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月球上第一片绿叶

2019-05-13晶晶

大学生 2019年5期
关键词:月球科普太空

晶晶

月球上长出了第一片绿叶!

2019年1月7日上午10点左右,随嫦娥四号登陆月球背面的生物科普试验载荷传回试验照片。

画面中,一株绿色的植物嫩芽从土里冒出了头。

这是人类在月球上种出的第一株绿叶植物,

也宣示了重庆大学牵头研制的“生物科普试验载荷”项目获得成功。

重庆大学的“生物科普试验载荷”项目,是在嫦娥四号面向全国征集“月球探测载荷创意设计征集活动”的近300份作品中脱颖而出的,并于2016年底被最终确定为搭载项目之一。这既是人类首次在月球背面进行生物生长实验,也是人类首次在月面尝试以较高等生物构建太空生态系统。

从2019年1月3日23:18,嫦娥四号登陆月球第一天生物科普试验开始,到1月12日20:03:34载荷断电关机,生物科普实验按计划顺利完成,部分指标甚至超过预期。“以前科学家在空间站以及其他航天器上开展过多次生物试验,但月球上还从未有过。”教育部深空探测联合研究中心副主任、生物科普试验载荷总设计师、重庆大学先进技术研究院院长谢更新教授表示,团队通过研究生物在月球低重力、强辐射、自然光照条件下动植物的生长发育状态,已初步实现人类首次月面生物试验,大量珍贵的第一手数据,将对人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。

6名“旅客”

有幸享受本次太空旅行的6名“旅客”,是马铃薯、油菜、棉花、拟南芥、果蝇、酵母。其中,植物生产氧气和食物,供所有生物“消费”;作为消费者的果蝇和分解者的酵母,通过消耗氧气产生二氧化碳,供植物进行光合作用。在此过程中,酵母可以靠分解植物和果蝇废弃物生长,又可以作为果蝇的食物。如此循环往复,一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统就此形成。

看似简单的6种生物,却是经历上百次物种筛选,无数次生物实验后胜出的“佼佼者”。首要条件是“个子小”,因为进行生物科普试验的空间有限,里面的动植物不能占用过多空间。其次,由于月球表面低重力、强辐射、高温差等极端条件限制,符合条件的动植物必须耐高温、耐冻,还要能抗辐射和抗干扰。为此,重庆大学生命科学学院太空生物学研究团队课题组历经两年,从云南深山悬崖到新疆沙漠地区,找遍各种能在极端条件下生存的生物物种,挑选了上百种植物进行实验、筛选。

土豆和拟南芥被确定后,团队从生物的多样性上考虑,又扩大了参与实验的植物范围。根据罐内资源变化进行数百次试验后,棉花种子最先发芽,接着发芽的是油菜种子,它们因此获得了珍贵的入选机会。

太空生物学团队负责人告诉我们,在生物种类的筛选过程中,除了要实现在月球表面环境下植物种子发芽和幼虫成长的最低目标,还要基于未来进一步开展太空生物学研究的长远考量,以为将来人类进入月球乃至地外星球生存提供保障。

粮、棉、油是人类赖以生存的最基本需求,“马铃薯是大家熟悉的食物,很有可能是以后太空里的主食。我们这次选择的土豆是特别培育的小个子品种。油菜则是太空食物中不可或缺的油料保障。”值得一提的是,本次入选的棉花种子是低酚棉,俗称“无毒棉”。“因抗虫害需要,目前在地球上普遍使用的是高酚棉品种,在对月表面生态环境进行充分研究后,我们发现,在地球上不适用的低酚棉,却能很好地适应太空环境。”团队成员向我们介绍道。“好邻居”拟南芥、果蝇、酵母,则因其作为全球科学家研究生物的模式物种,生长周期短,能够在短时间内展示完整的生命过程而得以入选,便于研究生物生长发育和代谢规律。

为进一步凸显本次生物科普试验载荷的科研和科普价值,项目组同时开展了地、月对比实验,包括同一个生态系统(密闭空间)在地球、月球不同条件下以及在地面自然条件下(开放空间)的生长发育情况对比。

