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人类如何实现在太空中长期生存?

2019-06-25 13:03:44 来源:科学大家   

  目前,太空探索正如火如荼,各航天大国都有载人航天计划,目的就是要把人类送到太空去。人类要进入太空,首先得了解太空。人在太空中是没办法生存的,不只是因为真空环境,另外还有很强的宇宙射线。当太阳照射到物体表面的时候,温度可能高达到一两百度甚至更高;温度低的时候可能低至零下七八十度,甚至更低。在这样的环境,不采取措施人类是没法生存的。

  人类如何实现在太空中长期生存?

  人类在太空如何能够生存下来呢?首先要有一个密闭舱的系统,这个密闭舱系统要能够很好的防辐射,并在里面制造一个合适的空气压力,什么叫合适?就像地球的大气压就是合适的。还要有合适的温度湿度, 60%左右的湿度是比较合适的,我们制造了合适的湿度,然后在里面还要制造空气流速,这个是非常重要的。那问题来了,在家不开风扇的时候,我们也活的挺好的,为什么要在太空中要制造合适的空气流速呢?因为在太空中微重力的条件下,空气不对流,如果不人为的搅动空气,空气是静止的,完全靠浓度的差异来进行对流,速度是很慢的。如果这样,待在一个地方不动就会被憋死,因为头部周围的二氧化碳浓度会特别高,从而导致二氧化碳中毒,所以空气的流速是很重要的。

  太空舱是一个封闭的系统,空气污染物很容易累积。密闭舱里有很多材料,这些材料会产生很多污染物,这类污染物占一大部分,也有很多污染物来源于人类自身。我们人在活着的过程中,每时每刻都在释放污染物,大概有两三百种,人在密闭舱系统里会把自己毒死,所以一定要进行空气净化。

  有了环境保障我们在这里大概能够待一段时间,但是待不长。因为我们还缺很多物质,就是里面绿的这一圈,它会提供人活着需要的空气、食物、水,并把产生的废物进行有效的处理和处置,这套系统叫物质条件保障系统。有了环境、物质,我们在里面可以活下来了。但是因为太空跟地面差别很大,重力有区别,辐射会更强,还有封闭的环境比较狭窄,我们可能会郁闷,甚至会抑郁,所以我们还要解决人的生理、心理健康调控的问题。

  三大系统保障太空中人类的安全

  这样我们就构成三大系统:舱室环境控制系统、生命保障系统、健康保障系统。我们团队研究的主题就是生命保障系统,是这里面最复杂和最重要的系统。假如现在我要把你送到太空,如果只允许你带一种物质,你要带什么?

  地球上所有的物质随便带,包括金刚钻、蓝宝石、红宝石、奢侈包都可以带,那你选择带什么呢?有人说带水、氧气、3D打印,大家的想法是不一样的。我们要看人在太空中,对人最重要的物质是什么?没有氧气我们能活多长时间,一般是3-5分钟,对我们第一重要的是氧气。

  接下来是水,如果没有水能活多长时间?大概能活三五天。对我们来说第二重要的是水。

  第三重要的就是食物。这样我们就知道了对于人来说,最重要的是氧气、水和食物。在地球上最重要的是不要钱的,比如说氧气,没有人说你今天呼吸了多少氧气,在嘴上安装一个计量器,喘了多少氧气要计费。我们要知道,便宜的东西不等于不珍贵,最重要、最珍贵的东西是不要钱的。

  接下来就要进行废物处理了,因为我们吃了、喝了、喘气了一定会有废物产生。比如人会排泄,有粪便、尿液,还有很多卫生废水。其实还有一种废物,大家平时没有太注意到,就是二氧化碳。

  如果大家关注新闻会听到很多,地球温室效应的罪魁祸首是二氧化碳,所以大家都很仇恨它。那么二氧化碳真的一无是处吗?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,没有二氧化碳我们是没有办法活下去的,因为光合作用产生了氧气、产生了食物,我们才能活下来。因此可以说地球上如果没有二氧化碳,地球上几乎所有的生命都将不复存在,所以二氧化碳是很重要的,并不是一无是处。一切都是辩证的,没有绝对好的东西,也没有绝对坏的东西,我们要用辩证的思维去思考问题。

  我们给人提供氧气、水和食物,并且对它产生的废物进行有效的处理和处置,这个系统就是满足人在太空中生存所需要物质的一套生命保障系统。生命保障的方式有很多种,最简单的方式也就是现在一些飞船的方式,我们叫携带式,就是所需要的东西都带着,比如氧气、水、食物都带着,然后对它产生的废物打包存起来,二氧化碳用一些吸附剂吸附,然后去除掉,这就是携带式。

  来计算一下需要带多少物资,假设一名航天员,身高170厘米,体重70公斤,男性,在中等劳动强度下,稍微干一点轻体力活,再做一些脑力劳动,这样一个人需要的热量是2800千卡/天,这种条件下他每天需要吸收0.83公斤氧气,释放出0.95公斤二氧化碳,需要15公斤的水。其实15公斤水是很少的,在上海生活,日常每人每天消耗应120-150公斤左右的水,宇航员也就差不多十分之一,已经很节约了,冻干食物0.65公斤,合计是16.4公斤/天。

