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内容导读: 月宫一号 是北京航空航天大学建立的空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置。是为了集成验证生物再生生命保障系统单元技术、研究系统基础理论和方法、系统设计理论和方法、系统调控技术而建立的大型地基实验系统。 月宫一号,基于生态系...

   "月宫一号" 是北京航空航天大学建立的空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置。是为了集成验证生物再生生命保障系统单元技术、研究系统基础理论和方法、系统设计理论和方法、系统调控技术而建立的大型地基实验系统。

"月宫一号",基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合,构建由植物、动物、微生物组成的人工闭合生态系统,人类生活所必需的物质,如氧气、水和食物,可以在系统内循环再生,为人类提供类似地球生态环境的生命保障。

      自2004年起,北航刘红教授经过10年努力研制出我国第一个世界上第三个空间基地生命保障地基综合实验装置"月宫一号",并于2014年5月成功完成了我国首次长期高闭合度集成实验,密闭实验持续了105天。使我国此项技术水平与国际最高水平同处于同一水平上。研究成果将为我国今后深空探测生命保障提供理论和基础技术。

 

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2017年7月9日,“月宫365”实验换班仪式在北京航空航天大学“月宫一号”实验室举行,四人作为第二批志愿者进入“月宫一号”,他们将在密封环境中生活和工作200天。

   

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密闭实验

2017年5月10日,8位北京航空航天大学的学生“宇航员”分两批进入该校自主设计的密闭舱室“月宫一号”,开启他们365天的完全自主生活。

这是继北航2014年5月成功完成为期105天的我国首次长期高闭合度集成实验后,进行的为期365天多人次更高闭合度的生物再生生命保障系统综合实验。

8名北航的在读研究生将作为志愿“宇航员”分两组轮换入舱完成此次实验[3]。

“月宫365”实验自5月10日第一组四名志愿者入舱开始密闭实验以来,进展顺利。4人的各项生理指标均被准确记录,舱内各项设备运转正常,大豆、油莎豆、小麦、芋头等作物及西红柿、辣椒等蔬菜的生长情况良好。

2017年7月9日,“月宫365”实验换班仪式在北京航空航天大学“月宫一号”实验室举行,四人作为第二批志愿者进入“月宫一号”,他们将在密封环境中生活和工作200天。

第二乘员组的代谢高于第一乘员组,实验将研究在不同代谢水平的乘组变换时系统的稳定性,验证和发展系统长期运行调控技术。此外,实验还将研究人长期在幽闭环境中的心理变化,自然光节律对人情绪的影响,肠道微生物与人的情绪变化之间的关系,不同种类的植物对人的情绪调控作用等

    8名志愿者分3批入舱封闭生活365天,实验已进入倒计时阶段;舱内连续驻留200天,打破世界纪录

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    叶菜绿油油成长,黄瓜挂在枝头,志愿者收割小麦、处理废物……透过泛着红蓝光的舷窗,“月宫一号”真实生活图景展现在公众眼前。

4月21-22日,北京航空航天大学面向社会公众开放“月宫一号”科普基地。

“月宫一号”是我国第一个、世界上第三个生物再生生命保障地基有人综合密闭实验系统,是世界上第一个成功的四生物链环系统。

“月宫一号”目前在进行的“月宫365”实验,是针对载人月球基地及火星探测等航天计划而开展的综合性实验,主要任务是研究一个生物系统如何实现为不同代谢水平的乘员组提供生命保障,并保持系统稳定,为此8名志愿者需要交替分三个班次进入,封闭生活365天。

 

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植物选择

BLSS中的植物,需要满足一系列在狭小、密闭、微重力、超真空、强辐射的空间环境生存特点,还要能发挥食物生产、大气再生与净化、水分再生与净化和废物处理与再生等一种或几种作用。

