目前，太空探索正如火如荼，各航天大國都有載人航天計(jì)劃，目的就是要把人類送到太空去。人類要進(jìn)入太空，首先得了解太空。人在太空中是沒辦法生存的，不只是因?yàn)檎婵窄h(huán)境，另外還有很強(qiáng)的宇宙射線。當(dāng)太陽照射到物體表面的時(shí)候，溫度可能高達(dá)到一兩百度甚至更高;溫度低的時(shí)候可能低至零下七八十度，甚至更低。在這樣的環(huán)境，不采取措施人類是沒法生存的。

人類如何實(shí)現(xiàn)在太空中長期生存？

人類在太空如何能夠生存下來呢?首先要有一個(gè)密閉艙的系統(tǒng)，這個(gè)密閉艙系統(tǒng)要能夠很好的防輻射，并在里面制造一個(gè)合適的空氣壓力，什么叫合適?就像地球的大氣壓就是合適的。還要有合適的溫度濕度， 60%左右的濕度是比較合適的，我們制造了合適的濕度，然后在里面還要制造空氣流速，這個(gè)是非常重要的。那問題來了，在家不開風(fēng)扇的時(shí)候，我們也活的挺好的，為什么要在太空中要制造合適的空氣流速呢?因?yàn)樵谔罩形⒅亓Φ臈l件下，空氣不對(duì)流，如果不人為的攪動(dòng)空氣，空氣是靜止的，完全靠濃度的差異來進(jìn)行對(duì)流，速度是很慢的。如果這樣，待在一個(gè)地方不動(dòng)就會(huì)被憋死，因?yàn)轭^部周圍的二氧化碳濃度會(huì)特別高，從而導(dǎo)致二氧化碳中毒，所以空氣的流速是很重要的。

太空艙是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，空氣污染物很容易累積。密閉艙里有很多材料，這些材料會(huì)產(chǎn)生很多污染物，這類污染物占一大部分，也有很多污染物來源于人類自身。我們?nèi)嗽诨钪倪^程中，每時(shí)每刻都在釋放污染物，大概有兩三百種，人在密閉艙系統(tǒng)里會(huì)把自己毒死，所以一定要進(jìn)行空氣凈化。

人類如何實(shí)現(xiàn)太空長期生存

上圖中，藍(lán)的一圈是環(huán)境保障，有了環(huán)境保障我們?cè)谶@里大概能夠待一段時(shí)間，但是待不長。因?yàn)槲覀冞€缺很多物質(zhì)，就是里面綠的這一圈，它會(huì)提供人活著需要的空氣、食物、水，并把產(chǎn)生的廢物進(jìn)行有效的處理和處置，這套系統(tǒng)叫物質(zhì)條件保障系統(tǒng)。有了環(huán)境、物質(zhì)，我們?cè)诶锩婵梢曰钕聛砹?。但是因?yàn)樘崭孛娌顒e很大，重力有區(qū)別，輻射會(huì)更強(qiáng)，還有封閉的環(huán)境比較狹窄，我們可能會(huì)郁悶，甚至?xí)钟?，所以我們還要解決人的生理、心理健康調(diào)控的問題。

三大系統(tǒng)保障太空中人類的安全

這樣我們就構(gòu)成三大系統(tǒng)：艙室環(huán)境控制系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、健康保障系統(tǒng)。我們團(tuán)隊(duì)研究的主題就是生命保障系統(tǒng)，是這里面最復(fù)雜和最重要的系統(tǒng)。假如現(xiàn)在我要把你送到太空，如果只允許你帶一種物質(zhì)，你要帶什么?

地球上所有的物質(zhì)隨便帶，包括金剛鉆、藍(lán)寶石、紅寶石、奢侈包都可以帶，那你選擇帶什么呢?有人說帶水、氧氣、3D打印，大家的想法是不一樣的。我們要看人在太空中，對(duì)人最重要的物質(zhì)是什么?沒有氧氣我們能活多長時(shí)間，一般是3-5分鐘，對(duì)我們第一重要的是氧氣。

接下來是水，如果沒有水能活多長時(shí)間?大概能活三五天。對(duì)我們來說第二重要的是水。

第三重要的就是食物。這樣我們就知道了對(duì)于人來說，最重要的是氧氣、水和食物。在地球上最重要的是不要錢的，比如說氧氣，沒有人說你今天呼吸了多少氧氣，在嘴上安裝一個(gè)計(jì)量器，喘了多少氧氣要計(jì)費(fèi)。我們要知道，便宜的東西不等于不珍貴，最重要、最珍貴的東西是不要錢的。

