“我们将科幻变成了科学”(走近创新团队⑦)

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今年8月3日23时59分拍摄于上海的最圆时刻的月亮。  新华社记者 王 翔摄

2019年“月宫一号”团队在实验舱前合影。  “月宫一号”团队供图

“月宫一号”模型图。  “月宫一号”团队供图

透过一个泛着紫红色光的圆形密闭窗口,一名志愿者正在种满植物的实验舱中做实验。这是世界顶尖科学杂志《自然》发布的2017年最佳科学图片中的一幅,图中展现的正是“月宫一号”里的场景。

如果你看过科幻小说,想象过太空生存,你也许知道,当人类进行长时间、远距离的深空探测,必须建设一个“地外生命保障系统”,原位循环再生人类生存所需的氧气、水和食物。而这项技术在应用到空间前,要在地面构建地基模拟实验验证系统,进行系统的运行调控技术研究。

在北京航空航天大学,“月宫一号”团队由此而生。“月宫365”实验完成了全球最长时间的一次太空舱人工密闭生态系统生存试验,使中国在载人航天生物再生生命保障领域走在了世界前列。在他们手上,科幻一步步变成了科学。

“在当时看来,这是一个遥远的梦”

2018年5月15日,是刘慧永远也忘不了的日子。

当北京航空航天大学校园中的一座白色圆顶建筑——“月宫一号”的舱门开启,刘慧和另外3位志愿者走出舱外,把在“月宫”里种植的大豆、小麦、胡萝卜、西红柿、辣椒等,分发给舱外庆祝的人群。这意味着“月宫365”实验成功结束。纪录片《大国重器》第二季里介绍“月宫365”实验时说,全球太空舱生存模拟密闭试验此前最长的时间是180天,由俄罗斯创造,这次,中国挑战的目标是365天。

事实上,从2017年5月10日到2018年5月15日,共有2个乘员组的8名志愿者在全封闭的“月宫一号”实验舱中连续驻留370天,比原定的365天又增加了5天,系统闭合程度达98%。

入舱前一晚,有记者问刘慧:是什么使你有勇气接受这样一个长期密闭实验的任务?她毫不犹豫地回答:是刘红教授十年磨一剑的坚持和我们每一位“月宫人”的月宫梦。

的确,为了这一刻,北京航空航天大学教授刘红和她的“月宫一号”团队已准备十多年。

2003年,神舟五号载人飞船成功发射并返回,中国成为世界上第三个把人送入太空的国家。一个问题摆在科学家面前:在近地轨道,宇航员赖以生存的物资可全部携带;如果人类进行更长时间、更远距离的太空探索,这一难题该如何解决?

“靠携带供给或由地面补给,费用昂贵且技术上难实现。”一个新的研究方向在刘红脑海中闪现——地外生命保障系统。

简单地说,就是依靠“生物再生”的方式,在月球、火星基地,或是飞向火星的飞船中,构建一个类似地球生物圈的小型生态系统。

“在当时看来,这是一个遥远的梦。很多人不理解,觉得这只是科幻。”但刘红坚信,科学家就是要关注10年、20年乃至百年后的技术需求。放眼世界,一些国家已陆续开展相关研究,她说:“中国人要在这个领域做出更多贡献,甚至成为国际领先。”

这位儿时就喜欢抬头看月亮、数星星的女教授,从2004年起,带领团队一头扎进了地外生命保障系统的研究,真正从事起与太空星辰相关的工作。

外国专家参观后写下满满一页纸的赞叹

怎样在地外环境中实现氧气、水、食物等各种物质的循环利用,构建人工生态系统?这是所有载人航天大国都希望站上的技术制高点。此前,其他国家是在植物和人之间构建密闭生存系统,而刘红决定,打造“人—植物—动物—微生物”的“四生物链环”。

从“二”到“四”,看起来只是数字的变化,要解决的却是业内公认的两个技术难题——有供人食用的“动物蛋白”问题和负责废物处理的“微生物”问题。

经过反复研究、实验,团队在1000多种可食用昆虫中,精选了富含蛋白质又易于饲养的黄粉虫,解决了整个系统技术难点的“牛鼻子”;又在种类众多的微生物中,找到生存在寒冷山洞或极热高温地带、在人体体温条件下无法生存的微生物。

