月球上能不能种菜?中国科学家的9天实验,引发国际轰动

编辑:瞭望智库 文章类型:科学 发布于2022-03-08 16:16:14 共3864人阅读
文章导读 要说我们中国人有什么民族天赋?种菜绝对是其中一个。无论是阳台、天台还是南极、太空,中国人都能凭借着勤劳的双手和先进的科学技术,种出一片郁郁葱葱。……

来源:瞭望智库

以下文章来源于格致论道讲坛 ,作者谢更新

要说我们中国人有什么民族天赋?种菜绝对是其中一个。

无论是阳台、天台还是南极、太空,中国人都能凭借着勤劳的双手和先进的科学技术,种出一片郁郁葱葱。

随着人类对月球的探索越来越多,拥有种菜天赋的中国人尤其关注那个悬于天际被呼作“白玉盘”,离我们地球最近的外星球上能开展农业种植吗?

2015年,美国航天局(NASA)在400公里高度的国际空间站里培育出了宇宙空间里的第一朵百日菊。那么,如果在38万公里之遥的月球上去做这个生命实验,植物能不能长出来呢?其实中国的科学家们已经开始尝试了。

2019年1月3日上午10点26分,中国嫦娥四号月球探测完成了人类航天史上的一项壮举——成功软着陆在月球背面的南极-艾特肯盆地冯・卡门撞击坑,在月球背面留下了中国探月的第一行足迹,揭开了古老月球背面的神秘面纱。

“嫦娥四号” 还搭载有一项科普载荷——“月面微型生态圈”,期望在荒凉月表上培育生命。

大家好!我是来自重庆大学的谢更新,今天想向大家分享一下“月球上的第一片绿叶”的故事。

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到月球上种菜有多难

月球是不适合生命生存的。月球夜晚的温度在-200℃以下,白天超过120℃,没有空气,还有高能粒子和太阳风,这些都是不适合生命生存的因素。

国际上有很多团队想去月球做一次生命实验。在2013年,NASA就宣布计划于2015年到月球上种菜并创造历史。在2017年出版的《人类2.0》一书中,科学记者皮埃罗∙斯加鲁菲采访了全球15位顶级科学家,其中太空生物采访了NASA的首席科学家麦克。这位科学家认为,他的理想就是带部相机、带个罐子、带些水、带些种子去月球上做实验,再把照片传下来,他说这将“简直棒极了”。

但是一直到现在,我们都没看到国际上的其他国家在月球上种出了东西,没有看到他们的相关报道。

现在我们国家强大了,有了做这个实验的机遇。在2015年,国家拿出嫦娥四号珍贵的3公斤载荷,来向全球征集方案。

最终,我们团队提出的“月面微型生态圈科普载荷”从257个方案中脱颖而出。我们试图在月球上构建一个由生产者、消费者和微生物组成的生态系统来进行培植实验。

左:嫦娥三号,右:嫦娥四号。

嫦娥四号是嫦娥三号的备份,前者的生产、设计、状态都跟后者一模一样。2013年,我国成功发射嫦娥三号,它携带月球车玉兔号着陆到月球上,这使我国成为世界上第三个软着陆月球的国家。这也意味着嫦娥四号在2013年就已经全部做完了,它的位置、空间全部都已布置完成。我们只能见缝插针地用仅有的3公斤重量、在200×200×200毫米的小空间做这个实验。

不像美国能在空间站这一庞然大物上做实验,我们的实验空间非常狭小,整个空气占据的空间有0.82升,生物生长的空间是0.42升。当时着陆器的底板上已经摆不下任何东西了,所以我们所有的器材都只能挂在着陆器的天花板上。而且我们的空气不能通过增压来压缩,因为没有其他的机构让我们增压。只有两个控制信号,就是放水和拍照,因为嫦娥四号还要做很多其他的需要控制信号的实验。

物理温度控制。

在月球上做生物实验,需要把温度控制在-10~40℃,如果低于-10℃或高于40℃,种子都会死掉。因为没有多余的重量,所以我们不能带压缩机或空调过去。更不能带化学制冷剂,这违反了国际上有关行星保护的政策。我们只能用物理的散热片、热管、热泵进行热量平衡和交换,所以挑战非常大。

捕捉太阳自然光进入罐子。

万物生长靠太阳,月球上一个白昼是14×24小时,所以阳光非常充足。但是我们的罐子很小,如果进入太多阳光的话,温度就难以控制。经过计算,如果既要控制温度,又能够满足光合作用的话,需要8毫米直径的阳光进入量。于是我们留了一点余地,用10毫米直径的光导管把阳光引进罐子内。