植物是整个生保系统的核心部分,筛选的植物合适与否在很大程度上决定着试验的成败。那些体积小、培养技术简单、易于繁殖和移植,遗传性状稳定、生长快、周期短、产量高、可食部分比值高,抗病和抗逆性强的植物优先被挑选,科学家还注意到,主要作为食物的它们,要符合人们的饮食文化习惯,并能满足食谱的多样化,还要具备一些本国特点。

微生物领域的金针菇、平菇、酵母菌,藻类中的螺旋藻、小球藻等,还有研究中中国首次引入的水生蕨类植物红萍成为科学家选中的第一批实验者。中国把目标集中在叶菜类上。1997年,中国航天医学工程研究院联合中科院的多家研究所进行了植物选育,从十几种叶菜类蔬菜中选出生菜、油菜、白菜和豌豆苗,实验证实,其中更符合中国人口味的油菜和白菜被认为是非常理想的“太空食品”。而豌豆幼苗则勉强通过了密闭环境的考验。

揭秘1

什么是“月宫一号”?

由1个综合舱和2个植物舱组成,植物舱种植主食、蔬菜等

“月宫一号”由1个综合舱和2个植物舱组成,总面积160平方米,总体积500立方米。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。每个植物舱分隔为2个植物间,可根据不同植物生长需要独立控制环境条件。

据月宫一号总设计师、首席科学家刘红介绍,植物舱Ⅰ主要种植主食类,包括小麦、土豆、胡萝卜、葱等。植物舱Ⅱ种植蔬菜等,有大豆、油莎豆、黄瓜、西红柿、辣椒等。

植物舱Ⅰ贴了单面透的膜,从里面看不到外部世界;而植物舱Ⅱ的悬窗没有贴膜,内外通透。刘红解释,舱内设有摄像头,会有摄像头捕捉舱内人员的行为,由此开展一些心理学研究。

植物种类的种植选择,一方面要考虑营养需求,根据营养匹配,还需要生产效率高,栽培工艺简单。并且,根据植物的需要设置光配方,“植物对红光、蓝光需求高,红光最多,其次是蓝光,所以植物舱看起来是泛红蓝光。”刘红介绍。

 

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揭秘2

水气100%循环如何实现?

废水净化、水汽冷凝,生产的水分别用于配置营养液、饮用等

“月宫一号”系统闭合程度可达98%,舱内水和氧气可实现100%循环再生。

100%的水循环如何实现?刘红告诉记者,人产生的废水包括尿液、卫生废水等进行净化处理,之后是用于配置营养液,栽培植物。植物蒸发以及人的呼吸会产生水汽,水汽会到空气里,利用冷凝水收集系统收集后,集中进行净化,供人饮用、洗漱、洗衣服等。“这和我们平时喝的水来源是极其相似的,我们平时喝的水从江河湖泊来,江河湖泊水也是空气冷凝水。”刘红解释道。

100%的空气循环又是如何实现?在系统中,植物是自养生物,消耗二氧化碳、产生氧气,人和动物以及微生物则是异养生物,消耗氧气、产生二氧化碳。舱内有一套空气循环系统,植物舱产生的富氧空气会打到综合舱,综合舱产生的富二氧化碳的空气会经过净化后打到植物舱,由此来进行氧气和二氧化碳的循环再生。

那固体废物怎么处理?舱内设置了废物处理间,处理固体和液体废物的场所。“固体废物包括人粪、植物秸秆及厨余等,它们会进入废物处理间,利用生物转化剂进行处理。”刘红说。

 

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揭秘3

在“月宫”里如何生活?

