航天員在遠離地球的太空中能否長期生活?中國“月宮一號”科研團隊14年不懈努力相關研究攀上世界巔峰
實驗志愿者正在植物艙內采集植物(2017年7月18日攝)。本報記者劉婧宇攝
2017年末,為人津津樂道的事件之一是中國科學家潘建偉入選英國《自然》雜志2017年度十大人物,然而很少有人注意到,《自然》雜志2017年度最佳科學圖片中,也有我國科學家的身影:一幅名為《ISOLATION ZONE》(隔離區)的照片中,透過一個泛著紫紅色光的圓形密閉窗口,一名志愿者正在種滿植物的實驗艙中做實驗。這張照片拍攝自“月宮一號”科研團隊。
“從明天起,關心糧食和蔬菜。我有一所房子,面向月球,春暖花開。”這不是類似海子般的抒情,而是“月宮一號”團隊每天需要極其嚴謹地對待的科學實驗——“月宮365”計劃,即在3個完全密閉的圓柱形“大罐子”中生活365天。“月宮一號”是我國第一個、世界上第三個生物再生生命保障地基有人綜合密閉實驗系統,更是世界上第一個成功的四生物鏈環系統。
為了這個實驗,“月宮一號”科研團隊苦心鉆研14載,從“沒人相信”到“成功運行”,終于使我國“閉環回路生物再生生命保障”技術達到了世界一流水平。
癡心——有夢想的人是幸福的
“航天之父”齊奧爾科夫斯基曾說過:“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。”“閉環回路生物再生生命保障系統‘月宮一號’是能與地球媲美的‘微型生物圈’,可實現航天員在遠離地球的太空長期生活的目標。”“月宮一號”首席科學家劉紅說。
這是一種當今世界上最先進的閉環回路生命保障技術,是未來月球、火星基地等載人深空探測所需的十大關鍵技術之一。在這個鮮有人關注的領域鉆研十幾載,劉紅不覺得苦。她經常在開學典禮上對新同學說“有夢想的人是幸福的”,希望入學的年輕人有篤定的理想信念并執著追求。在生物再生生命保障技術領域孜孜以求地不停探索,就是劉紅的“幸福”。
劉紅教授是北京航空航天大學(以下簡稱北航)生物與醫學工程學院的博士生導師,也是國際宇航科學院院士和俄羅斯自然科學院外籍院士。她個子不高,披肩發整齊地挽一個發髻,講每一句話都很謹慎。
1989年,因為治學嚴謹,加之俄語基礎好,劉紅成為公派留學生到莫斯科大學留學。那時,恰逢蘇聯政局動蕩,當地物資極度匱乏,許多留學生竟從中發現商機,開始兼職“做生意”。他們從國內買商品帶到蘇聯去賣,一轉手就是將近十倍的利潤。
上世紀九十年代的中國,老百姓收入水平普遍較低,少有人能面對如此暴利而不動心,但劉紅沒有。她說,“國家每個月都給補助,夠用了。”談到那些“倒爺”同學,她眼中有一絲黯淡,“他們中很多都移民了,現在基本沒有人在做科研”,之后是許久的沉默。
1994年,劉紅從莫斯科大學獲得環境保護專業博士學位回國后,一直在環境與生態領域探索。1998年,由美、俄、日、加等16國合作的國際空間站開始建設時,我國就希望積極參與國際空間站計劃,但是掌握主導權的一些國家為了防止航天技術的擴散,拒絕中國加入。
回想這段已被塵封許久的往事,劉紅仍憤憤不平:“他們一開始就不想讓我國加入,但是還假惺惺地讓你遞交申請書,讓你把底牌全亮出來然后再拒絕你。”懷著強烈愛國心,這種被排斥的感覺讓她很難受。
