外一方面物種的生命是無限延續的。那么地球如何解決這個悖論呢?就是地球的生物圈。

地球生物圈有一個物質循環,它生成復雜的生態系統網絡,使地球上的物質可以一直循環再生,因此實現了生命在地球上的永續存在。所以我們就要向地球學習,人類要進入太空,到地外去流浪,到地外去探索,就要學習地球的生態系統。在更小的飛船里面構建一個生態系統,用這樣的生態系統來循環再生人們需要的氧氣、水和食物,把廢物進行處理和循環再利用,這就是生物再生生命保障系統。

它可以給人提供一個類似于地球生態的環境,可以在保障物質需求的同時,讓我們心情愉悅,遠比現在的空間站里愉悅很多,空間站就像一個難民營。地球生態系統沒有主人,地球上所有的生物都是這個生態系統中的一個鏈環,地球的生態系統也不是圍繞著人構建的。生物再生生命保障系統跟它有很大的區別,它是完全圍繞人的需求來構建的,并且是由人控制的,所以人是這里的主宰和控制者,因此這個系統被認為是世界上最先進的閉環回路生命保障技術,是載人深空探測必須的關鍵技術。

我的團隊是從2004年開始這項研究的,到現在已經完成了世界上時間最長,閉合度最高的長期有人密閉實驗。通過15年的時間,我們先通過引進技術,學習國外的一些先進經驗,但可學習的東西并不是很多。我們通過15年的學習和更多的自主研究,從無到有建立了自主知識產權的生物再生生命保障系統理論和技術體系。

生物再生生命保障系統方向研究進展

生物再生生命保障系統方向研究進展

六大關鍵技術,助力月宮一號實現物質循環和系統平衡

我們建立了地基實驗系統,因為我們研究很多技術、理論、方法要把它集成在地基實驗系統中進行演示、驗證以及進一步研究和發展。月宮一號,是由一個綜合艙、兩個植物艙組成。地上面積160平方米,總的體積是500立方米。綜合艙里面有人的居住空間,還有洗漱等生活必須的空間,更重要的是里面有廢物處理室,在這里面處理三大廢水,包括尿液、衛生廢水和空氣冷凝水,處理各種固體廢棄物包括人排泄的固體糞便,秸稈以及在這里面培養的黃粉蟲產生的糞,還有生活廢物等。在植物艙里面種植各種作物,包括糧食作物、蔬菜作物和水果。之所以設置兩個艙有多種考慮,會有一個互為冗余,互為備份的考慮。因為不同的植物需要的環境條件是不一樣的,我們在里面做各種分割,實現更符合植物生長需要的環境條件。

月宮一號的核心是物質循環和系統的平衡。這里涉及到六大關鍵技術,包括在這樣狹窄、密閉、資源受限的環境里如何培養動植物,如何對廢物進行高效的處理等,在系統層級包括系統的設計、運行以及調控。我們圍繞這些開展了大量的研究工作。

月宮一號的核心與關鍵技術

月宮一號的核心與關鍵技術

在這些研究的基礎上,我們集成建立了月宮一號系統。我們在2014年做了月宮105實驗,做了105天,那個時候里面種植了21種作物。有人問為什么種21種,我們要保證營養健康,從營養學的角度有一個要求,應該盡可能的多樣性,這個多樣性有一個最小的尺度,應該吃植物性的食物不少于21種,這樣才使我們營養均衡,每種食物所含的營養不一樣,多種組合才能滿足我們的需求。所以平時我們要食物多樣化,不能挑食,21種是最最基本的要求,當時因為資源的限制,所以我們就設置了21種作物。

同時在這里進行動物的培養,這也是我們的創新之點。我們篩選出了黃粉蟲,然后用秸稈通過生物轉化來培養黃粉蟲,它是給人提供動物性蛋白和動物性油的。同時篩選出來適合在密閉系統培養的微生物,來進行廢物處理。這是系統中的物質循環,通過這個物質循環,我們實現了閉合度97%,這在當時2014年已經是世界上最高的閉合度,氧氣和水是百分之百循環再生,食物再生55%,當時首次實現了人—植物—動物—微生物構成的四生物鏈環系統。而在我們之前,俄羅斯和美國他們只是做到了人和植物的兩生物鏈環,而我們做到了四生物鏈環。

