“月宫一号”总设计师刘红:下一步,我们去外太空

文章正文
2021-05-12 20:48

精彩观点:

1、中国的“月宫 365”实验的技术水平属于国际最好水平。

2、“月宫 365”是世界上第一个建立用生物单元来调控系统平衡的,此前国际上没有任何一个国家可以做到。

3、NASA 做生物再生生命保障系统的首席科学家发表论文称我们的 105 实验在闭合度和生物多样性上超过了以往任何一个系统。

4、我们的发展是很稳的,一步一个脚印的。

5、我们是严肃的科学研究,不能把它变成商业行为,如果那样做就我做的一切就都没意义了。

6、接下来必须做太空实验,从而将地面实验进行校正,用到太空,否则的话是不行的。希望二三十年能够用得上这套生物再生生命保障系统。

她是谁?

她是中国第一个、世界第三个月球基地生命保障人工闭合生态系统基地实验装置“月宫一号”的总设计师;她还是世界上时间最长、闭合度最高的密闭生存实验记录“月宫 365”的总设计师,国际宇航科学院院士,她是北京航空航天大学生物与医学工程学院教授刘红。

正文:

“做完’月宫一号’实验,我们应邀去参加了莫斯科空天科学大会,介绍了实验的部分结果。中场休息期间,好多之前不爱搭理我们的专家甚至排斥我们的专家,很热情地过来与我们交流,探讨是否可以搞些合作。”刘红永远不会忘记这一幕。

在此之前,刘红也经常带领团队参加此类交流活动,但经常不被欢迎甚至被排斥,因为当时中国在生物再生生命保障系统领域还是个空白。刘红,自 2004 年起任职北京航空航天大学,大胆地开启了对该领域的研究。

远离地球之后,人类想在空间站、月球以及火星等外太空长久生存,这套生物再生生命保障系统将不可或缺。

“航天就是人类的未来,人类有可能到地球以外的地方生存、定居,想想就很让人激动,是令人神往的一件事情。”谈及初心,刘红的神情仍然充满了憧憬。而就是这样的一腔热忱,支撑着刘红数十年如一日,克服了一个又一个的“不可能”,创造了一个又一个的第一,让中国在该领域成为世界一流水平。

目前,刘红教授正在带领着团队们准备做空间实验。虽然未来还是个未知数,但刘红团队的实验不会因此而停摆。她更相信科学守正创新,只有过硬的技术实力,才能够赢得更大的机会。刘红教授希望未来二三十年,她研究的这套再生保障系统可以用到外太空。

到时候,人类生活所必需的物质,比如氧气、水和食物,都可以在系统内循环再生,就像地球生态环境一样,提供生命保障

“给我 2 亿也不能给他挂牌哇”

头戴欧根纱藏蓝色遮阳帽,脖子上系着一条淡紫色纱巾,身穿过膝藏青色大衣,黑色小短靴,刘红教授优雅地走进“月宫一号”,钟表正好走到相约的 15 点。

最近,由于实验楼搬迁,刘红教授以及团队的人会经常来“月宫一号”办公。进门之后,左手边是一个 1:13 的“月宫一号”等比例模型,右手边放着几排桌椅,桌布全是月球表面图案;然后就是两个独立的 304 不锈钢材质的半圆型建筑,这是“月宫一号”的两个植物舱,其后还有个综合舱。

就是在这块占地 160 平方米,总体积 500 立方米的建筑里,刘红教授及其团队完成了中国首个长期高闭合度集成实验以及创造了世界上时间最长,闭合度最高的密闭生存实验记录。

回忆起这两次实验,最让刘红教授感到焦虑的还是第一次实验。无论是从设施建设还是实验过程,都面临着巨大压力。

当时学校能找到一个 5㎡的场地都没有。但刘红教授以及团队已经做完了从单元到小系统的测试,如果想实现更大的突破,必须要到更大场地做系统实验才行。为了能够拿到场地,刘红在有一次跟随校长访问俄罗斯密闭实验系统时,提前彩打了十几份 PPT,在路上的时间,将 PPT 分发给同行的领导,并立下军令状:“如果给我 500 平米,我给你做出来一个比这个好至少两倍以上的。”

之所以有这样的底气,刘红向网易科技表示,从 2004 年开始做研究到 2011 年已经 7 年,团队在这方面做了很多的积累,而且已经将俄罗斯的系统研究透彻,自己团队也已经做了小型密闭实验。“我们的发展是很稳的那种,一步一个脚印,而且我们已经设计了好几稿,当时已经算是第三稿了。”

