刘红：把科幻做成科学，月宫一号的太空农场
刘红 北京航空航天大学生物与医学工程学院教授
俄罗斯自然科学院外籍院士、国际宇航科学院院士
人类要进行星际旅行或者太空长期生活都需要一个类地球生活环境的全封闭的生命保障系统。北京航空航天大学女教授刘红就专攻于此，在她的指导下，她的团队三人2015年首次在“月宫一号”依靠“生物再生生命保障系统”成功封闭105天的实验，让大家看到了人类在月球长期生活的可能。
今天，月宫一号密闭生存已经达到370天，创下世界上时间最长、闭合度最高的实验纪录，它未来可应用于帮助人类长期在太空生存。你想知道她们是如何实现的吗？
2014年5月20日，“月宫一号”完成我国首次长期多人高闭合度密闭实验，三位实验人员顺利出舱。那么，我看到网上有这样一个问题，就是“人类为什么要探索太空，甚至说我们地球上的事还没有做好，干嘛要到太空去？”
这个问题长期以来是一直存在的，我相信它还会继续存在下去。这个问题也有很多答案，我想其中最经典的就是我们载人航天技术的发展，这会带动地面技术的进步，从而造福地面的人类。
但是我想这只是其中的一个解释，应该还有更贴切的答案，这个答案应该从这样一个问题开始，“人类和动物的根本区别是什么？”我们在高中政治课时就已经背过这道题了，人与动物的根本区别在于人能够制造工具，并且使用工具进行劳动。但是我觉得这只是人与动物在能力上的区别，不是本质上的区别。
我认为人与动物的本质区别在于人永远都有梦想，人永远都要探索未知的世界，人们对未知的世界有强烈的好奇心。即使航天技术对地面不会造成任何益处，人类一样会义无反顾地探索太空，因为这是人的本性使然。
我们要进入太空，离开赖以生存的环境，那我们该如何生存下来？我们需要吃的，需要喝的，还需要一样东西，可能大家平时没有太在意，因为我们没有感觉到它，但实际上它更珍贵，那就是氧气。所以我们必须要解决氧气、水和食物的供给问题。
那么，这些供给可以通过两种方式来解决：一种是携带式，如果把我们需要的这些东西都通过携带来解决的话，假设一个人的代谢强度为2800大卡，那么我们需要多少东西来解决它？我们需要氧气0.83公斤，相应地，我们会放出0.95公斤的二氧化碳，同时，我们需要15公斤的水，这15公斤的水满足人的饮用、食品加工用以及卫生问题。
可能有人会觉得15公斤挺多的，我不知道有没有人知道，我们生活在北京每一天消耗多少水？实际上，按照北京市的用水平均量来算是100到120升，也就是每人每天100到120公斤。那么，大家就会觉得15升是这里面一个非常小的比例，我们每人每天还需要0.65公斤的食物。水和食物加在一起是16公斤左右，16公斤听上去还是挺少是吧，但如果你算一下一年的量，那就是每人每年需要6吨的物资。
而我们要进入太空的不止一个人，可能是两三个人，三五个人，十个八个人甚至几十个人，上百个人都有可能，如果我们把这些物资运到太空，比如运到近地轨道空间站，那每人每年的物资需要多少钱呢？6000万美元。那么到月球呢？每人每年需要6亿美元。要运到火星呢？需要60亿美元。这才是一个人的，五个人，二十个人，那将是一个天文数字。
任何一个国家，即使它再富有再强大，也很难保证这样的费用支出。更何况就算你很有钱，你可以拿出这么多钱来运输，却在技术上也是很难实现的。因为我们知道，我们不管是送到月球还是火星，都有一个发射窗口的问题，不是你什么时候想送就可以送过去的。
因此，我们必须要再生解决方式，在原位进行再生。对于近地轨道空间站来说，因为它离地球很近，我们可以通过物理化学的方式再生一部分氧气和水，而食物要靠地面补给。但是，如果我们要到月球上建基地，或者飞到火星上，用物理化学这种单纯的方式就不行了。所以，只有用生物再生的方式才能够再生氧气、水和食物。
这就引出了我们今天的主题——生物再生生命保障系统，简称BLSS。生物再生生命保障系统是基于地球生态系统的原理，将工程控制技术和生物技术有机结合而构成的一个由植物、动物和微生物组成的人工闭合生态系统。在这个生态系统中，人类所需要的三种物质，氧气、水和食物都可以循环再生。更重要的是，它给人类提供的环境是类似于地球生态环境的。
