受控生态生保系统：未来载人火星任务的关键技术
受控生态生保系统：未来载人火星任务的关键技术
随着人类航天技术的不断发展，载人火星任务已成为未来航天技术发展的必然趋势。然而，实现这一目标面临着诸多重大挑战，其中最关键的就是如何保障航天员在长达500天的飞行任务期间的生存需求。本文将深入探讨载人火星任务中受控生态生保系统的关键技术及其应用前景。
继开展载人飞船、空间实验室、空间站和载人登月后，开展载人火星飞行与长期定居火星必将是未来航天技术发展的必然趋势。然而，载人火星飞行会面临诸多重大挑战，其中之一就是如何保障人长期生存的环控生保技术——解决去往、驻留火星和返回地球等整个飞行任务期间航天员的食物、氧气和水的持续供给问题。
当前载人航天环控生保技术的发展现状
载人航天环控生保技术应载人航天而生，当前得到应用的主要包括针对载人飞船或空间实验室的非再生式环控生保系统和针对地球低轨道空间站的物化再生式环控生保系统。
非再生式生保系统
又叫携带式生保系统或开环生保系统，即航天员所需要的食物、氧气和水等全部最基本的生保物资全部从地面上携带，而其产生的各种废物均被带回地面。该生保系统也叫第一代环控生保系统，一般适合于一个月左右的短期近距离载人航天飞行。
物化再生式生保系统
又叫部分携带式生保系统或半闭环生保系统，即航天员所需要的氧气和水等两大生保物资在空间站基本再生（少量需要从地面补给），而食物基本上无法在空间站生产而只能从地面上进行补给。一般通过水电解技术进行氧气制造；通过分子筛或固态胺技术对座舱内航天员呼出的二氧化碳进行收集，并通过Sabatier化学催化反应技术进行二氧化碳加氢还原，形成水和甲烷（可另作他用），因此回收了二氧化碳中的氧。
此外，主要通过蒸汽压缩蒸馏技术进行尿液中的水回收，回收后主要用作水电解用水；主要通过离子交换、过滤和催化氧化技术相结合的方式进行冷凝水净化处理，后处理液主要用作饮用水；目前空间站几乎不产生卫生水，因此也就暂不进行卫生水处理。该生保系统也叫第二代环控生保系统，一般适合于一个月以上的中长期、近距离载人航天飞行。
植物种植
另外，目前在空间实验室和空间站能够进行极少量粮食、蔬菜和食用花卉等栽培，但这主要是用于科学实验研究，能够部分解决航天员的心理支持问题，但无法从根本上解决食品充分供应问题。
假定执行火星飞行任务的乘组人数为4人，飞行时间为500天，并假定整个飞行任务期间航天员不洗澡也不洗衣，那么在整个飞行期间所需要的食物、氧气和饮用水分别是1240kg、1660kg和8120kg。
注：非出舱活动期间1人乘员生保需求估算值。数据来自于自由号空间站的控制需求分析，但不包括纸和塑料用品、肥皂、衣物、向空间的气体泄漏、保持系统的必要材料以及生保系统本身的质量和供电硬件。
根据当前载人航天环控生保技术的水平来看，载人地火往返及驻留火星航天员生存所需的氧气和水的供给基本上可以通过物化再生技术进行解决，但可能还需要进行少量携带或补给；食物供给是一个大问题，目前由于空间运输能力和有限的内部空间，不可能携带这么多数量的食物，也不可能在天上就地再生食物。
- 往返及驻留火星，重点是要解决食物的供给问题。
- 在离开火星返回地球前，极有可能需要从火星上补给氧、水及其原材料，因此需要解决从火星上的物质开采与补给能力。
受控生态生保系统：未来载人火星任务的关键技术
载人火星任务环控生保技术实施应包括地球－火星飞行、火星驻留、火星－地球返回共三个任务阶段。受制于发射大小重量、表面环境严酷和原位资源匮乏等条件限制，对系统提出了极高要求，其必须辅助以其他必要的工程技术手段来确保系统中物质流能够高速度、高闭合度、高效率和高安全可靠性运行。目前来看，火星飞行任务大致需要500天，其食品供给问题需通过发展基于作物的受控生态生保系统来予以解决。
受控生态生保系统的基本原理
受控生态生保系统又叫第三代载人航天环控生保系统、闭环生保系统。受控生态生保系统是基于地外月球或火星等地外星球表面环境特点而人工建造的密闭微生态循环系统，以植物的光合作用为出发点，通过利用各种先进技术，合理、高效、可控地组合和运用“生产者（植物）”、“消费者（人/动物）”和“分解者（微生物）”之间的关系，实现有限资源的重复再生利用，是一种全封闭、基本自给自足和自主物质循环的生命保障系统。
该系统中，植物通过光合作用将光能（来自太阳光或光电转换）转化成化学能储存在有机物中，为异养生物（人及动物）提供食物和氧气，又将异养生物排出的二氧化碳和其他废物转化成上述有用产品，由此构成系统的碳循环和氧循环；同时植物通过根系吸收和叶片蒸腾作用实现水的净化，参与系统的水循环；系统中的微生物对废气、废水及动植物的非食用部分和人及动物的排泄物等进行降解和矿化处理，为植物提供养料，为动物提供部分食品，使废物再生利用，从而建立起一个由植物、动物、微生物、人以及一些必要的有机无机环境构成的物质和能量不断循环和更新的生态系统。
地-火飞行受控生态生保系统
