Биолого-технические системы жизнеобеспечения для освоения космоса

С началом эры пилотируемых космических полётов перед человечеством встала новая практическая задача: обеспечение искусственной среды обитания для экипажей в гермокабинах ограниченного объема. В космосе система жизнеобеспечения (СЖО) призвана обеспечивать экипаж водой, воздухом и пищей. До сих пор все пилотируемые миссии были относительно краткими по длительности и полагались на снабжение продуктами с Земли. Несмотря на повышенную безопасность и надежность, незначительные энергетические потребности при функционировании систем жизнеобеспечения на основе запасов расходуемых веществ, взятых с Земли, последние имеют существенный недостаток: их масса и габариты возрастают прямо пропорционально длительности космической экспедиции и количеству членов экипажей.

По достижении определенной продолжительности полёта СЖО на основе запасов могут быть препятствием для реализации экспедиции. В результате многолетней практики длительных орбитальных полётов на станциях типа «САЛЮТ», «МИР» и «МКС» были получены нормы потребления основных компонентов СЖО: кислород – 0,96 кг на человека в сутки (чел.сут.), питьевая вода – 2,5 кг/чел.сут., пища – 1,75 кг/чел.сут. и т.д.). Основываясь на полученных нормах, легко подсчитать, что необходимая масса запасов для экипажа из 6 человек в условиях 500-суточного полёта (без учета массы тары и систем хранения) составило бы величину более 58 тонн. В случае использования систем жизнеобеспечения, основанных на запасах расходных материалов (как у моряков), понадобится создание систем хранения продуктов жизнедеятельности космонавтов: фекалий, мочи, конденсата атмосферной влаги, использованных санитарно-гигиенических и кухонных вод и т.д. (Gitelson et al., 2003; Синяк, 2008 г).

В конце 1960-х годов в СССР Институте медико-биологических проблем (ИМБП) разработали и провели испытания системы жизнеобеспечения с физико-химической регенерацией среды и с включением в систему человека. Испытания длились 365 дней. Система включала систему удаления углекислого газа, регенерацию воды из мочи и из конденсата атмосферной влаги, а также блок удаления вредных примесей. Экспериментальные регенерационные системы жизнеобеспечения на основе физико-химических процессов, испытанные в годовом медико-техническом эксперименте, явились прототипом штатных СЖО для экипажей орбитальных станций «Салют», «МИР» и «МКС». Однако физико-химические системы жизнеобеспечения не способны регенерировать пищу для экипажа, поэтому еду на МКС по-прежнему завозят с Земли. Свободными от недостатков физико-химических СЖО являются замкнутые экологические, биолого-технические системы жизнеобеспечения, основанные на биолого-физико-химическом круговороте веществ, которые автономны и относительно независимы от продолжительности космических миссий при освоении дальнего космоса. Таким образом, исторически сложилось так, что в ИМБП поиск изначально был сосредоточен на системах жизнеобеспечения космических кораблей и орбитальных станций, где предпочтения отдавались использованию физико-химических процессов, а в Институте биофизики (ИБФ) – на замкнутых экосистемах для долговременных планетных станций, где доминирующую роль в круговороте веществ должны играть биологические методы (Синяк, 2008 г).

Со времени зарождения идеи о биологической регенерации среды обитания человека учёные сошлись на том, что непременной составной частью биолого-технической системы жизнеобеспечения (БТСЖО) должны стать ценозы фотоавтотрофных растений (Wheeler et al., 2004; Berkovich et al., 2005; Nelson et al., 2008). В Институте биофизики Сибирского отделения Российской академии наук (ИБФ СО РАН) на протяжении длительного времени разрабатываются биолого-технические системы жизнеобеспечения человека, в которых регенерация воды, воздуха и (частично) пищи осуществляется за счет звена высших растений (Gitelson et al., 2003).

