飞出地球，当个星际农民

杨先碧

鲜花、掌声、闪光灯，如同数月前迎接“神九”航天员归来一般，2012年12月1日，我国首次受控生态生保集成试验参试乘员唐永康、米涛顺利出舱，受到人们的热情迎接，因为他们圆满完成了在密闭试验舱内为期30天的科学试验。这次试验的成功，标志着我国在“太空农场”研究领域取得了重大进展。在未来，将有越来越多的航天员在太空舱中享受“田园风光”，在辛勤耕种之后可以享用到新鲜的蔬菜和肉食。

未来航天员变身“太空农民”

太空旅行不像在地面上旅行，很多看起来平常的小事到了太空就成了大事情。太空是一个高真空的环境，中途也没有饭馆和厕所，所有的事情都要在封闭的太空舱中完成，需要万无一失的生命保障系统来支撑。

开展长时间、远距离、多乘员的载人深空探测和外星移民开发，是未来航天技术发展的必然方向，而建立受控生态生保系统是解决其生命保障问题的根本途径。所谓受控生态生保系统，英文名称为Controlled Ecological Life Support System，缩写为CELSS。该系统是一项生物科学与工程科学相结合的综合性生物工程，是利用不同生物种的特点，结合一些物理和化学方法，用工程技术手段在空间建立一个适合人类长期工作和生活的场所。该系统主要通过高等植物和微藻为航天员生产食物、氧气和水，并吸收航天员产生的二氧化碳等废气；通过饲养动物为乘员提供动物蛋白；通过微生物的分解作用，将系统内的废物转化为可再利用的物质，从而实现系统内物质的完全闭合循环。

上面的定义看上去稍稍有些复杂，我们可以把它简化一下：所谓受控生态生保系统就是一个封闭的“太空农场”，在这个“农场”中，航天员的大小便和部分生活垃圾经过微生物的分解发酵之后，可以作为植物的肥料，植物可以直接作为航天员的素食，也可以作为“农场”中动物的饲料，这些动物则可以成为航天员的肉食。更为重要的是，植物还可以为航天员和动物提供所需的氧气，而航天员和动物呼出的二氧化碳则可被植物吸收，通过光合作用合成有机物质。植物吸收航天员的尿液后，还可以通过蒸腾作用把尿液部分转化为水蒸气，冷凝后就可以成为干净的饮用水。

从受控生态生保系统的物质循环过程可以看出，在理想状态下，未来的太空旅行不需要携带太多的饮食，只需要携带一些植物种子和不同性别的动物幼体，另加少量的应急饮水和食物，就可以在太空中长期漫游了。未来的太空飞船很可能就像是传说中的诺亚方舟，其中承载了不少生物。这些生物不但是航天员的伙伴，也是航天员的食物。未来的航天员将拥有多重身份，他们不仅是航天员、科学家和探险家，还是在太空舱中种地的“太空农民”。当然，受控生态生保系统的相关技术不仅适用于太空舱，也适用于外星基地。

参试乘员的幸福生活

1994年，我国在载人航天工程启动后不久就开始了太空农场的相关研究工作。经过近20年的发展，从最初的概念研究起步，逐步建成了受控生态生命保障技术实验室。2011年，包括植物舱和乘员舱等12个分系统的受控生态生保系统集成实验平台建成。

在经过多次成功的植物密闭试验后，我国首次让参试乘员进入密闭的受控生态生保系统，进行为期30天的密闭试验。这次试验的重点是研究密闭系统中人与植物间的氧气、二氧化碳、水等物质的动态平衡调控机制，并掌握就地供应乘员新鲜食物的方法。在这次试验中，空气、水和食物的闭合度（即自给自足比例）分别达到100%、85%和15%，系统产生的冷凝水得到100%的回收利用，废水和尿液平均达到60%的回收利用。

2012年11月1日，唐永康和米涛进入试验舱，开始了参试乘员的幸福生活。在30天的时间里，两人每天除了开展各种科学实验，还要照看设备、管理蔬菜以及锻炼身体。密闭试验舱是个“两居室”，两个房间的空气是互相流通的。其中的大屋子有36平方米，用来种植生菜、油麦菜、紫背天葵和苦菊四种植物，它们靠参试乘员的尿液和试验之初带入的部分自来水浇灌。这些蔬菜可为参试乘员提供呼吸用氧，并吸收他们呼出的二氧化碳，利用红色LED灯光进行高效光合作用。试验舱的小房间有18平方米，是两人的生活空间，他们在这里可以吃饭、睡觉、健身，还能上网。虽然生活在密闭的试验舱中，他们一点也不感到孤独和寂寞，更多的是兴奋和自豪。