目前来看，地-火飞行大致需要180天，其食品供给问题需通过受控生态生保系统予以解决。但如果完全依靠该系统来解决，则需要较大的体积、重量和功耗等载人航天资源，目前来看难以承受。
目前的基本解决思路是将生物与物化再生技术与物资储藏相结合。例如，通过一个植物舱培养少量植物，重点供应新鲜蔬菜和水果，达到约20%的食物闭合度，还可以吸收乘员呼出的少量二氧化碳并产生呼吸用氧气；另外，可以装配一套微藻光生物反应器，重点供应藻蛋白，解决约10%的食物闭合度，可吸收约一个人呼出的二氧化碳，并产生约一个人呼吸所需的氧气。其他约70%的食物通过飞行器中携带的高能食品解决。另外，氧气和水的供应问题基本通过上述物化途径解决。
地球-火星载人飞行期间受控生态生保系统基本工作原理图
植物主要采用适应于空间微重力环境条件的植物栽培技术，需要携带一定量的植物矿质养分，以便在飞行途中向植物施肥。能源拟采用舱外太阳能帆板电池供电，舱内植物采用LED灯进行人工光照。可选用生菜、甘蓝、萝卜、矮番茄、草莓等作为候选色拉型蔬菜和水果。另外，采用微生物+蚯蚓生物反应器，将植物的不可食部分制备成人工土壤（也叫类土壤），反过来进行蔬菜和水果培养，实现部分或全部生物可降解废物的循环利用。
驻留火星受控生态生保系统
现在研究比较多的是面向长期火星驻留的受控生态生保系统。在这一期间受控生态生保系统的基本建设和运行思路是：舱体为刚性和柔性相结合的组合体结构构型；由于环境条件较为严酷，因此拟为非透明结构，建在地下、半地下和地上（如建在地上则在舱体外覆盖1-3米厚的火星土壤），以实现防辐射、绝热保温并防止流星体撞击。
火星基地受控生态生保系统设想图
在火星驻留期间，这时候的储藏食品应该已经所剩无几，需要主要通过就地生产解决。这时候需要扩大植物种植面积和种类，每人平均种植面积约为40到50㎡，主要种植粮食（包括小麦、大豆、马铃薯、甘薯、水稻等）、蔬菜（包括叶菜类、果实类、豆类、根类和块茎类等）和水果（包括草莓、圣女果和矮香蕉等），调料仍然通过携带解决，食物闭合度应不低于80%。
由于火星上具有约1/3g的重力，因此可以采用水培、固体基质培养或雾培的方式培养。采用LED灯人工光照，或采用太阳能光导纤维或波导技术进行太阳光直接光照。由于植物的种植面积得到扩大，会吸收大量的二氧化碳并产生氧气，足以满足人的呼吸需要，因此无需再专门培养藻类。另外如在火星表面驻留时间超过半年，则可以考虑饲养食草类水生鱼类或陆生鹌鹑类动物，以解决动物蛋白的供应问题，同时丰富食物的多样性并提高食物的闭合度。
同样可以利用噬热微生物堆肥技术，将植物的不可食部分制备成人工土壤（也叫类土壤），反过来进行植物基质培养，实现部分或全部生物可降解废物的循环利用。另外，其余二氧化碳净化、氧气补充和废水的回收利用同样通过物化再生技术解决。
另一方面，由于植物播种和生长需要有一个过程，如果航天员到了后才开始组装和启动设备，则根本无法即时满足生保功能的基本要求。因此目前的想法是在开展载人登火之前，先进行若干次无人设备和相关材料发射，并发射机器人和自动化机械操作设备，由其对登陆在火星上的设备进行自动拆卸、搬运、安装、调试和运行，并启动全程自动化植物栽培程序，实现自动化播种（也可以在地面预先播种）、浇水施肥、照光、环境控制、间苗等种植模式，确保在首批乘员到达时植物能够达到成熟收获期。这样，通过掌握植物栽培程序启动和乘员到达火星的前后时间，就有望能够保证乘员一旦登陆火星则可以吃上植物舱内种植的新鲜粮食和蔬菜等作物，并呼吸到植物舱内产生的氧气（植物光合作用需要的二氧化碳由携带或从火星大气获取解决，火星大气压约为0.7%个标准大气压，其中二氧化碳浓度占到95.3%）。
这一阶段所需的电能可选方案包括太阳能电池发电、核能或化学或生物燃料电池。另外，需要进行原位资源的开采与利用，包括大气（二氧化碳和氧气）、水、矿质养分等。这一工作也应当在航天员到达之前就开始启动。
火-地飞行受控生态生保系统
从原理上来讲，航天员从火星返回地球飞行期间的环控生保状态与从地球飞往火星的应该基本相同。在返回中也需要携带一定量的食物、氧气、水甚至植物矿质养分。那么这些物质从哪里来呢？毫无疑问，都需要预先从火星基地中获取。例如从火星大气提取二氧化碳，从火星地下土层中获得水或氧气，从火星土壤或岩石中提取铁矿石等植物营养代谢所需的矿质养分。另外，可能需要在火星基地中预先制备航天食品供返回途中补充食用。
探月登火是未来国际、国内航天技术发展的必然趋势。为了实现这一目标，其实早在人类上天之前就开始考虑实现长期载人航天的环控生保技术问题。从上世纪50年代开始，美、俄就开始了上述面向这一目标的受控生态生保系统技术研究。进入上世纪80年代末，欧空局、德国、法国、日本、加拿大、意大利等航天大国或组织也启动了这一工作。中国航天员中心从上世纪90年代初开始启动这一工作，到目前已经取得了重要成就。
目前，在国际上受控生态生保技术由于技术复杂程度高并受到航天形势和航天政策的影响等而仍然处于探索阶段，距离工程化尚有一定距离。因此需要加大该技术的发展，突破技术瓶颈，从而推动早日实现载人登火并早日建成人类千年向往的火星家园。
