Жить за пределами Земли

Всем привет! Это Александр Шаенко, я руководил проектом “Маяк”. Мы с коллегами построили и запустили первый в истории России спутник, созданный методом краудфандинга. Как внезапно выяснилось, у него появился продолжатель или что-то в этом роде:) Я об аппарате Humanity Star, запущенном на орбиту в первом удачном запуске ракеты-носителя Electron компании Rocket Labs 21 января 2018 года.

Но сегодня речь пойдет не о них. Я хотел бы рассказать о проекте по созданию биологической системы жизнеобеспечения, которым мы занялись после “Маяка”, и о том, почему именно ей.

Идея “Маяка”

Я уже писал, что идея спутника “Маяк” была в том, чтобы показать, что сейчас в России самые обычные люди, вроде читающего эту статью %Username%, могут создавать и запускать в космос собственные космические аппараты. Что космонавтикой можно заниматься лично, своими собственными руками, без работы в больших КБ, не будучи миллионером, сейчас и в России. Что можно не только подписываться на инстаграмм NASA или Роскосмоса или смотреть научно-популярные лекции, но делать свои собственные космические проекты.

Еще во время работы над “Маяком” мы задумались о том, какой будет наш следующий проект и решили, что он должен вносить вклад в космонавтику и способствовать выходу за пределы земной орбиты.

Хорошо, внести вклад хотим, но какой и куда? И тут возникает множество вариантов.

Вклад, какой и куда

Лично на мой взгляд, последнее большое дело в пилотируемой космонавтике было сделано в 1969 году, когда на Луну села первая экспедиция программы “Аполлон”. После нее было еще пять успешных полетов, но после них, аж с 1972 года, ни один человек не поднимался выше 1000 км над Землей. Ни один, хотя прошло уже 45 лет! Вся космонавтика, напомню, насчитывает всего 60 лет! И большую часть этого времени люди топчутся на пятачке вокруг Земли!

Мне кажется, что это не очень здорово, и что-то надо с этим делать. Опыт “Селенохода” и особенно “Луны-Глоб” aka “Луна-25” научил, что лучше работать самому.

А что вообще-то нужно, для того чтобы летать за пределы низкой околоземной орбиты?

Если говорить совсем о далекой перспективе, не просто про полеты на Луну или Марс, для которых хватит примерно существующего технологического уровня, то нужны:

• Новые, более емкие и легкие источники энергии, от более совершенных химических на первом этапе, до ядерных, термоядерных и аннигиляционных на последующих.
• Новые двигатели и способы движения, как при выходе в космос с небесных тел, так и для перемещения в вакууме. Новые источники энергии найдут применение для питания реактивных двигателей, электромагнитных ускорителей и источников направленного излучения для создания тяги в солнечных, лазерных, магнитных и иных типах парусов.
• Новые виды материалов, способных работать в суровых условиях космоса, пригодных к эффективной переработке в изделия, которые при этом будет возможно производить из местного сырья.
• Высокоэффективные системы жизнеобеспечения, в первую очередь, замкнутые биологические, благодаря которым будет возможна полноценная, неограниченная жизнь человека в космических условиях.
• Улучшение современных технологий проектирования и производства таким образом, чтобы разработка вновь создаваемых сложных проектов производилась малым коллективом за небольшое время, а практическая реализация проектов проводилась с использованием высокоавтоматизированных, возможно саморазвивающихся производственных средств за счет местных ресурсов. Это позволит реализовывать программы освоения Солнечной системы не за счет небольшого числа громоздких предприятий, располагающихся на Земле и опирающихся только на наземные ресурсы, а за счет малых, быстро реагирующих на изменения высокомотивированных коллективов, использующих для работы имеющиеся в их распоряжении местное сырье.

Большая часть из этого списка выглядит неподъемным для коллектива из 10 человек, работающих в свободное время. Большая часть списка, но не весь 🙂

Я посчитал, что биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) — это то направление, которое можно начать развивать без суперлабораторий и многомиллиардных вложений. Там нужны растения, оранжереи, что-то более простое, чем ускорители для изучения антивещества 🙂 К тому же я слышал, что в России этим вопросом занимались и достигли определенных успехов, в частности строили как и чисто технические системы, так и системы на основе микроводоросли хлореллы и высших растений. Я поговорил о БСЖО с Олегом Волошиным, пресс-секретарем Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, и он познакомил меня с Маргаритой Александровной Левинских, которая как раз в этой области работает.