Уникальный эксперимент БИОС-3

Небольшой документальный фильм про БИОС-3

В начале 1970-х годов в СССР в Красноярском Институте биофизики СО РАН был создан экспериментальный комплекс БИОС-3. В нём был проведён эксперимент по тестированию биологической системы жизнеобеспечения с включением человека. Эксперимент длился 180 суток. Главным его результатом было доказательство осуществимости в пределах ограниченного пространства биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО), автономно управляемой изнутри. Сконструированный экспериментальный комплекс БИОС-3 доказал свою пригодность для длительных экспериментов с замкнутыми экологическими системами (ЗЭС).

Стартом к началу работ по строительству ЗЭС космического назначения в ИБФ (в те годы отдел биофизики ИФ СО АН СССР) стала встреча в начале 1960-х годов директора Института физики Леонида Киренского (академик с 1968 г.) и Генерального конструктора ракетных систем Сергея Королёва (академик с 1958 г.). Предложение Леонида Васильевича создать в Красноярске замкнутую экосистему, способную автономно существовать длительное время за счет внутреннего круговорота вещества, очень заинтересовало Сергея Павловича. Состоялась серия совещаний, в которых приняли участие основатели этого нового направления биофизики Иван Терсков (академик с 1981 г.) и Иосиф Гительзон (академик с 1990 г.) – они дали подробное научное обоснование целесообразности и реальности выполнения таких работ. Королёв поставил четкую задачу: в течение нескольких лет на базе отдела биофизики ИФ СО АН СССР создать экосистему с замкнутым круговоротом вещества, способную в автономном режиме обеспечить длительное пребывание человека в герметичном пространстве в условиях, приближающихся к земным. Тогда государство выделило достаточные средства для привлечения специалистов и приобретения необходимого оборудования.

Выполнение этой задачи можно условно разбить на три этапа. Вначале (1964-1966 гг.) была реализована биологическая система БИОС-1, включавшая два основных звена: герметичную кабину объёмом 12 м с человеком и специальный культиватор объёмом 20 л для выращивания микроводоросли хлореллы. По итогам семи экспериментов длительностью от 12 часов до 90 суток удалось достичь важного результата – полного замкнутого цикла по газу (выдыхаемый воздух очищался от углекислого газа, примесей, обогащался кислородом, вырабатываемым хлореллой) и воде (включая регенерацию питьевой, для приготовления пищи и гигиенических нужд).

Затем в 1966 г. БИОС-1 модернизировали в БИОС-2 путем подсоединения к ней камеры объемом 8,5 м с высшими растениями – здесь выращивали набор овощных культур. Они повысили замкнутость массообменных процессов в системе за счет частичного вовлечения в круговорот растительной пищи, включенной в рацион питания человека. Кроме того, высшие растения, как и хлорелла, участвовали в регенерации атмосферы для дыхания людей. Это позволило снизить биомассу хлореллы, необходимой для поддержания жизнедеятельности, и тем самым повысить степень замкнутости массообменных процессов. И поскольку за счет фотосинтеза высших растений продуцировался дополнительный объем кислорода, удалось провести эксперименты с экипажем из двух испытателей (наиболее продолжительные из них длились 30 и 73 суток). Работы в БИОС-2 продолжались до 1970 г. По их результатам впервые в мире была доказана возможность длительного функционирования искусственной экосистемы «человек-микроводоросли-высшие растения».

(Гительзон, Дегерменджи, Тихомиров, 2016)

В начале 1972 г. в красноярском ИБФ создали БИОС-3 – принципиально новую искусственную экосистему. В отличие от предыдущих, она обрела совершенно иные как конструктивные, так и функциональные характеристики. Установка БИОС -3 выглядит как большая коробка из нержавеющей стали, размерами 14*9*2,5 м и объемом около 315 м³. Внутри имеется четыре отсека, два из которых заняты фитотронами, один – микроводорослевыми культиваторами, а последний – жилой, там располагаются каюты экипажа, бытовое и вспомогательное оборудование. Все отсеки комплекса соединяются друг с другом герметизируемыми дверями, такие же двери ведут наружу из каждого отсека. Каждая дверь как изнутри, так и снаружи может быть открыта одним человеком не более, чем за 10 секунд.