生命保障系統(tǒng)

接下來就要進(jìn)行廢物處理了，因?yàn)槲覀兂粤?、喝了、喘氣了一定?huì)有廢物產(chǎn)生。比如人會(huì)排泄，有糞便、尿液，還有很多衛(wèi)生廢水。其實(shí)還有一種廢物，大家平時(shí)沒有太注意到，就是二氧化碳。

如果大家關(guān)注新聞會(huì)聽到很多，地球溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)资嵌趸?，所以大家都很仇恨它。那么二氧化碳真的一無是處嗎?二氧化碳有什么用呢?二氧化碳有非常重要的作用——光合作用。地球上光合作用最主要的原料就是二氧化碳，沒有二氧化碳我們是沒有辦法活下去的，因?yàn)楣夂献饔卯a(chǎn)生了氧氣、產(chǎn)生了食物，我們才能活下來。因此可以說地球上如果沒有二氧化碳，地球上幾乎所有的生命都將不復(fù)存在，所以二氧化碳是很重要的，并不是一無是處。一切都是辯證的，沒有絕對(duì)好的東西，也沒有絕對(duì)壞的東西，我們要用辯證的思維去思考問題。

我們給人提供氧氣、水和食物，并且對(duì)它產(chǎn)生的廢物進(jìn)行有效的處理和處置，這個(gè)系統(tǒng)就是滿足人在太空中生存所需要物質(zhì)的一套生命保障系統(tǒng)。生命保障的方式有很多種，最簡(jiǎn)單的方式也就是現(xiàn)在一些飛船的方式，我們叫攜帶式，就是所需要的東西都帶著，比如氧氣、水、食物都帶著，然后對(duì)它產(chǎn)生的廢物打包存起來，二氧化碳用一些吸附劑吸附，然后去除掉，這就是攜帶式。

來計(jì)算一下需要帶多少物資，假設(shè)一名航天員，身高170厘米，體重70公斤，男性，在中等勞動(dòng)強(qiáng)度下，稍微干一點(diǎn)輕體力活，再做一些腦力勞動(dòng)，這樣一個(gè)人需要的熱量是2800千卡/天，這種條件下他每天需要吸收0.83公斤氧氣，釋放出0.95公斤二氧化碳，需要15公斤的水。其實(shí)15公斤水是很少的，在上海生活，日常每人每天消耗應(yīng)120-150公斤左右的水，宇航員也就差不多十分之一，已經(jīng)很節(jié)約了，凍干食物0.65公斤，合計(jì)是16.4公斤/天。

那么去太空、月球、火星探索，可能不只這么多。如果待一年就需要6噸，把這些東西運(yùn)到天上就要算一算花多少錢。這是送一個(gè)人到近地軌道空間站所需要花的錢，保守估計(jì)360 000 000人民幣，要送到月球的費(fèi)用是3600 000 000人民幣，多了一個(gè)0，要送到火星是36 000 000 000人民幣，再加一個(gè)0。即使有錢，在技術(shù)上估計(jì)也是不可能的。比如要去火星，那邊說缺物資了，還要等發(fā)射窗口，你可能要等一年，一年以后可能已經(jīng)變成木乃伊了，因?yàn)榛鹦巧鲜钦婵盏沫h(huán)境，一旦物資消耗完了，在真空環(huán)境里很快就變成木乃伊了。所以從技術(shù)上也是很難實(shí)現(xiàn)的，那怎么辦呢，我們必須要用別的技術(shù)來解決，我們必須要原位循環(huán)再生。

生物再生生命保障系統(tǒng)：太空長期住留探索不可或缺

生物再生生命保障系統(tǒng)

近地軌道空間站是怎么原位循環(huán)再生的呢?是用物理化學(xué)再生的方式。從上圖可以看出，可以把很大一部分氧氣和水循環(huán)再生。仔細(xì)看就會(huì)發(fā)現(xiàn)，人消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳會(huì)被收集、濃縮，然后進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的還有水電解產(chǎn)生的氫氣，二氧化碳就會(huì)被還原生成水，凈化之后可以給人喝，當(dāng)然人產(chǎn)生的尿液也會(huì)被收集然后凈化。

目前國際空間站上，能夠再生50%的氧氣，再生75%的水，食物完全是從地面攜帶來提供的。所以這樣一套系統(tǒng)，很顯然不適合我們?cè)谠虑蚧蛘咴诨鹦巧祥L期住留，那么怎么辦呢?