这样,“月宫一号”里物质的闭合循环就形成了:植物给宇航员提供食物,还能通过光合作用产生氧气、通过蒸腾作用产生纯净的饮用水。植物中人不吃的部分,比如作物的秸秆、蔬菜的根和老叶败叶,用来饲养动物(黄粉虫),为宇航员提供优质的蛋白和更合理的氨基酸配比。植物的不可食部分、人的排泄废物、厨余和生活垃圾,通过微生物分解,变成二氧化碳进入到空气中;从尿液中回收的水和氮素以及经过生物净化后的卫生废水,用于灌溉培养植物。植物吸收了这些二氧化碳和水,不断生长出新的食物。

当团队在小场地里能做的实验已经完成,就急需一个大的场地做系统实验。一次跟着校领导走访俄罗斯,在参观完俄罗斯的密闭实验系统后,时任北航校领导连连赞叹,刘红瞅准机会,立下军令状,“如果给我500平方米,我一定做出更好的。”于是,“月宫一号”项目终于获批,在北航新主楼西侧拔地而起。

2013年元旦,“月宫一号”团队给俄罗斯的科学友人发去新年祝福电子贺卡,附了上“月宫一号”的样图。这几位科学家打开贺卡,一致“赞许”道:“他们‘画’得可真好!”直到2013年冬天,“月宫一号”建设完成并成功试运转,外国几位科学家受邀来华进行学术研讨,还是将信将疑的态度。

刘红至今记得,一位俄罗斯科学家围着占地不过百平方米的实验舱来来回回看了将近一个小时,不相信眼前这个实验装置是真的。当天晚上10点左右,会议已结束,这位科学家提出还要去实验舱看看,他担心白天看到的只是“装装样子”的假设备,夜里就会停掉或者“没有了”。刘红笑了笑,欣然邀请他随时去实验舱参观。后来,这位被震撼到的俄罗斯科学家按捺不住激动,在留言簿上写了一整页赞语表达敬意。

“月宫一号”在建期间正值炎夏,常常是室外38摄氏度、舱内温度40摄氏度,但团队还是克服困难,在6个月内顺利完工。在外人看来,这不过是3个圆柱形的“大罐子”,而团队成员相信,在这个总面积160平方米、总体积500立方米的空间内,他们的“月宫梦”终将实现——“我有一所房子,面朝月宫,春暖花开”。

“进入‘月宫一号’,就像直接把你送到外太空”

早上7点钟起床,量体温、血压,称体重。洗漱完冲杯牛奶,一个馒头就一盘生菜炒梅花肉便是早餐,尽管感受不到阳光照到身上的温暖,但走到植物舱,和满室的绿色打个招呼,仍然感觉朝气蓬勃……志愿者褚正佩这样向人介绍她在“月宫一号”里的清晨时光。

听起来悠闲,但“月宫”里的生活不比地球,志愿者们承担了重要的科研工作。舱内遵循“日出而作、日落而息”,但仅靠灯光启闭模拟日出日落。刘慧说:“进入‘月宫一号’,就像直接把你送到外太空。”

在模拟的“外太空”里,每组志愿者4人所需的全部氧气和水、大部分食物,都要在1个综合舱和2个植物舱里循环再生。有限的空间里,志愿者们栽培了5种粮食作物、29种蔬菜作物、1种水果,仅小麦就要每周收获3次。他们常常打趣道:“我们就是未来月球上或者火星上的农民。”

370天里,志愿者们重复“播种、收割和脱粒”这一植物耕作流程160余次,监测记录健康数据700余次,采集2000多个唾液、尿液、粪便样品以及口腔、材料表面和空气的微生物样品,采集废物处理系统样品50余次。此外,他们还克服了幽闭环境内“遮窗”“断电”“延迟出舱”等种种困难。

志愿者伊志豪说,“心理关”是他们要克服的最大难题。“在舱内的生活,就像处于一个密闭的卧铺车厢,每天隔着小小的窗口看外面,但有时需要把窗口遮蔽起来,适应不同的环境,调试不同的参数。这时,就感觉车厢进了隧道。”

