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B大型受控生態生保系統『生物圈2號』
-英國的『伊甸園』生態生保系統
-美國的『生態之家』生命保障系統
-我國受控生態生保系統中的蔬菜利用紅色LED燈光進行高效光合作用
-美國民營航天公司SpaceX的密閉生態系統
2012年12月1日,我國首次受控生態生保集成試驗參試乘員唐永康、米濤順利出艙,圓滿完成了在密閉試驗艙內為期30天的科學試驗,受到人們的熱情迎接。在未來,將有越來越多的航天員在太空艙中享受『田園風光』,在辛勤耕種之後可以享用到新鮮的蔬菜和肉食。保障太空生活的三種方法
如何對航天員的太空生活提供保障?目前人們所能想到的有三種方法。第一種方法是自帶所需物資,這是目前所有載人航天器所采用的方法。這種方法成本很高,昇空的時候要攜帶大量生活必需品,返航的時候要攜帶糞便和其他生活垃圾。第二種方法是就地取材在外星上獲得物資。這種方法所需的技術要求很高,目前還沒有什麼實際進展,近50年都難以完成。
現在的太空旅行大多只有幾天,對於一直在太空中停留的載人國際空間站,也需要3個月補給一次物資。如果要進行外星探索,比如飛往火星,那時間就很長了。火星距離地球最近距離有5500萬公裡,最遠距離則有4億公裡。2011年發射到火星的『好奇』號火星車,經歷了10個月纔抵達了火星。如果載人航天器飛往火星,飛行時間肯定會超過1年,往返就得2年。由於中途不能補充飲食,如果全部飲食自帶,至少得准備6噸飲食,還得有個巨大的衛生間來處理和承載2年航程中所產生的糞便。
從目前的技術和航天成本來看,載人火星探索光是吃喝拉撒就很艱難了。難道就沒有別的辦法了?有!這就是太空生命保障的第三種方法:受控生態生保系統。
帶著生物去太空旅行
開展長時間、遠距離和多乘員的載人深空探測和外星移民與開發,是未來航天技術發展的必然方向,而建立受控生態生保系統是解決其生命保障問題的根本途徑。所謂受控生態生保系統,其實就是一個封閉的『太空農場』。在這個『農場』中,航天員的大小便和部分生活垃圾經過微生物的分解發酵之後,可以作為植物的肥料。植物可以直接作為航天員的素食,也可以作為『農場』中動物的飼料,這些動物則可以成為航天員的肉食。更為重要的是,植物還可以為航天員和動物提供所需的氧氣,而航天員和動物呼出的二氧化碳則可被植物吸收,通過光合作用合成有機物質。植物吸收航天員的尿液後,還可以通過蒸騰作用把尿液部分轉化為水蒸氣,冷凝後就可以成為乾淨的飲用水。
從受控生態生保系統的物質循環過程可以看出,在理想狀態下,未來的太空旅行不需要攜帶太多的飲食,只需要攜帶一些植物種子和不同性別的動物幼體,另加少量的應急飲水和食物,就可以在太空中長期漫游了。未來的太空飛船很可能就像是傳說中的諾亞方舟,其中承載了不少生物。這些生物不但是航天員的伙伴,也是航天員的食物。未來的航天員將擁有多重身份,他們不僅是航天員、科學家和探險家,還是會在太空艙中種地的『太空農民』。當然,受控生態生保系統的相關技術不僅適用於太空艙,也適用於外星基地。
多國開發太空農場
近幾十年來,國外一些發達國家一直沒有間斷過對太空農場可行性的研究。早在20世紀60年代,美國和蘇聯就開始了太空農場的研究,在空間植物培養等方面開展了大量研究。1972年,蘇聯科學家首次嘗試建造了受控生態生命保障系統,完成了『生態圈3號』的建造,這個1033平方米的圈地位於西伯利亞,可供3人生存。
1989年,美國宇航局在開始生命保障系統實驗,首先建造的『生態之家』。這是一個形似太空艙的建築,裡面也有兩個房間,一個房間種植植物,一個房間有人進行科學研究。1991年,美國亞利桑那州圖森市建造了『生態圈2號』(Biosphere 2),這是當時最大的受控生態生命保障系統。其中種植了精心挑選的3500種植物,放養了豬、羊、雞等300種動物,以及昆蟲、微生物。遺憾的是,這個實驗以失敗告終。這也說明,生命要長期融入太空,絕非簡單的事情。
1994年,我國在載人航天工程啟動後不久就開始了太空農場的相關研究工作。經過近20年的發展,從最初的概念研究起步,逐步建成了受控生態生命保障技術實驗室。在經過多次成功的植物密閉試驗後,我國首次讓試乘員於2012年11月進入密閉的受控生態生保系統。我國已經建成了『天宮一號』空間站,還將建設更多『天宮』系列空間站,未來的太空農場試驗將從地面轉移到空間站中。
未來去火星看日出
如果受控生態生保系統技術發展成熟,那麼人類就有希望未來在月球或是火星上,人工構造一個『小地球』。科學家認為,將來外星農場也很可能是建成球冠狀,利用其外面可以轉動的反射鏡調節室內溫度。英國英格蘭南部的『伊甸園』半密閉式生態生保系統,就是這樣一片球冠狀建築,其中栽種了4000多種植物。
科學家預測,如果吃喝拉撒的問題能得到很好的解決,第一批外星移民可能在50年內出現。美國民營航天公司SpaceX執行總裁埃隆·馬斯科就表示,未來他們將在火星表面建造8萬人的移居基地。目前,他們也在進行密閉生態系統的試驗。可以預計,外星移民潮可能在我們大多數人的有生之年中湧現。到了那時,去火星看日出將成為新的旅游熱潮。阿碧