参与试验的两名参试乘员每天吃饭还是以航天食品为主，不过和太空中的航天员不同，他们每餐还可亲手采摘并食用新鲜蔬菜30～50克。由于密闭系统中没有炉灶，他们无法吃到煮熟或炒熟的蔬菜，只能吃凉拌的生蔬菜。参与试验的唐永康说：“感觉很奇妙，我很喜欢吃这里的蔬菜。”天天吃生蔬菜，听起来似乎有些难受。然而，对于那些成年累月在太空中旅行的航天员来说，新鲜蔬菜则是他们梦想中的食物。现在的航天食品大多是高度浓缩的、流质状的，航天员需要像挤牙膏似的把这些流质食物挤进嘴里。

中国航天员中心副总设计师高峰指出，接下来还有很多工作要做。比如，以后还要在这个建在地面上的“太空农场”中饲养动物，包括牲畜和鱼类。中国航天员中心正积极筹划，拟建具有世界先进水平、规模更大的太空密闭生态循环系统研究基地。我国已经建成了“天宫一号”空间站，还将建设更多的“天宫”系列空间站，未来的试验将从地面转移到这些空间站中。这些试验将为我国载人飞船探索月球和火星打下坚实的基础。

在外星上建造“伊甸园”

近几十年来，国外一些发达国家一直没有间断过对“太空农场”可行性的研究。早在20世纪60年代，美国和苏联就开始了“太空农场”的研究，在空间植物培养等方面开展了大量研究，并在空间站上成功地进行了植物栽培。“和平”号空间站上有一个太空温室，面积约为900平方厘米，播种了数十粒不同品种小麦的“太空种子”。在太空失重条件下，播种的小麦在70～90天后成熟。在这个封闭的太空温室内，松土、浇灌等所有农活均是在航天员控制下由机器人自动操作完成的。

1972年，苏联科学家首次尝试建造了受控生态生命保障系统，完成了“生态圈3号”的建造，这个约1 033平方米的生态圈位于西伯利亚，可供3人生存。大型水池中的藻类可以为他们提供氧气，若生态圈内的一切都运行良好，这个系统可以为居住者提供85%所需的空气和循环水。在“生态圈3号”里进行的最长的一次实验，曾长达180天。

1989年，美国宇航局在建造的“生态之家”中开始生命保障系统实验。这是一个形似太空舱的建筑，里面也有两个房间，一个房间种植植物，一个房间有人进行科学研究。研究人员在人造的环境中研究废水的处理和室内空气质量的状况，结果不出所料，种植植物能够极大地提高空气质量并改善居住者的身体状况。1991年，美国亚利桑那州图森市建造了“生物圈2号”，这是当时最大的受控生态生命保障系统。其中种植了精心挑选的3 500种植物，放养了猪、羊、鸡等300种动物。遗憾的是，这个实验以失败告终。这也说明，生命要长期融入太空，绝非简单的事情。

如果受控生态生保系统技术发展成熟，那么人类就有希望未来在月球或是火星上，人工构造一个“小地球”。科学家认为，将来“太空农场”也很可能是建成球冠状，利用其外面可以转动的反射镜调节室内温度，从而使植物处于类似地球上的生长环境。英国在英格兰南部建造的“伊甸园”，就是这样的一片球冠状建筑。这是一片半密闭式生态生保系统，栽种了来自全球总数超过4 000种的植物，人们可以通过特殊的舱门进入参观。

未来移民外星，你有心理准备吗？科学家预测，如果吃喝拉撒的问题能得到很好的解决，第一批外星移民可能在50年内出现。美国民营航天公司SpaceX执行总裁埃隆·马斯科就表示，未来他们将在火星表面建造8万人的移居基地。目前，他们也在进行密闭生态系统的试验。可以预计，外星移民潮可能在我们大多数人的有生之年中涌现。到了那时，去火星看日出将成为新的旅游热潮。

小链接

太空新鲜肉食很可能是蚕

在太空舱中可生产哪些新鲜的蔬菜和肉食？除了考虑动植物的适应性外，还得考虑航天员的营养需求。美国、俄罗斯等国都对太空食谱进行了大量研究，尝试种植小麦、大豆、土豆、胡萝卜、番茄、卷心菜、青椒等，它们能在光照下生产供食用的淀粉、植物蛋白、维生素、矿物质等。

说到肉食，我们马上会想到猪牛羊和鸡鸭鱼。然而，中国科学家却推荐了一款我们可能难以下咽的肉食——煎蚕。在外星基地中饲养大型动物还有可能，要在太空舱的狭小空间中饲养这些动物就很不现实了，科学家为此推荐了小个头的蚕。他们认为蚕的蛋白质含量高、生长周期短、生物转化效率高、活动所需空间小，饲养蚕的过程中气味小、不产生废水。因此，蚕有希望作为太空旅行所需动物蛋白质的最佳候选动物。