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【重庆日报】独家深度丨解密!登月种菜 为什么是重庆大学?

重庆日报作者 : 李星婷

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摘要
天河基地、织女、泰山……2月15日,国家航天局、中国科学院和国际天文学联合会向全世界发布嫦娥四号着陆区域月球地理实体命名。

天河基地、织女、泰山……2月15日,国家航天局、中国科学院和国际天文学联合会向全世界发布嫦娥四号着陆区域月球地理实体命名。

这是人类首次在月背面进行软着陆和巡视探测。

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值得一提的是,在嫦娥四号着陆器上,搭载了一个重量为2.608公斤的月面微型生态圈(里面有植物种子及昆虫卵等)。这是由重庆大学牵头研制的“生物科普试验载荷项目”(以下简称“科普载荷”),其成功在月球上试验种出人类第一株植物嫩芽。

为什么是重庆大学牵头完成这次生物生长试验?这个项目有怎样的意义?本报进行了独家深度采访。

 

科普载荷是吃“百家饭”长大的

1月5日晚8点,北京航天飞行控制指挥中心。

电脑屏幕上,地面接收数据显示:随嫦娥四号登月的科普载荷里的棉花种子,探头冒出一片绿色的嫩芽。

已盯守十余个小时的生物科普试验载荷总设计师、重庆大学谢更新教授忍不住激动地和几位团队成员互相拥抱,大喊道:“出芽了!”

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▲重庆大学,“生物科普试验载荷项目”的实验室里已经发芽的植物种子。记者 齐岚森 摄


这是重庆大学五六十个人的团队、几乎涵盖了重庆大学机械、环境、力学、通信、控制、材料、生物等相关优势学科力量,历时3年研制的成果。

为何在月球“播种”?缘起于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随嫦娥四号登月的“月球探测载荷创意设计征集活动”。

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▲重庆大学,“生物科普试验载荷项目”的实验室里摆放着各种选种实验用的植物。记者 齐岚森 摄


与有的作品带音乐MP3登月,或者炫酷的日晷等作品不同,重庆大学设计的科普载荷是一个由铝合金制作的圆桶,里面搭载有马铃薯、油菜、棉花、拟南芥、果蝇、酵母等6名“神秘旅客”。其通过植物的光合作用与动物分解等相互作用,形成一个简单的微型生态系统。

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▲重庆大学,“生物科普试验载荷项目”的开放环境下的地月对照实验。记者 齐岚森 摄


这个创意在全国257份作品中脱颖而出。

“如果能在月球成功进行生物生长试验,意味着可为人类进入月球乃至地外星球提供生存保障。”作为在月球“播种”的关键人物,谢更新有一个颇为重要的身份——教育部深空探测联合研究中心副主任。

事实上,这个项目的成功,在方案可行性论证、仪器的加工制作等多个方面,离不开教育部深空探测联合研究中心相关大学,以及中国航天科技集团等多家单位的支持。“科普载荷是吃‘百家饭’长大的。”谢更新认为。

时间回溯到10余年前。2008年,为整合高校优势资源服务于“探月与载人航天工程”重大专项,教育部提出建立跨校、跨部门、跨学科的协同创新平台,承担深空探测技术和工程研发任务,为深空探测培养人才。 

那时,谢更新正在美国加州大学伯克利分校开展博士后研究工作。时任湖南大学校长、中国工程院院士钟志华邀请他回国牵头筹建深空探测联合研究中心。  

谢更新毫不犹豫就办理了回国手续。“小时候,我常常躺在夜晚的田野上,看见闪闪的星光划过夜空。”从本科到博士,谢更新一直在湖南大学从事环境科学与工程研究。在他看来,深空探测是人类认识宇宙、拓展生存空间的途径,也是人类科学发展的必然。

2009年11月5日,由北京大学、清华大学、北京航空航天大学等28所重点大学和中国航天科技集团等13家合作单位参与建设的教育部深空探测联合研究中心(以下简称“探测中心”),挂牌成立。

 

战略性新兴产业呼唤人才培养

彼时,位于重庆、教育部直属的重点高校重庆大学,也正在着力酝酿培育航空航天专业人才和相关学科建设。

“当时,时任重庆大学校长的林建华注意到,很多航空公司跟学校要航空方面的人才。”重庆大学航空航天学院院长胡宁回忆道,航空航天产业是科技含量极高的战略性新兴产业,按照国家对内陆先进制造业基地的战略定位,两江新区在成立之初,就把通用航空当做战略性新兴产业来发展,将通用航空产业列入了战略性新兴产业重点发展。

“发展航空航天产业,不仅可满足日益增长的通用航空需求,也有利于带动重庆市冶金、化工、复合材料、电子、精密机械加工等相关产业的发展。”胡宁说,于是,这些航空公司纷纷跟学校提出,作为一所工科优势明显的重点高校,重庆大学能不能加强对航空航天产业人才的培养?