Прежде чем рассказать собственно о работах в области БСЖО, надо объяснить зачем вообще нужны системы жизнеобеспечения и как они развивались.

Формальное определение понятия “система жизнеобеспечения”

Хочется отметить, что история развития систем жизнеобеспечения великолепно рассказана в актовой речи “Системы систем жизнеобеспечения обитаемых космических объектов (Прошлое, настоящее и будущее)” доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ Ю.Е. Синяка.

Для начала надо дать формальное определение системе жизнеобеспечения. Для этого у нас существует ГОСТ 28040-89 «Система жизнеобеспечения космонавта в пилотируемом космическом аппарате». Согласно нему — СЖО космонавта – это совокупность функционально взаимосвязанных средств и мероприятий, предназначенных для создания в обитаемом отсеке пилотируемого космического аппарата условий, обеспечивающих поддержание энергомассообмена организма космонавта с окружающей средой на уровне, необходимом для сохранения его здоровья и работоспособности».

Обычно в ее состав включают:
СОГС — система обеспечения газового состава,
СВО — система водообеспечения,
ССГО — система санитарно-гигиенического обеспечения,
СОП — система обеспечения питанием,
СОТР — система обеспечения теплового режима.

Теперь можно рассказать и о том, как системы жизнеобеспечения развивались.

СЖО в докосмическую эру

Первые СЖО появились до полетов человека в космос и предназначались для обеспечения работы экипажей на стратостатах, высотных самолетах, а так же для обеспечения жизнедеятельности животных, главным образом – собак.
Поддержание нормального состава атмосферы обеспечивалось введением в ее состав кислорода из газообразных или сжиженных запасов и удаление углекислого газа с помощью химических реакций вида:

$$

На основе стартосферных СЖО создавались системы для космоса.

Первые космические СЖО

Первая космическая СЖО впервые использовалась для обеспечения полета собаки Лайки на космическом аппарате «Спутник-2».
Поддержание нормального состава атмосферы обеспечивалось организацией химических реакций по следующей схеме:

$$

$$

$$

Кроме того, в этом полете испытывались прототипы устройств для приема пищи и ассенизационное устройство.

На космических кораблях кораблях типа «Восток», «Восход» и «Союз» использовалась схема химических реакций, аналогичная схеме на «Спутнике-2», однако для очистки воздуха дополнительно применялся активированный уголь, а на кораблях «Союз» — гидрооксид лития. Кроме того, на борту были баллоны с кислородом и воздухом. В атмосфере контролировалось содержание кислорода и углекислого газа. Вода, консервированная препаратом серебра, на борту хранилась в металлических сосудах со внутренним объемом, покрытым двухслойным полиэтиленом. Кроме того, на борту было ассенизационное устройство и система обеспечения теплового режима.

Частично-замкнутые СЖО

Причина появления частично-замкнутых СЖО – необходимость доставки большого количества кислорода, воды, пищи с Земли при длительных космических полетах с первыми СЖО. Иллюстрацией к увеличению длительности полетов служит таблица с некоторыми характерными примерами, еще ниже приведена массовая сводка расходуемых компонентов СЖО при полете на Марс продолжительностью 500 суток по актовой речи Ю.Е. Синяка.

Тут надо сказать, что оценки для массы воды для полета на Марс вызывают удивление при сравнении с массой воды, расходуемой сейчас на МКС, но большая разница объясняется тем, что на МКС не применяется вода для душа, умывания, стирки белья и мытья посуда, что снижает массу до вполне комфортных для современной космической техники 9300 кг на 6 человек на 500 суток.
Но при проектировании СЖО марсианского корабля возможно понадобится и душ, и прочие надобности требующие большого объема воды. В этом случае замкнутые системы жизнеобеспечения будут крайне необходимы.

На борту станции «Мир», успешно эксплуатировавшийся в пилотируемом режиме с 1986 по 2000 года, были отработаны следующие системы:

• «СРВ-К» — система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги,
• «СРВ-У» — система регенерации воды из мочи (урины),
• «СПК-У» — система приема и консервации мочи (урины),
• «Электрон» — система генерирования кислорода на основе процесса электролиза воды,
• «Воздух» — система удаления диоксида углерода,
• «БМП» — блок удаления вредных микропримесей и др.

