CELSS系统中红萍和蔬菜初步整合试验

生菜等高等植物在CELSS系统中湿养栽培装置的研制。红萍和蔬菜光合作用效率对比试验结果表明:在不同生育期,生菜的光合作用效率是不一样的;定植5天后生菜植株的光合效率不如红萍,定植15天后生菜植株的光合效率与红萍相当。在现有的湿养栽培装置上试种2～3种不同蔬菜,初步整合试验过程,尚无发现与红萍之间存在有害的不兼容性。

CELSS系统中两种叶用蔬菜与红萍光合供O2效应对比研究

为了弄清CELSS系统内各主要生物部件的光合供O_2效率,以便合理安排种植密度,研制出适宜于不同生育期生菜、空心菜生长的光合作用微型密闭舱。红萍和生菜光合作用效率对比试验结果表明:不同生育期生菜光合作用的效率是不一样的。定植5天后生菜植株较小,叶面积小,光合产量也很小。定植15天后生菜植株的光合效率明显不如红萍,定植25天后生菜植株的光合效率与红萍相当。红萍和空心菜光合作用效率对比试验结果表明:不同生育期空心菜光合作用的效率是不一样的,但是,3种不同生育期(定植5天、定植15天、定植25天)的空心菜光合效率都不如红萍。

AnMBR-MBR组合工艺处理模拟地基CELSS废水的物质流特性

目的系统分析厌氧膜生物反应器(AnMBR)-好氧膜生物反应器(MBR)组合工艺系统处理模拟地基受控生态生保系统(CELSS)废水的物质流特性,为提高CELSS废水处理效率和物质流闭合度提供依据。方法利用自主研发的AnMBR-MBR组合工艺系统处理模拟地基受控生态生保系统废水,计量进出系统的主要物质质量并监测水质指标。结果AnMBR-MBR组合工艺系统每产出1L净水,共需要消耗品5.12g(不含空气),排放剩余污泥0.037g(以干重计),排放氨气5.22×10^-3 g,排放甲烷1.64×10^-3 g。结论AnMBR-MBR组合工艺系统对模拟地基受控生态生保系统废水具有良好稳定的处理效果,其单位产水消耗品量低于基于物化组合工艺的废水处理系统。

未来的宇宙食物自给与CELSS工程

从给我们带来深刻印象的尤里·加加宁于1961年4月12日作为人类第一个使者进入既没有水、也没有空气的黑暗世界旅行到现在,仅仅经过了30年。“地球是绿色的。”当时。

基于任务需求和ESM分析的受控生态生保系统植物部件品种规划

针对任务周期长、距离远的长期载人深空探测,长期地外生存等任务要求建立受控生态生保系统,通过合适的植物部件利用当地资源进行空间作物生产。利用等效系统质量方法,比较了地球携带食物补给和受控生态生保系统植物部件就地生产两种补给模式的优劣。从受控生态生保系统角度讨论了主食、果蔬和蛋白质-脂肪等食物需求与植物部件设计的关系,对1~2年任务周期的深空探测飞行任务首先应配备小量蔬菜栽培装置。可以利用太阳光时,2年以上即可建立植物部件生产果蔬;15年以上方可生产粮食作物;而只能利用人工光源时,3.4年以上的深空探测任务才适合植物部件供应新鲜果蔬,而主食则需要76年以上。油料作物的空间生产在目前技术条件下不具备应用可行性。

光质对钝顶螺旋藻放氧效率及抗氧化剂含量影响的研究

为探究光质对螺旋藻放氧效率及抗氧化剂含量的影响规律,从而为CELSS中螺旋藻高效培养光照系统的建立提供理论基础,开展了钝顶螺旋藻在红、蓝、绿、黄、白五种LED光质处理下的培养实验,分析了不同光质对其生长速率、放氧效率和SOD、黄酮、VE、藻蓝素和类胡萝卜素五种抗氧化剂含量的影响规律。实验结果如下:1)红光处理下螺旋藻放氧效率可达161.7 mg·L^(-1)·k W^(-1)·h^(-1),较白光处理提高了32.64%,而黄光、绿光和蓝光处理下均低于70 mg·L^(-1)·k W^(-1)·h^(-1);2)蓝光处理下SOD活性、黄酮和VE含量最高,比白光处理分别提高了24.20%、57.45%和35.45%;绿光处理下藻蓝素含量最高,可达74.50 mg·g^(-1)。因此,红光最有利于螺旋藻放氧,可以作为螺旋藻培养光源的主要光质。蓝光有利于SOD、黄酮和VE合成,绿光有利于藻蓝素合成,可以作为光源的补充光质。

螺旋藻和小球藻光藻反应器系统的建模仿真

从航天员需求营养物质成分的角度,筛选了螺旋藻和小球藻在光藻反应器(Light Algae Bioreactor,LABR)中进行混合培养,运用MATLAB/Simulink软件建立了这两种微藻混合培养LABR的数学仿真模型.结果表明:当温度为30℃、光强为150μmol/(m2·s),螺旋藻和小球藻可以在LABR中较好的生长,获得总微藻生物量的最大值约为1.1g/L.

