开展长期载人航天、载人深空探测和月球与火星等地外星球定居与开发是未来航天技术发展的必然趋势，已成为各航天大国抢占的战略制高点。然而，实现这一目标会面临许多重大挑战，其中之一就是如何解决航天员在地外空间长期生存期间所需食物、氧气和水等全部最基本生命保障(生保)物质的持续供应问题。
众所周知，在月球甚至火星上建立家园或基地是我们中国人乃至全人类的千年梦想，这不仅是为了满足人们的好奇心和求知欲，而且具有重大而深远的政治、军事、科技和经济等意义：彰显国力、开疆拓土、地外移民、能源开发、特殊材料制备、科学探索、太空旅游等。目前，不仅美国、俄罗斯等国家提出2030 年前后的载人登月计划，我国也正式提出拟于2030 年前后实现载人登月。长远目标则是建立月球科考站和月球基地，并使之作为前哨和跳板而为载人登火和建立火星基地奠定基础。就目前的航天技术发展水平来看，人类并非不能登上月球或火星，关键问题是无法长期驻留，其重要瓶颈就是无法实现食物等生保物资的持久供应。
▍受控生态生命保障系统
国际上普遍认为，解决这一问题的根本途径就是建立与之相适应的长期载人航天受控生态生命保障系统(controlled ecological life support system, CELSS)。CELSS 是基于月球或火星等地外星球表面环境特点而人工建造的密闭微生态循环系统，其以空间科学、生物学、生态学和环境科学等多种学科为依据，以地球生物圈的基本原理为参考，以植物的光合作用为出发点，通过利用各种先进技术，合理、高效、可控地组合和运用“生产者(植物/藻类/动物)”、“消费者(人/动物)”和“分解者(微生物/物化降解技术)”之间的食物链关系，实现系统中有限资源的重复再生利用，从而为长期空间飞行或地外星球驻留人员持续提供氧气(O₂)、水和食物等生保物资，因此它是一种全封闭、基本自给自足和自主物质循环的生命保障系统。
在该系统中，植物通过光合作用将光能(来自太阳光或光电转换)转化成化学能储存在有机物中，为异养生物(人和动物)提供食物和O₂，同时又将异养生物排出的二氧化碳(CO₂)和其他废物转化成上述有用产品，由此构成系统的碳循环和氧循环；植物通过根系吸收和叶片的蒸腾作用实现水的净化而参与系统的水循环；系统中的微生物对废气、废水及动植物的不可食用部分以及人及动物的排泄物等进行降解和矿化处理(mineralization)，从而为植物提供养料，为动物提供部分食品，使废物得到再生利用，由此建立起一个由植物、动物、微生物、人以及一些必要的有机与无机环境构成的物质和能量不断循环与更新的人工密闭生态系统(MacElroy and Bredt, 1984)。
▲ CELSS 基本工作原理示意图
另外，受到航天器发射大小及重量、地外星球表面环境严酷和原位资源匮乏等条件限制，故而对CELSS 提出了极高要求，这样对其必须辅助以其他必要的工程技术手段来确保系统中物质流能够高速率、高闭合度、高效率和高安全可靠性地运行。可采用的工程技术手段，包括针对载人飞船的非再生式生命保障系统和针对空间站的物理化学再生式生命保障系统，主要在于促进系统中大气、水和固体废物的加速再生循环与利用。因此，CELSS 又被称为非携带式生命保障系统、闭环生命保障系统或第三代生命保障系统(Barta and Henninger, 1994)。
表 未来飞行任务中不同航天器及地外星球基地
生保系统设计特征
由此可见，CELSS 既是涉及多学科综合与交叉的多元生物系统，同时也是多种技术门类并存而异常复杂的多元工程系统，需要解决涉及生态与环境工程、光电、信息和高端自动化控制等大量关键技术和科学问题。
▍建立CELSS 的重要作用与意义
降低补给需求和改善乘员心理状态