Замкнутые биологические СЖО

Не смотря на существенное снижение грузопотока на пилотируемые космические станции с появлением на них частично-замкнутых СЖО в настоящее время в реальных космических полетах достигнуто только частичное замыкание по воздуху и воде. Сейчас предполагается, что полное замыкание цикла по кислороду, углекислому газу, воде, пище и отходам жизнедеятельности может быть достигнуто с помощью биологических систем жизнеобеспечения с автотрофными звеньями, то есть с организмами, самостоятельно синтезирующими органические вещества из неорганических, грубо говоря, растениями.

Одну из БСЖО получилось создать в ИМБП на основе высокопродуктивных фотобиореакторов «Сирень», в которых культивировалась одноклеточная водоросль хлорелла. Описание “Сирени” и других аналогичных советских установок можно найти в фундаментальной работе Цоглина Л.Н., Пронина Н.А. “Биотехнология микроводорослей”.

С помощью “Сирени” были достигнуты следующие параметры БСЖО для одного человека:
объем фотобиореакторов – 45 литров,
удельная продуктивность реакторов — 15 г/(л сутки),
плотность суспензии хлореллы – до 20 г/л,
потребление электрической энергии для системы – 45 кВт.

Для сравнения, советская космическая станция “Мир” давала меньше 35 кВт с экипажем из 3 человек, а летающая сейчас Международная космическая станция — около 100 кВт с экипажем из 6 человек. Высокое потребление обуславливалось мощными ксеноновыми лампами ДКсТВ-6000 мощностью по 6 кВт каждая, а всего в установке их было 6 штук. Плюс охлаждение, циркуляция среды и так далее. Тогда существенно снизить потребление электроэнергии не получалось, поэтому система не нашла применения в полете.

Тем не менее, и в такой БСЖО не получалось полностью замкнуть цикл по пище из-за избыточного для человека содержания белка в хлорелле.

Наземные эксперименты по замыканию цикла в СЖО

Перечислим основные эксперименты с БСЖО в хронологическом порядке. Приведенный список не претендует на абсолютную полноту, дополнения только приветствуются.
1964, БИОС-1, Отдел биофизики Института физики АН СССР, впервые осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения «человек-хлорелла».
1966, БИОС-2, Отдел биофизики Института физики АН СССР, двухзвенная система жизнеобеспечения «человек-хлорелла», реализовано замыкание по воде.
1967-1968, «Год в земном звездолете», ИМБП. Экипаж 3 человека, изоляция на 365 суток. Использовались только технические устройства, без биологических элементов.
1968, БИОС-2, Отдел биофизики Института физики АН СССР, проведены первые эксперименты в трехзвенной системе «человек — микроводоросли — высшие растения».
1972-1984, БИОС-3, Отдел биофизики Института физики АН СССР. Серия экспериментов с экипажами до 4 человек. Трехзвенная система «человек — микроводоросли — высшие растения».
1989 — н.в., BioHome, NASA, частично-замкнутая система, с акцентом на очистке воды.
1990 — н.в., MELiSSA, ESA. Микроводоросли для снабжения кислородом «экипажа» из трех крыс.
1994 — н.в. CEEF, Institute for Environmental Sciences, Japan. — Серии экспериментов по исследованию замкнутых экосистем, включая эксперименты с экипажами до 2х человек, длинной до 4х недель.
1991-1994, Biosphere 2, Университет Аризоны. Серия неудачных экспериментов в изолированной биосфере площадью 1,5 га, моделирующей тропический лес, океан, пустыню, саванну и мангровый эстуарий. Экипаж 8 человек.
2017 — н.в., Yuegong-365, Китайское космическое агентство. Экипаж из 4 человек, изоляция на 1 год. Первый экипаж 165 суток, второй — 200 суток. Для производства кислорода используются высшие растения, переработка отходов – с помощью мучных червей – личинок мучного хрущака Tenebrio molitor.

Знакомство с ИМБП

Теперь можно рассказать к чему привело знакомство с ИМБП. Выяснилось, что там есть целый отдел, занимающийся замкнутыми биологическими системами жизнеобеспечения. М.А. Левинских и ее коллеги занимаются сейчас высшими растениями, например известная оранжерея “Лада”, которая работала на МКС — это их детище, но микроводоросли им близки и интересны. Самое в этом главное, что Маргарита Александровна готова нам помогать!

Космонавт Сергей Волков на борту МКС работает с оранжереей «Лада»

Выяснив все это и вооружившись поддержкой Маргариты Александровны, мы начали делать свой фотобиореактор.