  那么去太空、月球、火星探索,可能不只这么多。如果待一年就需要6吨,把这些东西运到天上就要算一算花多少钱。这是送一个人到近地轨道空间站所需要花的钱,保守估计360 000 000人民币,要送到月球的费用是3600 000 000人民币,多了一个0,要送到火星是36 000 000 000人民币,再加一个0。即使有钱,在技术上估计也是不可能的。比如要去火星,那边说缺物资了,还要等发射窗口,你可能要等一年,一年以后可能已经变成木乃伊了,因为火星上是真空的环境,一旦物资消耗完了,在真空环境里很快就变成木乃伊了。所以从技术上也是很难实现的,那怎么办呢,我们必须要用别的技术来解决,我们必须要原位循环再生。

  生物再生生命保障系统:太空长期住留探索不可或缺

  近地轨道空间站是怎么原位循环再生的呢?是用物理化学再生的方式。从上图可以看出,可以把很大一部分氧气和水循环再生。仔细看就会发现,人消耗氧气,产生二氧化碳,二氧化碳会被收集、浓缩,然后进入反应器,同时进入反应器的还有水电解产生的氢气,二氧化碳就会被还原生成水,净化之后可以给人喝,当然人产生的尿液也会被收集然后净化。

  目前国际空间站上,能够再生50%的氧气,再生75%的水,食物完全是从地面携带来提供的。所以这样一套系统,很显然不适合我们在月球或者在火星上长期住留,那么怎么办呢?

  对于宇宙来说,地球是特别渺小的,它特别像一个球形的飞船,千千万万的生命生活在地球这个球形飞船上面,那么这些生命是怎么活下来的?地球上的氧气够支撑地球上的生物活大约两千年,而我们地球上的生命已经延续了几十万年,即使对于人类来说,从有文字记载开始,到现在已经有1万多年了。这就有一个悖论,一方面资源非常有限,另外一方面物种的生命是无限延续的。那么地球如何解决这个悖论呢?就是地球的生物圈。

  地球生物圈有一个物质循环,它生成复杂的生态系统网络,使地球上的物质可以一直循环再生,因此实现了生命在地球上的永续存在。所以我们就要向地球学习,人类要进入太空,到地外去流浪,到地外去探索,就要学习地球的生态系统。在更小的飞船里面构建一个生态系统,用这样的生态系统来循环再生人们需要的氧气、水和食物,把废物进行处理和循环再利用,这就是生物再生生命保障系统。

  它可以给人提供一个类似于地球生态的环境,可以在保障物质需求的同时,让我们心情愉悦,远比现在的空间站里愉悦很多,空间站就像一个难民营。地球生态系统没有主人,地球上所有的生物都是这个生态系统中的一个链环,地球的生态系统也不是围绕着人构建的。生物再生生命保障系统跟它有很大的区别,它是完全围绕人的需求来构建的,并且是由人控制的,所以人是这里的主宰和控制者,因此这个系统被认为是世界上最先进的闭环回路生命保障技术,是载人深空探测必须的关键技术。

  我的团队是从2004年开始这项研究的,到现在已经完成了世界上时间最长,闭合度最高的长期有人密闭实验。通过15年的时间,我们先通过引进技术,学习国外的一些先进经验,但可学习的东西并不是很多。我们通过15年的学习和更多的自主研究,从无到有建立了自主知识产权的生物再生生命保障系统理论和技术体系。

  六大关键技术,助力月宫一号实现物质循环和系统平衡

  我们建立了地基实验系统,因为我们研究很多技术、理论、方法要把它集成在地基实验系统中进行演示、验证以及进一步研究和发展。月宫一号,是由一个综合舱、两个植物舱组成。地上面积160平方米,总的体积是500立方米。综合舱里面有人的居住空间,还有洗漱等生活必须的空间,更重要的是里面有废物处理室,在这里面处理三大废水,包括尿液、卫生废水和空气冷凝水,处理各种固体废弃物包括人排泄的固体粪便,秸秆以及在这里面培养的黄粉虫产生的粪,还有生活废物等。在植物舱里面种植各种作物,包括粮食作物、蔬菜作物和水果。之所以设置两个舱有多种考虑,会有一个互为冗余,互为备份的考虑。因为不同的植物需要的环境条件是不一样的,我们在里面做各种分割,实现更符合植物生长需要的环境条件。

  月宫一号的核心是物质循环和系统的平衡。这里涉及到六大关键技术,包括在这样狭窄、密闭、资源受限的环境里如何培养动植物,如何对废物进行高效的处理等,在系统层级包括系统的设计、运行以及调控。我们围绕这些开展了大量的研究工作。

  在这些研究的基础上,我们集成建立了月宫一号系统。我们在2014年做了月宫105实验,做了105天,那个时候里面种植了21种作物。有人问为什么种21种,我们要保证营养健康,从营养学的角度有一个要求,应该尽可能的多样性,这个多样性有一个最小的尺度,应该吃植物性的食物不少于21种,这样才使我们营养均衡,每种食物所含的营养不一样,多种组合才能满足我们的需求。所以平时我们要食物多样化,不能挑食,21种是最最基本的要求,当时因为资源的限制,所以我们就设置了21种作物。