Обитаемый отсек Биос-3 имеет площадь 4,5*7 м. В отсеке расположены три каюты экипажа. Каюты очень маленькие, внутри может поместиться только кровать и небольшая тумбочка. В описываемом эксперименте в одной из кают располагалась установка для сжигания атмосферных примесей и непищевой биомассы растений, а экипаж занимал остальные две каюты. В обитаемом отсеке располагается кухня-столовая, оборудованная электропечью и холодильником. В кухне было установлено оборудование для приготовления питьевой воды.

Санузел одновременно служил и входным шлюзом всего комплекса «БИОС-3». В нём имелись умывальник, душ с электроподогревом воды и ассенизационное устройство. В тамбуре у дверей фитотрона была установлена беспылевая молотилка для обмолота пшеницы и отделения зерна и мельница для получения муки.

В обитаемом отсеке располагался также рабочий стол, пульт контроля и управления энергопотребителями фитотронов, сушильный шкаф, кондиционер и другое вспомогательное оборудование.

Вы можете подумать – как же люди жили в таких условиях? Ответ в том, что испытатели постоянно были заняты работой, да и полной изоляции не было. Они могли постоянно и без ограничений общаться с обслуживающим персоналом и специалистами с целью получения информации или консультации с помощью средств связи. Также они обладали здоровой и крепкой нервной системой: отбор был строгий, и была подготовка испытателей по специальной программе, поэтому они с честью выдержали длительный «полёт». Снаружи круглосуточно дежурили врач и оператор внешних систем, контролирующий работу осветительных приборов, систем энергообеспечения и теплоотвода. При необходимости человека могли вывести из эксперимента, не нарушая герметичности,через шлюз в санузле.

Полностью шесть месяцев в эксперименте участвовал В.В. Терских, остальные исследователи менялись, так как в помещении «БИОС-3» могли разместиться только три человека (ограничения были по воздуху, исходя из площади растений). Н.И. Бугреев, М.П. Шиленко и Н.И. Петров участвовали в эксперименте по 2 месяца, решая каждый свои поставленные задачи. А встречали их с цветами, как настоящих космонавтов.

Было показано, что водоросли не могут быть включены в диету экипажа, поэтому водорослевый отсек не использовался. В настоящее время отсек демонтирован, и там также находятся поддоны для растений. С тех пор растения стали центральным средообразующим звеном, поскольку они способны производить пищу и одновременно воспроизводить воду и атмосферу для экипажа. В экспериментах, предшествующих БИОС-3, было показано, что в атмосфере присутствуют токсичные для растений органические соединения. Для удаления из воздуха этих органических примесей была разработана специальная каталитическая печь.

Основной задачей эксперимента стало изучение взаимодействия человека и высших растений в прямом эксперименте и оценка тех новых устройств и технологических процессов, которые оказались необходимыми для системы «человек – высшие растения». Это позволило впервые в чистом виде исследовать метаболическое взаимодействие человека и поликультуры высших растений. Структура звена высших растений построена таким образом, чтобы в максимальной степени удовлетворить потребности человека в растительной пище.

В искусственной экологической системе, помимо включаемых в неё исследователями видов, обязательно присутствуют сопутствующие формы, главным образом бактерии, грибы, вирусы. Поведение этой биоты менее управляемо и предсказуемо, чем основных видов. Есть опасность, что равновесие между иммунной защитой человеческого организма и населяющими его кишечник бактериями в условиях замкнутой системы может быть нарушено. Не исключено также, что в этих специфических условиях микроэволюционные процессы быстро приведут к появлению новых форм микроорганизмов, которые могут оказаться патогенными или своим метаболизмом нарушат сбалансированных обмен веществ экосистемы. Правда, ни в одном из проведенных ранее экспериментов не было обнаружено таких процессов, но вместе с тем, не наблюдалось и устойчивого состояния микрофлоры. Поэтому в эксперименте БИОС-3 также стояла задача проследить динамику микрофлоры и попытаться стабилизировать её. Для приближения к полной микробиологической изоляции, чрезвычайно труднодостижимой в земных условиях, но в которую попадает экосистема вне Земли, был введён постоянный наддув гермокабины стерильным воздухом, и в течение 4 месяцев исследовалась динамика микрофлоры человека, растений и окружающей их среды, включая атмосферу.

