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在月球上发芽的为什么是棉花种子?——专访重庆大学生物科普试验载荷总设计师谢更新
发布时间:2019年01月16日

谢更新

科普载荷外部。(本栏图片均由重庆大学供图)

    科普载荷采用铝合金材料整体成型的方式制作,包括光导管、水仓室、相机、散热片和控制系统等,可以为生物生长提供光、热、水和土壤等必要条件,共有100多个部件
  科普载荷“穿”上“保暖衣”,内部装有“空调”,使其能在月球表面剧烈温差的环境下,温度保持在15℃至35℃
  科普载荷顶部盖板上开了一个孔,安装光导管以让生物吸收月面太阳自然光
  水仓室安装了电磁泵,解决在月球1/6低重力条件下放不出水的难题

  2015年,国家航天局、教育部、中科院、中国科协和团中央共同发起征集“月球探测载荷创意”。最终,重庆大学“生物科普试验载荷”项目(以下简称“科普载荷”)在全国257份作品中脱颖而出,于2016年底被最终确定为搭载项目之一。
  在月球进行生物生长试验面临哪些困难?6名完成登月使命的“神秘旅客”是怎样被挑选出来的?1月14日,重庆日报专访了教育部深空探测联合研究中心副主任、生物科普试验载荷总设计师、重庆大学先进技术研究院院长谢更新教授。
  1、生物在月球上的“家”历经50余次优化设计
  重庆日报:在月球上进行生物生长试验,这是人类首次。请问这一项目面临哪些困难?
  谢更新:困难主要来自于5个方面。
  一是从地球到月球有极大的重力变化。月球上的重力只有地球重力的1/6,在发射、着陆等过程中,会给科普载荷带来严峻的力学考验;二是月球的昼夜间有300多度的温差,如何控制科普载荷里的温度;三是科普载荷需在西昌发射场先静置两个月,还要在太空飞行一个月左右时间,但必须在着陆月球后才能放水进行试验;四是对登月生物物种的选择和搭配;五是如何运用月球上的光,进行光合作用。
  重庆日报:科研团队是如何解决这些难题的?
  谢更新:营造生物在月球上的“家”——也就是大家现在看到的科普载荷非常重要。这个小小的科普载荷,我们前后经历了一年多的设计,50余次的结构优化。
  首先我们采用铝合金材料整体成型的方式制作这个科普载荷,保证其高密封性和高强度。
  科普载荷包括光导管、水仓室、相机、散热片和控制系统等,可以为生物生长提供光、热、水和土壤等必要条件,算上螺丝钉、导线等,有100多个部件。
  我们尽量让科普载荷里的“月表面微型生态系统”在健康自然状态下运行。比如在温控方面,我们给科普载荷“穿”上了保温材料做的“保暖衣”,内部装有自动调节温度的散热片做成的“空调”,使其能在月球表面剧烈温差的环境下,温度保持在15℃至35℃。
  在光合作用方面,我们在科普载荷顶部盖板上开了一个孔,安装光导管以让生物吸收月面太阳自然光,这也是难度非常大的。
  就控制放水的问题,我们在水仓室安装了电磁泵,解决1/6低重力条件下放不出水的难题,待着陆器登月并加电后,通过智能控制系统让电磁泵在合适植物生长的情况下加压放水。
  2、6个入选物种形成微型生态系统
  重庆日报:大家对登上月球的6名“神秘旅客”也非常好奇。为什么选择的是这6个物种?
  谢更新:科普载荷里面的生物空间不足1升,容量和资源非常有限,因此对生物种类的筛选非常重要。除了要实现在月球表面环境下植物种子发芽或幼虫成长的科普目标,也要有利于未来进一步开展太空生物学研究。
  筛选本次搭载的生物物种首要条件就是“个子小”。其次,由于月球表面低重力、强辐射、高温差等极端条件限制,还要求动植物能耐高温、耐冻,而且能抗辐射和抗干扰。所以团队从云南深山到新疆沙漠地区,到处寻找能够在极端条件下生存的生物物种,挑选了上百种植物进行实验、筛选。在选择的过程中,我们还曾考虑过乌龟、蜜蜂、蚯蚓等物种,后来因为耗氧量比较大等原因放弃了。
  最终我们从粮、棉、油等人类赖以生存的最基本需求方向出发,选择了马铃薯、棉花、油菜等种子。其中马铃薯是大家熟悉的食物,很可能是以后在太空中的主食;油菜作为重要的油料作物,是太空食物中不可或缺的油料保障。拟南芥、果蝇、酵母是全球科学家研究生物的模式物种,它们因生长周期短,能够在短时间内展示完整的生命过程而入选。
  这6位“神秘旅客”,分别扮演着生产者、分解者、消费者的角色,从而形成一个简单的微型生态系统。
  3、为建立月球基地提供研究基础和经验
  重庆日报:棉花是此次成功在月球发芽的植物。请问选择棉花,除了可提供人类生存物资外,还有什么考虑?
  谢更新:种子在月球上发芽,无疑是在月球上进行生物生长试验的标志性事件。在选择植物种子的时候,我们会考虑它们发芽的温度,比如棉花适合在高温(超过30℃)的情况下发芽;油菜、马铃薯则是在20℃左右的低温发芽。因为不清楚月球表面的具体温度变化,所以从生物的多样性上考虑,我们选择低温和高温发芽的物种都试一试。
  通过监测发现,科普载荷罐体内开机后,维持了五六天的30℃,因此此次发芽的是适合高温发芽的棉花种子。它成功地完成了在月球发芽的任务。
  重庆日报:目前月球上的科普载荷已断电,完成此次生物生长试验。与月球同步进行地月对比试验的效果如何?
  谢更新:为了进一步验证研究效果,我们在地面同步进行了1∶1封闭环境和开放环境下的对照试验。封闭环境试验即在相同条件下与科普载荷同步注水,全程与科普载荷传回的温度等数据环境保持一致,进行试验。
  截至1月12日,地面对照试验罐体内已发现棉花种子萌芽,长势良好,可观察到嫩绿的叶子。开放环境下的地面试验情况显示,油菜、棉花和马铃薯种子均已萌芽,幼苗呈茂盛生长趋势。
    这个项目的意义在于,一是激发大家的探索精神和创新精神;二是目前搜集的大量温度、压力等等实测数据,以及项目模式,可为人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。

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