看到蘇聯在上世紀七十年代研發出的“生物再生生命保障系統”,如同心被撞到一般,劉紅終于找到了自己的興奮點:我這輩子就要做這個!實驗若能實現高度閉合、甚至完全閉合,人類在地外生存就會解決時間、資源等一系列問題。
劉紅和她的團隊瞄準了國家載人深空探測的重大需求,開始了漫長的探索之旅。
恒心——從“沒人信”到“不敢信”
“如果你知道自己要去哪兒,那么全世界都會為你讓路”,這句雞湯文對于劉紅來說,只適用前半句,她知道自己要做什么、要做成什么,但是面對的是障礙重重,沒有人看好這個項目,沒有人知道該從哪里入手。
她一遍遍做實驗,同時如饑似渴地大量翻閱俄文文獻,從有限的相關材料中發現的每一點“蛛絲馬跡”都能讓她興奮。
從零開始,劉紅帶領的“月宮一號”科研團隊不斷改進方向,艙內適用生物篩選從大型動物到蠶,再到黃粉蟲,實驗一步步成型。
探索總是艱辛的,沒有突破之前,劉紅團隊的研究經常被人笑為“紙上談兵”。那些年,去參加國際學術研討會,她在臺上做報告時明顯聽到周圍有不友好的聲音,里面夾雜著嘲笑、懷疑,會議茶歇的時候也沒有人愿意和她交流。面對冷遇,她并沒有一笑了之,而是倔強地轉身,繼續默默埋頭于實驗研究。
“月宮一號”是為測試月球基地的生命保障系統而設計,要將它變為現實,光靠理論和數據是不行的,得有場地,有經費,有人力物力的全套支撐。但在十幾年前,很難有人有如此超前的理念,理解并支持她。甚至有人說:“你這個項目太遙遠,科研經費要顧要緊且能看見成效的項目。”
那段時間,劉紅成了一名“推銷員”,她一遍遍地寫申請、打報告,大會小會上見縫插針地推薦“月宮一號”。
終于在2012年,“月宮一號”項目獲批,實驗艙就建在北航校園內曾經陳列教學用飛機的那塊地上,因為能承受數噸重的飛機,地面承壓能力夠強,可以省去打地基的步驟。
論證,立項,選址,建設,每一步都不易。
2012年,是劉紅有生以來最累的一年,日常教學照常進行,課后不僅得盯著實驗,“月宮一號”實驗艙每一步的建設更得操心。實驗艙內要實現固體物質、空氣和水的三大循環,并且滿足實驗員的長期居住,對設備的要求非常高。在經費有限的情況下,每一分錢如何實現效用最大化,每種設備該用什么級別,如何讓滿足需求的生產廠家供貨……一個個問題接踵而至,毫不夸張地說,她夢里都在琢磨解決辦法。
談起6年前的建設過程,劉紅仍十分感動,“這些設備很多都是愛國企業家的支持,有的是廠家專門為我們生產的,比如艙內植物生長的光源,市場上的民用光源達不到實驗標準；空調設備,廠家也只收了很少的成本費用；還有實驗員食用的無污染綠色豬肉,也是廠家將最高標準的豬肉贊助給我們。感謝這些有夢想、有愛國情懷的企業家。要不是他們的支持,這個實驗艙造價起碼得翻一倍!”劉紅說,初步算賬,起碼節省了兩千多萬元,“但這個經驗不值得推廣,我們省錢是被‘逼’出來的。”
在實驗艙即將完工之時,俄羅斯科學家依然不相信劉紅及其科研團隊能達到如此高的技術水準。就在2013年元旦,“月宮一號”團隊給俄羅斯的科學友人發去新年祝福電子賀卡,其中附了幾張“月宮一號”的樣圖。這幾位俄科學家在新年聚會上打開了這張賀卡,一致“贊許”:“他們‘畫’得真好!”