中国载人航天器环境控制与生命保障技术研究

中国载人航天器环控生保技术经历了预先研究和局部技术卫星试验,进行了"神舟"飞船环控生保分系统的研制,并进行了物理化学再生式环控生保技术和受控生态生保技术的研究。本文主要介绍了上述过程环控生保系统技术的研究进展,并分析了环控生保系统的技术特点。

受控生态生保系统内红萍供氧特性研究

研究红萍载人供O_2特征,为红萍生物部件进行系统总体地面模拟试验及空间应用奠定基础,构建了受控生态生保系统密闭试验舱和红萍栽培装置,在"红萍-鱼-人"共存情况下,测定密闭舱内O_2,CO_2浓度的变化.试验结果显示,单位重量的鱼耗O_2量为0.0805～0.0831 L·kg^(-1)·h^(-1),排放CO_2量为0.0705～0.0736 L·kg^(-1)·h^(-1);试验志愿者耗O_2量19.71 L·h^(-1),呼吸释放CO_2量18.90 L·h^(-1).人工光照保持7000～8000 lx条件下,红萍的光合作用与人和鱼的呼吸作用相辅相成,舱内O_2,CO_2浓度趋于平衡.密闭舱内CO_2浓度升高对促进红萍群体净光合效率有明显效果,红萍光合放O_2能力很强,能有效促使密闭舱内O_2,CO_2浓度朝着有利于人生存的环境方向平衡,进而验证了红萍的空间应用前景.

空间蔬菜栽培装置中营养液输送系统的实验研究

目的为未来的空间站研制一套在空间蔬菜栽培装置中应用的营养液输送系统 ,并通过地面实验初步证明其可行性。方法参考国外资料并结合我国实际 ,进行空间蔬菜栽培装置样机中营养液输送系统的方案论证、方案设计、图纸设计和加工调试等 ,随后进行植物栽培地面验证试验。结果营养液能够以毛细作用方式源源不断地输送到植物栽培基质 ,基质水分含量能够自动控制并按设定值保持恒定 ,所用生物材料生菜的生长形态和色泽基本正常。

受控生态生保系统中长效专用控释肥料研制

目的研制长效专用控释肥料,为受控生态生保系统中高等植物的生长提供养分资源。方法根据产品技术指标和性能要求,提出设计方案,经过原料筛选、组分配比、颗粒制作和包膜等工艺过程,研制成长效专用控释肥料,最后对产品进行养分释放规律实验和植物栽培实验。结果产品中含氮(N18.0%、磷(P2O5)14.3%、钾(K2O)12.6%、钙(Ca)2.6%、硫(S)3.5%、镁(Mg)0.12%,微量元素适量;产品颗粒大小均匀,直径为2.5～4.0mm;20～25℃条件下,10、20、30、40、50d内肥料累积释放量分别为7.9%、21.6%、40.5%、50.2%、60.9%;利用该肥料培养生菜,整个45d的生育期内植株没有出 现养分缺乏现象,长势良好。结论研制的长效专用控释肥料性能技术指标满足植物生长需求,产品设 计方案合理,能够作为受控生态生保系统中高等植物生长的养分资源。

深空探测低压植物栽培装置研制

目的研制低压植物栽培装置,以便开展模拟深空探测低压条件下高等植物栽培技术研究,为建立低压条件下的受控生态生保系统奠定基础。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及装置试运行,最后开展验证实验来检验其技术性能。结果研制成功2套低压植物栽培装置,均能进行低压或常压植物栽培,该装置运行较为稳定,温度、相对湿度、大气总压、O2分压、CO2分压和基质含水量等技术参数均能进行有效的测量和控制。结论该装置各项实际性能指标基本满足设计和实验要求,可用于开展下一步低压植物栽培试验。

飞船环境控制与生命保障系统

环境控制与生命保障系统是飞船上十分复杂和相当重要的分系统 ,是实现载人航天必须要突破的一项关键技术。本文着重论述了系统的功能任务、技术要求及系统的主要技术 ,对系统的试验验证工作也进行了讨论。

红蓝LED光照强度对密闭生态系统中生菜生长状况及光合速率的影响

研究利用红蓝LED进行不同光照强度下的生菜培养实验。通过设置不同生长期的对照试验,确定了CELSS中生菜的最佳收获期。试验结果显示,生菜光合速率(Pn)和产量均随光照强度增加而上升,但增幅逐渐变小;通过公式拟合,光照强度达到556μmol·m-2·s-1时,继续增加光照强度产量不再增加,同时光能利用率随着光照强度的增加而降低。在保证生菜供氧能力及产量满足乘员对氧气、食物需求的前提下,选择合适的光照强度水平,可有效提高系统的能源利用效率。出苗后第40天为最佳收获期,此时收获,生菜的日产量和光能利用率最高,营养品质最好。