對(duì)于宇宙來說，地球是特別渺小的，它特別像一個(gè)球形的飛船，千千萬萬的生命生活在地球這個(gè)球形飛船上面，那么這些生命是怎么活下來的?地球上的氧氣夠支撐地球上的生物活大約兩千年，而我們地球上的生命已經(jīng)延續(xù)了幾十萬年，即使對(duì)于人類來說，從有文字記載開始，到現(xiàn)在已經(jīng)有1萬多年了。這就有一個(gè)悖論，一方面資源非常有限，另外一方面物種的生命是無限延續(xù)的。那么地球如何解決這個(gè)悖論呢?就是地球的生物圈。

地球生物圈有一個(gè)物質(zhì)循環(huán)，它生成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使地球上的物質(zhì)可以一直循環(huán)再生，因此實(shí)現(xiàn)了生命在地球上的永續(xù)存在。所以我們就要向地球?qū)W習(xí)，人類要進(jìn)入太空，到地外去流浪，到地外去探索，就要學(xué)習(xí)地球的生態(tài)系統(tǒng)。在更小的飛船里面構(gòu)建一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，用這樣的生態(tài)系統(tǒng)來循環(huán)再生人們需要的氧氣、水和食物，把廢物進(jìn)行處理和循環(huán)再利用，這就是生物再生生命保障系統(tǒng)。

它可以給人提供一個(gè)類似于地球生態(tài)的環(huán)境，可以在保障物質(zhì)需求的同時(shí)，讓我們心情愉悅，遠(yuǎn)比現(xiàn)在的空間站里愉悅很多，空間站就像一個(gè)難民營。地球生態(tài)系統(tǒng)沒有主人，地球上所有的生物都是這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)鏈環(huán)，地球的生態(tài)系統(tǒng)也不是圍繞著人構(gòu)建的。生物再生生命保障系統(tǒng)跟它有很大的區(qū)別，它是完全圍繞人的需求來構(gòu)建的，并且是由人控制的，所以人是這里的主宰和控制者，因此這個(gè)系統(tǒng)被認(rèn)為是世界上最先進(jìn)的閉環(huán)回路生命保障技術(shù)，是載人深空探測(cè)必須的關(guān)鍵技術(shù)。

我的團(tuán)隊(duì)是從2004年開始這項(xiàng)研究的，到現(xiàn)在已經(jīng)完成了世界上時(shí)間最長，閉合度最高的長期有人密閉實(shí)驗(yàn)。通過15年的時(shí)間，我們先通過引進(jìn)技術(shù)，學(xué)習(xí)國外的一些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，但可學(xué)習(xí)的東西并不是很多。我們通過15年的學(xué)習(xí)和更多的自主研究，從無到有建立了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物再生生命保障系統(tǒng)理論和技術(shù)體系。

生物再生生命保障系統(tǒng)方向研究進(jìn)展

六大關(guān)鍵技術(shù)，助力月宮一號(hào)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)和系統(tǒng)平衡

我們建立了地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，因?yàn)槲覀冄芯亢芏嗉夹g(shù)、理論、方法要把它集成在地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行演示、驗(yàn)證以及進(jìn)一步研究和發(fā)展。月宮一號(hào)，是由一個(gè)綜合艙、兩個(gè)植物艙組成。地上面積160平方米，總的體積是500立方米。綜合艙里面有人的居住空間，還有洗漱等生活必須的空間，更重要的是里面有廢物處理室，在這里面處理三大廢水，包括尿液、衛(wèi)生廢水和空氣冷凝水，處理各種固體廢棄物包括人排泄的固體糞便，秸稈以及在這里面培養(yǎng)的黃粉蟲產(chǎn)生的糞，還有生活廢物等。在植物艙里面種植各種作物，包括糧食作物、蔬菜作物和水果。之所以設(shè)置兩個(gè)艙有多種考慮，會(huì)有一個(gè)互為冗余，互為備份的考慮。因?yàn)椴煌闹参镄枰沫h(huán)境條件是不一樣的，我們?cè)诶锩孀龈鞣N分割，實(shí)現(xiàn)更符合植物生長需要的環(huán)境條件。

