闭环生命支持系统：在极端环境及更远之处维持生命

闭环生命支持系统（CLSS）代表了我们在维持隔离和资源有限环境中人类生存方式上的一场范式转变。这些技术最初为长期太空任务而构想，如今因其解决地球上紧迫的可持续性挑战的潜力而日益受到认可。本文将全面概述CLSS，探讨其原理、组成部分、应用以及塑造其未来的前沿研究。

什么是闭环生命支持系统？

CLSS 是一个独立的生态系统，旨在回收空气、水和废物等资源，以最大限度地减少对外部补给的需求。从本质上讲，它在一个封闭或部分封闭的环境中模仿地球的自然生物地球化学循环。其目标是创造一个能够为人类生存和福祉提供所有必要资源的可持续栖息地。

与严重依赖补给的开放式系统不同，CLSS 旨在实现近乎完全的资源再生。这使其对于以下方面至关重要：

• 长期太空任务：减少向火星等遥远目的地运输物资的后勤负担和成本。
• 行星前哨和定居点：在其他行星上创建自给自足的栖息地。
• 地球上的极端环境：支持南极洲的研究站、水下栖息地和地下掩体。
• 可持续农业和资源管理：在城市环境和偏远社区开发用于食品生产、水净化和废物回收的闭环系统。

闭环生命支持系统的关键组成部分

一个CLSS通常由几个相互连接的组成部分构成，每个部分负责一个特定的功能：

1. 空气再生

该部分专注于通过去除二氧化碳（CO2）和补充氧气（O2）来维持可呼吸的大气。传统方法，如化学洗涤器，需要化学品的补给。先进的CLSS则采用：

• 物理化学方法：使用化学反应、吸附或膜技术去除CO2并生成O2。例如萨巴蒂尔反应器（将CO2和氢气转化为甲烷和水）和固体氧化物电解池（SOEC，将水分解为氢气和氧气）。
• 生物再生方法：利用植物或藻类通过光合作用吸收CO2并释放O2。这也提供了食物来源并有助于净化水。

例如：欧洲空间局（ESA）的MELiSSA（微生物生态生命支持系统替代方案）项目整合了物理化学和生物再生方法来进行空气再生。

2. 水净化与回收

水是一种宝贵的资源，尤其是在封闭环境中。CLSS 采用先进的水净化和回收系统，从各种来源回收水，包括：

• 尿液和废水：使用膜过滤、蒸馏和生物处理去除污染物和病原体。
• 湿气冷凝水：从空气中收集水蒸气。
• 植物蒸腾水：回收植物蒸腾的水分。

净化后的水随后可用于饮用、卫生和植物灌溉。

例如：国际空间站（ISS）使用的水回收系统（WRS）能够回收船上高达93%的水。

3. 食物生产

提供可持续的食物供应对于长期居住至关重要。CLSS集成了受控环境农业（CEA）系统，利用人工照明、水培或气培技术在室内种植作物。关键考虑因素包括：

• 营养循环：从废料中回收营养物质，并将其循环回食物生产系统。
• 作物选择：选择营养丰富、易于种植且能高效将CO2转化为生物质的作物。例如小麦、大米、大豆、土豆、生菜和螺旋藻。
• 资源优化：最大限度地减少水和能源的消耗。

例如：亚利桑那大学受控环境农业中心的研究专注于为太空探索和城市农业开发高效、可持续的食物生产系统。

4. 废物管理

有效的废物管理对于维持健康卫生的环境至关重要。CLSS 采用各种技术来处理和回收废料，包括：

• 堆肥：利用微生物将有机废物分解成营养丰富的肥料。
• 厌氧消化：在无氧条件下分解有机废物，产生沼气（甲烷和CO2）。
• 热解：在无氧条件下加热废料，产生生物油、生物炭和合成气。
• 焚烧：在高温下燃烧废物以减少其体积并产生能量（需配备适当的排放控制系统）。

处理后的废物可以用作植物生长的肥料或能源来源。

例如：美国宇航局艾姆斯研究中心正在为未来的月球和火星栖息地开发先进的废物管理系统。

5. 环境控制与监测

维持稳定舒适的环境对人类健康和生产力至关重要。CLSS包含复杂的环境控制系统来调节温度、湿度、气压和照明。它们还包括传感器和监测系统，以跟踪关键参数并检测任何异常情况。

