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如何在月球上开出人类第一朵花

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在月球表面开出第一朵花,人类移居月球也许不是梦。由教育部深空探测联合研究中心组织,重庆大学牵头的科普载荷“月面微型生态圈”,将作为嫦娥四号的“乘客”之一,于2018年登陆月球表面,进行人类首次月面生物实验,届时将向全球进行直播。
  仅重3公斤的“乾坤”罐
  “月面微型生态圈”是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形“罐子”,高18厘米,直径16厘米,净容积约0.8升,总重量3公斤。罐子虽然不大,内部可含有“整个世界”。
  深空探测中心副主任、重庆大学先进技术研究院院长谢更新教授介绍,这个搭载嫦娥四号上月球的“罐子”里,将放土豆和拟南芥两种植物的种子和蚕卵,以及土壤、养分、空气等动植物生长需要的元素,还有记录动植物生长的微型摄像机和照相机、调节温度的空调、提供能源的电池等。
  在罐子里,土豆和拟南芥会通过光导管吸收月球表面的自然光进行光合作用,释放氧气供生态圈里的“消费者”——蚕卵,然后蚕卵排出二氧化碳和生活垃圾提供给植物种子,循环往复,小生态圈就初现形态了。
  虽然这个小小的罐子仅重3公斤,但是它里面的零部件达40个,成本造价在千万元以上。聚集了机械、控制、环境、生物、材料、能源、光学、通信等多学科交叉的研发团队的智慧,独创了多种新技术。
  上千次筛选出的三位“乘客”
  去年,美国宇航员斯科特·凯利在NASA空间站中培育出了一朵百日菊,成为第一株在外太空开放的花朵。这次我国带上月球开的花将是土豆花或拟南芥花。为什么会选择土豆、拟南芥、蚕这三位地球“乘客”到月球呢?
  “这是我们经过上千次筛选的结果。”谢更新解释,因为“罐子”里资源有限,就要求里面的动植物不能占用过多空间。哪些动植物能登上月球,首要条件就是“个子小”。其次,由于月球上没有大气传递热量,昼夜温差大,在太空舱内温度控制在30℃到-60℃,“罐子”内温度控制在最低-10℃,因此要求动植物能耐高温、耐冻,而且能抗辐射和抗干扰。
  谢更新说,土豆是大家熟悉的食物,很有可能是以后太空的主食。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。
  蚕卵将在生态圈中完成虫卵孵化、幼虫生长发育和破茧成蝶的完整生命周期。选择蚕,有一个重要原因是因为它承载了中国的传统文化。
  验证月球上的光合作用
  “这次实验主要是想观察月球上的光合作用,并向人们进行科普。”谢更新介绍,通过“月面微型生态圈”观察低重力、强辐射条件下植物的种子发芽、幼苗生长和开花的全过程,或虫卵孵化、幼虫成长发育、破茧成蝶,验证月球环境下种子的呼吸作用和植物的光合作用。
  与地球不同的是,月球自转一周需要28天。月球上的一个白天相当于地球的14天,届时这些动植物将在月球上连续度过14个白天再进入14个黑夜。
  “我们会通过光导管引进月球表面自然光线,实现月面原位资源利用,让动植物完全接受月球的光照环境。”谢更新称,之前也考虑过用人工光线模拟地球上的光照环境,但利用月面自身光照对实验的意义更大。如果动植物能够适应月球光照进行生长,那么以后人类就可以在月球建设基地,开展长时间的科研工作,对人类未来在地外星球生存具有重大意义。
  谢更新称,“罐子”里的温度会保持在-10℃至30℃之间,土豆、拟南芥和蚕将在里面实现微型生态循环谢更新说,他们预计的时间为3个28天,希望能够在月球顺利开出第一朵花。
  技术难点在于温度控制
  此次嫦娥四号所抵达的月球背面距地球38万公里。月球环境真空,白天温度能达到100多摄氏度,夜晚零下100多摄氏度,加上微重力、太阳辐射强、高能粒子冲击等,给实验带来不小的困难。
  “科普载荷月面微生态圈的难点在于温度的控制和能源的供给。”谢更新介绍,因为太空舱不会给“罐子”供电,因此他们需要自己解决能源问题。为了让“罐子”里温度恒定,他们给“月面微生态圈”穿上保温服并装了空调。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。利用太阳能电池就能进行温度控制,保证微型生态圈以及照相机等一些耗电器材的工作。
  谢更新介绍,从发射准备到飞行登月,中间大约会有两个月时间。为了让动植物不在途中就开始生长,他们进行了大量相关试验,以保证动植物在旅途中沉睡,到达月球后再被唤醒。他说,发射后不能人为遥控操作,只能通过摄像头和传感器进行观测。届时,他们将通过视频观测动植物的生长过程,用传感器检测里面的温度,向全球直播。
  据了解,这个科普载荷已历时两年多实验,预计在今年9月完成正式品,明年年底发射。除重庆大学外,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,其中多项技术今后将用于民用。(雍黎 记者 冯竞)