月宮一號(hào)的核心是物質(zhì)循環(huán)和系統(tǒng)的平衡。這里涉及到六大關(guān)鍵技術(shù)，包括在這樣狹窄、密閉、資源受限的環(huán)境里如何培養(yǎng)動(dòng)植物，如何對(duì)廢物進(jìn)行高效的處理等，在系統(tǒng)層級(jí)包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行以及調(diào)控。我們圍繞這些開展了大量的研究工作。

月宮一號(hào)的核心與關(guān)鍵技術(shù)

在這些研究的基礎(chǔ)上，我們集成建立了月宮一號(hào)系統(tǒng)。我們?cè)?014年做了月宮105實(shí)驗(yàn)，做了105天，那個(gè)時(shí)候里面種植了21種作物。有人問為什么種21種，我們要保證營養(yǎng)健康，從營養(yǎng)學(xué)的角度有一個(gè)要求，應(yīng)該盡可能的多樣性，這個(gè)多樣性有一個(gè)最小的尺度，應(yīng)該吃植物性的食物不少于21種，這樣才使我們營養(yǎng)均衡，每種食物所含的營養(yǎng)不一樣，多種組合才能滿足我們的需求。所以平時(shí)我們要食物多樣化，不能挑食，21種是最最基本的要求，當(dāng)時(shí)因?yàn)橘Y源的限制，所以我們就設(shè)置了21種作物。

同時(shí)在這里進(jìn)行動(dòng)物的培養(yǎng)，這也是我們的創(chuàng)新之點(diǎn)。我們篩選出了黃粉蟲，然后用秸稈通過生物轉(zhuǎn)化來培養(yǎng)黃粉蟲，它是給人提供動(dòng)物性蛋白和動(dòng)物性油的。同時(shí)篩選出來適合在密閉系統(tǒng)培養(yǎng)的微生物，來進(jìn)行廢物處理。這是系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)，通過這個(gè)物質(zhì)循環(huán)，我們實(shí)現(xiàn)了閉合度97%，這在當(dāng)時(shí)2014年已經(jīng)是世界上最高的閉合度，氧氣和水是百分之百循環(huán)再生，食物再生55%，當(dāng)時(shí)首次實(shí)現(xiàn)了人—植物—動(dòng)物—微生物構(gòu)成的四生物鏈環(huán)系統(tǒng)。而在我們之前，俄羅斯和美國他們只是做到了人和植物的兩生物鏈環(huán)，而我們做到了四生物鏈環(huán)。

月宮365實(shí)驗(yàn)：世界上時(shí)間最長的BLSS地基模擬實(shí)驗(yàn)

105天實(shí)驗(yàn)之后，經(jīng)過了升級(jí)和發(fā)展，又做了月宮365實(shí)驗(yàn)。那么為什么我們做了月宮105實(shí)驗(yàn)又要做月宮365實(shí)驗(yàn)?前面做月宮105實(shí)驗(yàn)我們是第一次做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要是演示驗(yàn)證我們前期建立的理論方法和技術(shù)是否可行，向哪個(gè)方向進(jìn)一步發(fā)展。在這之后我們要思考一個(gè)非常重要的問題，就是我們?cè)谔罩薪⒘诉@樣一個(gè)生物系統(tǒng)，這是一個(gè)系統(tǒng)，但是來的人是不一樣的，我們不可能把一批航天員，送到月球上，然后待一輩子，是不能的。一定會(huì)有乘員組換班，一旦涉及到乘員組換班就會(huì)涉及到人與人之間的差異，不同的人代謝水平是不一樣的，消耗是不一樣的。但是生物系統(tǒng)只有一個(gè)，要讓這個(gè)生物系統(tǒng)適應(yīng)不同代謝水平的乘員組，換班同時(shí)在那個(gè)地方待很多人，會(huì)有很高的系統(tǒng)沖擊。要滿足在任何情況下都能夠平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，都能夠穩(wěn)定、平衡，月宮365實(shí)驗(yàn)最主要是研究這樣一個(gè)生物系統(tǒng)如何支撐不同代謝水平的乘員組，如何讓它實(shí)現(xiàn)平衡。

