月宫一号

月宫一号

“月宫一号”[1]是北京航空航天大学建立的空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置，是一个密闭舱系统，用于开展月球基地生命保障系统的地基试验研究。

“月宫一号”是基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合，构建由植物、动物、微生物组成的人工闭合生态系统，人类生活所必需的物质，如氧气、水和食物，可以在系统内循环再生，为人类提供类似地球生态环境的生命保障。

“月宫一号”是一个密封的系统，也就是说，在实验运行期间，与外界不发生气体交换。已建成并投入实验的“月宫一号”一期包含了一个植物舱(58平米，三层立体栽培，种植面积69平米）和一个综合舱（42平米），可以为3位志愿者提供生命保障。

项目背景

随着载人航天技术的飞速发展，“建成具有自主知识产权的生物再生生命保障系统，解决建立月球基地生态环境中的关键性理论与技术问题，为建立火星长期居住基地解决生态生命保障问题”被列为我国空间科技发展的战略目标之一。

尽管我国的生物再生生命保障系统研究取得了一定的成果，但与其他航天大国相比，在相关领域的研究仍处于比较滞后的阶段。直至2013年，我国所进行的生物再生生命保障系统集成试验，基本上利用植物解决了人在封闭环境下的呼吸问题，但是真正意义上的可实现满足人的主要营养需求、高闭合度的生物再生系统密闭实验还尚未开展。

自2004年起，北航刘红教授团队[2]瞄准国家载人深空探测重大需求，怀揣着月球梦，团结协作，坚韧拼搏，经过近10年的执着奋斗，系统开展了BLSS从单元关键技术到系统基础理论与系统基础调控方法的研究，建立了面向空间生命保障的BLSS基本理论和技术体系及研究方法，2013年10月研制出地基综合试验系统——“月宫一号”，2014年1月-5月成功进行了我国首次长期高闭合度集成试验，密闭试验持续了105天，研究结果将为我国今后深空探测生命保障提供理论和基础技术。

研究意义

宇航员要离开地球，在遥远的太空中生存，离不开氧气、水和食物。在我国神舟系列飞船、国际空间站、苏联/俄罗斯和平号空间站中，通常会携带全部物资，或通过物理化学方式再生氧气和水，而宇航员吃的食物只能一次性携带充足，不能再生。然而，如果人类在不远的未来，进行更行长时间、更远距离的太空探索，例如构建月球、火星基地，由于路途遥远，食物完全通过携带储存供给，或进行地面定期补给将变得十分昂贵且很难实现。因此，仅仅依靠携带或物理化学再生方式满足生命保障需求，载人深空探索几乎不可能实现。

解决办法是依靠“生物再生”的方式，在月球、火星基地，或是飞向火星的飞船中，构建一个类似地球生物圈的小型生态系统。科学家们把这样一个小型生态系统称为“生物再生生命保障系统”。“生物再生生命保障系统”是基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合，构建由植物、动物、微生物组成的人工生态系统，人类生活所必需物质在系统内循环再生，为人类提供类似地球生态环境的生命保障。

在这样一个系统真正飞向太空之前，我们需要在地面构建一个一模一样系统，进行一系列集成试验研究，为将来人类真正在太空居住提供保障。因此，北京航空航天大学生物与医学工程学院环境生物学与生命保障技术实验室刘红教授研究团队，集成10年来的研究成果，构建了我国第一个、世界第三个生物再生生命保障地基有人综合实验系统——空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置“月宫一号”。目前正在开展105天密闭有人实验，今后还将扩建并陆续开展系列有人实验，为月球基地等深空探测活动提供技术支撑。

原理

生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System，BLSS），早期国内称之为受控生态生保系统（Controlled Ecological Life Support System，CELSS），但是CELSS实际上是美国的一个BLSS地基实验系统的名称。

BLSS是基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合，构建由植物、动物、微生物组成的人工生态系统。水和食物这些人类生活所必需的物质可在系统内循环再生，并为乘员提供类似于地球生物圈的生态环境。人进入这个人工生态系统中，成为生态系统的消费者链环同时发挥控制者的功能，构成人工闭合生态系统（Man-made Closed Ecological Systems, MCES）。

