在前面的連載中，我們主要介紹了什么是環(huán)控生保系統(tǒng)以及前兩代生保系統(tǒng)的特點(diǎn)，無(wú)論是攜帶式或物化再生式的環(huán)控生保系統(tǒng)，都無(wú)法持續(xù)的為人類長(zhǎng)期在太空中的生存提供保障?，F(xiàn)在已知的類地行星，以著名的“第二地球”——開(kāi)普勒-452b為例，以現(xiàn)有的技術(shù)想要到達(dá)需要飛行2709萬(wàn)年以上，要想在浩瀚宇宙中搜尋人類新的家園、尋找其他生命起源發(fā)展的痕跡以及在探索其他星球資源，沒(méi)有一個(gè)可持續(xù)循環(huán)的生命保障系統(tǒng)，這些可都實(shí)現(xiàn)不了。那么，如何在未來(lái)的星際征程中持續(xù)高效的為人類提供生命保障呢？

圖1. 從地球到開(kāi)普勒-452b

（圖片來(lái)源：http://news.qudong.com/article/378067_2.shtml）

說(shuō)到可持續(xù)循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，我們認(rèn)識(shí)和了解得最清楚的是哪一個(gè)呢？當(dāng)然就是我們生活的地球。地球上生長(zhǎng)的各類植物及藻類作為生產(chǎn)者，為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)提供了能量和物質(zhì)的保障，驅(qū)動(dòng)著系統(tǒng)內(nèi)各種物質(zhì)的循環(huán)再生。受此啟發(fā)，研究者們提出了受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System, CELSS）的概念，依據(jù)地球生物圈“生產(chǎn)者-消費(fèi)者-分解者”的基本原理，在密閉空間構(gòu)建“人-植物-微生物-環(huán)境”的小型人工自循環(huán)式受控生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)植物生長(zhǎng)、微生物分解等生物過(guò)程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)食物、水、氧氣等生保物資的再生循環(huán)，并輔以一定的物化手段，提供適宜人類健康生長(zhǎng)與生活的基礎(chǔ)環(huán)境。CELSS屬于生物再生式環(huán)控生保系統(tǒng)，與攜帶式及物化再生式生保系統(tǒng)相比，適用于在深空探測(cè)及未來(lái)月球或火星基地等長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的載人航天探索場(chǎng)景中。

圖2. 月球基地概念圖

（圖片來(lái)源：https://www.reddit.com/r/WhereIsMyFlyingCar/comments/2oq4x5/where_is_my_moon_base/

早在上世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)就開(kāi)始進(jìn)行CELSS密閉試驗(yàn)——BIOS系列試驗(yàn)，其中最典型的是BIOS-3項(xiàng)目。BIOS-3試驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)工于1965年，于1972年完工，共計(jì)315立方米設(shè)計(jì)最多可供三個(gè)人生存。BIOS-3總共進(jìn)行了十次有人操作的實(shí)驗(yàn)，從1972年至1973，開(kāi)展了持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)一次實(shí)驗(yàn)——3人180天。

圖3. BIOS-3項(xiàng)目試驗(yàn)平臺(tái)

（圖片來(lái)源：http://www.biosmhars.eu/expe/bios-3）

圖4. BIOS-3項(xiàng)目中養(yǎng)殖的小球藻和種植的小麥

（圖片來(lái)源：Iosef I. Gitelson and Genry M. Lisovsky，2008）

作為當(dāng)時(shí)的另一個(gè)航天大國(guó)，美國(guó)也在積極開(kāi)展大量的相關(guān)試驗(yàn)，其中最突出的是從1986年啟動(dòng)的CELSS Breadboard項(xiàng)目。該項(xiàng)目的試驗(yàn)平臺(tái)為“Biomass Production Chamber” (BPC)，直徑3.5米，高7.5米，分為兩層，每層都有多個(gè)栽培盤及燈架，栽培面積合計(jì)20平方米。整個(gè)項(xiàng)目從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，現(xiàn)在仍然在持續(xù)的進(jìn)行中。

圖5. NASA CELSS試驗(yàn)平臺(tái)——Biomass Production Chamber (BPC)

（圖片來(lái)源：R M. Wheeler and J C. Sager, 2006）

圖6. BPC中各類植物的生長(zhǎng)情況（圖片來(lái)源：R M. Wheeler and J C. Sager, 2006）

我國(guó)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)的研究，幾項(xiàng)重要的CELSS集成試驗(yàn)包括中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心組織的“2人30天CELSS集成試驗(yàn)”，北京航空航天大學(xué)組織的“月宮一號(hào)”試驗(yàn)以及咱們研究院組織的“綠航星際-4人180天CELSS集成試驗(yàn)”等。

圖7. “2人30天CELSS集成試驗(yàn)”試驗(yàn)平臺(tái)

圖 8. “月宮一號(hào)”試驗(yàn)平臺(tái)

（圖片來(lái)源：http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n4785/c704838/content.html）

圖 9. “綠航星際-4人180天CELSS集成試驗(yàn)”試驗(yàn)平臺(tái)

從上世紀(jì)六十年代到現(xiàn)在，所有在地面開(kāi)展的受控生態(tài)生保系統(tǒng)相關(guān)的試驗(yàn)所關(guān)心的核心問(wèn)題幾乎是一致的：如何在穩(wěn)定保障人類在密閉環(huán)境中生存和生活的基礎(chǔ)上，不斷提高物質(zhì)和能量的循環(huán)效率？作為一個(gè)微型的人工生態(tài)圈，大氣循環(huán)、水循環(huán)、食物再生、廢物循環(huán)利用等都是受控生態(tài)生保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。因此，在地面上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)設(shè)計(jì)、論證和試驗(yàn)驗(yàn)證，盡可能提高大氣、水以及食物的循環(huán)效率，降低能耗代價(jià)，都是為了將來(lái)將這些技術(shù)逐步運(yùn)用到載人航天的深空探測(cè)，實(shí)現(xiàn)未來(lái)月球、火星等地外星球基地的開(kāi)發(fā)和利用。

參考文獻(xiàn)：

1. Gitelson I I, Lisovsky G M. Creation of closed ecological life support systems: results, critical problems and potentials[J]. 2008.

2. Wheeler RM, Sager JC. Crop Production for Advanced Life Support Systems. 2006.