现实版《火星救援》:8人挑战世界最长时间密闭空间生活

原标题:现实版《火星救援》:8人挑战世界最长时间密闭空间生活

人类未来在太空中的生活会是什么样?

志愿者褚正佩在检查舱内植物生长状况。

“月宫365”:

模拟太空生存记

本刊记者/李明子

零下六十多度的火星地表,空气稀薄,在沙丘和砾石组成的红色荒漠中,几块孤零零的太阳能电池板供应着一座恒温恒湿的实验站。马特·达蒙饰演的宇航员利用火星土壤和人的排泄物在舱内种植土豆,燃烧联氨生成水,维持站内水和空气的循环。他计划通过种植仅存的12颗土豆,度过等待救援的400多天。

电影《火星救援》中的这个情节,如今正在北京航空航天大学(下简称“北航”)的空间基地模拟实验舱“月宫一号”里上演。1月26日,第二组4名志愿者结束了连续200天的密闭隔离生活,走出了这个名为“生物再生生命保障系统”的密闭舱系统,另一组志愿者接替进入,继续完成总共365天的全部实验,因此,这次实验项目也被叫做“月宫365”。

他们比马特·达蒙幸运。实验舱内不仅有土豆吃,还有黄瓜、草莓、小番茄,他们还种小麦、大豆、油麦菜,甚至还能自给自足地吃到“肉”。

但“月宫一号”绝不是借用《火星救援》的想法。“我们的项目早在2004年就开始了。”北航教授、“月宫一号”总设计师刘红对《中国新闻周刊》说。

这个项目的目的,是探索在远离地球的太空环境达到长期的完全自治生存,用专业术语来说,叫“闭合度”——密闭环境中循环再生的水平,假如一个人每天消耗10公斤物质,其中由生保系统提供的物质占比量越高,则闭合度越高。

此前这一项目的纪录是由俄罗斯创造的:连续封闭180天,闭合度95%。“月宫365”实验全部完成后,将创造连续实验365天、闭合度98%的新纪录。实验成果不只应用于月球,火星、空间站,在深海、地下空间、高原和极地都可能有用武之地。

人造“桃花源”

“穿好外套再出来,外面冷。”刘红大声说。1月26日17点整,实验舱的气闸舱门打开了,舰长刘光辉和副舰长伊志豪先出舱,女志愿者褚正佩和王伟随后,他们像明星一样被等候在外的科研组成员包围,然后被迅速送往医院进行医学观察。

这是“月宫365”项目的第二次换班仪式。上一次换班时间是2017年7月9日。从那时算起,第二组4名志愿者已在“月宫一号”中连续密闭生活了200天,打破了由俄罗斯科研人员创造的生物再生生命保障系统中连续驻留180天的纪录。医学观察结果显示,连续密闭生活200天后,四人的生理和心理健康状态也都良好。

“一想到纪录是由我们打破的,还挺激动的。”舰长刘光辉说。

“月宫一号”当然不是一座宫殿。它坐落在北航大院南门附近一座彩钢板房内,是一个“冂”字型的密闭实验舱,内壁全部由304不锈钢无缝焊接而成。除电力供应外,舱内的物质与外界全部隔绝,包括空气。

“月宫一号”的研制,从13年前刘红受聘到北航任教就开始了。

刘红此前的专业是环境保护与自然资源合理利用,到北航后与航空航天结合,很自然地就瞄准了“地外生存”的“生物再生生命保障”研究。

那时,神舟五号载人航天飞船已经成功升空,中国已掌握载人航天技术,“嫦娥一号”也开始筹备。刘红回忆,当时国际科学界已有讨论,未来太空站补给的最佳方式并非从地球输送,势必要开始地外生存保障技术的研究。

