海外网:北航"月宫365"实验成功 模拟地外生存创世界纪录

点击数:    |    加入时间:2018-05-15

海外网2018年5月15日报道:

北航"月宫365"实验成功 模拟地外生存创世界纪录

5月15日,北京航空航天大学校内,备受关注的“月宫一号”再次缓缓开启舱门,刘慧(舰长)、刘佃磊、胡静斐、高寒4位志愿者微笑着走出“月宫”,手里还拿着亲手在“月宫”种植的大豆、小麦、胡萝卜、西红柿、草莓等,分发给舱外欢呼着祝贺他们的人群。至此,“月宫一号”内进行的为期365+5天的、世界上时间最长的“月宫365”实验获得圆满成功。

“‘月宫365’实验,实现了闭合度和生物多样性更高的‘人-植物-动物-微生物’四生物链环人工闭合生态系统的长期稳定循环运转,且保持了人员身心健康。这对于人类实现在地外长期生存无疑是具有重要理论和实践意义的一大步。”“月宫一号”总设计师、“月宫365”实验首席科学家刘红教授在仪式上报告了实验情况,介绍了取得的主要成果。随后,她宣布“月宫365”实验计划圆满完成。

仪式上,“神舟”号飞船总设计师、中国工程院院士戚发轫,人机与环境工程专家、中国工程院院士王浚,虚拟现实技术和人工智能专家、中国工程院院士赵沁平和北航副校长房建成院士共同开启舱门,欢迎志愿者凯旋。

“月宫365”实验于2017年5月10日开始,至2018年5月15日出舱,共历时370天,是世界上时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验。其主要任务是研究一个生物系统如何实现为不同代谢水平的乘员组提供生命保障,并保持系统稳定。此次出舱时间比原定计划延迟了五天,是“故意”模拟的突发状况,舱内志愿者事先并不知情,意在观察志愿者心理状态。实验志愿者共有8名,分为2个乘员组,设置3班。1组值第一班,持续时间60天;2组值第二班,持续时间200天,已打破此前由俄罗斯创造的同类系统中最长驻留180天的世界纪录;1组再值第三班,持续时间105天。1组志愿者为刘慧(舰长)、刘佃磊、胡静斐、高寒4人,2组志愿者为刘光辉(舰长)、伊志豪、褚正佩、王伟4人。此次出舱为1组4名志愿者,标志着“月宫365”实验顺利完成。

出舱仪式上,国防科工局系统工程司副司长赵坚,中国科学院空间科学中长期规划生命科学领域责任专家、中国科学院微生物所教授刘志恒,空间站工程副总指挥潘平,空间站工程航天技术试验领域总师李衛,国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰,以及北航党委副书记李军锋、党委宣传部部长谭华霖、生物与医学工程学院党委书记韩慧瑜等为“月宫365”实验8名乘员志愿者颁发“北航冯如杯科学探索特别奉献奖”。

志愿者代表刘慧博士发言,她表示,实验成功归功于舱内外所有月宫人的努力,大家为此感到骄傲和自豪。通过实验。志愿者们收获了第一手科研数据和经验、特殊的情谊和丰富的生活技能。接下来还要将实验数据形成研究成果,为实验画上圆满句号,“将我国生物再生生命保障技术的发展推向世界领先的舞台,为实现航天强国梦助力”。

“神舟”号飞船总设计师、中国工程院院士戚发轫在仪式上致辞。他谈到,探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。今天我们为了实现这个梦想,做了一些不可替代的工作。首先祝贺“月宫一号”团队坚持了这么多年,完成了这么一个在历史上有记载的,这么一个重要实验。离开地球,首先必须解决人类在地球外的长期生存问题,而生物再生生命保障系统就是人类实现在地外长期自治生存的关键技术。“月宫365”实验是不可取代的,它对于人类实现在地外长期生存无疑是具有重要理论和实践意义。他还谈到,我们国家航天事业虽然起步比较晚,但是我们可以利用后发优势,通过努力,我们有信心和世界上的大国并肩齐进,为我们中华民族伟大复兴,为’两个十五年‘以后成为科技强国奉献我们自己的力量。

北航副校长房建成院士在致辞中对“月宫365”实验的成功表示热烈祝贺,北航为月宫团队的拼搏激情、责任担当和卓越荣誉点赞。月宫团队充分践行着“空天报国、敢为人先”的北航精神,在国际顶尖领域发出北航声音、彰显中国自信。他表示,此次“月宫365”大科学实验,验证和探索多项深空探测生命保障技术,实质性推动了中国航天深空探测技术的发展,出色地完成世界生物再生生命保障系统的中国领航。