也许有人会说,直接使用白炽灯光或人造光就可以了呀?但是我们认为,好不容易到月球做实验,一定要利用月球的原位资源。

此外,嫦娥四号有可能会落在一个斜坡上或者是一个石块上,这样我们将面临最恶劣的情况:阳光只能从30°的位置切进去。大家可以想象得到,这个角度进入的阳光会是很少的。

还有一个困难是,嫦娥四号落在月球背面的时候,它扬起的灰尘有10米多高。我们在地面做实验时,灰尘会降落到光导管上面,把光导管全部盖住。为了解决这个问题,我们把光导管做成中间高、四周低的形状,然后在光导管表面涂上一层我们研制的涂料,避免月尘粘上去。

精准控制放水(18g)。

水是生命之源,而月球上是没有任何液态水的。而且我们要对携带的水进行精准控制:水不能带太多,汪洋大海是长不出东西的;不能带太少,要满足植物发芽的需求。经过精确计算,我们必须带18克水上月球。水也是我们这个实验的开关,一浇水实验随即启动。

大家知道,发射的时候力学条件非常恶劣。我们在地面做实验时,一经力学振动,水就洒出来了。此外,月球重力是地球的1/6,在这低重力的条件下,水可能放不出来。为此,我们加了一个水泵。同时,为了防止水撒出来,我们研制了一种溶剂把水管堵住。只有达到月球上的某个温度时,这个溶剂会溶化,水才能够流出来。

生物固定和静置。

除此之外还有其他的难点,比如生物固定。在空间站里,生物固定主要是用纱布或丝网固定包裹,生物可以包得很紧,因为会有人来干预它,只要用手把它解开就可以了。月球上没有人,如果包得太紧,种子发芽的时候就会冲不出来;而包得太松的话,发射的时候就会变成一盘散沙。我们找不到平衡点,于是想了一个办法:用水溶棉作为固定材料,而到月球上水一浇下去,水溶棉就会溶化。

静置也是一个难点。种子只能在月球上发芽,如果它在地面发芽或者死掉,实验就失败了,因此我们必须精准控制它的发芽时间。这个植物舱需要在西昌摆2个月,飞行要飞1个月,要知道西昌的温度是特别适合发芽的。在这3个月我们不能动它,不能做任何控制,我们既要它不死也不能生长,也要它安全。

高湿度高能粒子照相。

还有一个难点就是照相。实验在月球上是否成功,全靠相机传回的照片为证。相机必须有备份,一个坏了另一个补上。我们不可能像航天一样做几十公斤或几公斤的相机,我们的两个相机的总重量只能分配不超过60克。这两个共重60克的相机既要抗高温、抗低温、抗辐射,还要抗高湿度,可想而知,难度与挑战性是很高的。

9天实验时间。

此外,在月球上面做生物实验,不像拍照或是探测那样短时间就做完了。生命要有可以观测到的现象变化,至少要几天甚至几十天,但我们的时间最多只有9天。为什么是9天呢?因为月球的一个白昼是14天,但是嫦娥四号不可能在月球上白昼的第1天就着陆,为什么?因为温度太低,阳光太少,所以要等月面的温度比较柔和的时候才能够着陆。

嫦娥四号于2019年1月3日10点26分着陆,那时太阳高度是36°多一点。嫦娥四号也不可能很晚才关机,它必须在太阳下山之前就关机。因为在太阳下山之前,温度会急剧下降,这样仪器就控制不了了。所以我们只有9个地球日的时间。值得高兴的是,我们争分夺秒,在8天22个小时45分钟的时间内完成了实验。

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谁是月球生物实验的“主角”?

物种的选择也非常的重要。前面我们提到微型生态圈必须包括植物、动物和微生物。对于植物而言,我们首先考虑的是将来航天员到月球上吃什么、穿什么、用什么,因此选择的物种必须是生活必需品;这些物种还必须具备抗高温、抗低温、抗逆性等能力;此外,不同种子发芽所需的温度不同,比如棉花是在高温下才发芽的植物。而我们不清楚着陆器什么时候着陆、什么时候做实验,所以被选择的种子的发芽温度要错开。

我们对于动物的选择也很讲究。我们从上百种动物里面挑选了几种动物,首先选的是乌龟,因为乌龟有一个壳,所以它在发射的时候可以保护自己,而且乌龟还不喜欢运动。此外,乌龟还有一个很好的寓意,即龟兔赛跑:当小玉兔停在月球上时,就让乌龟爬上去。不过,虽然乌龟不好动,但它还是需要呼吸的。它在休眠的时候,只用不到20天的时间,就会把容器里面的氧气全部吸干。而着陆器要经过3个月才能抵达月球,所以乌龟还没到月球就会死掉,我们无法用它做实验。

我们还选择了蚕作为实验对象,蚕也是一个寓意很吉祥的物种,是丝绸之路的象征,代表中国的强大。但是蚕很娇嫩,它的生长适宜温度是20~27℃,如果温度太高或太低它都会不吃不喝。为了解决这一问题,我们带上了一块电池,借此为它保温、调温。

