飛出地球，當個星際農民

楊先碧

鮮花、掌聲、閃光燈，如同數月前迎接“神九”航天員歸來一般，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，受到人們的熱情迎接，因為他們圓滿完成了在密閉試驗艙內為期30天的科學試驗。這次試驗的成功，標志著我國在“太空農場”研究領域取得了重大進展。在未來，將有越來越多的航天員在太空艙中享受“田園風光”，在辛勤耕種之后可以享用到新鮮的蔬菜和肉食。

未來航天員變身“太空農民”

太空旅行不像在地面上旅行，很多看起來平常的小事到了太空就成了大事情。太空是一個高真空的環境，中途也沒有飯館和廁所，所有的事情都要在封閉的太空艙中完成，需要萬無一失的生命保障系統來支撐。

開展長時間、遠距離、多乘員的載人深空探測和外星移民開發，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，英文名稱為Controlled Ecological Life Support System，縮寫為CELSS。該系統是一項生物科學與工程科學相結合的綜合性生物工程，是利用不同生物種的特點，結合一些物理和化學方法，用工程技術手段在空間建立一個適合人類長期工作和生活的場所。該系統主要通過高等植物和微藻為航天員生產食物、氧氣和水，并吸收航天員產生的二氧化碳等廢氣；通過飼養動物為乘員提供動物蛋白；通過微生物的分解作用，將系統內的廢物轉化為可再利用的物質，從而實現系統內物質的完全閉合循環。

上面的定義看上去稍稍有些復雜，我們可以把它簡化一下：所謂受控生態生保系統就是一個封閉的“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后，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后，還可以通過蒸騰作用把尿液部分轉化為水蒸氣，冷凝后就可以成為干凈的飲用水。

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于太空艙，也適用于外星基地。

參試乘員的幸福生活

1994年，我國在載人航天工程啟動后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。2011年，包括植物艙和乘員艙等12個分系統的受控生態生保系統集成實驗平臺建成。

在經過多次成功的植物密閉試驗后，我國首次讓參試乘員進入密閉的受控生態生保系統，進行為期30天的密閉試驗。這次試驗的重點是研究密閉系統中人與植物間的氧氣、二氧化碳、水等物質的動態平衡調控機制，并掌握就地供應乘員新鮮食物的方法。在這次試驗中，空氣、水和食物的閉合度（即自給自足比例）分別達到100%、85%和15%，系統產生的冷凝水得到100%的回收利用，廢水和尿液平均達到60%的回收利用。

2012年11月1日，唐永康和米濤進入試驗艙，開始了參試乘員的幸福生活。在30天的時間里，兩人每天除了開展各種科學實驗，還要照看設備、管理蔬菜以及鍛煉身體。密閉試驗艙是個“兩居室”，兩個房間的空氣是互相流通的。其中的大屋子有36平方米，用來種植生菜、油麥菜、紫背天葵和苦菊四種植物，它們靠參試乘員的尿液和試驗之初帶入的部分自來水澆灌。這些蔬菜可為參試乘員提供呼吸用氧，并吸收他們呼出的二氧化碳，利用紅色LED燈光進行高效光合作用。試驗艙的小房間有18平方米，是兩人的生活空間，他們在這里可以吃飯、睡覺、健身，還能上網。雖然生活在密閉的試驗艙中，他們一點也不感到孤獨和寂寞，更多的是興奮和自豪。

參與試驗的兩名參試乘員每天吃飯還是以航天食品為主，不過和太空中的航天員不同，他們每餐還可親手采摘并食用新鮮蔬菜30～50克。由于密閉系統中沒有爐灶，他們無法吃到煮熟或炒熟的蔬菜，只能吃涼拌的生蔬菜。參與試驗的唐永康說：“感覺很奇妙，我很喜歡吃這里的蔬菜。”天天吃生蔬菜，聽起來似乎有些難受。然而，對于那些成年累月在太空中旅行的航天員來說，新鮮蔬菜則是他們夢想中的食物。現在的航天食品大多是高度濃縮的、流質狀的，航天員需要像擠牙膏似的把這些流質食物擠進嘴里。

中國航天員中心副總設計師高峰指出，接下來還有很多工作要做。比如，以后還要在這個建在地面上的“太空農場”中飼養動物，包括牲畜和魚類。中國航天員中心正積極籌劃，擬建具有世界先進水平、規模更大的太空密閉生態循環系統研究基地。我國已經建成了“天宮一號”空間站，還將建設更多的“天宮”系列空間站，未來的試驗將從地面轉移到這些空間站中。這些試驗將為我國載人飛船探索月球和火星打下堅實的基礎。

在外星上建造“伊甸園”

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，并在空間站上成功地進行了植物栽培。“和平”號空間站上有一個太空溫室，面積約為900平方厘米，播種了數十粒不同品種小麥的“太空種子”。在太空失重條件下，播種的小麥在70～90天后成熟。在這個封閉的太空溫室內，松土、澆灌等所有農活均是在航天員控制下由機器人自動操作完成的。

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，這個約1 033平方米的生態圈位于西伯利亞，可供3人生存。大型水池中的藻類可以為他們提供氧氣，若生態圈內的一切都運行良好，這個系統可以為居住者提供85%所需的空氣和循環水。在“生態圈3號”里進行的最長的一次實驗，曾長達180天。

1989年，美國宇航局在建造的“生態之家”中開始生命保障系統實驗。這是一個形似太空艙的建筑，里面也有兩個房間，一個房間種植植物，一個房間有人進行科學研究。研究人員在人造的環境中研究廢水的處理和室內空氣質量的狀況，結果不出所料，種植植物能夠極大地提高空氣質量并改善居住者的身體狀況。1991年，美國亞利桑那州圖森市建造了“生物圈2號”，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3 500種植物，放養了豬、羊、雞等300種動物。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。

如果受控生態生保系統技術發展成熟，那么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“太空農場”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，從而使植物處于類似地球上的生長環境。英國在英格蘭南部建造的“伊甸園”，就是這樣的一片球冠狀建筑。這是一片半密閉式生態生保系統，栽種了來自全球總數超過4 000種的植物，人們可以通過特殊的艙門進入參觀。

未來移民外星，你有心理準備嗎？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涌現。到了那時，去火星看日出將成為新的旅游熱潮。

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太空新鮮肉食很可能是蠶

在太空艙中可生產哪些新鮮的蔬菜和肉食？除了考慮動植物的適應性外，還得考慮航天員的營養需求。美國、俄羅斯等國都對太空食譜進行了大量研究，嘗試種植小麥、大豆、土豆、胡蘿卜、番茄、卷心菜、青椒等，它們能在光照下生產供食用的淀粉、植物蛋白、維生素、礦物質等。

說到肉食，我們馬上會想到豬牛羊和雞鴨魚。然而，中國科學家卻推薦了一款我們可能難以下咽的肉食——煎蠶。在外星基地中飼養大型動物還有可能，要在太空艙的狹小空間中飼養這些動物就很不現實了，科學家為此推薦了小個頭的蠶。他們認為蠶的蛋白質含量高、生長周期短、生物轉化效率高、活動所需空間小，飼養蠶的過程中氣味小、不產生廢水。因此，蠶有希望作為太空旅行所需動物蛋白質的最佳候選動物。