据悉,“月宫一号”所使用的生物再生生命保障技术,是保障人类在月球/火星等地外星球长期生存所需关键技术。在这项技术应用到空间探索前必须进行地面演示验证实验,并通过实验发展系统稳定运行调控技术。北航刘红教授团队经过十年努力,研制出我国第一个、世界上第三个空间基地生物再生生命保障地基综合实验装置“月宫一号”,并于2014年5月成功完成了持续105天的我国首次长期高闭合度集成实验,标志着我国成为了继俄罗斯、美国之后,第三个掌握了该技术的国家,也标志着世界首个由“人-动物-植物-微生物”构成的四生物链环人工闭合生态系统的成功建立,使我国此项技术水平进入世界领先行列,成果入选“新中国65年十大引智成果”、“2015年中国高校十大科技进展”。

365+5天的世界上时间最长的“月宫365”实验,闭合度水平超越了月宫团队2014年创造的世界纪录,达到了98%。刘红教授介绍到,“月宫365”实验在世界上首次建立了系统长期稳定运行的生物调控技术,并通过实验过程中不同代谢水平的乘员组换班更替、停电及设备故障冲击等突发状况验证了该技术的有效性;分析了不同工况下生物再生生命保障系统的稳定性,明确了影响生物再生生命保障系统的可靠性的关键因素; 发现了在幽闭空间中自然光制度变换对人的生物节律和情绪的影响规律, 发明了模拟自然光变换调节人体生物节律和情绪技术和设备;并建立了植物长期连续高效栽培技术、营养液长期循环利用净化和调配技术。

人机与环境工程专家、中国工程院院士王浚谈到:“‘月宫365’实验成功,这对于人类实现在地外长期生存无疑是具有重要理论和实践意义。‘月宫一号’所积累的经验、技术、成果,将为建立月球及其它星球长期驻留和飞船星际飞行提供重要的科技支撑!”“当然,也可以探索该项科技成果在地球上特定情况下的推广应用,比如缺水地区、高原缺氧交通极不便地区和提高现有透明温室大棚单位容积产量方面做工作。”人机与环境工程专家王浚院士表示,“月宫365”长时间的密闭生存实验获得的生理和心理数据,以及研究建立的调控措施和技术,将为未来的星球基地探索活动人员的健康保障提供重要依据和技术支撑。

仪式上,刘红教授动情地谈到,2004年来到北航,怀揣着航天强国梦,从零开始这项研究工作,执着奋斗了14年,一批又一批的青年才俊怀着共同的梦想,加入到团队中来。“我们系统开展了生物再生生命保障系统从单元关键技术到系统基础理论与调控方法的研究,建立了生命再生生命保障系统基本理论和技术体系及研究方法。” 记者了解到,为了“月宫365”实验,团队成员连续三个春节都没有休息。对于将来的科研,刘红教授很有信心:“以终点为起点,我们仰望星空永不止步!”

关于下一步的研究计划,刘红教授谈到,“我们将在总结分析试验结果的基础上,进行空间站、月球/火星探测器搭载的小型生物再生生命保障系统实验装置研制,争取搭载机会,通过天地对比分析,获得矫正参数和模型,进一步为该项技术应用于太空奠定坚实的技术基础。”

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“月宫一号”是我国第一个、世界上第三个生物再生生命保障地基有人综合密闭实验系统,更是世界上第一个成功的四生物链环系统。此次 “月宫365”实验,自2017年5月10日启动以来,8名志愿者分批在“月宫一号”实验舱内,进行为期365+5天的多人次实验,实现了闭合度和生物多样性更高的“人-植物-动物-微生物”四生物链环人工闭合生态系统的长期稳定循环运转,且保持了人员身心健康。这对于人类实现在地外长期生存无疑是具有重要理论和实践意义的一大步。

一、“月宫一号”背景

生物再生生命保障系统是保障人类在月球/火星等地外星球长期生存所需关键技术。“月宫一号”是北航刘红教授团队发明的空间基地生物再生生命保障系统地基综合实验装置,是世界上第一个成功的四生物链环的人工闭合生态系统(人-植物-动物-微生物),系统的闭合度和稳定性高于之前的俄罗斯和美国的同类系统,而此前俄罗斯和美国的系统均为人-植物的两生物链环系统。此前国际上此类系统实验持续时间最长的是俄罗斯的BIOS-3的180天实验。

“月宫一号”一期系统于2014年5月20日完成了我国首次长期多人高闭合度集成实验(3人105天),系统闭合度达到97%,人所需的氧气和水100%在系统内循环再生,循环再生了55%的食物。“月宫一号”一期2个舱室的总面积100平米,总体积300立方米,植物种植面积69平米。