日程安排非常满,可上网、追剧,黄粉虫也是舱内食物

2017年5月10日,“月宫365”实验计划启动,实验长达365天,舱内志愿者共8名,分两组,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。

现在,志愿者的“月宫”时光进入倒计时,不过刘红告诉记者,这365天的挑战新增了一个“应急加班”实验,延期5天,以考查志愿者心理情绪变化情况。

志愿者每天在舱内会进行哪些活动?8名志愿者之一的刘慧此前曾告诉记者,里面日程安排非常满,基本是六点半起床、晚上十一点睡觉。每人每天还要测量和记录体重、体温、血压与血氧饱和度等健康指标。

志愿者在舱内也有娱乐活动。刘慧介绍,从晚上6点吃晚饭开始,志愿者们做饭、吃饭、聊天,“里面可以上网看新闻,了解国家大事,也会追一些热片,外面发生的事情通过网络也都知道。”

志愿者在舱内怎么吃饱肚子呢?“‘月宫365实验’中,80%的食物来自循环再生,还有20%是油盐糖及部分肉类等外源食物。”刘红说。

值得注意的,黄粉虫也是舱内的食物。据介绍,黄粉虫既能为志愿者提供丰富的可食蛋白,又能降解舱内部分废弃物从而加速物质循环,还起着一定的心理调适的作用。具有营养丰富、部分废弃物处理、培养条件容易满足、食用安全且味道鲜美的特点。

 

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自给自足包饺子过新年

今年大年30下午,北京青年报记者探访“月宫一号”时发现,舱内志愿者们已经开始为年夜饭忙碌起来,洗菜、和面、备馅,准备包一顿饺子。他们用舱内自己种植的食材包了一顿饺子作为年夜饭,在封闭的实验舱内度过了一个特殊的新年。

去年中秋,志愿者们也度过了一个自给自足的节日。他们把亲手种植的小麦磨成面粉,用亲手种植的蔬菜水果自制了马铃薯月饼和胡萝卜月饼。

 

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“月宫一号”志愿者们在实验舱内包饺子过新年

“月宫一号”由北京航空航天大学刘红教授团队于2013年10月研制成功,并于2014年完成了持续105天的我国首次长期高闭合度集成试验,标志着我国成为了继俄罗斯、美国之后,第三个掌握了该技术的国家,也标志着世界上首个由“人-动物-植物-微生物”构成的四生物链环人工闭合生态系统的成功建立。

舱内闭合度达到了97%,循环再生了100%的氧气和水、55%的食物。这为我国空间站设计提供了重要实验支撑。

“月宫一号”所使用的生物再生生命保障技术,是保障人类在月球、火星等地外星球长期生存所需关键技术。在这项技术应用到空间探索前必须进行地面演示验证实验。

据刘红教授此前介绍,“月宫一号”一期包括1个综合舱和1个植物舱,总面积100平方米,总体积300立方米,可满足3人生命保障需求。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。植物舱分隔为2个植物间,可根据不同植物生长需要独立控制环境条件。“月宫一号”首次长期高闭合度集成试验中,在植物舱中完全人工控制的环境下,乘员们栽培了5种粮食作物、15种蔬菜作物、1种水果。

乘员们收获粮食、蔬菜、水果和黄粉虫,自己加工并食用。综合舱中人、动物和废物处理产生的富二氧化碳空气经净化后送达植物舱,供植物光合作用;植物舱中,植物光合作用产生的富氧空气净化后送到综合舱供人和动物呼吸,并提供废物处理所需氧气;植物蒸腾作用产生的冷凝水通过净化后,一部分经系统补充微量元素后送到综合舱满足人的生活用水,其余与净化后的生活废水和尿液一起用于植物栽培。由此,形成一个闭环生命保障系统。

 

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“月宫一号”志愿者

经过升级后,如今的“月宫一号”由1个综合舱和2个植物舱组成,总面积150平方米,总体积500立方米,可实现4人所需的全部氧气和水、大部分的食物在系统内循环再生。

 

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-对话

“月宫一号”总工程师刘红:

虽还在地面研究以后会太空搭载

新京报:举办开放日科普活动,出于什么考虑?

刘红:“月宫365”实验进程密集,参观的多了也会影响实验,一直没公开参观,这次借着第三个航天日机会,面向公众开放,希望能激发公众,尤其是青少年对科学的热情,培养后续力量。

新京报:实验已进入倒计时,目前各方面进展如何?