但是在2018年2月进行独立评估的时候,正好出现了三星Note7爆炸的事件,很多专家担心电池带到天上有可能会爆炸。所以我们只有忍痛割爱,把蚕去掉,把电池也拔掉。这个时候我们所剩的时间不多了,无法再做其他的设计,于是我们就选择了一个生物学的模式动物——果蝇。

最后,我们选定上图的六个物种搭配在月球上做实验,形成一个微型生态系统。

左:结构示意图,右:安装位置示意图

这就是我们最终设计的“月球载荷生物试验”罐子,它高198毫米,直径173毫米,重量2.608公斤。为什么只有2.608公斤呢?因为不能带电池上月球,而我们又没有时间去做其他设计了,所以剩下的那非常珍贵的300多克就没用上。大家可以看到右图上的红圈,它倒挂在着陆器天花板上做实验,虽然摇摇晃晃,但是有这个空间就已经不错了。

载荷装置内部结构图。

这是内部结构图,在月球上,光直接从光导管进入装置内,我们就在生物板上0.42升的生物成长空间来做实验,底下的是控制板等,旁边黑色的是散热片。我们通过散热片进行物理散热,在外面100多℃的情况下,让装置内部的温度保持在20多℃。

生物载荷团队。

这是我们团队在西昌上发射塔之前(2018年10月5日)拍的照片,我是研究环境生态的,而我们团队内还有研究环境、机械、结构、生物、通信、控制等领域的学者,是一个跨学科的团队。

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月球第一片绿叶诞生

2019年1月3日10点26分,嫦娥四号落在了月球上。由于嫦娥四号总体要做很多实验、检测等,所以到了晚上23点18分,总体才告诉我们可以做实验了。于是我们马上就进行加电、拍照,这两者是同时触发的。


2019年1月3日23点18分。

大家看到拍下来的第一张照片后松了一口气,因为没有出现很多专家所担心的郁郁葱葱或枯枝败叶的情况,我们拍下的照片跟地面的一模一样。我们测到的气压是1.04个大气压,也就是说这3个月几乎没有漏气的情况。而且当时外面的温度已有100多℃了,但装置里面只有30.6℃。所以只要种子不死,水能够放出来,实验就有可能成功。

2019年1月3日23点48分。

半个小时后,总体给我们指令说可以放水了,我们就把18克水一次性放完。大家可以看到,板子上像水珠一样的东西就是我们研制的溶剂,它只有在月球上才能溶化。

2019年1月4日21点43分。

上图圆圈圈出的黄色的光就是月球上的太阳光,这说明光也进来了。既然有光、有水、有空气,温度也合适,那么只要种子不坏,我们实验就有可能成功。这是2019年1月4日拍的照片,大家可以看到照片中有个小绿点。但那时我们不敢说种子已经发芽了,因为我们担心这个绿点可能不是种子发芽了,也可能是一个螺丝钉掉下来了发霉了,或者是一个腐败的种子。

2019年1月5日08点54分。

2019年1月5日,种子一点点长大了,这时我们有一点兴奋了。

2019年1月7日09点56分。

直到1月7日,我们看到种子长出了一片叶子,我们便确定实验成功了。我们向国家总体作了报告,再由总体跟航天局汇报。2019年1月7日晚上大概8点左右,航天局局长带了一批人到我们工位上查看,大家确认种子发芽了,所以就向全球公布了这张照片。

我们还在地面上还做了一个同步实验,这个同步实验在1月7日才看到芽点,所以种子在月球上比在地球上早发芽将近3天。

棉花种子发芽

大家看看1月7日的这个叶片有什么不同?它的根不是往土里扎的,是横着生长的;而且叶子不是展开的,它像包菜一样包起来了。这就是说在月球环境下,叶片的形态和生长机理发生了一些变化。

月球生物实验引起国际轰动。

实验成功后,2019年1月13日,中央电视台向全球发布了这个消息,引起了国际轰动。Nature 称这个实验是“first time ever”,Science 则说它是“in a first for humankind”。人类的第一次月球生物实验由中国人实现了。2019年10月,我受法国航天机构邀请去做了个报告,我查了一下国际上有5720万条新闻,不是点击量。

这个实验取得了成功,我们和各位肯定对月球的下一步、对人类地外生存的下一步有很多畅想。

比如,未来我们可以在月球上建花园,让航天员呼吸到由光合作用产生的氧气。我们也许要在月球建食物工厂、建农场,吃我们在月球上种的食物。最终建立我们自己的月球基地。

随着科学技术的发展,人类正在不停地拓展地外生存空间。我们可以一起努力,一起畅想!谢谢大家!


 
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