受控生态生保系统中叶用蔬菜植物品种的筛选

目的为受控生态生保系统筛选合适的叶用蔬菜植物种类及品种。方法在环境参数一致的条件下,对4种散叶生菜品种,1种油麦菜,2种菠菜品种,1种曲麻菜和1种油菜进行栽培,以可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率4个生理特性作为评价指标,对候选植物品种进行筛选。同时在不同CO2浓度(500、1000、1500和2000μmol/mol)和光照强度条件[100、300、500和700μmol/(m2·s)]下对各品种的光合效率和蒸腾效率进行了测量。结果筛选出了“嫩绿奶油”生菜、“大速生”生菜、曲麻菜和四季油麦菜4个植物品种,以及与之相关的适宜CO2浓度为2000μmol/mol,光照强度为700μmol/(m2·s)。结论筛选出的4种植物品种在受控生态生保系统适宜条件下具有较高的可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率等特性,可以作为受控生态生保系统中的生物部件。

密闭系统中光照强度及栽培密度对小麦光合效率的影响

目的研究密闭系统中光照强度和栽培密度对小麦生长状况的影响。方法实验设置4个光照强度水平（300，400，500和600txmol·m-2·s-1，光源为90％红光＋10％蓝光的组合LED灯）和4个栽培密度水平（200，400，600和800株·m-2），共16个处理，测定各处理下小麦的光合速率、产量和营养品质等指标。结果小麦光合速率随光照强度增加呈现先升后降的趋势，并在500μmol·m-2·s-1时达到最大；在所设栽培密度范围（200～800株·m-2）内，栽培密度对光合速率的影响不明显；产量随光照强度的变化趋势与光合速率的变化规律表现出较好的一致性，即在500μmol·m-2·s-1时达到最大。单株产量随栽培密度增大而降低，而单位面积产量随栽培密度增大而提高。以上各光照强度及栽培密度对籽粒营养品质影响不明显。结论在所用的红蓝LED光源下，500μmol·m-2·s-1的光照强度对密闭系统中小砉的培兼较为话宦：而左200～800株·m-2哉培密唐范围内．栽培密唐增大有利于小麦高产。

空间蔬菜栽培装置地面实验样机研制

目的研制成空间蔬菜栽培装置地面实验样机,以便解决空间环境条件下栽培蔬菜的若干关键技术,为下一步研制空间蔬菜栽培装置样机和上天产品,并最终为在我国空间站实现空间蔬菜生产的实验与应用奠定基础。方法在详细技术方案论证与设计的基础上,进行了部件图纸设计与投厂加工、整机设备安装、调试、试运行和验证实验等。结果该样机栽培室内的温度、相对湿度、风速、总压、O2分压、CO2分压和栽培基质水分含量均实行自动而有效的控制;光源为高效电子荧光灯;平均蔬菜生产量可以 达到60g鲜重·d-1。结论该样机运行平稳,实际性能基本达到了预定的技术指标,部分组件的工作原理能够适应空间微重力环境,从而为今后研制空间蔬菜栽培装置打下了良好基础。

空间乙烯过滤器地面试验样机研制

目的研制成空间乙烯过滤器地面试验样机,采用微生物技术控制受控生态生保系统中高等植物产生的微量乙烯(C2H4),以保障植物的正常生长发育。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及样机试运行,最后进行验证实验来检验其技术性能。结果样机反应器中基质的温度、含水量、pH值以及气体的流量、温湿度等参数均能实行有效控制,反应器中的微生物经过一段时间驯化后,对乙烯气体的最高降解率可达到9.04mg/(m3.h)。结论样机实际性能基本达到了设计要求,运行稳定,可用于控制受控生态生保系统中乙烯气体的浓度。

LED红蓝光对钝顶螺旋藻生长及光合放氧的影响

目的探究LED红蓝混合光质对螺旋藻生长和光合放氧能力的影响,为我国受控生态生保系统中微藻生物部件优化培养方法的建立提供理论与技术支持。方法在6种不同配比的LED红蓝混合光质处理下进行钝顶螺旋藻培养,对其形态建成、生长速率、光合色素组成、放氧能力等指标进行测量与综合分析。结果与单独红光相比,低剂量蓝光的混合光质可以诱导藻丝体长度缩短和螺旋收紧度减小,提高叶绿素a、藻蓝素和类胡萝卜素含量,促进螺旋藻生长和干物质积累,提高其光合放氧能力。结论8R2B是促进螺旋藻生长和放氧的高效光质。

我国月球基地受控生态生保系统物质流调控分析研究

针对载人深空探测和月球火星等地外星球定居与开发对生保物资持续再生供应的需求,基于国内外多年的载人航天受控生态生保技术研究经验和我国的载人航天发展形势,提出未来我国月球基地环控生保系统的基本规模、驻留人员和时间等边界约束条件设想(乘组规模约为6人,大气、水、食物及废物循环闭合度分别为100%、100%、95%和95%),以此为基础进行了其中大气、水、食物和废物等物质流配置的分析与计算,并提出其动态平衡调控方案。该工作以期为将来在我国的月球基地等环控生保系统中实现物质流的长期高效与安全可靠调控发挥参考作用。