Замкнутые системы жизнеобеспечения

Print PDF

Иосиф Гительзон, Андрей Дегерменджи,  Александр Тихомиров

 «В Институте биофизики СО РАН создана уникальная биолого-техническая система жизнеобеспечения человека – БИОС-3. Проведенные на ней эксперименты показали: экипаж из 2–3 испытателей, находящийся в автономном режиме, за счет замкнутого цикла может в течение 4–6 месяцев на 100% обеспечивать свои потребности в воде и воздухе, более чем на 50% – в пище.

На системах такого же назначения, созданных в других странах мира, столь высокого результата пока не достигнуто. В настоящее время БИОС-3 реконструируется с учетом международных стандартов, в нем планируются длительные эксперименты по имитации круговоротных процессов для обеспечения автономного существования человека на лунных и марсианских космических станциях.

Что такое замкнутая экосистема?

В замкнутых экологических системах (ЗЭС) круговорот биогенных элементов организован так, что вещества, используемые с определенной скоростью одними звеньями этих систем, с такой же средней скоростью регенерируются из конечных продуктов их обмена до исходного состояния другими звеньями, а затем вновь используются в тех же биологических циклах.

Наиболее яркий представитель естественных ЗЭС – сама биосфера Земли: в ней за счет круговорота веществ поддерживается существование жизни, в том числе и человечества. В идеальном случае данные системы могут существовать бесконечно долго.

В искусственных ЗЭС конструкторы стремятся реализовать круговорот массообменных процессов с минимальным количеством отходов, т.е. веществ, накапливающихся в системе в виде неиспользуемого балласта. При этом необходимо обеспечить циркуляцию массообменных потоков как минимум между двумя типами звеньев – синтезаторами веществ и их деструкторами. Работа первых чаще всего основывается на фотосинтезе. Поэтому их называют фототрофными, и состоят они либо из низших растений (как правило, микроводорослей), либо из высших. Вторые (деструкторы) окисляют полученные в процессе фотосинтеза вещества и продукты их жизнедеятельности вплоть до компонентов (в идеальном случае до СО₂, Н₂О и минеральных соединений), вновь используемых фототрофами.

Важнейшее гетеротрофное звено рассматриваемых нами замкнутых экосистем – человек. Именно он формирует требования к работе всех других звеньев и по сути задает интенсивность круговорота, чтобы обеспечить свои потребности в кислороде, воде и пище. Для ЗЭС с участием людей это означает также включение в круговорот продуктов их жизнедеятельности, растительных отходов и ряда других веществ. Отметим, такая экосистема с фототрофным звеном, состоящим из высших растений, имеет большую замкнутость круговоротных процессов, нежели из водорослей, ибо последние практически несъедобны и их биомасса накапливается в виде отходов. И еще. ЗЭС с человеком могут существовать в автономном режиме достаточно долго. Данное их свойство востребовано в первую очередь для космических целей.

Поэтому неудивительно, что резкий рост соответствующих научных исследований связан с «космическим бумом» 50-60 годов ХХ в., когда освоение Луны и Марса казалось делом ближайшего времени.

Пионерские опыты

Первые в мире реально действующие замкнутые системы жизнеобеспечения были созданы в СССР в первой половине 1960-х годов. Основные изыскания развернулись тогда в Москве – в Институте авиационной и космической медицины Министерства обороны, а позднее в Институте медико-биологических проблем Минздрава СССР (ныне ИМБП РАН) и в Красноярске – вначале в отделе биофизики Института физики (ИФ) СО АН СССР, а затем в Институте биофизики (ИБФ) СО РАН. Исторически так сложилось, что в ИМБП поиск изначально был сосредоточен на системах жизнеобеспечения[1] космических кораблей и орбитальных станций, где предпочтения отдавались использованию физико-химических процессов, а в ИБФ – на замкнутых экосистемах для долговременных планетных станций, где доминирующую роль в круговороте веществ должны играть биологические методы. Подчеркнем: с помощью первого подхода невозможно создать полный круговорот, поскольку неизвестны пути искусственного синтеза полноценных пищевых веществ, необходимых для питания человека. Второй же избавлен от этих недостатков. Базирующиеся на нем системы жизнеобеспечения автономны, а следовательно, более независимы от продолжительности миссий при освоении дальнего космоса.

