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  • 月球上种出第一朵花 ——记重庆大学“生物试验科普载荷”项目

    来源:中国教育报 2017.12.4 2017-12-21 10:42:28 点击:295 赞美:14


    生命科学学院任茂智教授(左)和项目主任设计师张元勋在进行“生物试验科普载荷”的选培育。何晞宇 供图


    显微镜下的蚕卵。 受访者 供图

        人类有可能在月球工作和生活吗?由重庆大学牵头设计,教育部深空探测联合研究中心(以下简称“深空中心”)与重庆大学等单位共同研发的“生物试验科普载荷”项目可以看作是人类太空移民的第一步。2018年年底,将由我国嫦娥四号月球探测器送到月球表面。届时,人类将首次在月球表面开展生物学实验,并有望在月球上开出第一朵花,该过程将向全球进行直播。

     

        揭开“月面种花”的神秘面纱

     

        “生物试验科普载荷”是一个由特殊铝合金材料制成的类似奶粉罐的“圆桶”,这个仅重3公斤的“圆桶”汇集了机械、控制、环境、生物、材料、能源、光学、通信等多学科的交叉智慧,里面将放置马铃薯种子、拟南芥种子、蚕卵、营养液、水、空气以及照相机和信息传输系统等科研设备。这项实验极具突破性,对人类未来在外星球生存具有重大意义。它的成果可以为今后建立月球生态基地积累技术和经验。并将激发我国民众的民族自豪感和爱国热情,提高环境保护意识和探索宇宙的热情,并大大提升我国在深空探测的影响力。

     

        “生物试验科普载荷”项目,最初的构想是怎么来的呢?

     

        在外星球上种植生物是很多国家都在研究的领域。中国之前的探索已经实现了在月球落地,这次试验算是探索过程的另一个创新。

     

        这个项目真正的源起,可以追溯到2015年。当时由国防科工局、教育部、中国科学院等单位联合举办了一个“我心向月”月球探测载荷创意设计征集活动,首次面向全国大、中学生和科技爱好者征集创意设计,突破性地开放工程资源。活动评审出的优秀创意将在工程条件允许的情况下,交给有资质的企业研制,并由嫦娥四号及后续月球探测任务搭载到月面工作。

     

        20163月,国防科工局探月与航天工程中心一行来到重庆大学进行了以“激发探索热情,鼓励大众创新”为主题的月球探测载荷创意设计征集活动,极大激发了重大师生的探索热情。由深空中心组织、重庆大学牵头设计的“生物试验科普载荷”项目就是在这样的背景下,凭借科普意义突出、创意新颖、工程可实现度高等优点,在众多项目中脱颖而出。

     

        一直以来,人类孜孜不倦地对月球进行探索。“月球有很多人类可以利用的资源,例如矿产资源。但月球没有大气层,昼夜温差极大,从零上100多度到零下100多度,此外,所有物体处于微重力状态。”重庆大学副校长刘汉龙介绍说。

     

        “生物试验科普载荷”在登陆月球后,将在真空、微重力、强辐射、极端温差的外界条件下,使载荷内保持130摄氏度,以及适当的湿度,并通过“桶盖”的光导管导入月球表面自然光线,进行植物的光合作用,释放出氧气和碳水化合物。同时,昆虫卵在孵化发育过程中会产生植物需要的二氧化碳和粪便等,以此实现“桶内”的微型生态循环。

     

        “小个子”实现“大跨越”

     

        目前已经初步选定马铃薯、拟南芥、蚕这三位地球“乘客”到月球,“生物试验科普载荷”总设计师、深空中心副主任、重庆大学先进技术研究院院长谢更新教授解释道:“这是经过上千次筛选的结果。首先从生物自身的条件,选择的植物和生物要‘个子小’,相对能耐高温和低温,能抗辐射和抗干扰,生长周期也不能很长。这次选择的土豆是特别培育的‘小个子’品种。拟南芥开花周期短,从发芽到开花只需1个月,是很好的实验用模式植物,因此把承担在月球开出第一朵花的任务交给了它。另外,选择马铃薯也是为人类下一步的太空生存提供支持,目前国际上很多国家和研究机构都将马铃薯作为人类在太空生存的主要食物。而蚕宝宝比较可爱,生长周期中也有破茧成蝶这一步骤,有比较好的寓意,象征着中国在空间探索的进步创新。”