从原理上来讲CELSS 能够就地再生航天员所需的食物、O₂ 和水等全部最基本的生保物资，因此可以大大降低后勤补给费用和技术难度，并能显著提高飞行的可靠性和舒适性。尽管在空间建立CELSS 的最初发射成本较高，但从长时间和长距离的飞行任务来看，该系统能够减少从地面对航天器生命必需物质的补给，因此在航天任务的整体水平上降低了成本，其经济效益随飞行时间延长将表现得愈发明显。
▲ 三种载人航天生命保障系统的盈亏平衡图(Olson et al., 1984)
根据美国波音航空航天公司(Boeing Aerospace Company)空间系统部Olson 等(1984)的分析，在近地轨道空间站按驻留4 名乘员进行计算，则在6～7 年时间内就可以达到收支平衡；当有100 人次航天飞行时，一年半就可以收回成本。飞行时间越长且人数越多，就越能显现出其优越性。图为利用用于对食物系统闭合度(方案F 和G)与闭环物化系统(方案D)进行比较的质量评价数据绘制的曲线。
另外，一个充满绿意生机的生存环境可以明显减轻航天员的生理和心理压力，进而能够显著促进其身心健康并相应提高其工作效率。
在地面上具有重要潜在应用价值
CELSS 不仅在空间具有应用潜力，在地面上也具有重大的潜在应用价值，主要包括以下几个方面：
植物工厂等现代集约化设施农业种植；
大气、污水和固体废物集约化处理等环境保护；
南北极、沙漠、水下、孤岛等极端环境下生存。
▲ 我国通过航天育种技术获得的若干植物新品种
可见，受控生态生保技术在空间和地球均有重大应用价值。然而，该技术的发展会遇到其结构大小、重量、功耗、后勤补给能力、原位资源利用程度、乘员劳动负荷等诸多因素限制，同时又必须满足适应空间极端环境条件及系统运行高速率、高效率、高物质闭合度和高稳定/安全/可靠性等基本要求，因此对该技术的发展提出了极高要求。这样，在该系统中必须采用世界上各种最为先进的相关技术，而且必须实现及时更新，从而适应其承载的各项作用和任务。
▍空间受控生态生命保障技术
《空间受控生态生命保障技术》一书作者郭双生博士作为该领域的开拓者，从20 世纪90 年代初以来，一直从事受控生态生保技术的研究，先后主持建成多种大型试验设备，并组织开展了多人多天的系统集成试验，实现了大量关键技术的攻关，在该领域取得了可观的成就。
该书是作者在多年来工作经验积累的深厚基础之上，并适当参考国内外文献资料撰写而成的。全书共五篇20 章，按照由单元到系统、由地面到空间这样一种循序渐进的叙述方式，较为全面而系统地介绍了受控生态生保技术的基本概念、总体发展概况、总体边界约束条件、面向物质生产的植物/动物/微藻/食用菌培养技术、面向资源再生的废物/废水/废气等处理与回用技术、面向物质流动态平衡调控的系统集成等技术以及在地面极端环境和空间微重力环境下进行植物栽培关键技术验证及航天育种应用等内容，并就关键问题进行了详细分析与解读。可以说，该书较为客观地反映了当今受控生态生保技术的发展水平，同时也提出了该学科面临的主要问题及未来发展思路。
因此，作为一名长期承担月球探测与科考任务的航天人，获知该书即将出版而倍感高兴与欣慰。该书的出版对推动我国载人深空探测和地外天体驻留与开发等技术的发展无疑是个好消息。衷心希望该书能够为促进我国受控生态生保技术的深入发展发挥积极作用，也真切希望该书能够得到我国太空农场爱好者的喜爱，从而有力推动我国载人航天科普事业的蓬勃发展。
中国科学院院士
2022 年1 月于北京
本文摘编自《空间受控生态生命保障技术》（郭双生编著. —北京：科学出版社，2022.2）一书“第1 章 概念、构成、原理与应用”“序”，有删减修改，标题为编者所加。
（本文编辑：刘四旦）
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