Космические технологии для решения земных проблем
Татьяна Волкова, Николай ШилкинВ основе таких технологий находится биологический круговорот веществ и эффективное использование солнечной энергии. В этой связи интересен уже полученный опыт по созданию крупных искусственных экосистем для освоения Космоса.
Одним из наиболее важных условий для освоения человеком космического пространства является обеспечение жизнедеятельности и безопасности космонавтов. Национальные и международные исследователи полагают, что наиболее эффективным способом решения этой важнейшей проблемы является создание на станции искусственных экосистем (систем жизнеобеспечения космонавтов).
XXI век ставит перед человечеством новые, всё более амбициозные цели для дальнейшего освоения космического пространства. Особая форма будущих космических экосистем может быть определена с учетом:
Биологическая система жизнеобеспечения (далее – СЖО) – это искусственная совокупность определённым образом подобранных, взаимосвязанных и взаимозависимых биологических объектов (микроорганизмы, высшие растения, животные), расходуемых веществ и технических средств, обеспечивающая в ограниченном замкнутом пространстве основные физиологические потребности человека в пище, воде и кислороде преимущественно на основе устойчивого биологического круговорота веществ. Необходимое сочетание в биологических СЖО живых организмов (биообъектов) и технических средств позволяет называть эти системы также биотехническими. При этом под техническими средствами понимаются подсистемы, блоки и устройства, обеспечивающие требуемые условия для нормальной жизнедеятельности биологических объектов, входящих в биокомплекс (состав, давление, температура и влажность газовой среды, освещённость жилого пространства, санитарно-гигиенические показатели качества воды, оперативный сбор, переработка или удаление отходов жизнедеятельности и т. п.).
К основным техническим средствам биологической СЖО можно отнести подсистемы:
Ряд процессов регенерации веществ в системе может эффективно осуществляться также физико-химическими методами.
Видовой и численный состав живых организмов, включаемых в биокомплекс, определяется так, чтобы он смог обеспечить в течение заданного периода устойчивый сбалансированный и контролируемый обмен веществ между экипажем и живыми организмами биокомплекса.
Размеры (масштабы) биокомплекса и количество видов живых организмов зависят от производительности, степени замкнутости СЖО и устанавливаются в связи с конкретными техническими и энергетическими возможностями космического сооружения, продолжительностью его функционирования, количеством членов экипажа. Принципы подбора живых организмов могут быть заимствованы из экологии природных земных сообществ и управляемых биогеоценозов.
Источником бесплатной энергии для биологических СЖО космических кораблей в околосолнечном пространстве может служить Солнце. Однако необходимость значительного количества энергии для функционирования крупномасштабных биологических СЖО требует эффективных технических решений проблемы непрерывного сбора, концентрирования и ввода солнечной энергии в космический аппарат, а также последующего сброса в космическое пространство низкопотенциальной тепловой энергии.
Все предлагаемые искусственные экосистемы являются двухфазными, как и природные экосистемы.
Фаза «окисления» отходов.
Элементы окисляются с помощью фотосинтеза. Предпочтительно, с образованием CO2, а не СН4, NO3– или NH4+, а не N2 и т. д. Этапы преобразования могут быть выполнены с помощью:
Фаза «редукции» для воспроизведения, во‑первых, кислорода и, во‑вторых, продуктов питания.
Осуществляется путем фотосинтеза из минералов, воды и СО2. Эта фаза является биологической для воспроизведения пищи, хотя мы знаем, как переработать кислород из СО2, но в этом случае углерод не перерабатывается! Основная проблема заключается в создании сбалансированного рациона во время регенерации быстро и под контролем атмосферы (кислород). Первая задача может быть выполнена посредством выбора высших растений (пшеница, рис, салат …). Вторая задача требует использования фотосинтезирующих микроорганизмов, выращенных в массе (фотобиореактора). Выбор микроорганизмов важен, поскольку он будет в конечном итоге входить в состав рациона, и по существу, являться источником белка.
Открытая СЖО.
В открытой системе кислород, воду и пищу заготавливают на весь период миссии, а накопленные отходы постоянно удаляются из кабины. Открытые системы содержат простое оборудование: цистерны, контейнеры, вентиляторы, оборудование, регулирующее поток, и для утилизации продукции. Вес этих систем возрастает с увеличением продолжительности полёта и числа членов экипажа. Для малых космических станций, предназначенных для миссий продолжительностью 2–3 недели, достаточно иметь открытую экологическую систему.
Полузакрытая СЖО. В полузакрытой системе продукты питания и питьевая вода также заготавливаются на все время полета. Однако начальный запас кислорода может быть незначительным: все отходы в данной системе удалить нельзя, поэтому кислород регенерируется из углекислого газа. Полузакрытая экологическая система имеет приемлемый вес, и может быть использована на миссии, которые длятся более двух месяцев.
Закрытая СЖО.
Закрытая СЖО характеризуется производством минимального количества отходов. Запас продуктов на борту ограничен, пища и вода должны многократно регенерироваться для повторного использования.
Успешная реализация искусственной закрытой экосистемы начинается с правильного дизайна, определяющего также роль переработки материала и общий контроль над системой, подходящие размеры единичных операций и оптимизации, а также расширенный контроль на разных уровнях. Информация должна быть получена, прежде всего, на двух уровнях: статическом и динамическом.
СЖО космических экипажей представляют собой сложнейшие комплексы. Три десятилетия космической эры подтвердили достаточную эффективность и надежность созданных СЖО, успешно отработавших на советских космических кораблях Восток и Союз, американских Mercury, Gemini и Apollo, а также на орбитальных станциях Салют и Skylab. Продолжается работа научно-исследовательского комплекса Мир с усовершенствованной системой жизнеобеспечения на борту. Все эти системы обеспечили полеты уже более 200 космонавтов из разных стран.
Принципы построения и работы СЖО, использовавшихся ранее и эксплуатируемых в настоящее время для осуществления космических полетов, основаны на применении физико-химических процессов регенерации. Вместе с тем проблема применения процессов биосинтеза в космических СЖО, а тем более проблема построения замкнутых биотехнических СЖО для космических полетов, пока остаются открытыми.
Успешное решение проблемы создания крупных искусственных экосистем, включающих человека и вещества, основанные на полностью или частично замкнутом биологическом круговороте, имеет огромное значение не только для дальнейшего прогресса космонавтики. Речь идет о принципиально новой научно-технической проблеме, результаты решения которой могут иметь огромное значение для защиты и охраны окружающей среды, разработки и широкого применения новых интенсивных и безотходных биотехнологий, создания автономных автоматизированных и роботизированных комплексов по наработке пищевой биомассы, решения продовольственной программы на высоком современном научно-техническом уровне. Космос и Земля взаимосвязаны, поэтому уже сегодня результаты космических программ дают существенный экономический и социальный эффект в самых различных областях народного хозяйства. Космос служит и будет служить людям.
1. Гришин Ю. И. Искусственные космические экосистемы. – М.: Знание, 1989. – 64 с. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 7).ISBN 5–07–000519–7
2. http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20030007918
3. http://biospherefoundation.org/project/mars-on-earth/
4. https://en.wikipedia.org/wiki/MARS‑500
5. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11543160
6. Лекции C. E. B.A. S.-MiniModule: поведение искусственной водной экологической системы во время космических полетов.
7. Марк Нельсон, Н. С. Печуркин, Джон П. Аллен, Лидия Сомова, и Иосиф Гительзон, Замкнутая экосистема, системы жизнеобеспечения и биосфера. ●
