小罐子里有大乾坤 重庆大学生物科普试验载荷团队坚持不懈"啃硬骨头"科研历程纪实

北京时间2018年12月8日凌晨2时23分成功发射的嫦娥四号探测器经过数十天在轨飞行、轨道修正、近月制动、环月飞行等之后，2019年1月3日10时26分，嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱。释放巡视器，实现了世界首次月球背面软着陆和巡视勘察，在人类探月历程中具有开创性的重大意义。1月12日20点，随嫦娥四号登陆月球背面的生物科普试验载荷传回最后一张试验照片，显示载荷内生长出的植物嫩芽长势良好。在经历月球高真空、宽温差、强辐射等严峻环境考验后，重庆大学牵头研制的生物科普试验载荷（以下简称科普载荷）项目实现人类首次在月球背面开展生物生长实验，也是人类首次在月面以较高等生物构建太空生态系统。

月球表面长出的第一片绿叶（重庆大学牵头的生物科普试验载荷内置相机拍摄）

因科普使命应运而生的搭载项目

科普，是本次科普载荷项目最基本也是最重要的使命。据重庆大学副校长、“生物科普试验载荷”项目总指挥刘汉龙介绍，这个实验是人类首次在月球背面进行的生物生长实验，项目团队通过研究生物在月球低重力、强辐射、自然光照条件下动植物的生长发育状态，为人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。

1月15日重庆市人民政府新闻办举行新闻发布会的现场（摄影：邹乐）

“重庆大学的‘生物科普试验载荷’项目是在嫦娥四号面向全国征集‘月球探测载荷创意设计征集活动’的近300份作品中脱颖而出，并于2016年底被最终确定为搭载项目之一的。”刘汉龙说。

刘汉龙接受记者采访（摄影：曾雅芳）

据悉，重庆大学依托教育部深空探测联合研究中心，集学校机械、生物、环境、航空航天、自动控制等多学科交叉研究力量及与航天院所合作，承担了我国载人月球车总体方案设计、火星资源原位利用、太空天梯等国家任务。为进一步凸显本次载荷的科研和科普价值，重庆大学科普载荷项目同时还将开展微型生态系统地、月对比实验，即，同一个生态圈（密闭空间）在地球、月球不同条件下以及在地面自然条件下（开放空间）的生长发育情况对比。

“该载荷虽然总重量只有三公斤，但麻雀虽小五脏俱全。机、电、热、通信、控制等系统都有，就是一个小的航天器。它既要满足嫦娥四号总体要求，又要完成我们的科学使命，同时还没有现成的成功经验可以借鉴。研究团队在研发过程中充分发挥自主创新能力，顽强拼搏，团结协作，开拓进取，克服了难以想象的困难，也涌现了许多动人的故事。”刘汉龙满怀深情地说。

上百次筛选确定6名“神秘旅客”

据了解，本次科普载荷搭载的6名“神秘旅客”为马铃薯、油菜、棉花、拟南芥、果蝇、酵母。其中，植物生产氧气和食物，供所有生物“消费”；作为消费者的果蝇和分解者的酵母，通过消耗氧气产生二氧化碳，供植物进行光合作用。此外，酵母可以分解植物和果蝇废弃物而生长，酵母又可以作为果蝇的食物。如此循环往复，一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统就此形成。

看似简单的6种生物，最终能成为首次登上月球背面的“旅客”却经历了上百次物种筛选和无数次生物实验。重庆大学生命科学学院太空生物学研究团队承担了本次科普载荷生物模块研制任务，自接到任务到生物物种确定直至载荷封装，课题组历经两年，从云南深山悬崖到新疆沙漠地区，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。

月背面环境模拟实验

本次搭载的生物物种筛选有着非常严苛的要求。因为“罐子”里资源有限，要求里面的动植物不能占用过多空间。哪些“旅客”能登上月球，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，因此要求动植物能耐高温、耐冻，而且能抗辐射和抗干扰。据太空生物学团队负责人介绍，本次载荷生物种类的筛选除了实现在月球表面环境下植物种子发芽和幼虫成长的最低目标，更重要的是基于未来进一步开展太空生物学研究的长远考量，而这也是为以后人类进入月球乃至地外星球生存提供保障。

生命科学学院“太空生物学”研究团队成员在实验室

粮、棉、油是人类赖以生存的最基本需求，“马铃薯是大家熟悉的食物，很有可能是以后太空的主食。这次选择的土豆是特别培育的‘小个子’品种。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。”团队成员在介绍物种筛选标准时谈到。另外，值得一提的是，本次入选的棉花种子是低酚棉，俗称“无毒棉”。“因抗虫害需要，目前在地球上普遍使用的是高酚棉品种，在对月表面生态环境有了充分研究后，我们发现，在地球上不适用的低酚棉，却能很好地适应太空环境。”团队成员在介绍本次物种筛选时特别提到。“好邻居”拟南芥、果蝇、酵母，因其作为全球科学家研究生物的模式物种，生长周期短，能够在短时间内展示完整的生命过程而得以入选，便于研究生物生长发育和代谢规律。

集百家之力造罐内“乾坤”

整个微型生态系统是“装”在一个圆柱形的特殊铝合金“罐子”里——它高21厘米，直径17厘米，净容积仅0.8升——这样一个小体积的科普载荷装置，如何保证种子、昆虫卵在里面安家落户？

教育部深空探测联合研究中心副主任、重庆大学先进技术研究院院长谢更新教授作为科普载荷总设计师介绍了这其中的“乾坤”。这个小体积的自主控温密封设备，总部件有40多个，算上螺丝钉、导线等多达100多个，由结构模块、控制模块、热控模块、生物模块、导光模块等构成，为微型生态系统提供了生物生长的光、热、水和土壤等必要条件，还安装有主、副两个照相机记录动植物生长情况。