“月宮365” 實(shí)驗(yàn)

因此這次的設(shè)計(jì)跟上次是不一樣的，我們有兩組乘員，分三個(gè)階段值班。第一組值第一班，60天，第二組來換班，他們會(huì)有一個(gè)交接，之后第一組出去，第二組留下來再值200天班，200天滿后，第一組又回來換班交接，之后第二組出去，第一組留下來，再值105天班，這是365天，所以叫月宮365實(shí)驗(yàn)。

但我們還要研究一個(gè)問題，這是有預(yù)謀的，當(dāng)時(shí)沒有告訴他們，當(dāng)時(shí)說只做365天，快要到365天時(shí)他們都很激動(dòng)，馬上就可以出艙了，然后我們告訴他們對(duì)不起，因?yàn)槿蝿?wù)的需要你們還要再待5天，這叫非預(yù)期加班。就是讓他們心理產(chǎn)生很大的波動(dòng)，很不滿意，為什么我們?cè)摶厝ミ€不讓回去，會(huì)很不高興，很憤怒，然后很郁悶，我們要研究他是如何生氣，如何郁悶的，如何讓他不郁悶，如何來調(diào)解，因此又加了5天，所以加起來是370天。

我們還做了很多折磨：停電了、設(shè)備壞了，各種沖擊，來挑戰(zhàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。月宮365實(shí)驗(yàn)我們種植了35種作物，包括糧食、蔬菜、水果，幾乎平時(shí)吃到和吃不到的，在這里面都有，最誘人的水果是草莓。這里面除了植物以外，黃粉蟲還在，廢物處理的微生物還在那里，除此之外增加了植物益生菌，利用秸稈培養(yǎng)蘑菇，給人提供一部分蘑菇蛋白。這樣就形成了復(fù)雜的四生物鏈環(huán)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)閉合度98%，氧氣和水百分之百循環(huán)再生，食物再生83%。

系統(tǒng)中對(duì)植物的培養(yǎng)跟地球上不一樣，我們叫階梯半連續(xù)培養(yǎng)，同時(shí)可以拍到十張甚至三十張植物的照片。為什么這樣做?跟我們?nèi)说暮粑牡难鯕夂椭参锂a(chǎn)氧匹配不到一起是有關(guān)系的，因此必須階梯半連續(xù)培養(yǎng)才能實(shí)現(xiàn)氣體的穩(wěn)定。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，地球南半球和北半球氣候是互補(bǔ)的，同時(shí)還有大氣環(huán)流，東半球和西半球日夜是互補(bǔ)的，有這樣的大氣環(huán)流，實(shí)時(shí)把氣體進(jìn)行混合，這樣就使得我們?cè)诙鞠牡难鯕猱a(chǎn)生了二氧化碳源源不斷地送到南半球，而南半球源源不斷把氧氣送過來，反之亦然。白天晚上也是這樣交替的。

地球從設(shè)計(jì)上就是全球一體化的，如果割裂開來，比如說在美國處于晚上的時(shí)候，我們把閥門關(guān)上，他們可能就會(huì)憋死。如果南半球、北半球中間壘一堵墻可能在南半球進(jìn)入冬季的時(shí)候，他們也會(huì)憋死。

我們還要做一個(gè)非常重要的工作，就是做空間搭載，設(shè)計(jì)一個(gè)小型系統(tǒng)，搭載月球火星探測(cè)器，進(jìn)入太空，通過天地對(duì)比獲得校正參數(shù)，校正我們地面大系統(tǒng)的參數(shù)，通過校正后我們就可以把系統(tǒng)運(yùn)用到地外，比如說月球、火星以及星際飛船上。

未來太空旅行就可以用到這樣一個(gè)可以持續(xù)保障生存的生命保障系統(tǒng)，在這樣宜人的環(huán)境里面來生活工作。這個(gè)技術(shù)也可以用到地上，比如地球上的一些極端環(huán)境，包括高原、沙漠以及水下、地下這樣一些場(chǎng)合。

從科學(xué)上來說，我們要向自然學(xué)習(xí)，有很多值得我們學(xué)習(xí)的東西，我們要不停地去觀察、去學(xué)習(xí)，才能夠進(jìn)行原始創(chuàng)新。

注：本文根據(jù)作者在墨子沙龍演講整理所得，有刪減，文中圖片均來自作者演講PPT