得知此事,劉紅并不氣惱,而是將這幾位科學家列入了即將召開的國際學術交流會邀請專家名單。
2013年冬天,“月宮一號”建設完成并成功試運轉,外國幾位科學家受邀來華進行學術研討。劉紅仍記得那位俄羅斯科學家的反應:他站在實驗基地門口將近一分鐘,后來慢慢走進來,圍著占地不過百平方米的實驗艙來來回回看了將近一個小時,他依然不相信眼前這個實驗裝置是真的。當天晚上10點左右,會議結束了,這位科學家提出還要去實驗艙看,他擔心白天看到的只是“裝樣子”的假設備,夜里就會停掉或者“沒有了”。劉紅笑了笑,欣然邀請他隨時去實驗艙參觀。
被震撼到的這位俄羅斯科學家在大紅的留言簿上洋洋灑灑寫了一整頁。
不過他的熱情鬧了個小烏龍,由于看不懂中文,他分不清留言簿的正反面,結果寫到了留言簿的最后一頁,還是倒著的。得知自己寫反了,他要求一定要正著重新寫一次,才能表達敬意。于是,那個被珍藏的留言簿上就有了一正一反兩大段同樣的留言。
2014年5月,“月宮一號”成功進行了為期105天的密閉實驗,已經實現很高的穩定性和閉合度,成為世界上首個成功的四生物鏈環系統。當年9月,該項目以排名第三的成績入選“新中國65年十大引智成果”；2015年伊始,“月宮一號”團隊再次榮獲“2014北京榜樣”特別獎。
在國際會議上,劉紅團隊不再被冷落,NASA也專門邀請劉紅去做講座。面對突如其來的熱情,劉紅很淡定,她說:“我只談我們現在達到的技術水平,關于核心技術內容我一丁點兒也不說。”
用心——艙內生活嚴肅活潑
目前,世界上時間最長、閉合度最高的“月宮365”計劃還在進行,艙內實驗志愿者正在進行第三班實驗,也是最后一班,他們是年初1月26日入的艙,預計在5月15日出艙。
“月宮一號”實驗基地里,監控室門口的倒計時牌有條不紊地提醒著時間的流逝,一號艙門把手上,一個紅紅的中國結在靜靜等著實驗成功。
經過二期升級,現在的“月宮一號”由一個綜合艙和兩個植物艙組成,綜合艙面積42平方米,是集客廳、工作間、廚房、餐廳多功能一體的交流間；每個植物艙面積約50平方米,實驗員把這里當做一個“開心農場”,“農場”里種著小麥、大豆、玉米等糧食作物,還有胡蘿卜、黃瓜、生菜等蔬菜作物,種植作物共計35種,他們分批次播種,每天都能感受豐收的喜悅。
照片中紫紅色的光是根據植物生長狀況調節而成的人造光源,控制了植物的生長速率,也就保證了實驗艙內氧氣的含量。
去年7月,《新華每日電訊》記者第一次去“月宮一號”實驗基地時,實驗員胡靜斐正坐在監控室里盯著監控平臺,她是第一批入艙志愿者,出艙后已經平安度過了7天的隔離期。出艙當天,北航黨委書記張軍院士、中國載人航天工程總設計師周建平院士、中國空間技術研究院空間站項目副總設計師侯永青等人都來為他們加油鼓勁。
什么樣的人才適合當艙實驗員呢?劉紅說,除了最基本的熱愛祖國航天事業、身體素質過硬外,必須“比較宅”,才能承受住長期封閉生活的考驗。因為在隔離封閉的環境中,缺少足夠的隱私空間和單調的工作任務會增加實驗員的孤獨感和無聊感,長期隔離甚至會出現嚴重的恐懼、憤怒等情緒。
實驗員劉佃磊皮膚較黑,說話不緊不慢,還帶著點山東口音,很符合劉紅說的“比較宅”的特點,他也是第一批進艙的志愿者。回憶起艙內生活,他總結:“每天都很忙。”
老百姓開門7件事:柴米油鹽醬醋茶,在實驗艙內的生活也不例外。告別了學校食堂的美味,劉佃磊每天的工作之一就是“磨面”:將艙內成熟小麥磨成全麥面粉。
他還記得第一天入艙的“囧態”:那天大家計劃午飯吃全麥饅頭,就等劉佃磊的面了,他手忙腳亂地磨著,耗費了太多時間,導致沒有時間發面做饅頭；大家只好將食譜改為面條,結果發現全麥面團韌性不夠,面條一碰就斷；只好又降低要求,于是當天中午吃的是面片湯。
艙內實驗員食物中蛋白質的重要來源之一是黃粉蟲。從大型生物、小型生物到微生物,種類有成千上萬種,最終選定黃粉蟲,并非偶然。