闭环生命支持系统的类型

CLSS可大致分为两类：

1. 物理化学生命支持系统（PCLSS）

这些系统主要依靠化学和物理过程来再生资源。它们通常比生物再生系统更紧凑、更可靠，但需要更多能量，并可能产生有毒副产品。

优点：

• 高效率和可靠性
• 尺寸紧凑
• 技术成熟

缺点：

• 高能耗
• 可能产生有毒副产品
• 适应变化条件的能力有限

2. 生物再生生命支持系统（BLSS）

这些系统利用植物、藻类和微生物等生物体来回收资源。它们具有实现更高可持续性和弹性的潜力，但更为复杂，需要精心管理。

优点：

• 可持续的资源再生
• 去除CO2并生产O2
• 食物生产
• 水净化
• 废物回收
• 潜在的心理益处（例如，植物的存在）

缺点：

• 复杂性和不稳定性
• 对环境变化敏感
• 响应时间慢
• 存在污染风险
• 空间需求大

当前的研究与发展

目前正在进行大量的研究和开发工作，以提高CLSS的效率、可靠性和可持续性。重点关注领域包括：

• 先进生物反应器：开发更高效、更紧凑的生物反应器，用于空气再生、水净化和废物处理。
• 优化作物选择：确定最适合CLSS环境的作物，考虑其营养价值、生长速率和资源需求。
• 人工智能与机器学习：利用AI和机器学习来优化系统性能、预测故障并自动化控制过程。
• 微生物生态学：了解CLSS中微生物之间复杂的相互作用，以及如何管理它们以实现最佳资源循环。
• 闭环水产养殖：将水产养殖系统整合到CLSS中，以生产鱼类和其他水生生物作为蛋白质来源。
• 3D打印：使用3D打印为CLSS创建定制组件，如生物反应器、水培系统和废物管理设备。

闭环生命支持系统的应用

1. 太空探索

开发CLSS的主要驱动力是满足宇航员在长期太空任务期间的生存需求。CLSS对于减少对补给的依赖，以及实现人类对火星及更远星球的探索至关重要。

例如：美国宇航局的先进探索系统（AES）计划正在为未来的月球和火星任务开发CLSS技术。

2. 行星前哨和定居点

CLSS对于在其他行星上建立自给自足的栖息地至关重要。这些系统将需要提供人类生存所需的所有资源，包括空气、水、食物和废物管理。

例如：火星协会正在犹他州开发一个火星沙漠研究站（MDRS），以模拟在火星上生活的挑战并测试CLSS技术。

3. 地球上的极端环境

CLSS也可用于支持人类在地球极端环境中的居住，例如南极洲、水下栖息地和地下掩体。

例如：南极洲的研究站正在使用CLSS技术来减少其对环境的影响并提高其可持续性。

4. 可持续农业和资源管理

CLSS的原理可以应用于地球上更可持续的农业实践和资源管理系统。这包括：

• 垂直农业：在室内分层种植作物，以最大限度地利用空间并减少用水量。
• 鱼菜共生（Aquaponics）：整合水产养殖和水培，创建一个回收营养和水的闭环系统。
• 废水处理：使用生物处理系统净化废水并回收宝贵资源。
• 厌氧消化：将有机废物转化为沼气和肥料。

例如：许多公司和组织正在城市环境中开发垂直农场和鱼菜共生系统，以提供新鲜的本地种植食品，同时减少运输成本和环境影响。

5. 救灾和应急准备

CLSS可用于在灾区和紧急情况下提供基本资源。独立的CLSS单元可以为流离失所的人口提供清洁的水、食物和住所。

挑战与未来方向

尽管取得了显著进展，但在CLSS的开发和部署中仍存在一些挑战：

• 复杂性与成本：CLSS的设计、建造和运营复杂且昂贵。
• 可靠性与稳健性：CLSS需要高度可靠和稳健，以承受恶劣的环境条件和意外事件。
• 可扩展性：CLSS需要能够扩展以支持更多人口和更长时间。
• 集成：将不同的CLSS组件整合成一个协调高效的系统是一项重大挑战。
• 公众接受度：克服公众的怀疑并获得对CLSS技术的接受，对于其广泛采用至关重要。

未来的研究和开发工作将侧重于应对这些挑战，并提高CLSS的性能和可负担性。关键创新领域包括：

• 开发更高效、更紧凑的生物反应器。
• 优化CLSS环境的作物选择。
• 使用人工智能和机器学习来自动化CLSS的控制和管理。
• 将可再生能源整合到CLSS中。
• 开发闭环水产养殖系统。
• 使用3D打印创建定制的CLSS组件。
• 探索合成生物学在创造用于资源再生的新型生物体方面的潜力。

结论

闭环生命支持系统代表了一项变革性技术，有潜力彻底改变太空探索并应对地球上严峻的可持续性挑战。尽管仍然存在重大挑战，但持续的研究和开发工作正在为更高效、可靠和经济的CLSS铺平道路。随着我们继续探索宇宙并努力实现一个更可持续的未来，CLSS将在确保人类的生存和福祉方面发挥越来越重要的作用。

通往完全闭环系统的旅程是一个持续的过程，需要全球工程师、生物学家、环境科学家和政策制定者之间的跨学科合作。这是对我们未来的投资，无论是在浩瀚的太空，还是在我们的家园地球上。

延伸阅读

• MELiSSA项目（欧洲空间局）： https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• NASA 先进探索系统 (AES)： https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• 受控环境农业中心（亚利桑那大学）： https://ceac.arizona.edu/