这样一个系统 它的核心是什么？核心是要在这个系统中，实现物质的再生循环，可以永远地循环下去。那么，它的关键技术就会涉及到各种生物的高效栽培和废物的高效处理，还有该如何设计和构建这个系统。这里面涉及到很多理论问题，比如生物在这样特殊的环境下，它的定量描述问题，以及各种生物之间的定量关系。
这方面的研究，我们北航是从2004年开始的，到2014年整整10年。2004年以来，我们开展了从系统的关键单元技术到系统的理论和涉及计算方法的一系列的研究，都取得了大量的成果。但是这些理论方法和技术能不能用到太空，我们是不知道的。因为我们一直做的都是单元的研究，那么在把它用到太空之前，我们必须要在地面上进行演示验证。
因为我们需要构建一个地基综合实验系统，我们把它叫做空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置。是不是很长很难记？一般人都记不住，只有我们课题组的人才能把这句话说得顺溜。因为很多的媒体也在说这个，能说顺溜的不多，为了让大家容易记，也为了我们交流上的方便，所以我们把它称为“月宫一号”。
之所以叫“月宫一号”，因为它最先是用到月球进行演示验证。我们刚才说的理论方法和技术外，同时还需要进行系统的调控和运行技术的研究。从这个图上，我们可以看到这个系统由三个舱组成，一个是综合舱，两个植物舱。
综合舱包括四间卧室，都是独立的。因为网上有人会问，有男有女在里面做实验，是不是不太方便？我们把房间都做成独立的，像住的宾馆标间一样，就此可以保证私密性的要求。四间房间就意味着，我们这个系统可以满足四个人的生命保障需求。此外还有饮食交流间，在这里面有一个开放式的厨房，有餐桌还有控制系统。这样的设计就是为了在我们做饭时，在饮食交流时，还可以兼顾控制系统。
此外还有洗漱间，更重要的是在我们这个综合舱里还有一个废物处理间，这个废物处理间非常小，大概小于10平米，但是它的功能非常大。
我们在这里要处理三种废水，一种是空气冷凝水。空气冷凝水，主要是由于植物的蒸腾蒸发作用、人的呼吸以及废物处理过程中产生的水汽冷凝获得的。我们把空气冷凝水净化后 ，一部分给人饮用和生活用，其它的和另外两种废水，一个是人产生的卫生废水，还有人的尿液的净化废水与空气冷凝水一起循环用于植物栽培。这样，水就可以充分地循环起来了，因此我们的水是百分之百循环的。
在废物处理间还有一样东西，我们叫废物生物转化器。在这个废物生物转化器中，我们会处理秸秆植物无法食用那部分的生物量，我们叫植物不可食生物量，把它与人的粪聚集一起进行共发酵，进行处理后获得基质，我们可以循环用于植物栽培。在发酵的过程中，会产生大量二氧化碳，二氧化碳对于我们这个系统来说是一个宝贵的东西。虽然现在大家都说全球变暖，二氧化碳浓度升高，似乎二氧化碳是一个很讨厌的东西。但请大家记住，如果地球上没有了二氧化碳，也就没了人类。因为只有有了二氧化碳，植物才能进行光合作用，由此我们才有了食物，才有了氧气，才有了水。所以，二氧化碳也是一种重要的资源。
我们会把这些富二氧化碳的空气送到植物舱，然后在植物舱里，植物利用它进行光合作用，又产生了氧气，再送回综合舱供给人以及废物处理等来使用。这样，我们的氧气和二氧化碳是可以循环起来的。
实际上，在废物处理间里还有一个非常重要的东西，这也是我们这次实验的一个创新点之一，就是一个动物培养箱，它非常小，里边培养的是昆虫，它的名字叫黄粉虫，俗称面包虫。之所以叫面包虫是因为它可以吃，所以大家不用害怕，很多人吃过知了，它的味跟知了是一样的，非常的好吃。
我们把植物的秸秆经过生物处理之后，用来饲喂黄粉虫。这样，我们可以获得一部分动物蛋白，而这部分动物蛋白可以给人食用。黄粉虫的粪又可以经过处理之后，循环用于植物栽培。
这样我们大家可以看到，我们这个系统的氧气和水都可以循环利用起来，并且一部分物质也可以循环利用起来。植物舱通过光合作用，利用二氧化碳，同时利用送过来的处理后的水进行光合作用，从而为我们生产植物性的食物，包括粮食作物、蔬菜作物和水果。这样我们的食物在很大程度上都可以循环利用起来。我们一期建成了一个综合舱和一个植物舱，它们可以满足两到三人生命保障需求。
这是在2013年10月建成的，我们进行了一个月的调试，然后进行了启动实验。我希望大家能够注意到，我们这个系统和其它物理化学系统的区别是，我们是要造一个生物机器。生物机器是要现场造起来的，所以我们有一个70天的启动期。在70天内，我们会一批一批地种植，每隔一定的时间，比如7到10天就种植一批作物。那么到70天的时候，我们各种作物都种好了时，第一批作物就可以收了，这时候我们就可以开始实验。
