登月後靠什麼長期駐留？對話「月宮一號」總師劉紅

當人類踏入月球的那一刻，或許會疑惑：我靠什麼可以長期駐留在這片神秘的土地上？

20年前，北京航空航天大學生物與醫學工程學院劉紅教授的團隊開始研製我國第一個空間基地生命保障地基綜合實驗裝置。經過10年努力，「月宮一號」驚豔亮相。該裝置的研製成功，讓我國成為世界上第三個擁有此項技術的國家。

近日，國際宇航科學院院士、「月宮一號」總設計師劉紅在《The Innovation》上發表題為「構建月面人工生態系統，保障人類長期駐月生存」的學術論文。結合長期積累的數據，劉紅分析了「月宮一號」中生物再生生命保障系統（BLSS）的可行性。她認為，BLSS系統具備了滿足人長期密閉生存的理論和技術基礎，未來可應用於人類在月球的長期駐留生存保障。

劉紅告訴記者，「月宮一號」像是可以提供類似地球生態環境和生命保障的「房子」。歷經20年的發展，目前該裝置總體研製情況如何、後期還有哪些試驗計劃？什麼是BLSS系統、它為何如此重要？就相關問題，3月19日，新京報記者專訪劉紅。

「月宮一號」植物艙已種植35種作物

新京報：「月宮一號」由綜合艙和植物艙組成。綜合艙有42平方米，但植物艙就有50多平方米，為什麼植物艙會佔這麼大比重？

劉紅：目前「月宮一號」有兩個植物艙和一個綜合艙。綜合艙中包括四間臥室、飲食交流工作間、洗漱間、廢物處理和動物養殖間。每個植物艙面積50至60平方米。兩個植物艙又各自分隔為兩個植物培養艙段，所以「月宮一號」內一共有四個植物培養艙段。

植物承擔著為人類生存提供氧氣、水和食物的任務，正如地球上森林和田野的面積遠遠大於居住等建築物的面積，只有達到足夠面積才能承擔起這些功能。因此，在設計「月宮一號」時，其中配置的植物艙空間就要比綜合艙大。

我們在植物艙中一共種植了35種作物，包括糧食、蔬菜和水果。每種作物對環境的要求都不一樣，比如光照、溫度。我們可以對作物進行分類，安排種植在不同的植物培養艙段，再根據不同植物生長需要獨立控制環境條件。

新京報：2014年和2018年曾分別對「月宮一號」進行有人長期閉合實驗，這兩次的實驗目的是什麼？在「月宮一號」艙內的誌願者和艙外人員是怎樣聯繫的？

劉紅：第一次實驗的總任務，是要驗證前期建立的技術、方法、理論是否正確，確定所構建的系統能否保障人員長期密閉生存。第二次實驗的總任務，是明晰在不同代謝水平的乘員組合變換、超高負荷衝擊、遭遇故障等情況下，「月宮一號」的生命保障系統適應性以及相關係統的魯棒性。例如，機電設備及光源在長期運轉情況下若發生故障，艙內人員要怎麼處理應對？同時，我們還開展了在幽閉環境中綠植和光協同調控乘員情緒和心理的方法和技術研究、腸道微生物與心理健康的關係研究等。

跟我國目前的空間站一樣，在「月宮一號」內跟外界聯繫也很方便。艙內有WiFi，可以影片通訊等。

BLSS系統可以再生100%的氧氣和水

新京報：你在最新發表的論文中，再次提到了BLSS系統。BLSS到底指的是什麼？為何如此重要？

劉紅：生物再生生命保障系統（Bioregenerative Life Support System, BLSS）是運用生物技術與工程控制技術，結合月面原位資源利用，構建由植物、微生物、動物組成的人工生態系統，循環再生人員生存所需的氧氣、水和食物並處理廢物，實現月面人員生命保障所需物資原位再生重覆利用，從而減少來自地面的物資補給，降低人員月面駐留對補給的運力和成本需求，被稱為第三代生命保障技術，是長期載人月面任務必備的生命保障技術。

「月宮一號」中的BLSS有「植物-微生物-動物-人」四個生物鏈環，這四個生物鏈環組成的生態系統，實現人在其中生存所需物資的原位再生循環。人鏈環是核心，而植物鏈環是關鍵，承擔著再生氧氣、食物和水的重要功能，運行狀態的好壞直接決定BLSS的功能能否實現。動物鏈環為人提供動物性食物，還有助於維護系統內氣體平衡。微生物鏈環由降解功能微生物和益生功能微生物組成，為實現水、氣循環和維護植物鏈環的穩定運行等提供幫助。

新京報：空間站上的再生式生命保障系統與「月宮一號」內用的BLSS系統有何區別？

劉紅：空間站上的生命保障系統是物理化學再生式。例如，在再生氧氣方面，要將濃縮的二氧化碳導入裝有催化劑的裝置內，再通過置入氫氣，讓它發生氧化還原反應，生成水。水再被電解製取氧氣供人使用。在再生水方面，空間站上一般是收集污水，通過裝置將鹽和水分開，再把水進一步淨化乾淨，循環使用。所以一般來說，空間站上只能再生一部分氧氣和水，食物完全不能再生。

「月宮一號」中的生命保障系統是生物再生式。例如，在四個生物鏈環下，水首先經過微生物淨化，淨化之後會灌溉給植物，植物蒸騰、蒸發產生水蒸氣後，再把水蒸氣變成冷凝水，冷凝水經過簡單淨化後就可以給人用了。因此，我們這個系統中水的再生方式跟地球是一樣的，它的安全性和心理接受度也是非常高的。「月宮一號」內用的BLSS系統可以再生100%的氧氣和水，以及82%的食物。

總體來說，BLSS系統成熟後，不僅可以用到月球上，也可以用到火星以及更遠的星球上。

要抓住機會開展空間小型生態系統實驗

新京報：完善「月宮一號」這種「微型生物圈」還要解決什麼問題？

劉紅：目前，我們的研究還是基於地基實驗開展的。但天上和地上是有區別的，像微重力、輻射劑量、地磁場等，它們在不同環境下，差別就很大。例如，月球上的重力僅為地球的六分之一，只有很微弱的磁場和電離輻射，雖然月球密閉艙做了屏蔽，但是它的艙內電離輻射強度也會比地面上正常的條件要高。

所以，我們要弄清楚這個系統在天上和地球上到底有什麼區別。具體來說，要將「月宮一號」進一步發展，應用到空間站、月球，進而應用到火星，就必須開展空間站、月面、火星上的適應性實驗，需要搭載空間站、月球探測器、火星探測器，開展空間小型生態系統實驗，這是應用「月宮一號」技術實現人類在月面等空間環境生存保障的關鍵一步。通過天地對比實驗，獲取天地差異數據，矯正系統構建算法，為我們針對相應的空間環境給出合適的生存保障技術方案提供關鍵的數據支撐。

新京報：「月宮一號」目前已發展研製了20年，針對「月宮一號」開展的相關實驗，接下來還有什麼計劃？

劉紅：開展空間小型生態系統實驗需要機會。抓住了機會，「月宮一號」技術的發展就會更快。要是機會給得慢，這個系統研究出來的成果也會慢些。我們現在的計劃就是，爭取更多機會做天基實驗，搭載空間站、月球探測器，通過天地對比，來獲得矯正參數。進而設計天上的有人閉合實驗系統，開展從短期到長期的天基有人閉合生存保障實驗。

新京報記者 張建林

編輯 劉夢婕 校對 劉越