重庆大学将这件事提上了日程。以优势学科力学为核心,重庆大学筹备成立航天航空学院。

“航空航天专业必须以力学为基础。”胡宁介绍,重庆大学的工程力学本科专业始建于1978年,在弹性应力波理论、输配电装备及系统安全及轻质复合材料等方向,均取得国内先进水平或国际影响的研究成果,并有两院院士刘人怀作领军人物。 

不过,航空航天专业同时也是综合性极强的一门学科。除学校原有的传统优势学科如机械、电气、工程等基础师资和科研力量外,重庆大学还围绕航空航天涉及的材料、自动化、通信等一系列学科,从美国、日本、新加坡及中科院等国内外著名高校,先后引进一批知名学者,建立起一支50多人的优秀教师团队。

谢更新,正是在2013年4月,带着4个人的团队从湖南大学来到重庆大学。2013年12月,重庆大学正式挂牌成立航空航天学院。

 

还有一大任务是科普

钟志华、周绪红、杨士中、罗俊、戚发韧……在深空探测联合研究中心的学术委员会名单上,是一串星光闪耀的名字。

这些来自北京大学、中国地质大学、重庆大学等高校的知名学者,均是在航天、地质、机械等领域的顶级科学家。重庆大学,在2013年成为深空探测联合研究中心的牵头单位,并于同年开展极端条件密闭空间(包括月球环境)人居环境的控制技术研究。

2月18日,重庆日报记者一行走进位于重庆大学A区、上千平米的教育部深空探测联合研究中心:蓝色墙面是浩渺的太空背景,坑坑洼洼的泥沙模拟出月表面环境;颇具科幻感的火星探测器(概念车)和载人月球车等正在研制的仪器……让人似乎顿时进入神秘莫测的太空环境中。

“深空探测联合研究中心在成员单位中遴选了11所优势明显、专业突出的高校,成立了材料分中心、空间环境与轨道设计与分析分中心、热控与能源分中心等分中心。”谢更新介绍,依托各成员单位,中心近5年已承担“四轮三轴”月球车研究、“星球表面采样装置”等40多项重大工程任务和关键技术攻关,不少成果和技术已在嫦娥卫星上运用。 

而除了承担重大工程任务,进行人才培养、学科建设外,中心还有一大任务是科普。

“中心曾出版过《月球与人类》系列科普读物,举办过月球车创意大赛等。此次月球生物生长试验,我们邀请了南开中学、重庆七中、重庆大学附小等中小学生也一起参与,听他们的奇思妙想。”谢更新说,浩渺的太空,有许多未知的奥秘和人类可利用的资源,很多以前貌似天方夜谭的想法,如载人飞船等已逐步变成现实。

“所以此次登月种菜,不仅可为未来建太空空间站提供研究基础和经验,还希望激发人类探索宇宙的兴趣,将月球和宇宙的知识传递给人们。”重庆大学副校长刘汉龙表示。

 

小罐子里有大乾坤  
     —— 重庆大学“生物科普试验载荷项目”生长史自述

高198.3毫米,直径173毫米,重2.608公斤,我,就是由重庆大学研制、完成人类在月球首次生物生长试验的“生物科普试验载荷”。

在我容积不足1升的“身体”里,有上百种零部件;在月球昼夜温差达300摄氏度以上的环境下,培育出植物嫩芽……这可不容易。大家知道我是怎么做出来的吗?一起来看看我的诞生过程吧!

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▲重庆大学,科研人员正在进行“生物科普试验载荷项目”的封闭环境下地月对照实验。记者 齐岚森 摄


外形 :从正方体变成萌萌哒的圆柱体

在确定我要随“嫦娥”登月后,首先是要对我进行外形设计和选择材料制作。

重庆大学团队最开始给我设想的外形是正方体。

我不是一个讲究外表的boy。可是,同等容积下,正方体比圆柱体所需的散热面积要大。所以后来,团队将我设计成萌萌哒的圆柱体。

用什么材料制作我的身体呢?团队最开始选择的是合金钢。这种材料硬度很好,但是太重了,我不能超过3公斤重量限制哦!

碳纤维这种材料很轻,但不易成型;镁合金也是很轻的一种航天材料,但在加工时容易自燃,会导致我精确度不够而被“淘汰”。

最后,我由质轻、易成型的铝合金制作而成。轻巧、漂亮、耐高压,我很满意!

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▲重庆大学A区,科研人员向记者展示“生物科普试验载荷”是怎样一步一步诞生的。记者 齐岚森 摄


“五脏六腑”:每一个设计都经过无数次试验

在外形及制作材料确定后,团队开始对我进行内部结构设计及优化。

在我小小的身体里,要包含控制模块、导光模块、生物模块、结构模块、热控模块等五大模块,有上百种零部件。 

因为要在荒芜的月球生长出植物,可不容易。待我一一道来这些“五脏六腑”的巨大作用。

在月球上,我被安放在着陆器上,依靠太阳能光板的能源工作。

拟南芥、棉花、油菜等植物要生长,需要光合作用。于是我的头顶有一根像天线宝宝一样的光导管。但这无疑给我的密封性带来巨大考验。

聪明的重庆大学团队给我的罐体顶部安装了一层坚固的钢化玻璃。这样就保证了密封性,而且很有朦胧美哦!