月宮365實驗:世界上時間最長的BLSS地基模擬實驗

105天實驗之后,經過了升級和發展,又做了月宮365實驗。那么為什么我們做了月宮105實驗又要做月宮365實驗?前面做月宮105實驗我們是第一次做這個實驗,主要是演示驗證我們前期建立的理論方法和技術是否可行,向哪個方向進一步發展。在這之后我們要思考一個非常重要的問題,就是我們在太空中建立了這樣一個生物系統,這是一個系統,但是來的人是不一樣的,我們不可能把一批航天員,送到月球上,然后待一輩子,是不能的。一定會有乘員組換班,一旦涉及到乘員組換班就會涉及到人與人之間的差異,不同的人代謝水平是不一樣的,消耗是不一樣的。但是生物系統只有一個,要讓這個生物系統適應不同代謝水平的乘員組,換班同時在那個地方待很多人,會有很高的系統沖擊。要滿足在任何情況下都能夠平穩的運轉,都能夠穩定、平衡,月宮365實驗最主要是研究這樣一個生物系統如何支撐不同代謝水平的乘員組,如何讓它實現平衡。

“月宮365” 實驗

“月宮365” 實驗

因此這次的設計跟上次是不一樣的,我們有兩組乘員,分三個階段值班。第一組值第一班,60天,第二組來換班,他們會有一個交接,之后第一組出去,第二組留下來再值200天班,200天滿后,第一組又回來換班交接,之后第二組出去,第一組留下來,再值105天班,這是365天,所以叫月宮365實驗。

但我們還要研究一個問題,這是有預謀的,當時沒有告訴他們,當時說只做365天,快要到365天時他們都很激動,馬上就可以出艙了,然后我們告訴他們對不起,因為任務的需要你們還要再待5天,這叫非預期加班。就是讓他們心理產生很大的波動,很不滿意,為什么我們該回去還不讓回去,會很不高興,很憤怒,然后很郁悶,我們要研究他是如何生氣,如何郁悶的,如何讓他不郁悶,如何來調解,因此又加了5天,所以加起來是370天。

我們還做了很多折磨:停電了、設備壞了,各種沖擊,來挑戰系統的穩定性。月宮365實驗我們種植了35種作物,包括糧食、蔬菜、水果,幾乎平時吃到和吃不到的,在這里面都有,最誘人的水果是草莓。這里面除了植物以外,黃粉蟲還在,廢物處理的微生物還在那里,除此之外增加了植物益生菌,利用秸稈培養蘑菇,給人提供一部分蘑菇蛋白。這樣就形成了復雜的四生物鏈環系統。實現了系統閉合度98%,氧氣和水百分之百循環再生,食物再生83%。

系統中對植物的培養跟地球上不一樣,我們叫階梯半連續培養,同時可以拍到十張甚至三十張植物的照片。為什么這樣做?跟我們人的呼吸消耗的氧氣和植物產氧匹配不到一起是有關系的,因此必須階梯半連續培養才能實現氣體的穩定。我們會發現,地球南半球和北半球氣候是互補的,同時還有大氣環流,東半球和西半球日夜是互補的,有這樣的大氣環流,實時把氣體進行混合,這樣就使得我們在冬季消耗的氧氣產生了二氧化碳源源不斷地送到南半球,而南半球源源不斷把氧氣送過來,反之亦然。白天晚上也是這樣交替的。

地球從設計上就是全球一體化的,如果割裂開來,比如說在美國處于晚上的時候,我們把閥門關上,他們可能就會憋死。如果南半球、北半球中間壘一堵墻可能在南半球進入冬季的時候,他們也會憋死。

我們還要做一個非常重要的工作,就是做空間搭載,設計一個小型系統,搭載月球火星探測器,進入太空,通過天地對比獲得校正參數,校正我們地面大系統的參數,通過校正后我們就可以把系統運用到地外,比如說月球、火星以及星際飛船上。

未來太空旅行就可以用到這樣一個可以持續保障生存的生命保障系統,在這樣宜人的環境里面來生活工作。這個技術也可以用到地上,比如地球上的一些極端環境,包括高原、沙漠以及水下、地下這樣一些場合。

從科學上來說,我們要向自然學習,有很多值得我們學習的東西,我們要不停地去觀察、去學習,才能夠進行原始創新。

注:本文根據作者在墨子沙龍演講整理所得,有刪減,文中圖片均來自作者演講PPT

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