最早的地外生存系统是前苏联在1972年提出的。这个叫做Bios-3的系统较简单,只有人与植物两个生物链环,水和大部分营养物质都由舱外提供,舱内植物仅负责制造氧气和一部分食物。1973年,Bios-3首次完成了2〜3人、连续180天的实验,证实了这个理论:如果能够按照生态系统的原理定量计算和设计,能够实现物质循环的人造生态系统。

世界各国先后加入了这一领域的研究。美国建立了由人-植物两环构成的“受控生态生命保障系统(CELSS)”,并完成了4人90天的密闭实验;欧洲太空局于1989年启动了“微生态生命保障系统研究计划”,在系统中引入多种微生物,负责将人类排泄物层层分解为可供植物生长的二氧化碳、富氮培养基、氧气和水等物质,但该系统至今没有获得成功;日本的方案特点是引入了大型动物山羊,一方面生产羊奶为人类提供蛋白质,另一方面消耗系统内作物产生的枯叶和秸秆。2005年9月,这个系统进行了3次为期一周的联合实验,但没有再进行更长时间的实验。“大型动物在我们的方案中是最早被放弃的。”刘红说。因为把它们养大,然后杀掉吃了,“会对人的心理造成巨大的冲击”,实验空间和资源的有限性也限制了大型动物的可能。

相比之下,“月宫一号”结构最复杂。它首次同时引入了动物和微生物,组成了由“人-植物-动物-微生物”四生物链环构成的人工生态系统。

“为什么要引进动物?主要为了让人有动物蛋白的摄入。”刘红解释说,“引入微生物处理固体和液体废物,从而维持系统更稳定地运行,对地球的依赖更小。”

筛选可供加入外太空生态系统的动物,几乎是一个“人造”进化工程。排除大型动物后,项目团队考虑过鱼类,但这意味着要引入一套复杂的水生生态系统,且鱼骨不便降解回收、进入再循环,也被否定。最后确定了这个系统的“动物准入标准”:不能使人类产生食用心理障碍,不能与人争夺食物,应以人不食用的植物废物为食,在提供动物蛋白的同时还能处理人类不食用的植物秸秆等。

他们锁定的是一种没人想到的动物:黄粉虫

进入这个系统的植物与微生物的标准也与此类似。植物应能提供食物、氧气和水,培育过程不宜过于复杂;微生物则需兼具促进植物生长、废物降解等多项功能。

2014年,这个由1种动物、21种植物、多种微生物和3个人组成的系统构建成了1.0版的“月宫一号”:其中有一间供人类活动的综合舱,一间供植物生长的植物舱,人、动物以及废物处理过程中产生的富二氧化碳空气被送至植物舱,供植物光合作用;植物通过光合作用产生富氧空气,净化后供人、动物和微生物呼吸;植物蒸腾作用产生的水蒸气,经过冷凝、净化,一部分供给人满足人的生活所需,其余与净化后的生活废水和尿液一起,回灌于植物栽培,植物成熟后,经加工成为人类的食物;系统内的空气和水,都由电力驱动完成循环。

3名北航学生和教师志愿者,完成了105天的全密闭实验,这是中国首次长期多人高闭合度集成实验。刘红还记得,当时舱内种植的水果只有草莓,约一周收获一次。志愿者们十分珍视,每次收获后必把一整盘草莓摆在餐桌正中央,十分隆重。

这次实验验证了这套中国自主研制的生态系统的闭合度和有效性——氧气和水100%循环再生,食物循环再生达到55%,整个系统闭合度达到97%。

2016年,“月宫一号”的技术和设备升级到2.0版,且新增了一个植物舱,植物种植面积达到120平方米,种类增加至35种,以便提供更多样的食物。

但最重要的,还是人。在这个实验系统中,人不只是系统维持生命的目标,同时主导系统的运转和几十项实验的开展,由于长期与外界隔离,还需要顽强的忍耐力和意志力。因此,实验志愿者的筛选也很严格。刘红介绍说,志愿者首先要具备“月宫一号”团队的六有精神(梦想,热情,豪情,勇气,干劲和担当),其次是良好的健康状况,不仅身高、体重、血压、血脂、代谢水平都要经过详细测量,还要经过心理测试,之后还有为期15天的密闭预实验。