Также проводились многосторонние медицинские и психологические наблюдения за людьми, обитающими в системе, с целью определить степень адекватности среды обитания потребностям человека, а также обеспечить безопасность испытателей.

Данный эксперимент планировался длительностью в 4 месяца, исходя из следующих соображений:

1. Эксперимент должен быть продолжительнее вегетации всех видов выращиваемых в системе растений для того, чтобы проследить их полный жизненный цикл в этих условиях;
2. В предыдущих экспериментах был прослежен именно такой срок, когда обнаружилась выраженная токсичность атмосферы.

Быт экипажа

Вся деятельность экипажа регламентировалась заранее разработанным режимом, включающим все элементы труда и отдыха испытателей, и соответствующими инструкциями по обслуживанию СЖО и обеспечению быта.

Питание экипажа осуществлялось рационами на основе съедобной биомассы высших растений, культивируемых в фитотроне системы с дополнением лиофилизированных (высушенных) продуктов, содержащих в основном животные белки, жиры и олигосахара. Выбор продуктов был определен на основании результатов предыдущих исследований. Внутрисистемный синтез обеспечивает практически всю растительную часть рациона, а также витаминами и значительной долей минеральных веществ. Таким образом, планируемое внутрисистемное обеспечение белками составит около 50%, жирами – 39%, углеводами – 73% потребности или 60-62 % калорийности рациона.

Приём пищи был четырехразовый с пятидневным чередованием меню. Водой экипаж обеспечивался за счет конденсата фитотрона. При этом пищевая вода подвергалась специальной очистке и минерализации в соответствии с ГОСТом.

В ходе эксперимента процедуры личной гигиены соблюдались в обычном объёме с расходом воды 2,5 – 3 литра на человека в сутки. Общая помывка тела производилась каждые 10 дней под душем (10-15 л /1 человека) со сменой постельного и нательного белья.

Влажная уборка бытового отсека с дезинфекцией санитарного узла 3%-м раствором перекиси водорода проводилась ежедневно. Генеральная уборка отсеков проводилась раз в неделю по специально разработанной схеме, а при интенсивном загрязнении – вне очереди. Все работы, сопровождающиеся интенсивным загрязнением, проводились в специальном помещении с использованием спецодежды и средств защиты.

Внешние условия существования испытателей постоянно контролировались по температуре, влажности, освещённости, газовому составу атмосферы. Также регулярно проверяли основные физиологические параметры: частоту сердечных сокращений, вес, измерения тела, ЭКГ, минутный объём легких и т. д. Кроме того, как уже отмечалось выше, проводился мониторинг микрофлоры как у испытателей, так и у внутренней среды БИОСа.

Состояние растений определяли визуально, путём исследования пигментного состава листьев растений, а также взвешиванием при уборке. Поскольку содержание воды в растениях разных видов разное, то для сравнения приводили сухую массу растений. Освещённость посевов измеряли на уровне посева с помощью люксметра Ю-18.

Растительное звено СЖО БИОС-3

Как отмечалось выше, наиболее специфичной функцией высших растений, не заменяемой в настоящее время физико-химическими процессами, является биосинтез широкого спектра пищевых веществ, необходимых человеку. Именно поэтому при выборе видов высших растений для замкнутых СЖО основным должен быть критерий удовлетворения пищевых потребностей человека.

Ни в природе, ни в культуре нет растения, которое было бы полностью съедобно и полностью удовлетворяло бы потребности человека в углеводах, растительных белках и жирах, витаминах и минеральных веществах. Реальное удовлетворение человека всеми растительными продуктами возможно только за счёт комплекса видов и сортов, за счёт разработки для замкнутой системы многокомпонентного звена высших растений.

Итак, главное требование биолого-технической системы жизнеобеспечения – замкнутость по массообмену.