在“月宫一号”的生物再生生命保障系统中，栽培了粮食作物、蔬菜和水果，饲养了动物（黄粉虫），还有微生物来降解废物。植物不仅能够给宇航员提供食物，还可以通过光合作用产生氧气、通过蒸腾作用获得纯净的饮用水。植物中人不吃的部分，比如作物的秸秆、蔬菜的根和老叶败叶，可以被用来饲养动物，为宇航员提供优质的蛋白和更合理的氨基酸配比。最后，剩下的植物不可食部分，人的排泄废物，厨余/生活垃圾，被送进微生物降解环节，微生物可以分解被固定的碳，变成二氧化碳进入到空气中重新被植物利用进行光合作用；从尿液中回收水和氮素以及经过生物净化后的卫生废水，用于灌溉培养植物。植物吸收了这些废物处理产生的二氧化碳和水，又可以不断生长出新的食物。这样，就形成了“月宫一号”里物质的闭合循环。

月宫一号105天密闭试验成功 有助实现太空生活

为期105天有助实现航天员太空长期生活

本报北京5月20日讯（记者钟华）今天，在北京航空航天大学校园内，谢倍珍、董琛、王敏娟三位志愿者在众人的欢呼声中，从“月宫一号”密闭舱中走出。至此，他们在“月宫一号”内进行的为期105天的科学试验获得圆满成功。

据了解，“月宫一号”是我国建立的第一个、世界上第三个生物再生生命保障地基有人综合密闭实验系统。人类生活所必需的物质，如氧气、水和食物，可在该系统内循环再生，为人类提供类似地球生态环境的生命保障。这个能与地球媲美的“微型生物圈”，能实现航天员在远离地球的太空长期生活的目标。

“月宫一号”总设计师、北航生物与医学工程学院教授刘红介绍说，“月宫一号”分两期建设，目前建成的是一期，包含一个60平方米的植物舱和一个42平方米的综合舱，总体积约300立方米。其中，植物舱分隔为2个植物间，可根据不同植物的生长需要独立控制环境条件；综合舱包括居住间、人员交流和工作间、洗漱间、废物处理和昆虫间。此后，二期将再升级并扩建1个植物舱，可满足4人更高闭合度的生命保障需求，总面积为160平方米，总体积500立方米。

据悉，“月宫一号”的核心即生物再生生命保障系统（BLSS），是目前世界上最先进的闭环回路生命保障技术，也是人类实现在外太空长期生存的核心技术。其特点是载人飞行器进入外太空后，可以不再需要或很少需要地面物质支持，氧气、水和食物在系统内通过生物技术实现再生，航天员可长期在站内工作生活。这使得长期载人航天和行星探测成为可能。

自2004年起，刘红团队瞄准国家载人深空探测重大需求，系统开展了BLSS从单元关键技术到系统基础理论与系统基础调控方法的研究。2013年10月，他们研制出地基综合试验系统--“月宫一号”，并在2014年1～5月成功进行我国首次长期高闭合度集成试验。

据刘红介绍，此次试验栽培筛选出5种粮食作物、15种蔬菜作物和1种水果，并利用植物不可食生物量培养黄粉虫为人提供部分动物蛋白。同时，试验实现了在系统内循环再生100%的氧气和水以及55%的食物，总闭合度达97%。

通过此次试验，确立了BLSS设计构建方法，初步建立了系统中物质动态平衡调控技术、共生植物优化配置与动植物高效培养技术以及废物高效循环利用技术，发现了新的气体平衡调控方法和空气中二氧化碳浓度变化对植物暗呼吸、光合及人呼吸的影响量化规律，同时明确了BLSS今后的研究发展方向。

中科院空间科学中长期规划生命科学领域责任专家、中科院微生物所研究员刘志恒表示，作为目前世界上最先进的地基试验系统之一，“月宫一号”的建立使我国在生物再生生命保障领域的研究水平进入国际最先进行列，对保障我国载人登月、月球基地及火星探测等航天计划的顺利进行，保障航天员生命安全和生活质量具有重大意义。