     

        此次嫦娥四号所抵达的月球背面距地球38万公里,月球表面没有大气层,处于真空状态,白天最高温度能达到100多摄氏度,夜晚能低到零下100多摄氏度,加上太阳辐射强、高能粒子冲击、微重力等,给实验带来了不小的困难。

     

        “这个实验项目有两大难题,一是温度控制,不能过高或过低,必须做足保温措施;二是能源难题,罐子需要电,在白天电池会通过总体太阳能电板自身提供,但晚上因为没有阳光,就需要自身携带的电池供给晚上的电量需求。”深空中心设计师、重庆大学博士张元勋介绍介绍说。

     

        温控方面,研究人员给“生物试验科普载荷”穿上了保温服并装了空调。但这个空调不是普通的空调,是应用重庆大学在建筑温控上的优势研制出的新型空调。能源方面,利用嫦娥四号太阳能电池板整体供电,夜晚通过高能量密度的内置电池供电,保证微型生态圈以及照相机等一些耗电器材的工作。

     

        除了前面两大难题,在实验过程中面临的另一个难题是固定种子和蚕卵,使其在发射过程中不会因为超重等压力而散落。谢更新表示,在容器的设计和重量上都经过反复计算,比如由于土壤太重、利用效率不高而选择了营养液,种子和蚕宝宝也通过技术实现了超重情况下的固定。

     

        “月面第一朵花”领跑全球

     

        太空生命科学研究一直是航天研究的热门领域。20世纪40年代,美国将玉米种子发射升空并成功回收。2016年,美国宇航员在NASA空间站培育了一朵百日菊,被媒体称为在外太空开放的第一朵花。

     

        但与去年NASA空间站开出的外太空第一朵花不同,“生物试验科普载荷”实验在全世界都处于领先地位。“我们这次的实验位置距离地球38万公里,与离地300多公里的国际空间站相比要远得多。”谢更新信心满满地说,“我们国家的这次探索是人类首次月面生物实验,与美国、俄罗斯等国家相比,都是领先的。这次探索也将证明,在国际上众多国家中,我们国家的空间探索正在由之前的跟随转换为领先、领跑的阶段。”

     

        为了最终实现这个项目,重庆大学航空航天学科的实力和投入发挥了重要作用。成立于200911月的深空中心是教育部依托大学建设的组织、协调高校开展深空探测领域相关科学研究及工程研发的实体机构。20137月,依托建设单位由湖南大学变更为重庆大学。同年12月,为了适应国家和西南地区航空航天事业的发展需求,重庆大学充分发挥工程学科的优势,以力学学科为基础正式成立了航空航天学院。

     

        重庆大学航空航天学科积极与学校其他雄厚实力的学科如机械、材料、动力、电气、电子、土木、资源环境、生物工程等进行交叉融合,同时也注重与国内其他知名高校和企业的密切合作。在“生物试验科普载荷”项目历时两年多的实验中,除了牵头的重庆大学外,湖南大学、北京航空航天大学、中国航天科技集团等高校和企业也参与其中,涉及机械、控制、环境、生物、光学、能源等多学科交叉的多个研发团队。团队核心的工作人员有20多个。

     

        谢更新自豪地表示,“生物试验科普载荷”完全由中国自己设计,是自己的技术。这个成果是人类的成果,实验的数据和成果也将向全世界公开。如果实验成功,它将为人类开展外星球生存提供技术保障和奠定基础。(通讯员 夏莹)

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