基于受控大气环境的生物再生生命支持技术表征平台研究

《Instruments》：A Controlled Atmosphere Characterization Environment for Bioregenerative Life Support Technologies

　　

生物再生生命支持系统（Bioregenerative Life Support Systems, BLSS）被视为长期载人深空探测的关键技术，其发展受限于资源运输能力。然而，在将其集成至大规模示范装置或模拟设施之前，需进行系统化的表征与鉴定。因此，需要可重复的地面测试环境，以维持受控边界条件，同时使有效载荷引起的气体交换能够与外部干扰相区分。本研究提出了一种模块化表征环境，用于BLSS有效载荷及技术的鉴定，重点关注舱内大气气体交换。该平台可独立控制O2、CO2和N2含量，具备热与湿度管理功能，并采用分布式传感架构与数据库集成式数据记录以支持长期运行。通过长期实验对系统性能进行了验证，实验涵盖舱内大气稳定性、泄漏引起的浓度漂移、气体组分控制、扰动响应及热管理等方面。在数天至数周的扩展运行周期内，所设定的O2和CO2浓度偏移得以维持，被动漂移足够低，可实现有效载荷气体交换的定量表征。在模拟O2消耗的应力测试条件下，控制器表现出鲁棒性能。热验证确认了有效载荷特定温度控制的保持、受控冷凝水回收及湿度管理功能。上述结果表明，该平台为BLSS有效载荷的定量测试提供了稳定、可配置且可重复的边界条件。通过连接实验室规模开发与集成式BLSS设施，该表征环境为全规模实施的技术鉴定提供了支撑。

论文解读：面向生物再生生命支持技术的受控大气表征环境

一、研究背景与问题

随着人类空间探索向近地轨道以外的长期任务推进，如可持续的月球和火星探测，生命支持系统必须逐步降低对地球补给的依赖。未来系统需要更高程度的物质闭环，包括水和营养物质的回收、大气再生以及食物生产支持。生物再生生命支持系统（Bioregenerative Life Support Systems, BLSS）因此受到越来越多的关注，被视为实现食物生产、大气再生和资源回收的重要途径。

生物过程对环境边界条件本质上具有敏感性，如温度、湿度、大气组成及水相工艺流的物理化学状态。这些参数的变化可能影响微生物活性、植物性能、转化效率和气体交换速率。推动BLSS工艺向飞行鲁棒性发展，需要在长期良好受控条件下进行可重复的表征。此外，环境控制必须确保长期稳定性，使有效载荷引起的气体交换能够与外部干扰区分开来。

目前已有多个地面设施用于BLSS和封闭生态系统研究，包括BIOS-3、Biosphere 2、封闭生态实验设施（Closed Ecology Experiment Facility, CEEF）和月宫一号（Yuegong-1）等有人参与的大型集成设施，以及欧洲空间局（ESA）的微生态生命支持系统替代方案（Micro-Ecological Life Support System Alternative, MELiSSA）中试装置和美国国家航空航天局（NASA）的生物量生产舱等。然而，这些设施的规模、运行复杂性和有限的可及性限制了其在早期子系统开发阶段的应用，包括设计迭代、系统优化、表征和测试。此外，新技术集成到大型试验台通常需要事先证明其功能成熟度、可靠性和运行安全性，尤其是涉及操作人员安全方面。

因此，需要更小型的专用表征环境来弥合实验室规模开发与集成式BLSS示范之间的差距。尽管近年来随着商用现货（commercial off-the-shelf, COTS）组件的日益普及，用于生物样品存储和航天相关条件下自动化操作的环境受控装置已得到发展，但类似的面向BLSS的小规模实现尚未见报道。这类表征环境应能在标称大气组成条件下以及预期运行环境的最恶劣条件下提供受控环境条件，特别关注不同的气体交换速率和系统性能。

从乘员废物流中回收营养物质是生物再生运行的一项重大挑战。人类尿液是关键的资源流，持续可用、易于分离，且含有约80%的乘员可溶性氮排泄物（以尿素形式存在）。目前国际空间站（ISS）上的尿液处理活动主要面向水回收，富含营养物质的残余盐水被丢弃。未来的BLSS设计有望通过将这一废物流转化为植物可利用的肥料而受益，这是连接废物处理与现场食物生产、实现营养闭环的关键步骤。德国航空航天中心（DLR）开发的组合再生有机食品生产系统（Combined Regenerative Organic food Production, C.R.O.P.^?）采用基于生物膜滴滤反应器系统，将尿素生物转化为植物可利用的铵离子和硝酸根离子（硝化作用）。尽管生物反应器系统已得到广泛研究，但其在受控大气条件下的表征，特别是气体交换监测方面，仍然有限。