曾經的實驗證明,大型動物,比如牛、羊,并非理想選擇。因為在密閉狹窄空間中,孤單的實驗員會在每天的飼養中對有限數量的動物產生感情,如果最終為了生存而吃掉每天朝夕相伴并親手喂養的動物伙伴,會產生強烈的心理波動,有的實驗員甚至會因此而精神崩潰。
于是,“月宮一號”科研團隊提出將昆蟲類作為生命保障系統候選動物,昆蟲不僅飼養數量不大,人不會和其建立感情依賴,而且飼養過程中很少產生環境污染。劉紅最先提出將蠶作為將來宇航員的蛋白來源,而后又篩選出黃粉蟲。黃粉蟲不僅能提供優質的動物蛋白,又因為它能以系統中植物的秸稈、蔬菜老葉等為食,可作為系統廢物處理的環節之一。
當實驗志愿者的日子里,劉佃磊學會了吃黃粉蟲,將黃粉蟲放在平底鍋中炒至酥脆,然后與小麥一起粉碎制成面粉,經發面蒸成饅頭；或是用植物油炒熟直接食用。他調侃說:“油炒之后的黃粉蟲味道與油炸螞蚱味道類似,可以用4個字概括‘香、嫩、酥、脆’,余味微苦,但香味回味悠長!”實驗艙內有無線網絡,他還時不時在朋友圈里秀一秀廚藝。
除了實驗任務,實驗員也有一些自己的業余時間,大家會看文獻、寫論文、聽廣播、練書法、蹬單車等,胡靜斐說:“顧不上無聊了。”
信心——仰望星空永不止步
每位實驗員在綜合艙內住的都是“膠囊公寓”,臥室約2米長、1.5米寬,一張約1.2米寬的小床就占據了大部分空間,床邊放著一把折疊椅子,靠墻是一個小書桌,墻壁上安裝壁掛式開放儲物柜。
從早晨6點半起床測血壓稱體重開始,一日三餐分工協作,加之每人都有負責的實驗項目,到晚上11點熄燈時,大家都很疲憊。
實驗志愿者高寒將艙內的生活概括為“生存以上,生活以下”:“生存以上”是指這里有生命保障的基礎；“生活以下”,說的是在這里的每一天、每個人做的大事小情,都是實驗,包括情緒波動等一切細節都會轉成數據,所以也就不能簡單稱之為生活。這一切看似瑣碎的積累都是為了將來人類在地外能夠舒適地生活。
“月宮一號”科研團隊會通過電話訪談和分析日志來了解實驗員情緒、需求等心理狀態的變化；艙外有30人組成的科研團隊24小時值班監控,會利用行為表情分析軟件分析艙內實驗員的情緒變化。
當問到二組的艙內實驗志愿者王偉是否焦慮時,她也坦言:“焦慮啊,同年級的都在找工作,實驗時間剛好錯過了秋招和國考。但是我不后悔,進艙后悔一年,不進艙后悔一輩子。”
除夕那天,“月宮365”計劃依然有條不紊地進行。高寒說:“過節不過節,對于我們來說并沒有多大的區別。我們依然要按照日程,完成對植物的日常維護,做健康情緒方面的記錄,空氣、材料、植物、微生物相關的取樣,水處理,固體廢物處理,可靠性分析等等。不過大家也‘螺螄殼里做道場’,利用有限的食材做出了四菜一湯的豐盛年夜飯。”
1月26日,“月宮365”計劃進行了260天,也是第二組艙內實驗志愿者連續密閉獨立生活200天,打破了由俄羅斯科研人員創造的在生物再生生命保障系統中連續駐留180天的世界紀錄。今年5月份,“月宮365”計劃結束時,將創造新的世界紀錄。
目前,“月宮一號”科研團隊已經取得了大量寶貴實驗數據,為我國未來深空探測生物再生生命保障系統積累了大量科學數據,也使得我國在航天生物再生生命保障領域走在了世界前列。
一個當初沒有多少人看好的夢想,最終打破世界紀錄,成為國人驕傲,劉紅體會到了生命中“極大的獲得感”。“覺得這半輩子過得真值。”劉紅說,我們的研究從2004年開始到現在,14年間很多青年才俊都投入進來,他們做了非常大的貢獻。有的人留下了名字,更多的人留下的只是一個背影,但大家都一樣高興,“這是我們大家念茲在茲的星空夢。”對于將來的科研,劉紅很有信心:“以終點為起點,我們仰望星空永不止步!”（劉婧宇）
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