刘红:总体情况运转良好。实验的核心目的是如何支持不同水平的志愿组的生命保障,因为在外太空也不可能一组人派过去一直待着,会有不同水平的成员交替换班,所以我们设置了两组代谢水平,一组代谢水平相对较低,一组较高,1-2-1交替证明了系统可以稳定调控。

 

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新京报:“月宫365”计划期间,有没有遇到什么困难?

刘红:比较大的困难是实验持续时间特别长,中途跨越各种节日,不管是中秋节、春节,成员必须在岗。

技术层面上,舱内的成员驻留了200天,打破了此前由俄罗斯科研人员创造的在生物再生生命保障系统中连续驻留180天的世界纪录,我们要保证这200天从心理到生理都很健康。

而且这个系统,设置了换班,有各种代谢水平交替,要保证及时调控系统,这也是很大的挑战。

新京报:“月宫一号”的实验会应用到太空吗?

刘红:目前在全世界还没有到空间应用级别,停留在地面研究阶段,以后要做太空搭载,比如搭载月球探测器、火星探测器、空间站,研究空间环境对这个系统产生什么影响,通过天地对比,来分析获得矫正参数、矫正模型,这样整个大系统的参数、模型就可以应用到太空中了。

 

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新京报:“月宫一号”进行的实验会应用到民生中吗?

刘红:植物栽培技术可以很好地应用到植物工厂,可以节省土地,产品质量、污染问题都很好控制。光谱配方、营养液的循环技术都可以在农业方面进一步应用,应用到现代精准农业。

新京报:除了农业还有别的技术转化?

刘红:“月宫一号”里的家庭、办公场所也可以做转化技术,比如做家庭生态屋,在家里做植物栽培。因为植物不仅是食物,还可以增加空气湿度、增加负氧离子、调节人的情绪和心理。这次试验,做了大量实验,不同的植物,人看着它、栽培它、食用它都是什么感受,会做很多研究。接下来可以做一些产品、设备,让普通人、没有相关技能的人可以很好地操作。

 

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植物舱内设紫色光源

  昨日(21日)上午,记者来到“月宫一号”科普基地时,参加观众正在工作人员的组织下有序进场,兴致勃勃地边观看宣传视频,边聆听讲解。同时,还有多名讲解人员随时回答观众疑问。

  植物舱舱门的中部经过处理,可以清楚地看见舱内乘员志愿者工作情况,这也成为当天最受观众欢迎的参观环节。尽管舱外的观众气氛热烈,舱内的工作人员却丝毫不受影响,一直专心处理手头的工作。植物舱内为什么是紫色光源?讲解员表示,“‘月宫一号’内部光环境十分讲究,植物舱设计了利于植物生长的特殊光源。志愿者在光下操作时需要佩戴防护眼镜,避免了部分光谱对人眼的不利刺激。”

  专程从河南赶来参观的杜卓远小朋友,是所有观众里年纪最小的一位,今年只有10岁。“我是和爸爸妈妈一起来的,今天早上6点刚到北京,明天就回家了。”杜卓远告诉记者,他从小就对科技兴趣浓厚,自从去年从网上了解了“月宫一号”的信息,就一直非常关注,这次也是专程前来参观学习的,“我最关心的是废物处理和生命循环的问题”。

 

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实验“突然”延长5天

  “月宫365”实验,计划为4人365天,舱内实验志愿者共有8名,分为两个乘员组,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。舱外会有两名工作人员实行两班倒的方式通过监控录像,密切观察舱内情况,随时进行沟通或者调整。

  

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    原本定于今年5月10日结束的实验计划,现在却被推迟到了15日。对此,刘红教授解释,“月宫365”实验的目的不仅仅在于生物方面的研究,同时也在开展幽闭环境中绿色植物与光协同调控乘员情绪和心理的方法和技术研究、肠道微生物与心理健康的关系研究等。“我们特意‘突然’延长舱内实验者的工作周期,以此观察他们的心理状态与反应”。

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