这次长达365天的实验,最终留下了8名志愿者。他们被分为代谢水平不同的两组,每组两男两女。为完成实验的核心任务——研究一个生物系统如何稳定保障代谢水平不同的航天员乘组的驻留和换班——实验分为三班。第一组负责从2017年5月10日到7月9日和2018年1月26日到5月9日的第一班和第三班,第二组则负责中间的第二班。

如今,第一组4名志愿者正在“月宫”中完成本轮实验的最后一班;舱外,刘红带领着30人的团队,24小时监测着他们的“月宫”。

刘慧在植物舱骑动感单车。

在“月宫”种菜养虫

每天9点早饭后,第二组志愿者褚正佩换上工作服,戴上口罩和手套,就在植物II舱开始一天的工作:上午给植物配制营养液,采摘成熟的蔬菜,午休后,检查植物的生长状态。有时,她会带一个小音箱进来,一边听音乐,一边写论文,偶尔,还拉上另一个志愿者王伟一起画画。植物舱幽静又充满生机,仿佛一个秘密花园。

2.0版“月宫一号”,2/3的空间是两个植物舱,志愿者多数时间也在植物舱里工作,供人类活动的空间是42平方米的综合舱,由4间卧室,1个洗漱间,1个废物处理间和1个集客厅、工作室、厨房和餐厅于一体的饮食交流间组成。

第一组志愿者高寒的主要工作是种麦子,“一忙大半天,累得腰酸背痛。”他告诉《中国新闻周刊》,小麦是这个系统中最重要的植物,承担了为志愿者提供口粮、所需氧气等责任。

为节省空间、提高单位面积产量,“月宫一号”团队采用立体种植技术,三层植物架共种植了60平方米矮株小麦。在恒温恒湿、LED光源的舱内环境下,小麦只需70天便可成熟。但“月宫一号”里的小麦不是统一播种和收获的。“不同生长阶段的小麦,光合作用的速率不一样,就是吸收二氧化碳和产生氧气的能力不一样,”一组舰长刘慧解释说,“为了保持舱内二氧化碳和氧气的平衡,我们每周要收割3次,每次只收割一部分,再补种新的。”

即便每次只收割2平方米小麦,也需3人协作:一人用电动剃刀剪下整株小麦,然后立刻补种,第二人负责用剪刀将麦穗剪下,交给第三个人晾干、脱粒,然后粉碎秸秆,对小麦称重、磨粉。

人们常用“修理地球”形容干农活儿,在“月宫”里,这叫“每日维护”。奇怪得很,志愿者们过去对农作物并没什么深厚感情,在“月宫”里却爱上了这些小家伙。高寒就自诩为植物I舱舱主,并骄傲地把他负责的作物称为“五个漂亮女儿”。他还搞了个排名赛:小麦耗费精力最多,要每天配置营养液、调节光谱,但“成绩”也最好,最终以“颗粒饱满、蛋白含量高”,胜出了土豆、胡萝卜、四季豆和香葱,成为Ⅰ舱“五美”中的老大。

一组志愿者刘佃磊最喜欢做的工作是“喂虫子”。他精心为黄粉虫搭配荤素:干菜叶是素,生物处理过的碎秸秆中已有微生物,就是黄粉虫的“荤”菜。虫宝宝越是白白胖胖,刘佃磊越开心:“哇,又有肉吃了。”

黄粉虫对环境不苛刻,在28℃、70%湿度的环境里可以迅速成长,由卵长到可食用的2〜3厘米幼虫只需50天。但它们不喜光。刘红团队便专门研制了一种不锈钢立柜,内设多层,每层可放置多个圆柱形培养皿,皿内放入大量生物处理后的碎秸秆,便成了黄粉虫的“公寓”。平时,立柜大门一关,不同生长阶段的黄粉虫就在不同类型的“公寓”里静静“养膘”。