Разумеется, биологические ЗЭС допускают использование в них элементов физикохимии, но только как дополняющих технологий, способствующих повышению скоростей и степени замкнутости массообменных потоков. Системы, где предполагается такая интеграция биологических и физико-химических методов, получили название биолого-технических ЗЭС. Именно их и создают в ИБФ.

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 Королева (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 один из авторов данной статьи Иосиф Гительзон (академик с 1990 г.) – они дали подробное научное обоснование целесообразности и реальности выполнения таких работ. Королев 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 объемом 12 м с человеком и специальный культиватор объемом 20 л для выращивания микроводоросли хлореллы. По итогам семи экспериментов длительностью от 12 ч 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».

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 общим объемом 300 м вместила в себя 4 отсека одинаковых размеров: жилой модуль с индивидуальными каютами для трех испытателей и три отсека с растениями для воспроизводства пищи и регенерации атмосферы и воды.

В БИОС-3 выполнены долговременные (несколько месяцев) опыты как по ранее уже опробованной схеме «человек-хлорелла-высшие растения», так и по совершенно новой – «человек-высшие растения». Впервые в мире удалось сформировать полную растительную диету для испытателей за счет набора растений, выращиваемых в самой системе, благодаря чему степень ее замкнутости по массообмену удалось поднять до 75%. А в итоге из всех искусственных биологических экосистем как в нашей стране, так и за рубежом только БИОС-3 позволила в автономном режиме обеспечивать жизнь экипажа из 2–3 человек в течение 4–6 месяцев за счет замкнутого цикла по воде и газу практически на 100%, по пище – более чем на 50%. Как уже говорилось, до настоящего времени этот результат остается непревзойденным. [Здесь, как и во многом другом, СССР опередил США, см. про их ЗЭС «Биосфера-2«]

Важно и то, что путь от БИОС-1 до БИОС-3 был пройден за фантастически короткий промежуток времени – примерно за 7 (!) лет.

Рождение новых технологий

Создание БИОС-3 связано с целой плеядой выдающихся ученых. В первую очередь здесь следует еще раз упомянуть Леонида Киренского, заинтересовавшего Сергея Королева в проведении этих изысканий в Красноярске и организовавшего их выполнение. Исключительно важную роль в технической реализации системы сыграл наш сотрудник доктор биологических наук Борис Ковров. Он обладал способностью принимать быстрые и, что важнее, оптимальные конструкторские решения. Именно ему принадлежит идея передачи режимов обслуживания системы «внутрь», т.е. самим испытателям. В этом отношении БИОС-3 выгодно отличается от всех зарубежных искусственных ЗЭС. В ходе экспериментов на ней постоянно вели медицинские исследования состояния человека. Причем работы проходили при активном участии сотрудников ИМБП под руководством академика Олега Газенко, а непосредственный контроль осуществлял кандидат медицинских наук Юрий Окладников. Отметим, за весь период опытов БИОС-3 (длившихся в общей сложности около 11 месяцев) не было ни одного случая возникновения проблем с состоянием здоровья экипажа испытателей.

Важнейшей прорывной технологией явилось включение в круговорот высших растений, ставших основой обеспечения человека кислородом, пищей и водой. Ее автор доктор биологических наук Генрих Лисовский обосновал и практически реализовал идею подбора высших растений с последующей полной заменой ими несъедобной водоросли хлореллы. Специально для замкнутой экосистемы ученый вывел новый сорт короткостебельной пшеницы, у которой около 50% от общей биомассы приходилось на зерно.

Добавим также, что работы на БИОС-3 резко ускорили появление новых технологий. В частности, удалось научно обосновать выбор энергетических и спектральных характеристик видимого излучения для фототрофного звена систем жизнеобеспечения человека, определить место белого света при освещении растительных сообществ как в природе, так и в искусственных условиях и сформулировать концепцию светового управления продукционным процессом у растений с учетом различных уровней организации фотосинтетического аппарата.