2019年1月3日晚23:50分,地面试验载荷与月表载荷同步注水,对照试验正式开始。1月12日,地面对照实验罐体内已陆续发现棉花、油菜种子萌发,且长势良好,可观察到嫩绿的子叶。开放环境下,可见油菜、棉花和马铃薯种子萌芽,幼苗呈茂盛生长趋势。

“这是全人类第一次在月球上做生物实验,并且成功地长出了绿色植物。虽然这次实验的时间只有212.75小时,但我们拿到了大量的珍贵的第一手数据,为以后研究打下了基础。”重庆大学副校长、科普载荷项目总指挥刘汉龙说。

在月面进行9天的发芽和生长实验后,生物科普试验载荷进入断电状态。在月夜温度零下52℃的情况下,载荷内部所携带的六种生物结束了本次科普试验使命,处于冷冻状态。待下一个月昼期温度上升后,这六种生物会被慢慢分解成无害的有机物,并将永久封存在生物科普试验载荷内。

吃百家饭的“罐子”

为保证整个微型生态系统的顺利搭建,让种子、昆虫卵在里面安家落户,设计一个符合各种严苛条件的科普载荷装置就成了整个实验的关键。经过近三年的设计攻关,最终,一个高21厘米,直径17厘米,净容积0.8升的圆柱形特殊铝合金“罐子”展现在我们的眼前。

“这个小小的自主控温密封设备虽然总重量只有3公斤,但麻雀虽小五脏俱全。机、电、热、通信、控制等系统都有,就是一个小的航天器。”谢更新教授向我们揭秘了其中的“乾坤”:“它有40多个总部件,由结构模块、控制模块、热控模块、生物模块、导光模块等构成,为微型生态系统提供了生物生长的光、热、水、土壤等必要条件,还安装有主、副两个照相机,以记录动植物生长情况。”

为给生物营造一个适宜生存的环境,技术团队想尽办法完善载荷的各方面细节。他们让“罐子”外“穿”保暖衣,以经受月表面剧烈温差的考验;内部则装上了能自动调节温度的“空调系统”,使环境温度适中保持在25摄氏度左右。植物可通过载荷顶部盖板上的光导管吸收月面自然光,进行光合作用产生氧气。水仓室里的电磁泵可将20ml生物专用水通过水管释放到生物舱表面,为生物生长提供水分。

由于没有现成的经验可借鉴,在设计生产过程中,团队曾遭遇过多次突发性技术难题,经历了几次“归零”危机。在一次低温存储试验时,设备在持续低温8小时以后就开始漏气。团队反复开会讨论、验证解决方案,结果各种“堵漏”均以失败告终。“不行就从密封材料上找突破口,一定要把问题找出来!”谢更新教授争分夺秒地与和团队开会讨论,转变思路寻找替换新材料。找到突破口后,团队成员连夜携带设备赶赴西安,和密封圈研制专家沟通,重新选材,协调生产单位立即开模、在现场跟产……不到三天,密封圈就完成了生产,经严格试验验证,完全满足探测器总体的漏率指标。

设备研制及试验工作完成后,载荷在送往西昌卫星发射基地组装时又出现了新的问题。西昌海拔高、氣压低,82千帕的气压和重庆的气压(99千帕)环境有所不同。“气压的微小差异不一定影响植物生长,但科学研究是非常严谨的,再小的问题,我们都能不放过。”团队成员张元勋说。

时间紧急,自然条件又不能改变,这可怎么办?大家急中生智,先把载荷运到临近的成都组装好,再连夜运回西昌。从成都到西昌一路颠簸,他们就用海绵与冰冻的矿泉水细心包裹设备,仿佛在护送襁褓中的婴儿一般。抵达西昌基地后,团队几人立刻开始测试设备,直到凌晨两点多,所有数据正常,大家悬着的心这才放下。

为做出最科学的“罐子”,团队先后赴15省、50余家企事业单位进行技术交流,对其进行了50余次结构优化,100余项实验验证,近百次评审汇报及评估,才得以完美收官。也难怪谢更新教授感慨:“它是吃着百家饭,集众人之力长大的。”

2018年12月8日凌晨,科普载荷随着嫦娥四号顺利升空,整个团队既振奋又紧张。“看着自己投入近三年精力的科普载荷顺利升空,真像牵挂出嫁的女儿一样,又高兴又不舍。”参与科普载荷生物模块任务的邱丹兴奋地说。

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