“其实吃虫子并不像大家想的那样,不恶心。”刘慧说。每次食用前,会让黄粉虫饿一天,排空排泄物,之后磨成粉加在面粉里做馒头,或与菜一起炒熟。她咯咯笑着说,“就是蛋白质嘛!炒熟后香香脆脆的,很好吃。”

二组舰长刘光辉的工作之一,则是监控这个生态系统中最难见到却又不可忽视的环节——微生物。实验启动前,“月宫一号”舱内已全方位消毒,最终进入的,只是这个人造“桃花源”允许的微生物,它们不只影响舱内动植物的生长、大小和活力,还对舱内的二氧化碳浓度、空气湿度、固体废物降解速度等产生重要影响。

不只如此,2014年对“月宫一号”1.0版的实验还证明,志愿者的肠道微生物群落结构与情绪状态密切相关:如果志愿者体内有较多罗斯氏菌、考拉杆菌,他们就表现出更多的积极情绪,而拟杆菌则与消极情绪有关。这也使得监测舱内微生物变得极为重要。“即便在太空里,我们也不是完全独立生活,”刘辉说,“我们需要与菌共舞。”

2018 年除夕夜舱内舱外一起包饺子过年。

生存以上,生活以下

表面上看,月宫一号就像一个“世外桃源”:恒温恒湿,四季如春,远离了自然界的风雨雷电,也远离了大都市的快节奏生活,就像《三体》中的647号人造小宇宙那样惬意、自在。

早7点,志愿者们准时起床,早饭过后就开始各自的工作,有人栽培植物,有人负责健康监测,有人负责废物处理。12点吃午饭。晚7点后则是休闲时间,有的看书,有的写论文,还有人把之前没空看的电影统统补上了。

然而,“世外桃源”并不悠闲。高寒说,密闭生活一个月后,他想起五月天的一首歌:《生存以上,生活以下》,“吃饭、喝水,连刷牙也照着节奏,然后设定了明天六点半的闹钟——”因为志愿者也是“桃源”的实验对象,他们所做的每件事,都要符合实验计划,并且被测量、被记录、被统计、被分析,以便获取科学数据。

测量从每天醒来时就开始了。先在被窝里测量体温,起床后,测量体重、血压和血氧浓度。睡觉前再重复一次。每周进行3次健康取样、填3次问卷,完成1次心理咨询视频通话,以及1次睡眠测试。“他们必然以科学严谨的态度对待这些测试,马虎不得。”刘红说。

志愿者觉得最困难的,是第二班实验中为期6周的“遮窗实验”。为了测试在全密闭无自然光和舱外景观的环境下,人类的生物节律、新陈代谢、情绪和行为等变化,舱内所有的玻璃舷窗都被遮蔽。

“大家的情绪最初的确有较大波动,但是我们都很快自我调节适应了。”第二组志愿者王伟说。她的硕士研究课题恰好就是“光环境对人生理和心理的影响”。她解释说,熟悉的自然光和景观消失后,人都会因生物节律受到影响而产生情绪波动,但舱内的绿色植物对缓解心理压力发挥了重要作用。

骑动感单车则是二组志愿者伊志豪缓解焦虑的秘方。两个植物舱内各配有一台动感单车,一感到焦虑,他就骑上半小时,绿色植物带来轻松愉悦,运动使得多巴胺分泌增多,他骑得大汗淋漓,又身心轻松。

遮窗期间,测量取样的频率也相应提高。健康样本(唾液/尿液/大便)从每周3次增加到每两天一次,还加入了牙科、心电图等临床评估,以及呼吸、睡眠和饮食等评估内容。志愿者们不知道的是,实验小组还在舷窗上方悄悄安装了摄像头,以记录他们试图向窗外观望的次数。