谢更新接受采访（摄影：郭利）

为了给生物营造一个适宜生存的环境，罐体分别装置了“空调系统”、光导管和水仓室。罐子外“穿”保暖衣，能经受月表面剧烈温差的考验；内部装有自动调节温度的“空调系统”，通过温度传感器保证环境在25摄氏度左右。在罐子里，植物可通过载荷顶部盖板上的光导管吸收月面自然光，进行光合作用产生氧气。水仓室携带了一个装有20ml生物专用水的水袋和电磁泵，待着陆器落月并择机加电后，接到地面指令让电磁泵工作，将水袋中的水通过水管释放到生物舱表面，为生物生长提供水分。

团队成员合影（左起：张元勋、谢更新、杨小俊）

据生物科普试验载荷主任设计师张元勋博士介绍，能源供给与分配也是载荷项目的技术关键。工作周期内，科普载荷利用嫦娥四号着陆器的太阳能电池供电，以保证微型生态系统和其他耗电器材的正常工作。

科普载荷于2018年10月10日在成都中国科学院光电技术研究所进行盒盖

小小的载荷装置，前后经历了50余次结构优化，完成实验验证、生物实验100余项，形成150余份报告；参加工程总体、探测器总体等单位组织的评审汇报近100次，通过科普载荷独立评估、环境试验大纲评审、接口安全评审、出厂评审、验收评审等多次重要评审。

为了攻克技术难关，科普载荷团队先后赴15省、50余家企事业单位进行技术交流。研发期间，也得到了航天科技集团、中国科学院等单位的无私帮助，“嫦娥之父”叶培建院士、探月工程总设计师吴伟仁院士，科普载荷总顾问、中国工程院副院长钟志华院士等资深院士、专家给予了研究团队大量的指导。谢更新感慨，“它是吃着百家饭，集众人之力长大的。”

从零开始啃下“硬骨头”

从一个创意的诞生到随嫦娥四号成功升空，一路走来，其中多少艰辛只有团队知道。 “飞行200多次，其中去北京72次，烟台22次……”张元勋指着手机上自己近两年的出行记录说道，今年一出去就是几十天。重庆大学先进技术研究院副院长、科普载荷项目副总指挥杨小俊也是如此，他几乎成了“空中飞人”，连回家都成了奢望，有时甚至只能抓紧在重庆的几个小时回家看看。近三年间，团队成员不是在学校工作就是在各地奔波调研解决问题。“到现在为止，没有一个老师休过一整天的假。”谢更新说。

航天无小事！从接到任务的第一天起，谢更新就和团队立下“军令状”——就算一切从零开始，也要啃下这块“硬骨头”；只要有问题存在，再困难都必须解决。几年来，这不仅早已是团队成员们心中的默契，更是扛在肩头的责任。

为了保证项目进度，团队争分夺秒地和时间赛跑。即使临近春节，热控及试验方案遇到瓶颈，团队就一起到北京与五院热控事业部的专家临时集中办公整整五天时间，最终顺利通过“两总”系统的评审。

除了时间紧迫，团队也遭遇过多次突发性技术难题，经历了几次“归零”危机。一次低温存储试验时，设备在持续低温8小时以后就开始漏气。凌晨两点多团队开会讨论决定立即终止实验，把设备送往烟台，和专家讨论，逐一验证解决方案。然而，反复尝试“堵漏”均以失败告终。设备漏气就意味着一切努力全部归零，大家心里都有些慌了。“试验失败就从密封材料上找突破口，一定要把问题找出来！”当晚，谢更新立即和团队开会讨论，转变思路寻找替换新材料。找到突破口，团队就像吃了“定心丸”，杨小俊和张元勋等团队成员连夜携带设备赶赴西安，和密封圈研制专家沟通，重新选材，协调生产单位立即开模、在现场跟产……仅在三天之内就完成密封圈生产，经严格试验验证，完全满足探测器总体的漏率指标。

即使设备研制及试验工作已经完成，送往西昌卫星发射基地组装时也出现了新的问题。西昌海拔高、气压低，82千帕的气压和重庆的气压（99千帕）环境有所不同。“也许气压的微小差异不一定影响植物生长，但科学研究是非常严谨的，再小的问题，我们都不放过。”张元勋说。

时间紧急，自然条件又不能改变这可怎么办？团队急中生智，把载荷通过公路运输到临近的成都组装好，再连夜运回西昌。从成都到西昌四百多公里且路面颠簸，他们用海绵与冰冻的矿泉水细心包裹设备，一路小心驾驶，仿佛在护送一个襁褓中的婴儿一般。“我们的心一直都悬着，就怕设备会出问题。”杨小俊说。抵达西昌基地，团队几人顾不上路途疲惫，赶紧测试设备，直到半夜2点多，所有数据正常，大家悬着的心这才放下。

一路艰辛，一个个问题解决之后，犹如一场长跑终于冲刺过了终点，团队享受到无法用言语形容的快乐。12月8日凌晨，科普载荷随着嫦娥四号顺利升空，整个团队既振奋又紧张。“看着投入近三年时间和精力的科普载荷顺利升空，真像牵挂出嫁的女儿一样，又高兴又不舍。”参与科普载荷生物模块任务的邱丹兴奋地说道。

科普载荷项目顺利实施的背后，是成百上千次的试验数据，是数不清的挫折与失败，是无数个并肩作战的黎明与黄昏，更是特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献的航天精神。“一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望。”一个小小的设备，承载着科研工作者们对科学的终极探索愿望，尽管未来还有更多挑战，但他们将继续迎难而上，在攻坚克难中实现理想，并带领更多人走近那曾遥不可及的航天梦。