场地这个老大难解决之后,接下来就是资金了。“有了场地之后,画图做了模型,我就开始’化缘’。”刘红回忆道。除了从科技部、载人航天申请项目经费之外,刘红发动了身边所有资源,找一些私营企业友情赞助。

“比如会用到空调,我就跟空调企业沟通;实验需要的预储存肉类,也是我募集的赞助。”在接下来一年的时间,刘红教授以及团队东奔西走,为项目募集资金。

当然,并不是所有企业都愿意伸出援助之手,也会有拒绝的。有的甚至提出非常不合理的要求。“有的企业想说能不能在(月宫一号)前面挂个牌子,我说那是不可能的;也有国外的大公司说可以给 2000 万,给挂个牌子。我说,你给我 2 个亿,我也不能挂,你别看我缺钱。”刘红说道,即使再缺钱,也不能把一个严肃的科学研究变成商业行为。

场地有了,资金有了之后,就是构建系统了。据说,“月宫一号”仅用了短短 6 个月的时间就建造完成,创造了世界奇迹。在 2013 年 11 月 19 日,“月宫”建成,封舱运行,2014 年农历大年初四,“月宫一号”开始了为期 105 天的密闭有人实验。

虽然对自己的技术很有信心,但毕竟是大活人关在密闭舱里,刘红教授生怕出了什么问题,因此精神压力非常大,每天晚上都会做梦。两个植物舱都分别有个应急逃生门,万一出现火灾或出现事故,必须要有这么一个门可以迅速逃离出来。所以,这就意味着这个门非常容易被打开,无论是外面还是里面,都很容易打开。但一旦打开实验就算报废。

“当时学校会安排一些人来参观,有各方面感兴趣的人,也有中小学生。我就经常会做梦,有人动了我的门,就会大喊出来’别动我的门’,突然间的惊醒。”每当回忆起这些,仍让刘红心惊胆战。

比较幸运的是两次实验都进行的非常顺利,第二次实验,“月宫 365”不仅创造了世界上时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验;而且成为世界上第一个建立用生物单元来调控系统平衡的,此前国际上没有任何一个国家可以做到。

为期 370 天的“月宫 365”实验成功标志着我国在生物再生生命保障技术领域达到世界尖端。

“下一步,我们去外太空”

在成功完成地基综合实验系统之后,下一步就是空间实验了。

“我们的技术目标是要用到比如月球、火星以及轨道空间站上。这些地方的环境与地面上是不一样的。比如重力会不一样,月球上仅是地球六分之一重力,火星上大概有五分之二重力;辐射也会不一样,即使有密闭舱,做好了防护,仍然会比地面上高;磁场也会发生变化,地球是有磁场的,月球上是没有磁场的,火星上磁场非常小。”刘红解释道,“重力变了,辐射变了,磁场变了,对生物会产生不同的影响,继而对系统产生影响,所以,我们必须要做空间试验。”

当然,进入太空试验,也需要一步步来。刘红表示,首先会在太空做小型无人实验,完成一个生长周期之后,再尝试更大空间的有人实验。

当被网易科技问到这套再生系统何时可以用到外太空时,刘红教授给出了一个非常乐观的答案:“希望二三十年应该能够用到。其实技术发展很快,你能想象到 20 年的今天这样子吗?”

以下为网易科技《逐梦星空》栏目对话“月宫一号”总设计师刘红的部分内容:

未来二三十年 再生保障系统可用外太空

网易科技:从 2018 年 5 月 15 日为期 370 天的“月宫 365”实验顺利结束,我们创造了世界上时间最长,闭合度最高的密闭生存实验记录,到现在已经有 4 年时间了。您有规划新的项目吗?

刘红:实验结束以后首先要对实验取得的数据成果进行分析总结,形成一些技术报告、研究报告,这是非常大的一部分工作。因为实验进行得很长,做的研究也非常多,取得了大量数据,需要总结分析。因此总结就占了我们工作很大比例。

另外,我们之前的实验都是地基实验,在地面条件下密闭环境里做实验,技术目标是要用到比如月球上、火星上,也有可能会用在微重力条件下,例如轨道空间站。这些环境跟地面上是不一样的,比如重力会不一样,月球上六分之一重力,火星上大概五分之二重力,重力是不一样的。与此同时辐射也会跟地面上不一样,虽然会有密闭舱做防护,但是会比地面上高一些,应该可能会比坐飞机还要高一些。再加上磁场的变化,地球是有磁场的,生物都是在有磁场的条件下世代繁衍的,月球上是没有磁场的,火星上磁场也非常小。

重力变了、辐射变了、磁场变了,所有这些综合环境因素会对系统产生影响,对里面的生物产生影响,继而对这个系统产生影响,所以我们必须要做空间实验。

做了空间实验,通过天地对比之后获得矫正参数,来矫正地面大系统实验取得的计算模型,通过矫正之后用到太空。因此实验结束之后以及后边的十几年的工作都要聚焦在做空间实验上。

网易科技:目前在该领域国际还有什么新的进展吗?