在密闭空间按规定流程长期生活,不可避免会产生重复感。伊志豪统计过,150天的“月宫”生活中,要填130份科研问卷,测量300次体重、体温、血压和血氧饱和度等健康指标,重复“收割、剪穗和播种”流程64次,处理150次尿液,对植物与水进行至少21次取样——甚至很多笑话也被无意识地重复,最后,大家笑的不是笑话,而是“怎么又讲了一遍”。

他用“跑马拉松”形容这个过程:最初,新鲜,热情高涨,工作效率高;慢慢地,热情冷却,工作效率开始降低,情绪波动,直至出现类似“体能极限”的疲惫感;再往后,一切成为习惯,不适得到克服,仿佛迎来运动生理学上的“第二次呼吸”,之后又是步履轻盈地奔跑。

他甚至得出了一些有哲学意味的结论。“一切真的只是简单重复吗?植物吸收二氧化碳产生氧气是重复,生活废水经净化后浇灌植物,蒸腾后的冷凝水再净化后供人饮用也是重复,秸秆经过固废发酵又释放出二氧化碳也是重复——”他在周记中写道:“人生就是一个不断重复的过程,在重复中得到锻炼与成长!——经过大量重复,势必会发现一些问题,而这些问题都将是以后改进的重点和进步的方向。”

长期在封闭的环境中共同工作生活,志愿者之间形成了亲人般的感情。一组舰长刘慧和二组舰长刘光辉都是组内相对年长的,他们主动担任起厨师工作。食谱虽是固定的,他们还是想尽办法烹饪出新意,刘慧在舱内学会了做花卷,刘光辉则“发明”出“月宫蛋糕”“月宫蒸包”等新花样。

2018年2月15日,农历除夕,也是“月宫一号”里收种小麦的日子。高寒和胡静斐全包了这项工作,好让“厨娘”刘慧有时间准备年夜饭。光是饺子皮,刘慧就准备了两种面,绿色的加了蔬菜汁,橙色的用了胡萝卜汁。在不影响系统闭合度的前提下,经过精确计算,实验团队为他们4人准备了600克猪肉,刘慧充分利用,和出了三种饺子馅:猪肉大葱、猪肉胡萝卜和猪肉白菜。

舱外团队也在实验岗位过除夕。刘红要求,舱外的食材不能超出舱内作物的范围,要“同甘苦,共喜乐”。晚上5点整,实验舱内外成员分别围坐在电视显示器前,开始了第一届“月宫春晚”,舱内外连线表演节目、发红包、做游戏,还有人同时向家人直播“春晚”现场。当天恰好舱外一名团队成员过生日,刘佃磊在舱内为他表演了一个名叫“生日快乐”的魔术:印有蜡烛的扑克牌在刘佃磊手中翻转后,自动点燃,又自动熄灭,月宫内外,同唱生日快乐歌,互祝新春快乐。

2月16日大年初一早7点,“月宫一号”舱内人员工作如常。

至此,“月宫365”实验已完成了超过3/4。经过数年的积累,相比于2014年的第一期实验,“月宫365”计划已实现了气体平衡调控、光调控和营养液调控等自动化,唯一欠缺的,是尚不能完全模拟太空中的失重和辐射环境。

“我们正在争取搭载月球和火星探测器的机会。”刘红介绍说,但将“月宫一号”这样尺度的系统送上外太空,目前仍不具备条件,仍要先从搭载小型生物再生生命保障系统做起,不断调整大系统的矫正参数。“我们还有很长的路要走”。

在刘红的设想中,“月宫一号”还将有3.0版,那时将由智能园艺机器人代替人类种植和收获作物,机器人甚至可以完成烹饪等后续工作。想象一下,在未来的月球基地,宇航员只需按一个按钮,热腾腾的馒头自动送到面前,从农业劳作中解放的宇航员,将有更多时间探索未知的宇宙。

值班编辑:寒冰

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