2014年2月3日，也就是大家正在欢度新年的时候，我们开始了105天的长期密闭实验。接下来大家看到的是月宫一号里的居民，他们由三位志愿者组成，两位女性，一位男性，这是一个非常绝佳的组合，世界上绝无仅有。其中坐在中间的这位，看上去非常年轻，她是舰长谢倍珍博士，她是教师。坐在她旁边的这位女生是王敏娟，她是博士研究生。而另外一位男生是董琛，他也是博士研究生。
他们在这个系统中，有非常明确的分工。谢倍珍博士负责系统的运行管理，对她来说压力是非常大的。因为我们看到，她也是一个小女生，但她却承担了非常巨大的压力和责任，同时她还要负责舱里最脏最累的活，她要负责所有废物的处理，包括刚才我们说到三种废水，人的粪便和秸秆，同时还要负责养黄粉虫。
我们来看董琛博士研究生，他主要是负责小麦栽培和油沙豆的栽培，以及营养液的管理。听上去似乎挺少的，实际上负责得也很多。因为小麦是我们系统中的主要粮食作物，我们一共是69平米的种植面积，他负责了40平米的小麦，所以工作量也是非常大的。
接下来就是王敏娟博士研究生，她是更重要的人物。因为她要负责我们系统中的食品加工，俗称做饭。当然同时她还要负责除了小麦和油沙豆以外的其它19种作物的栽培，面积是29平米。那么做饭对于她来说，是一个非常重要的任务。因为我们知道，我们在地面生活似乎不是那么复杂，但还是有人很讨厌做饭，因为做饭很麻烦。而在我们的系统中，是没有地方买馒头的。所有的东西从小麦开始，我们要种出小麦后，还要负责把小麦加工、脱粒、磨面。然后去发面做成面包、馒头、包子、饺子等等食物。
这是我们系统中种植的各种作物，一种水果、还有十五种蔬菜作物和五种粮食作物。在这个系统中种植植物是有特殊的要求的，必须要批式种植。也就是每隔几天要种一批，不能就种下去等它长大，只有这样的批式种植才能保证食物储存量到最小，而且更重要的是气体是均衡的。
这是我们在“月宫一号”中吃的食物，所有的食物配方都是我们严格计算获得的，因此他们的饮食非常科学。他们三个人，每一顿吃的肉是80克，80克就是巴掌那么大。如果你的手不是很大的话，那么也就是说，每人每天吃手掌那么大块肉。
大家可以衡量一下，你是不是吃多了。吃多的结果不只是浪费，还会有害于你的健康。依据我们的科学食谱，在105天之后 ，他们三个人的健康指标提高了，所以希望大家都能够按照我们“月宫一号”这种方式来进行饮食。
我们这些技术不只可以用到太空，也可以用到地面。比如我们研究建立的微生物燃料电池技术，它主要是面向航天员的粪便和污水的处理，它的特点是让有机物产电。这是一件多么好的事，地面上有很多污水处理厂都需要进行处理，需要我们花很多钱才行。那么，我们不如把它们都变成发电厂。另外，这个技术还可以用于地面水质综合毒性监测，也就是说，我们喝的自来水是不是安全，必须要实时在线监测，这个技术可以帮我们解决这个问题。
我们在研究中形成的很多的植物栽培技术，也可以用于地面的植物工厂。我们大家吃蔬菜都比较担心农药的污染，有了这样的植物工厂，在严格的人工控制条件下就不会有病虫害，或者说将病虫害降到最低，因此也就不会有农药和化肥超标这样的问题。
2014年，是我们的研究的第十年，十年来很多的青年才俊，都积极地投入到这项工作之中，他们做出了非常大的贡献。
在这之后，2018年5月15日，我们的“月宫一号”又迎来了重要的一天，持续了一年的“月宫365”实验画上了一个圆满的句号。“月宫365”实验中，系统的闭合度超过了2014年105天的实验结果，达到了98%，为世界之最。
打开舱门，我们的志愿者们带着植物舱内种植的各种蔬果信步走出舱门，“月宫一号”团队实现了在世界上首次建立系统长期稳定运行生物调控技术，明确影响生物再生生命保障系统可靠性的关键因素，发现在幽闭空间中自然光制度变换对人情绪及生物节律的影响规律，并发明了模拟设备，建立了植物长期连续高效栽培，营养液长期循环、净化以及调配技术等一系列成就。
“月宫1号”一次又一次的实验成功，在这一路走来，有的人出名了，有的人没有出名。有的人永远就会像我们这个图上一样，永远是一个背影。但是大家都一样的高兴，为什么？因为我们不是为了出名，而是为了梦想。