Первый прототип

Первый фотобиореактор начал создаваться во время перерыва в работах по “Маяку”, когда прошли все испытания и надо было ждать запуска. Затишье продлилось с декабря 2016 года примерно до конца апреля 2017. За это время бы смогли создать вот это.

Внешний вид первого прототипа фотобиореактора

Схема устройства первого прототипа фотобиореактора

Основные характеристики первого прототипа
Объем среды с хлореллой — 2,5 литра.
Потребление от сети — 65 Вт.
Источники излучения — светодиоды с длинами волн излучения 440-460 нм, синий цвет, и 650-660 нм, красный.
Управление — Arduino Mega.
Питательная среда — Тамия следующего состава, г/л

$$

$$

$$

$$

$$

$$

Микроэлементы (г/л):

$$

$$

$$

$$

$$

Состав фотобиореактора:

• емкость с питательной средой,
• система циркуляции среды,
• система освещения,
• система измерения оптической плотности среды,
• система обеспечения температурного режима среды,
• система подачи газа,
• система управления,
• блок питания,
• корпус.

В этой установке проводились эксперименты по следующему алгоритму:

1. Емкость заполнялась питательной средой,
2. В емкость помещалась культура хлореллы,
3. Включалась подача воздуха и перемешивания.
4. Включалась система терморегуляции, поддерживавшая постоянную температуру среды путем периодического включения вентилятора.
5. Система измерения оптической плотности с помощью датчика мутности измеряла оптическую плотность среды. Чем больше значение по шкале Turbidity на графиках ниже, тем больше прозрачность среды, и, следовательно, тем меньше содержание хлореллы. При росте культуры наблюдается снижение прозрачности и снижение значения параметра Turbidity.
6. Установка осуществляла культивацию хлореллы в течение нескольких суток.

Результаты экспериментов приведены на графиках.

Для интересующихся сырые данные доступны по ссылке: goo.gl/eV6wKC

На графиках слева видно, что система терморегулирования поддерживает заданную температуру среды 36 °С, оптимальную для роста культуры, в течение всего времени культивации, а исключением переходного режима в начале.

На графиках справа видно, что в процессе культивации наблюдается четыре периода:

• начальный, в котором микроводоросль не производила увеличения оптической плотности,
• участок роста, на котором видно явное нарастание оптической плотности и биомассы,
• участок стабилизации, на котором рост биомассы останавливался и
• участок гибели культуры, на котором оптическая плотность снижалась.

Максимально достигнутая плотность культуры хлореллы — 0,1363 мг/л.
Максимально достигнутая удельная продуктивность хлореллы — 4*10^-3 мг/(л*сутки).

Все вроде бы хорошо, но до показателей реакторов ИМБП очень далеко. Там получалось:
Максимально достигнутая плотность культуры хлореллы — 20 г/л.
Максимально достигнутая удельная продуктивность хлореллы — 15 г/(л*сутки).

Если предположить, что содержащихся в 45 литрах 900 грамм хлореллы достаточно для поддержания жизнедеятельности одного человека, то для размещения такого же количества в нашем первом прототипе потребуется целых 6603081 литров или 6603 кубометров! Это более 33000 стандартных ванн!

Поэтому после первого прототипа мы решили строить второй, чтобы получить высокие показатели, в первую очередь по большей плотности культуры хлореллы и по удельной продуктивности.

Второй прототип

Что мы планируем реализовать во втором прототипе?

1. Подобрать более подходящий для хлореллы спектр излучения диодов, чтобы повысить продуктивность ее культивации с одного затраченного Ватта. Для этого мы планируем провести серию запусков реактора с узкополосными источниками излучения и выбрать те, которые дают самый быстрый рост хлореллы.
2. Повысить интенсивность излучения, чтобы клетки микроводоросли получали большее количество энергии и быстрее росли. Мы даже рассматриваем лазеры в качестве такого источника 🙂
3. Контролировать все параметры питательной среды — температуру, кислотность, газовый состав на входе в реактор и на выходе.
4. Соорудить систему автоматической очистки полостей реактора. Уж очень его долго разбирать, чтобы помыть :))

Более подробно о том, что мы планируем делать, написано в ТЗ на второй прототип.

Реализовав эти шаги, мы надеемся приблизиться к результатам ИМБП. Впереди много интересной работы, которая в самом прямом смысле сможет приблизить полеты за пределы низкой околоземной орбиты!

Как говорится, оставайтесь с нами, не переключайте канал! 🙂