面朝星辰大海，也要關心糧食和蔬菜

經歷了最初的蹣跚步伐

半個多世紀過去

人類一次次刷新著太空紀錄

也刷新著著對宇宙和自身的認知

夢想無限

我們期望著能在太空駐留更長時間

——更長，甚至是餘生

太空移民，是人類的千年夢想。艾倫·馬斯克說，他的夢想是「在火星養老」。實際上，「短期駐留」和「移民」還是有著巨大的差別，面臨低重力、高真空、高輻射、高溫差、弱磁場的太空環境，我們需要空氣、食物和水來維持生存。

目前最先進的近地軌道航天器——國際空間站，其環控生保技術也只能解決大氣和水的再生問題，而無法就地實現食物的持續供應，需要飛船定期補給。

如何解決太空移民長期地外生存所需最基本生保物質的持續補給供應問題？事實上，早在上世紀50年代，美蘇太空爭霸開始並在航天員尚未踏入太空之前，科學家就已經開始考慮將來人類太空長期駐留的生命保障問題，至今已走過了60餘年的研究發展歷程。

造一個「簡化版地球」

科學家們解決這個問題的思路很簡單：在太空造一個「簡化版地球」，把地球的生態環境「搬」到飛船里。

這個「簡化版」的地球，就是太空生態圈。太空生態圈，也叫太空生物圈、受控生態生保系統（CELSS）、生物再生式生保系統（BLSS）或生物生保系統（BLS），也叫第三代環控生保系統，俗稱太空農場。

根據地球生態學的基本原理，太空生態圈主要依靠糧食蔬菜作物和動物等解決航天員吃的問題，同時解決氧氣供應、二氧化碳凈化、水供應及廢物循環利用（主要利用微生物）等問題，實現系統中物質的高度循環利用及其動態平衡調控，從而實現航天員生存所需的食物、氧氣和水的持久供應，代表著當今太空環控生保技術發展的最高水平。

20世紀70年代初，蘇聯在「BIOS-1」和「BIOS-2」的基礎上建成大型 「BIOS-3」，佔地面積126平方米，容積立方米，包含兩個高等植物栽培室，一個藻類培養室和一個乘員居住室（可容納3名乘員）。該試驗系統中用來栽培植物和培養微藻的面積共約為100.0平方米，將「人－植物－微藻」共同整合形成一個密閉生態生保系統。

美國的生命保障系統整合裝置外觀

植物艙內部

90年代後期，NASA約翰遜航天中心建成生命保障系統整合裝置（Integrated Life Support System Test Facility, ILLSTF），並進行了生物再生和物化再生技術相結合的4人91天系統整合試驗。

舉世聞名的生物圈2號（Biosphere Ⅱ）。生物圈2號是美國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的一座微型人工生態循環系統，因把地球本身稱作生物圈1號而得名。生物圈2號第一階段的實驗持續了兩年，第二階段換人後進行了十個月實驗被迫停止了。

月球溫室樣機

基於膨脹技術進行設計，其可膨脹擴充或收縮摺疊，可模塊化組裝或拆卸，因此可減少發射重量和體積，因此便於發射運輸、天基部署和維護。

水牆模塊化結構示意圖

水牆（Water Walls，WW）計劃的目的是利用生物學和微生物學等的綜合概念來開發一種新的生物再生生保系統，因此為為長期生保技術方案提出了一種新途徑。WW途徑不是依靠巨大、沉重、複雜、昂貴、敏感和易出故障的機械設備，而是採用大量重複的簡單裝置來完成同樣的功能。WW主要包括微藻/藍細菌培養、廢水處理、固體廢物處理、大氣再生、濕度/熱控和質子交換介質等模塊化結構單元，每個單元具有若干重複，它們相互按一定順序拼接而成。不像連續活動的機械系統，WW幾乎是完全被動的，只具備閥門和小泵作為活動部件，而沒有壓縮機、蒸發器、升華器、蒸餾器、吸收器或解析塔等這些容易出現故障的ECLSS機械設備。

歐空局的MELISSA系統運行原理圖

歐空局（ESA）微生態生保技術綜合系統項目（Micro-Ecological Life Support System Alternative，MELISSA）。基於「水生」生態系統原理，是一個以微生物和高等植物為基礎的生態系統。

日本的密閉生態試驗裝置的植物艙內部

動物艙內部

日本環境科學研究院於1998年建成密閉生態實驗裝置（Closed Ecological Experimental Facility，CEEF）。

太空生態圈要真正實現並不容易。國際受控生態生保技術走過了六十餘年的發展歷程，取得了重要研究成果，但與實際應用技術水平要求相比，在適應空間環境條件、滿足CELSS的基本限制要求、提高系統重量/體積/能效比、提高物質流閉合度、降低勞動負荷和提高工作效率、提高系統長期運行的安全可靠性等方面還存在較大差距。

（本文素材來自《航天員》2017年第1期文章，作者郭雙生）

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