刘红:我们是已经做了两次长期密闭实验,国际上比如俄罗斯想再做新的一次密闭实验;美国的月球温室,针对月球的一些需求搞一些实验,但是是开放式的,不是密闭的;没有做过有人密闭实验的欧空局在致力于做密闭实验。

网易科技:这套再生系统何时用到外太空,大概就是二三十年以后是吗?

刘红:对,希望二三十年应该能够用到。其实科技发展得很快,你想想看 20 年前你能想象今天这样吗?

网易科技:像您这样的项目后续要取得更大的发展关键因素是什么?能够使它取得更大的发展。

刘红:关键因素就是接下来必须要做太空实验,做太空实验把地面的大系统实验建立的技术参数和计算模型进行矫正,就可以用到太空,否则的话是不行的。

“月宫”实验获 NASA/ESA 好评 已属国际最好水平

网易科技:目前来看,中国的“月宫 365”在国际上还是很领先的?

刘红:对,我们的技术水平属于国际最好的水平。

网易科技:在中国创造了 370 天的记录之后,国外与中国在该领域的交流出现了怎样的变化?这套系统的门槛在哪?

刘红:370 天只是持续的时间长,更重要的是通过这么长时间的实验就可以做一些短时间的实验不能研究的东西。比如长期稳定运行调控技术;因为时间长,而且有换班,不同的乘员组代谢水平还不一样,这样就可以研究不同的乘员组进来出去,以及换班还有重叠会有很高负荷的冲击,对整个系统产生什么样的影响;如何让其受了影响之后还能回到正常的平衡状态。

因此我们是世界上第一个建立用生物单元来调控系统平衡的。之前国际上都没有做到,他们基本上要靠一些物质的输入输出来实现。

网易科技:国际上对这套系统的评价?

刘红:对我们的评价还是挺高的。NASA 美国航空航天局也有一个专门的团队做这个方向,他们的首席科学家就专门写了一个综述,综述了各国这方面的研究进展。其中有很大的篇幅介绍月宫一号。是公开发表的,这是极其严肃的,比写封信评价信更谨慎。当时他写综述的时候我们是刚做完 105 天实验,他说我们的 105 天实验在闭合度和生物多样性上超过了以往任何一个系统。

网易科技:印象中,您曾经提到此前带团队去国外交流,还被排斥?

刘红:对,2014 年做完实验去莫斯科开空天科学大会。当时我们介绍了实验的一些大的结果。介绍完之后中场休息,就有好多的之前不爱搭理我们的专家甚至排斥我们的专家都很热情地过来,跟我们做交流,探讨是不是能搞一些合作,数据交换等等,对比还是很明显的。

NASA 那位首席科学家人是一位很严肃的学者,我们做完这个实验,他邀请我去参加了 NASA 内部的会议,就是只有 NASA 和 ESA(欧空局)的人参加。当时好多人很惊诧中国人竟然出现在了这个会场上,因为之前中国人从来没出现过。他邀请我作了一个主旨报告,排在第二位演讲。

初心不改 熬过最艰难时期

网易科技:在大家询问您“月宫一号”让您感觉最难的是什么。您说是场地,您不仅解决了这个问题,并且承诺要比俄罗斯的密闭实验系统要好 2 倍以上。您当时喊出“2 倍”以上的信心来自哪里?

刘红:当时校长带队去俄罗斯参观交流,当时看了俄罗斯人建的密闭 mi 系统,但毕竟俄罗斯的系统是 70 年代末建的相对比较早。我们从 2004 年开始研究,已经研究了七八年了,已经积累了很多的东西。我们不仅将俄罗斯的系统弄得很清楚,而且有了自己的新想法,做了很多创新研究。

而且在 2009 年到 2010 年的时候,我们做了一个有人部分参与的小型密闭系统实验,我们的发展是很稳的,一步一个脚印的。先做单元然后再做小系统,初步确定技术方法是否可行。这个小型实验我们做了 279 天的,也是很艰苦。

做完了这个之后,我心里面基本上还是有一些数的,还是有一些信心的。如果给我一块地方,我一定能把它建得更好,而且我们已经设计了好几稿。当时应该算是第三稿。

网易科技:除了场地之外,您当时感觉还有比较艰难的时刻吗?