Требования к растениям:

1. Самоопыляемость при семенном размножении, ограничивающая выбрасывание пыльцы в атмосферу;
2. Небольшой размер и высокая продуктивность;
3. Технологичность выращивания;
4. Генная модификация не допускается (по причине того, что в условиях воздействия космической радиации геном таких растений неустойчив и не изучено воздействие таких растений на организм человека). Сорта выводили классической селекцией в течение многих лет, как, например, сорт пшеницы 232;
5. Совместимость растений друг с другом.

Существуют ещё и другие критерии, но их рассматривают, только если соблюдаются приведённые выше критерии. Например, растения длинного дня предпочтительнее, поскольку их можно выращивать при круглосуточном освещении.

Видовой состав растительного звена СЖО: пшеница (сорт 232 селекции Лисовского), чуфа (Cyperus esculentus L.), морковь Шантенэ, свекла Бордо, редис Вировский белый и Красный великан, капуста листовая Хибинская, картофель Колпашевский, огурцы партенокарпические Дядя Степа, лук, укроп, щавель.

Ниже приведены фотографии растений – элементов растительного звена, которые присутствовали в эксперименте БИОС-3

Как уже упоминалось выше, для СЖО специально был выведен путем селекции сорт пшеницы 232 (селекции Г.М. Лисовского), это мягкая яровая короткостебельная пшеница, у которой около 50% от общей биомассы приходится на зерно.

Чуфа – культура менее популярная, поэтому я расскажу о ней немного более подробно. Тем более, что эта культура была объектом изучения моей кандидатской диссертации.

Чуфа (Cyperus esculentus L.) – растение из семейства осоковых, высотой до 90 см. Стебли тонкие, прямые, растущие от клубней. Листья тонкие и жёсткие, шириной 3-10 мм. Размножается семенами и вегетативно, образуя на корнях большое число съедобных клубней длиной 15 – 20 мм, толщиной 5 – 10 мм, клубни – более значимый способ размножения. С наступлением холодов листья отмирают, а клубни сохраняются. На рис. 13 представлен внешний вид этого растения в полевых условиях. Это растение широко распространено от южной Канады, в Северной Америке до Южной Европы и Африки, включая Мадагаскар. Встречаются по берегам рек и на болотах, местах, которые весной подтопляются водой, где мала конкуренция с другими видами (Halvorson, Guertin, 2003).

Чуфа, высаженная предварительно пророщенными клубнями, в первые 10 – 15 дней развивается медленно, затем начинает быстро куститься и образует большое количество узких, почти вертикально ориентированных листьев, хорошо использующих интенсивный свет. Основная масса клубней у чуфы начинает формироваться уже в возрасте 45—50 дней, но созревание их наступает позже — в 60 – 70 дней. При этом продолжают формироваться новые побеги и новые клубни.

Содержащееся в клубнях масло близко по качеству к оливковому и арахисовому. Клубни содержат 20—25% (на сухую массу) жиров и до 60% углеводов (Замкнутая система: человек – высшие растения, 1979; Li et al, 2000). Количество сырого протеина в клубнях чуфы составляло 6 – 8% и практически не зависело от густоты посадки и сроков уборки растений. Аминокислотный анализ показал, что белки чуфы характеризуются низким содержанием незаменимых (кроме лизина) аминокислот, что понижает их пищевую ценность. Преобладающими аминокислотами являются аргинин (51% от общей суммы), аспарагиновая и глутаминовая кислоты (по 7%), лизин (6%). В расчете на белок лизина в чуфе примерно в 2 раза больше, чем в пшенице. Углеводы (без клетчатки) составляли 55—61% от сухой массы клубеньков. В зрелых клубнях преобладали полисахариды типа крахмала (40–49%), водорастворимые сахара составляли 7 – 15%. В недозрелых клубнях содержание сахаров было значительно большим (за счет крахмала)

(Замкнутая система: человек – высшие растения, 1979)

Таким образом, чуфа является перспективным источником незаменимых жирных кислот для человека. На вкус клубеньки напоминают миндаль и кокос. Из них можно готовить халву и некоторые другие сладости.