二、研究内容与结论

本研究提出了一种专门用于BLSS技术实施系统化测试和鉴定的表征环境，重点关注气体交换速率。该系统最初是为支持C.R.O.P.^?系统的鉴定而开发，但具有载荷无关性，可适用于微生物、藻类和植物基BLSS技术。系统提供受控大气组成、热与湿度管理、CO₂去除以及气体和液体过程参数的集成监测。研究描述了系统架构、仪器和控制概念，随后在代表性运行条件和持续扰动场景下对平台进行了实验验证。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：一是多级安全架构的气体供应系统，配备压力调节器、流量限制器、常闭电磁阀和机械安全阀；二是基于比例控制器的脉宽调制（Pulse-Width Modulation, PWM）大气控制系统，以300秒为典型控制间隔；三是基于氢氧化钙的CO₂洗涤器系统，配备旋转叶片泵实现选择性CO₂去除；四是基于冷板的主动热控制系统，使用蒸馏水作为传热流体，提供200 W冷却能力；五是分布式传感架构，采用Arduino Mega 2560微控制器进行舱内传感器数据采集，Raspberry Pi 4单板计算机作为中央控制和数据处理单元，数据存储在Cassandra NoSQL数据库中。

四、研究结果

4.1 舱内大气稳定性

研究人员通过两项长期实验评估了舱内大气稳定性。实验1将O₂浓度降至16 vol.%，实验2将CO₂浓度升至1.15 vol.%，随后在无主动控制条件下监测约140小时。结果表明，O₂浓度漂移率为0.0049 vol.%h^?1，CO₂浓度漂移率为?0.0016 vol.%h^?1，对应表观换气率分别为1.0 Lh^?1（O₂）和1.2 Lh^?1（CO₂）。该被动漂移远低于生物有效载荷预期的气体交换速率，可作为有效载荷气体交换表征的校正因子。

4.2 CO₂洗涤器验证

研究人员通过系统级实验验证了CO₂洗涤器功能。在初始CO₂浓度为0.71 vol.%的条件下，洗涤器在约16小时内将浓度降至0.049 vol.%，降幅约93%。整个120小时实验中，CO₂质量减少9.86 g。浓度下降符合一阶指数趋近平衡模型，拟合参数为c_∞ = 0.049 vol.%、c₀ = 0.71 vol.%和k = 0.22。浓度进入公差带后洗涤器自动停用，被动条件下浓度保持稳定。

4.3 控制器闭环性能验证

研究人员通过独立的O₂和CO₂设定点阶跃测试评估了大气控制系统的闭环性能。设定点分别增加+0.5 vol.%（O₂）和+0.015 vol.%（CO₂），控制器在两次校正脉冲内达到目标浓度，O₂脉冲时长分别为88 s和27.5 s，CO₂脉冲时长分别为93 s和20.4 s，注入气体质量分别为5.32 g-O₂和0.205 g-CO₂。未观察到可测量的超调，所有研究条件下最多三次校正脉冲内实现收敛。

4.4 控制器性能应力测试

研究人员在舱内放置茶灯蜡烛以施加持续的O₂消耗和CO₂产生扰动，同时停用CO₂洗涤器。在约100分钟实验期间，O₂浓度保持在设定点20.95 vol.%的±0.1 vol.%公差带内，平均浓度为20.86 vol.%。累计O₂阀门开启时间约604 s，注入O₂质量约16.2 g，O₂消耗速率约0.16 gmin^?1。CO₂浓度持续上升，约74分钟后超出传感器量程。

4.5 热控制验证

研究人员进行了120小时联合实验，使用配备100 W双金属加热器（设定30 °C）的10 L水容器作为载荷替代物。舱内空气温度保持在21.7 °C至25.5 °C之间，流体温度稳定在约30 °C。平均舱内空气温度为24.32 °C（σ = 0.83 °C）和24.03 °C（σ = 0.80 °C），平均流体温度为29.78 °C（σ = 0.50 °C）和29.66 °C（σ = 0.51 °C）。相对湿度保持在75-80%左右。蒸发水量2.53 kg，冷凝水回收量2.47 kg，未计入质量差仅60 g（约2.35%），确认了有效的冷凝水回收。

五、讨论与结论

该平台作为BLSS有效载荷的模块化表征环境，提供可重复的环境边界条件、长期运行稳定性和独立的舱内N₂、O₂和CO₂组成控制。验证实验证明，相对于环境条件的O₂和CO₂浓度偏移可维持数天至数周，被动漂移远小于生物有效载荷预期的气体交换，确认泄漏不会干扰定量有效载荷表征。比例脉宽控制器足以应对预期应用的缓慢大气动力学，无超调的实验结果验证了省略积分和微分控制组件的设计决策。应力测试确认了控制器在超限扰动下的鲁棒性。CO₂洗涤器验证了其在升高浓度下主动降低CO₂浓度的能力。热控制系统在120小时实验中同时验证了载荷集成加热器控制权限的保持和受控冷凝水回收。

当前实现存在若干局限性：大气控制依赖残余气体方法间接确定N₂浓度，假设舱内大气仅由N₂、O₂、CO₂和水蒸气组成；当前工作主要聚焦于平台本身的工程验证，尚未包括生物有效载荷性能的系统表征。未来可通过气体采样接口进行周期性气相色谱分析以独立验证残余气体方法，并可通过开源仿真工具V-HAB实现多舱体的虚拟耦合。该表征环境为BLSS有效载荷的定量表征提供了可重复、模块化和可扩展的工程平台，通过在集成到大型BLSS设施之前实现标准化子系统鉴定，代表了未来生物生命支持发展和航天实验的重要使能技术。