对了,月球昼夜温差极大,达300摄氏度以上。为了保持罐体内恒定的温度,我穿有多层保温膜的“衣服”,安装有仅0.1毫米厚的加热片,还有两片散热片,这让我可以在一个相对舒适的温度下(约30摄氏度)待着。

控制放水也很关键。因为在登月之前,我要先在西昌卫星发射中心静置两个月。如果放水早了,植物种子还没上月球就发芽了。于是,得靠传感器将适时的温度、情况等信号传输给控制系统,在地面飞控系统下达放水指令后,用可在1/6低重力条件下放水的电磁泵放水,才能保证试验的成功哦!

是不是非常复杂?任何一个小小的设计、变动,团队都要经过无数次的试验、论证,才能成功完成人类首次在月球上进行的生物生长试验。

 

选种:上百种动植物里选出登月使者

在月球上培育出植物嫩芽或幼虫,是我本次登月的重要使命。那么选择哪些生物物种跟我登月?这个任务由重庆大学生命科学学院承担。

最开始,团队选择了乌龟、蚯蚓、仙人掌(成株)这三个物种。

乌龟长寿,很吉祥;仙人掌耐旱;蚯蚓可以松土。这个组合看起来不错。

可是试验中团队发现,乌龟耗氧量较大,蚯蚓不易被观测到在土里的活动痕迹,仙人掌占用空间大。而且,在地面密封待上两个月后,这些活物不一定能存活。

于是,团队用水稻种子替换仙人掌,用蚕卵代替乌龟。但水稻需要的水量比较大(水袋只能装18毫升水),蚕宝宝不适合高温环境,只能在18至20摄氏度的温度生活。

再然后,团队考虑过用蜜蜂替换蚕卵。可是蜜蜂不宜低温生存,它们是在冬天抱团取暖的群居动物。小麦、菊花、雪莲……团队从云南深山到新疆沙漠,到处寻找可在极端条件下生长的植物。经过一次次比对试验,挑选了上百种动植物,最后团队终于圈定马铃薯、油菜、棉花、拟南芥、果蝇、酵母等6名使者随我登月(本报1月16日9版曾做报道)。

对了,你们注意到吗?在月球上长出第一片嫩芽的棉花种子,生长在一堆彩色的石头里。那是蛭石,是一种有机生态肥土壤,是重庆大学植物学院平时培育植物所用,这次在太空派上了用场。

说了这么多,大家看出来了吗?我小小的身体里蕴含力学、机械、材料、生物、通信、电气等多个领域的学科知识。正是由于重庆大学拥有多个国内排名前列的优势学科,集合研究力量,才有我的诞生哦!

 

对话谢更新——
大航空时代引领科技发展

重庆日报:人类探索太空的意义是什么?

谢更新:自1969年人类第一次登月以来,人类对宇宙的探索一直孜孜以求。在短短不到半个世纪的时间里,人类对太空的探索已取得了飞速发展。

 太空有很多我们可以利用的资源,比如氦3、稀土元素等等。而且地球的承载能力是有限的,正在热映的电影《流浪地球》,就讲述了人类寻找新家园的故事。或许有一天,我们需要到新的太空环境去生存。
 
      重庆日报:科普载荷的生物生长试验或可为人类在太空生存提供物资资料。但科普载荷在月夜关机后,植物就被冻坏了。这是否意味着试验失败?

谢更新:月球自转一周的时间约为27天7小时43分,也就是约648个小时。因此,一个月昼或月夜的时间约等于地球上的半个月。

 由于重量等方面的约束限制,我们不能带电池上去;因为要保证其它探测器的工作,嫦娥四号也不能供给能源给我们。因此当月球进入月夜期时,科普载荷会断电关机。这期间科普载荷内部处于零下52摄氏度的温度,我们在地面曾模拟进行过月夜低温环境下的试验,植物确实会被冻坏、分解。

 但实际上,如果扩大容积规模、保证能源供给,我们的技术能达到为未来建太空空间站服务,我们很有信心。
 
       重庆日报:发展航天航空产业对重庆有怎样的作用?

 谢更新:重庆市出台了《重庆市通用航空业发展行动计划》等一系列文件,根据“十三五”规划,重庆到2020年要基本建成国内集通用航空器研发与制造、飞行作业、教育培训、运行保障等于一体的航空产业集群高地。国家在2016年出台的《近期推进通航业发展的重点任务》中,也将重庆列为首批示范区之一。 

  重庆在高端制造领域一直有很强的产业实力,拥有中国科学院重庆绿色智能技术研究院、国家镁合金材料工程技术研究中心、重庆航空公司等研究中心或龙头企业。目前两江新区正在打造航天航空产业园,璧山也正在建太阳能空间电站……这些都是很好的基础。

如同大航海时代引领世界经济、科技发展一样,全球正在进入大航空时代。国家正在加快航空航天产业布局,大力发展太空经济,重庆可紧紧围绕国家相关战略,借航空航天技术推动材料、医疗、机械等传统产业的优化升级,推动重点领域和关键环节的技术创新,使其成为经济发展方式转变的重要助推器。


来源:重庆日报

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