2016年“月宫一号”完成了升级和扩建,共有3个舱室,总面积150平米,总体积500立方米,植物种植面积120平米。此系统正在开展“月宫365”实验,系统的闭合度和食物再生度将进一步提高。

“月宫365”实验,于2017年5月10日开始,于2018年5月15日结束,是世界上时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验。

二、“月宫365”实验的目的

明晰在不同代谢水平的乘员组合变换、超高负荷冲击、遭遇故障等情况下,生物再生生命保障系统的鲁棒性,进一步验证和完善我们建立的系统长期稳定运行调控技术,并建立该生物系统的可靠性评价方法体系。同时开展在幽闭环境中绿色植物与光协同调控乘员情绪和心理的方法和技术研究、肠道微生物与心理健康的关系研究等。

三、“月宫365”实验设计

本次实验为4人365天, 舱内实验志愿者共有8名,分为2个乘员组,设置3班。1组值第一班,持续时间60天,2组值第二班,持续时间200天,1组再值第三班,持续时间105天。

四、舱内实验及生活

舱内约150平,综合舱居住面积约42平,4人居住,6室1厅(4间卧室,1洗漱间,1固废间,1集客厅、工作间、厨房、餐厅多功能一体的交流间)。两个大植物园——植物舱I和植物舱II,占地约100平,带储藏室。

黄粉虫是全球首创具备四生物链环生物再生生命保障系统‘月宫一号’中重要的一环,既能为志愿者提供丰富的可食蛋白,又能降解舱内部分废弃物从而加速物质循环,还起着一定的心理调适的作用。具有营养丰富、部分废弃物处理、培养条件容易满足、食用安全且味道鲜美的特点。1968年,黄粉虫就随着前苏联的太空飞船登上太空(环绕月球的第一艘太空飞船---探测器5号)。现在,国际上已经开始接受昆虫作为未来的可持续食品源以及太空中宇航员的蛋白食物源。

“月宫”内部光环境有讲究。工作区和休息区照明采用LED光源,其环保节能、光照均匀的优点,适用于生保系统的长期高效运行。植物舱设计了利于植物生长的特殊光源,工作人员光下操作时佩戴防护眼镜,避免了部分光谱对人眼产生的不利刺激。综合舱设计的光纤导光器,提供了科学的动态照明环境,并且去除了对人体有害的部分紫外与红外光谱,提供了促进维生素D合成的中波紫外光以及促进人体血液循环和新陈代谢的近红外光。生物再生生命保障系统的地面模拟实验是良好的人工照明方案实验平台,探究出科学的照明方案,不仅对载人航天有一定的意义,还可应用于深海长航,地下和水下设施,大型客机,长期不见太阳光的地下室,无窗的生活、工作和娱乐场所,北方地区的冬季。解决这些特殊环境条件下人员缺光导致的各种心理和生理问题。也可有助于生物节律退化的部分老年人和时差引起的生物钟紊乱的人群,提高生活质量和工作效率。

月宫种植也有学问。植物舱Ⅰ的小麦主要栽培于三层植物架上,栽培面积共为60m2,分30批。但这30批小麦并不是同一时间种的,而是按照一定时间间隔分批种植。由于种植的时间不同,因此我们能看见处于不同生长周期的小麦。由于不同小麦处于不同状态,它们的光合作用速率也不一样。因此每次收获之后就要马上再次播种,保证生长周期内各个状态的连续性,也保证光合作用吸收二氧化碳呼出氧气的稳定性与持续性。

健身单车是月宫一号舱内志愿者的日常锻炼器械。在空间站或者月球基地等微重力环境下,人体的肌肉系统与骨骼系统会发生一些变化,最典型的表现就是腿部肌肉萎缩以及骨质疏松。月宫365实验计划是针对载人月球基地及火星探测等航天计划而开展的综合性实验,与真正的航天任务有很大的共同性。志愿者们在月宫一号密闭实验舱中活动范围也相对较小,进行操作也是主要依靠上肢,对下肢的锻炼相对较少,长时间可能会造成腿部肌肉与骨质的流失。此时,单车的作用就体现出来了,虽然与空间站专有的锻炼器材有所差别,但是效果是类似的,志愿者们可以通过单车锻炼来对抗腿部肌肉与骨质的流失,这对保障志愿者的身体健康至关重要。单车在月宫365实验中还承担了一项重要任务,那就是志愿者呼吸状态的测定。测试志愿者们在不同阻尼下骑行的呼吸状态,可以更精确与定量化地描述代谢水平与身体健康状态,这对载人航天生命保障技术研究具有重要意义。

“月宫365”实验图片入选《NATURE》2017年度最佳科学图片(余敏 史越 宋超 王宇辰 孙也程 张之蔚 王震)

编辑:崔奕凡

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