Условия выращивания растений

Пшеницу выращивали в воздушной субирригационной культуре, а чуфу и овощи – в гидропонике на керамзите. Это значит, что каждое растение закреплялось на специальной пластиковой рейке, а корни находились в питательном растворе. Гидропоника на керамзите означает, что растения выращивались на керамзите, как на почве, а полив проводился путём подтопления. Поливали раствором Кнопа, поскольку раствор был несменяемый, то проводили коррекцию добавлением солей и кислот 2-4 раза в сутки, чтобы восполнить вынос элементов из раствора растениями.

В настоящее время исследования в лаборатории продолжаются. Появились новые технологии, которые ждут своей проверки в новом грандиозном эксперименте в обновленном БИОСе. Но об этом – в следующий раз.

Список использованной литературы

1. Замкнутая система: человек – высшие растения / Под ред. Г.М. Лисовского. Новосибирск: Наука, 1979.
2. Gitelson I.I., Lisovsky G.M. Manmade Closed Ecological Systems. London – NY: Tailor ? Francis, 2003.
3. Кudenko Yu.A., Gribovskaya I.A., Zolotukchin I.G. Physical-Chemical treatment of wastes: a way to close turnover of elements in LSS, J. // Acta Astronautica, 2000. – V. 46.
4. Tikhomirov A.A., Ushakova S.A. Manipulating light and temperature to minimize environmental stress in the plant component of bioregenerative life support systems // Adv. Space Res., 2001. – V. 27, №. 9. – P. 1535– 1539
5. Tikhomirov A.A., Ushakova S.A., Velichko V.V., Zolotukhin I.G., Shklavtsova E.S., Lasseur Ch., Golovko T.K. Estimation of the stability of the photosynthetic unit in the bioregenerative life support system with plant wastes included in mass exchange // Acta Astronautica., 2008. – V.63. – P.1111– 1118
6. Ushakova S., Tikhomirov A., Shikhov V. et al. Increased BLSS closure using mineralized human waste in plant cultivation on a neutral substrate // Advances in Space Research, 2009. – V. 44. – №8. – P. 971– 978.
7. Berkovich, Yu.A., Krivobok, N.M., Smolianina, S.O., Erokhin, A.N. Space greenhouses: the present and the future. Slovo, Ltd., Moscow (in Russian), 2005.
8. Nelson, M., Dempster, W.F., Allen, J.P. Integration of lessons from recent research for Earth to Mars life support systems. Adv. Space Res. 41, 675–683, 2008.
9. Gitelson, I.J., Lisovsky, G.M., MacElroy, R.D. Manmade Closed Ecological Systems. Taylor & Francis, London, New York, pp. 149– 309, 2003.
10. Синяк Ю.Е. Актовая речь «Системы жизнеобеспечения обитаемых космических объектов (Прошлое, настоящее и будущее), 2008 (http://www.imbp.ru/webpages/win1251/Science/UchSov/Docl/2008/Sinjak_speach.html – 11.11.2016).
11. Фото испытателей БИОСа взяты с сайтов:
    http://sdelanounas.ru/blogs/69206/?pid=703480
    http://stolitca24.ru/news/v-preddverii-premery-blokbastera-marsianin-uchenye-krasnoyarska-vspomnili-ob-unikalnoy-ustanovke-dlya/
    http://region.krasu.ru/node/167; http://www.priroda.su/item/3254; http://newslab.ru/photo/679092
    http://trinixy.ru/121168-zamknutye-biosistemy-sovetskih-uchenyh-rabotavshih-nad-sozdaniem-avtonomnyh-kosmicheskih-baz-25-foto.html
    http://photo.kirensky.ru/personalii/shilenko-mariya-petrovna
12. Гительзон И.И., Дегерменджи А.Г., Тихомиров А.А. Замкнутые системы жизнеобеспечения. http://www.socialcompas.com/2016/07/08/zamknutye-sistemy-zhizneobespecheniya/ – 21.11.2016.