当然,“月宫”生活不乏轻松有趣的时光。志愿者们可以上网、发微信、看视频、玩飞镖,一组4个人生活在“同一屋檐下”,如同“亲兄妹”。

油菜、莜麦菜、西红柿……利用舱内种出的简单蔬菜,如何做出一顿可口的饭菜?这难不倒志愿者们。2018年2月15日,“月宫365”实验进行到第280天时正值农历除夕,大家在完成科研任务之余,用自己种植的食材包了饺子,做了果蔬拼盘和花馍,吃了一顿“月宫”里的年夜饭。

吃腻了蔬菜,想吃点荤的怎么办?志愿者刘佃磊与“月宫一号”里的明星——黄粉虫打交道最多,他用“香、嫩、酥、脆,回味悠长”来形容炒熟后黄粉虫的味道,至今仍觉得是美味。

为了保证植物的产量与营养,植物舱的LED灯是智能的,其光强和光谱可以根据植物生长需求来调节,那么人在舱里待久了想晒晒太阳可以吗?志愿者刘光辉对“月宫”里的光源最有研究,综合舱特地安装的“小太阳”,通过光学透镜收集阳光,再利用光纤将光束导入舱内,让志愿者们在“月宫”里也能“晒太阳”。

“记得隔一两天要喝一次荆芥水,防止感冒。”“月宫365实验”期间,刘红一直保持着与舱内成员的通话,而志愿者们也在“太空生存”中收获了丰富的生活技能。“水电工、做饭、保洁、种地、理发、摄影摄像等,这些技能我们都学会了。”刘慧说,“这绝对是伟大又梦幻的经历。”

“以终点为起点,我们仰望星空永不止步!”

目前,“月宫一号”团队已取得大量宝贵的实验数据,他们一边等待可以将生命保障系统带到地外环境测试的合适机会,一边继续拓展系统在地面极端条件下的应用性。

“这个项目主要针对月球、火星等地外基地,同时还可以应用于高原、极地、岛礁、深海、深地等具有重要国防或科研价值的极端环境,或者应用于现代农业、环境保护与生态科学研究中。”刘红说。

参与过“月宫365实验”的志愿者刘光辉,正通过自主创业,将月宫中一些技术产业化。“我们已经做出了第一台集装箱式植物工厂装备,目前正在试运行状态。”刘光辉说,虽然很忙,但他还是一直关注实验室动态,相信“月宫一号”团队会再接再厉、再铸辉煌。

曾是志愿者的董琛已从当年的博士生成为一名人民教师。他给儿子起了个有纪念意义的小名——“航航”。“希望儿子能传承航天人特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献的精神,甚至未来能够作为宇航员遨游太空。”

曾经的团队成员学成毕业,新鲜的年轻力量也在不断加入。

“读高中的时候,生物课本上提到的‘生物圈2号’(美国建的一座微型人工生态循环系统)给我留下深刻印象,其失败也令人扼腕。之后,在网络上看到中国的‘月宫一号’,我又激动又振奋。”北京航空航天大学2019级硕士研究生徐子昂说,他一直想加入“月宫一号”团队,终于圆梦。“希望今后我们团队能让更多科幻变成科学。”

回望过去,刘红很感慨:“一个当初没有多少人看好的梦想,最终打破世界纪录,成为国人骄傲,我觉得这半辈子过得真值。”刘红说,16年间很多青年才俊加入进来,有的人留下了名字,更多的人留下的只是一个背影,但大家都一样高兴,因为这是大家念兹在兹的月宫梦、星空梦。

对于将来的科研工作,刘红和团队成员信心满满:“以终点为起点,我们仰望星空永不止步!”

链接

“月宫一号”大事记

■ 2013年10月,“月宫一号”地基综合实验系统成功研制,这是中国第一个、世界上第三个月球基地生命保障人工闭合生态系统地基实验装置。

■ 2014年5月,“月宫一号”成功进行了中国首次长期高闭合度集成试验,密闭试验持续了105天。

■ 2014年9月,“月宫一号”研究成果入选“新中国65年十大引智成果”。

■ 2017年12月,世界顶尖科学杂志《自然》杂志在其官网上发布了2017年最佳科学图片,共计14幅,“月宫一号”入选。

■ 2018年5月,“月宫365”实验成功,这是世界上持续时间最长、闭合度最高的密闭实验。

■ 2019年4月,“月宫一号”团队荣获“中国五四青年奖章”。

资料来源:“月宫一号”团队

(本报记者 叶 子)

《 人民日报海外版 》( 2020年09月01日   第 05 版)

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