  同时在这里进行动物的培养,这也是我们的创新之点。我们筛选出了黄粉虫,然后用秸秆通过生物转化来培养黄粉虫,它是给人提供动物性蛋白和动物性油的。同时筛选出来适合在密闭系统培养的微生物,来进行废物处理。这是系统中的物质循环,通过这个物质循环,我们实现了闭合度97%,这在当时2014年已经是世界上最高的闭合度,氧气和水是百分之百循环再生,食物再生55%,当时首次实现了人—植物—动物—微生物构成的四生物链环系统。而在我们之前,俄罗斯和美国他们只是做到了人和植物的两生物链环,而我们做到了四生物链环。

  月宫365实验:世界上时间最长的BLSS地基模拟实验

  105天实验之后,经过了升级和发展,又做了月宫365实验。那么为什么我们做了月宫105实验又要做月宫365实验?前面做月宫105实验我们是第一次做这个实验,主要是演示验证我们前期建立的理论方法和技术是否可行,向哪个方向进一步发展。在这之后我们要思考一个非常重要的问题,就是我们在太空中建立了这样一个生物系统,这是一个系统,但是来的人是不一样的,我们不可能把一批航天员,送到月球上,然后待一辈子,是不能的。一定会有乘员组换班,一旦涉及到乘员组换班就会涉及到人与人之间的差异,不同的人代谢水平是不一样的,消耗是不一样的。但是生物系统只有一个,要让这个生物系统适应不同代谢水平的乘员组,换班同时在那个地方待很多人,会有很高的系统冲击。要满足在任何情况下都能够平稳的运转,都能够稳定、平衡,月宫365实验最主要是研究这样一个生物系统如何支撑不同代谢水平的乘员组,如何让它实现平衡。

  因此这次的设计跟上次是不一样的,我们有两组乘员,分三个阶段值班。第一组值第一班,60天,第二组来换班,他们会有一个交接,之后第一组出去,第二组留下来再值200天班,200天满后,第一组又回来换班交接,之后第二组出去,第一组留下来,再值105天班,这是365天,所以叫月宫365实验。

  但我们还要研究一个问题,这是有预谋的,当时没有告诉他们,当时说只做365天,快要到365天时他们都很激动,马上就可以出舱了,然后我们告诉他们对不起,因为任务的需要你们还要再待5天,这叫非预期加班。就是让他们心理产生很大的波动,很不满意,为什么我们该回去还不让回去,会很不高兴,很愤怒,然后很郁闷,我们要研究他是如何生气,如何郁闷的,如何让他不郁闷,如何来调解,因此又加了5天,所以加起来是370天。

  我们还做了很多折磨:停电了、设备坏了,各种冲击,来挑战系统的稳定性。月宫365实验我们种植了35种作物,包括粮食、蔬菜、水果,几乎平时吃到和吃不到的,在这里面都有,最诱人的水果是草莓。这里面除了植物以外,黄粉虫还在,废物处理的微生物还在那里,除此之外增加了植物益生菌,利用秸秆培养蘑菇,给人提供一部分蘑菇蛋白。这样就形成了复杂的四生物链环系统。实现了系统闭合度98%,氧气和水百分之百循环再生,食物再生83%。

  系统中对植物的培养跟地球上不一样,我们叫阶梯半连续培养,同时可以拍到十张甚至三十张植物的照片。为什么这样做?跟我们人的呼吸消耗的氧气和植物产氧匹配不到一起是有关系的,因此必须阶梯半连续培养才能实现气体的稳定。我们会发现,地球南半球和北半球气候是互补的,同时还有大气环流,东半球和西半球日夜是互补的,有这样的大气环流,实时把气体进行混合,这样就使得我们在冬季消耗的氧气产生了二氧化碳源源不断地送到南半球,而南半球源源不断把氧气送过来,反之亦然。白天晚上也是这样交替的。

  地球从设计上就是全球一体化的,如果割裂开来,比如说在美国处于晚上的时候,我们把阀门关上,他们可能就会憋死。如果南半球、北半球中间垒一堵墙可能在南半球进入冬季的时候,他们也会憋死。

  我们还要做一个非常重要的工作,就是做空间搭载,设计一个小型系统,搭载月球火星探测器,进入太空,通过天地对比获得校正参数,校正我们地面大系统的参数,通过校正后我们就可以把系统运用到地外,比如说月球、火星以及星际飞船上。

  未来太空旅行就可以用到这样一个可以持续保障生存的生命保障系统,在这样宜人的环境里面来生活工作。这个技术也可以用到地上,比如地球上的一些极端环境,包括高原、沙漠以及水下、地下这样一些场合。

  从科学上来说,我们要向自然学习,有很多值得我们学习的东西,我们要不停地去观察、去学习,才能够进行原始创新。

  注:本文根据作者在墨子沙龙演讲整理所得,有删减

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