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)，無論是攜帶式或物化再生式的環(huán)控生保系統(tǒng)，都無法持續(xù)的為人類長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”——開普勒-452b為例，以現(xiàn)有的技術(shù)想要到達(dá)需要飛行2709萬年以上，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，沒有一個可持續(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. 從地球到開普勒-452b

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

說到可持續(xù)循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，我們認(rèn)識和了解得最清楚的是哪一個呢？當(dāng)然就是我們生活的地球。地球上生長的各類植物及藻類作為生產(chǎn)者，為整個生態(tài)系統(tǒng)提供了能量和物質(zhì)的保障，驅(qū)動著系統(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)，通過植物生長、微生物分解等生物過程實(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，適用于在深空探測及未來月球或火星基地等長時間、遠(yuǎn)距離的載人航天探索場景中。

圖2. 月球基地概念圖

（圖片來源：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)就開始進(jìn)行CELSS密閉試驗——BIOS系列試驗，其中最典型的是BIOS-3項目。BIOS-3試驗平臺動工于1965年，于1972年完工，共計315立方米設(shè)計最多可供三個人生存。BIOS-3總共進(jìn)行了十次有人操作的實(shí)驗，從1972年至1973，開展了持續(xù)時間最長一次實(shí)驗——3人180天。

圖3. BIOS-3項目試驗平臺

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

圖4. BIOS-3項目中養(yǎng)殖的小球藻和種植的小麥

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

作為當(dāng)時的另一個航天大國，美國也在積極開展大量的相關(guān)試驗，其中最突出的是從1986年啟動的CELSS Breadboard項目。該項目的試驗平臺為“Biomass Production Chamber” (BPC)，直徑3.5米，高7.5米，分為兩層，每層都有多個栽培盤及燈架，栽培面積合計20平方米。整個項目從上世紀(jì)八十年代開始，現(xiàn)在仍然在持續(xù)的進(jìn)行中。

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

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

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

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

圖7. “2人30天CELSS集成試驗”試驗平臺

圖 8. “月宮一號”試驗平臺

（圖片來源：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”試驗平臺

從上世紀(jì)六十年代到現(xiàn)在，所有在地面開展的受控生態(tài)生保系統(tǒng)相關(guān)的試驗所關(guān)心的核心問題幾乎是一致的：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)行了一系列試驗設(shè)計、論證和試驗驗證，盡可能提高大氣、水以及食物的循環(huán)效率，降低能耗代價，都是為了將來將這些技術(shù)逐步運(yùn)用到載人航天的深空探測，實(shí)現(xiàn)未來月球、火星等地外星球基地的開發(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.