空间密闭生保系统的发展及展望

长时间、远距离、多乘员的载人空间飞行、深空探测和星球定居是未来航天事业发展的必然趋势。要实人类在外星球的生存问题, 首先必须解决大量关键技术, 其中之一就是必须建立与之相适应的生命保障系统。该系统应当能够就地提供航天员所需的食物、氧气和水等全部最基本的生命保障物资。

1 空间密闭生保系统的发展

空间密闭生保系统的发展基本上可以划分为以下三种过程。第一代生保系统为非再生式储存式生保系统, 食物、氧气和水从地面上随飞行器一同带到天上供航天员使用, 排泄的粪便、尿液和使用过的废弃物等随飞行器一同返回地面后进行消毒处理。第二代生保系统为物理化学再生式生保系统, 航天员所需的氧气和水通过物理化学手段实现循环, 所需的食物从地面上补给;排泄的粪便和使用过的废弃物等随运输飞船或航天飞机一同返回地面后进行消毒处理。第三代生保系统为生物再生式生保系统, 也称受控生态生保系统、密闭生态生保系统、受控环境生保系统或密闭环境生保系统, 通过引入微生物等实现物质循环。

2 物理化学再生式环控生保系统

物理化学再生式环控生保系统的物质闭式循环链中主要分大气再生和水再生两大循环两部分, 关键技术包括水电解制氧技术, CO2再生技术, 废水处理再生技术等。

电解水获得O2是再生循环中的最关键的技术之一。水电解制氧主要有流动碱性电解池、静态供水固定式电解池及固体聚合物电解池等。俄罗斯采用流动碱性电解制氧系统, 美国使用静态供水固定碱式电解制氧系统。为彻底排除了腐蚀性液体, 解决水气分离问题等, 美俄都准备用固体聚合物电解池技术替代现有技术。我国环控生保系统对固体聚合物电解池技术进行了比较深入的研究。

CO2再生技术包括吸附净化剂的再生和CO2自身的再生。CO2收集处理技术重点在分子筛技术和固态胺技术两方面进行。分子筛技术是物理吸附, 固态胺技术是化学吸附原理。分子筛材料吸附后通过加热或在低压真空条件下解吸, 实现净化剂自身的再生使用。固态胺在吸附CO2时胺与水形成水合胺, 然后再与CO2反应生成碳酸氢盐, 从而实现吸收CO2。已经反应成为碳酸氢盐的吸附剂通过水蒸气加热重新分解, 释放出CO2, 吸附剂又重新再生成胺, 从而实现吸附剂自身的再生。这两种技术各有优缺点, 相比之下, 分子筛的技术相对更成熟一些。

在空间站密闭环境中收集到的废水主要有冷凝废水、卫生用水产生的废水及尿液。冷凝废水和卫生废水处理较多采用多层过滤、反渗透、超滤等技术。尿液处理难度最大, 目前处理技术有多层过滤、热电膜蒸馏、蒸汽压缩蒸馏等技术。我国对多层过滤、反渗透膜技术和尿液热电膜蒸馏再生技术都有较深入的研究。

3 受控生态生保系统

受控生保系统是在有限的密闭空间内建立一个生态系统, 实现其中的物质循环和能量循环, 实现人类在宇宙空间长时间飞行或外星球建立基地长期生活。该系统主要包括大气的循环控制、水的循环控制、食物的生产和贮存、废物的处理和处置以及人类安全保障等五大部分。目前, 开展生保系统研究的主要有美国的CELSS系统, 日本的CEEF系统, 欧空局的MELi SSA循环系统等。

目前, 基于微生物的生态生保系统是各国的研究热点。

受控生态生保系统是基于地球生态系统的简化的人工生态系统, 包括高等植物、微藻和微生物等生物组件, 依据自然生态系统原理, 实现食物、氧气和水等的再生, 为未来进行长期空间飞行与宇宙探测的航天员提供最基本的生命物资保证。建立受控生态生保系统可以大大降低后勤保障成本, 并能显著提高飞行的安全可靠性和舒适性。

受控生态生保系统主要包括四个部分, 即嗜热厌氧微生物、光合细菌、硝化菌和高等植物。

嗜热厌氧微生物主要实现高等植物产生的不能食用且难以循环的纤维的降解, 主要生成挥发性脂肪酸、矿物质以及氨态氮等进入光合菌处理阶段。光合菌用于生产部分食物, 利用并消耗可利用的氮源、碳源等营养物质。硝化菌将氨态氮等转化为高等植物可利用的硝态氮, 实现了纤维素的降解和被高等植物的再利用。高等植物主要提供食物, 并吸收二氧化碳产生氧气, 植物蒸腾作用产生水分通过冷凝、处理实现循环利用。

美国航天局建成了物理化学再生式与生物再生式相结合的生命保障系, 实现了氧气和水100%的再生, 食物的再生率约为30%。俄罗斯科学院生物物理所成立了受控生态生保系统国际研究中心, 并建成宇宙载人飞行生保技术地面模拟系统 (BIOS-3) , 氧气和水也达到了100%再生, 食物闭合程度最好的时候能达到80%。欧洲空间研究和技术中心在西班牙建成微生态生保技术试验系统, 2006年将开始大规模地面模拟整合试验。日本环境科学研究院建成密闭生态试验系统, 已经进行了大规模的人-植物-动物整合技术试验。因此, 开展规模更大、人员更多、时间更长、物质闭合程度更高的试验研究是未来长期载人航天环控生保技术发展的必然趋势。

我国已开展了近十年的受控生态生保技术研究, 研制成受控生态生保技术综合实验系统等多台大型试验研究设备, 筛选出了若干种受控生态生保系统候选植物, 为下一步开展受控生态生保系统整合技术研究奠定了良好基础。此外, 我国先后研制了空间植物栽培装置、空间微生物废物处理装置和空间微藻光生物反应器等多台地面试验样机, 并进行了长期有效的地面验证试验考核, 这为下一步研制上天产品提供了技术依据。

4 机遇与挑战

目前, 物理化学再生式环控生保系统的研究基本成熟, 在远距离长时间的空间探索活动中, 也显现出不可逾越的瓶颈问题。因此, 开展规模大、乘员多、时间长、物质闭合程度高的受控生态生保系统整合技术研究是未来受控生态生保技术研究发展的必然趋势, 各主要航天大国都在向着这一方向努力。而微生物和高等植物相比, 具有繁殖速度快, 可控性强, 占用空间小等特点, 应在研究开发当中予以重视。

摘要：建立密闭生保系统是航天科技和人类探索太空发展的必然, 也是近年来航天科技研究的热点。本文综述了空间密闭生保系统的发展历程, 介绍了物理化学再生式生保系统和受控生态生保系统的结构和研究现状。提出了密闭生保系统的存在问题和发展方向, 认为基于微生物和高等植物的生态结构是密闭生保系统的研究方向和必然趋势。

关键词：生保系统,航天,空间站

参考文献

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