“月宮一號”植物艙中的LED植物照明

劉文科

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所)

2018年5月15日上午，在由北京航空航天大學研制的“月宮一號”中進行了為期370天的人類密閉生存模擬試驗獲得了圓滿成功，創造了人類密閉生存時間的世界紀錄。此次試驗實現了98%系統閉合度，氧氣和水100%在系統內循環再生，80%的食物循環再生。“月宮一號”是一種生物再生生命保障系統，系統是基于生態系統原理將生物技術與工程控制技術有機結合，構建由植物、動物、微生物組成的人工生態系統，人類生活所必需物質在系統內循環再生，為人類提供類似地球生態環境的生命保障。“月宮一號”的具體構造包括1個綜合艙和2個植物艙，總面積160平方米，總體積500立方米。每個植物艙分隔為2個植物間，可根據不同植物生長需要獨立控制環境條件，從光照、溫度、養分等方面調控植物更快更好地生長發育，獲取更多的人體所需的健康物質，供志愿者食用，維持生命活動。在完全沒有太陽光的情況下，需要怎樣的人工光照條件是“月宮一號”必需解決的技術難點問題。“月宮一號”植物栽培利用了人工光植物照明技術——LED植物照明。

LED光源具有傳統光源無法比擬的太空應用優勢，具有節能、環保、體積小、光效高、可調制光譜、可智能控制光環境、冷光源、堅固耐用等光電優勢，可很好地滿足太空條件下狹小的生物再生生命保障系統中立體栽培，提高稀缺空間的利用效率，能夠滿足多種植物種類對光照條件特定的需求，保障了農作物的優質高產。而且，LED運行時的低熱量產出有利于減輕保障系統能量平衡的控制。LED植物照明技術助力了這次試驗的成功，展現了LED光源在太空的應用前景。“月宮一號”植物艙的植物生長光源由北京航空航天大學研制，植物生長LED光源采用145只1米長100 W智能4通道植物生長燈，162只1.2米120 W智能4通道植物生長燈。植物艙中需要種植幾十種作物，如大豆、油莎豆等糧食作物，以及辣椒、茄子、西紅柿等茄果類作物和油菜、生菜、荊芥等蔬菜作物。因此，針對不同類型的作物、不同生長周期、不同時段，植物照明方案采用獨立的“多通道”無線調光方式，以保障植物艙內各種植物對光的需求。“月宮一號”植物艙首創了4通道獨立調控且峰值波長的組合符合植物光合作用吸收響應曲線，實現了在一個植物照明燈具上可以根據不同的作物的光合作用特征，在光質、光周期以及光量子通量密度上進行自由調控，為不同作物的光配方的研究工作建立了系統基礎。這次世界上時間最長、閉合度最高的生物再生生命保障系統試驗，實現了閉合度和生物多樣性更高的“人-植物-動物-微生物”四生物鏈環人工閉合生態系統的長期穩定循環運轉，且保持了人員身心健康，而植物照明技術裝備研發是關鍵技術裝備研發的環節之一，通過植物光合作用可產生氧氣，消納艙室內二氧化碳，對維持艙室內物質和能量平衡至關重要，并提供人體必需的維生素、微量元素和碳水化合物等營養物質。此外，綠色植物可愉悅實驗艙內試驗人員的心情，有利于其生理健康和精神健康。

自紅光LED和藍光LED問世以來，以LED光源為核心的植物照明技術快速發展，不僅成功應用于設施園藝規模化生產，還可用于設施植物高效補光照明(溫室補光)和完全人工光植物生產照明(植物工廠)，對保障園藝作物優質高產生產，實現高效、智慧農業具有重要意義。而且，LED植物照明實現了諸多特殊場所的植物生產，滿足了特殊人群對新鮮蔬菜等農產品的需求。譬如，利用LED植物照明技術裝備，已經實現了在太空、海島、艦艇、極地、家庭、荒漠、戈壁等場所的植物生產，其多元應用價值引起了廣泛的關注。目前我國植物照明已經成為LED照明應用領域較大的細分市場之一，其市場潛在規模巨大。隨著科研人員逐步揭示更多植物的光質生理學規律，以及植物照明光配方數據庫的逐步建立和智能控制系統的不斷開發，LED植物照明已成為衡量國家農業高技術水平的重要標志之一，未來LED植物照明必將在現代農業生產中獲得更大規模的應用。