刘红:场地,资金也是,但是资金比场地要好一些,因为有了场地之后,画了图做了模型,我就开始化缘。除了从国家,比如从科技部、载人航天申请一些项目,经费之外,我就开始找一些企业来资助。有一些私营的企业其实是很有情怀的,比如我会用到空调,就跟空调企业沟通。我大概有接近一年的时间一直在跟各个企业在沟通。

网易科技:您接触这么多企业,被拒绝了多少次?

网易科技:那他们图什么呢?

刘红:他们会觉得参与到未来人类航天需要的技术研究,做一些贡献是很光荣事。

当然,也有企业想说能不能在月宫一号前面挂个牌子。我说那是不可能的。还有国外大公司说可以给 2000 万,挂个牌,我说你给我 2 个亿我也不能给你挂,你别看我缺钱。我们做的是一个严肃的科学研究,不能把它变成商业行为。如果那样做就没有意义了。

网易科技:这也是特别想问您的,您来到北航投入到这个领域初心是什么?

刘红:我一开始到北航觉得就应该做跟航空航天结合的方向,这样才会符合学校发展方向;我原来是做环保的,就在想防止环境污染的最高境界是什么?是所有物质循环利用没有污染。尤其在外太空废物都扔出去了就需要源源不断地输入,如果能够完全地循环再生利用就没有污染排出,所以当时对这个就特别感兴趣。而且航天就是人类的未来,人类有可能到地球以外的地方去探索、生存、定居,想想就很让人很激动,很令人神往的一件事情。

网易科技:但是您一开始着手这个领域的时候还是挺艰苦的,一人一实验台。

刘红:对,但是你很感兴趣,你很神往的,就觉得很有趣。虽然那个时候大家都觉得你做这个有什么用,但是我就觉得它会很有用。

网易科技:当时您说 365 实验面临的是前所未有的挑战,当时挑战主要是哪些?

刘红:我们要把这个系统建到月球上,不可能说把你们俩派去了然后你们就在那儿待一辈子,一定是会有换班,相当于我来了把你们换回去。

但人跟人都不一样,比如呼吸的数量不一样,消耗的氧气产生的二氧化碳不一样,饭量不一样,喝水的量不一样。水和食物还可以储存,但气体就很难了。怎么样保证不管是谁来了都能平衡,这是我们必须要研究的,人员更替,要保持平衡。

网易科技:当时您也说压力很大,每天晚上都睡不着觉,精神状态其实也很不好。

刘红:对,会有很大的影响,尤其是第一次实验。第二次实验还好,因为能想到的可能会发生的那些意外事故相对来说会比较少了。第一次实验,因为相当于没有做过,虽然对自己的技术还是很有信心,但是毕竟大活人关在一个密闭舱里边,这人命关天啊,他们在里边比如有可能由于一些故障,比如氧气产生量不够了,二氧化碳太高了,就有可能对人产生不好的影响。

还有可能比如他在里边误操作,因为里边有很多的转动设备,风扇、电机什么的,如果要是误操作挤着手了什么的也是问题。我经常会做梦,有人动了我的门,会大喊“别动我的门”,突然惊醒。

网易科技:那您怎么排解这些压力?

刘红:反正挺难熬的,没办法。

网易科技:在“月宫 365”告知志愿者们延长 5 天的时候,志愿者的反应如何?如何帮助他们排解这样的焦虑情绪?

刘红:对,会有,每个人的反应不一样,有的人比如还想多做一些实验的,他会觉得还挺好;有的人自己的实验做完了,他正想着出来呢,突然跟他说,他就会有一些情绪,有的情绪还比较激烈。这也是我们要研究的。其实在太空中也会出现这种,执行任务有可能到期不能及时回来,各种原因都有可能的,这种事情在太空当中经常发生的。它会发生什么?你在地面上把这个研究清楚,如何疏导这种事情也是研究的点,也是很有趣的。

网易科技:像当时开舱门的时候您是什么心情?

刘红:首先就是如释重负,终于做完了,可以睡个踏实觉了,终于做完了。也是观察他们每个人的状态,感觉都还挺好的,每个人状态还挺好的,所以也挺高兴的。开门的那一下感觉挺舒服的,里边很清晰的空气扑面过来,因为是那种比较湿润一点的,不像北京很干燥的,富氧离子很多。

网易科技:您对主持这样的项目,期望是什么样子的?

刘红:我经常说,我们的使命是让世界上一切不适合人生存的地方,都让人在那儿可以生存得舒服。

网易科技:你觉得这个目标能实现吗?

刘红:能,就是我们的技术原则上是可以做到的,只是针对地面我们要把它变得便宜,针对太空我们要让它的变得更好用。

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