В частности, были предложены режимы выращивания различных видов растений на лунной станции. Предполагалось, что если там будет действовать биорегенеративная система жизнеобеспечения, то для выращивания в ней растений (повторим, источника пищи и кислорода) необходимо «научить» их расти в условиях лунных суток, т.е. около 14 земных суток непрерывный свет и примерно столько же – ночь. Эту необычную задачу решили Лисовский с сотрудниками. Они нашли такие параметры внешней среды, при которых удавалось вырастить растения, приемлемые как по съедобной биомассе, так и по биохимическому составу. Это позволяет считать возможным использовать энергию Солнца для построения биорегенеративных систем жизнеобеспечения на Луне.

День сегодняшний

В настоящее время в нашем институте параллельно решают две ключевые задачи: техническую модернизацию системы БИОС-3 и разработку научных основ технологий для повышения степени замкнутости круговоротных процессов. Реализация их поддержана серией грантов СО РАН, рядом контрактов с Европейским космическим агентством. Используются и внутренние ресурсы ИБФ.

 

Исключительно важное значение мы придаем второму из указанных направлений. В числе уже достигнутых результатов – утилизация несъедобной растительной биомассы. Для вовлечения ее во внутрисистемный круговорот разрабатываем технологию биологического окисления с помощью почвоподобного субстрата. Он представляет собой продукт переработки соломы пшеницы червями и микрофлорой, одновременно являющийся корнеобитаемым слоем для растений. К тому же микрофлора субстрата угнетает патогенные микроорганизмы в корневой зоне растений, что способствует их защите от гнилей.

Еще один результат – экологически чистая технология вовлечения поваренной соли во внутрисистемный массообмен. Как известно, NaCl содержится, в частности, в жидких выделениях человека, но ее концентрация в них может оказаться летальной для растений. Поэтому включение этого соединения в биологический круговорот потребовало привлечения физико-химического метода минерализации жидких выделений. Идея такова: в переменное электрическое поле помещается водный раствор перекиси водорода, от молекул которой при этом отщепляется атомарный кислород, являющийся сильнейшим окислителем.

В такой среде он доводит до минеральных компонентов растительные и животные отходы, после чего они используются растениями в качестве удобрений. Такой физико-химический метод экологически чист и относительно малоэнергоемок. Исходным продуктом для получения перекиси водорода служит вода – в биорегенеративных ЗЭС она не является дефицитом, т.е. фактически все исходные продукты, требуемые для обеспечения запуска технологического процесса, легко включаются в круговорот. Важно, что в отличие от традиционно используемых в системах жизнеобеспечения космических аппаратов физико-химических процессов, данный идет при температурах до 100⁰ С и нормальном давлении.

Правда, полученный таким способом минерализованный раствор содержит неприемлемую для основных видов высших растений концентрацию NaCl. Поэтому первоначально его надо использовать для  выращивания съедобного для человека солероса (Salicornia europaea) – однолетнего растения семейства амарантовых, способного расти на средах с высоким содержанием поваренной соли и накапливать ее до 50% от своего сухого веса. Затем концентрация NaCl в питательном растворе падает до значений, приемлемых для его последующего использования в культивировании других видов растений.

Принципиальное решение проблемы вовлечения в круговорот жидких выделений человека открывает возможность полной ликвидации тупиковых, т.е. неприемлемых для дальнейшего использования веществ в ЗЭС, связанных с его экзометаболитами (выделяемыми во внешнюю среду продуктами метаболизма), включении их во внутрисистемный кругооборот. В связи с этим в ИБФ предложен комплекс соответствующих технологий. Дело в том, что вопрос с твердыми экзометаболитами человека решается намного проще: они не содержат NaCl и их вовлечение в массообмен после стерилизации не представляет особых трудностей.

Перспективы на завтра

Формирование замкнутых экосистем имеет две четко выраженные перспективы применения: космическую направленность и земные приложения. Первая связана с разработкой физических моделей устойчивых круговоротных процессов для стационарных лунных и марсианских баз[2]. Состав систем, их конкретные функции и основные проектные характеристики определяются прежде всего типом той или иной планетной станции, ее задачами, длительностью существования, количеством членов экипажа, весовыми и энергетическими ограничениями, а также рядом других требований (медицинских, эксплуатационных и т.д.).

В литературе можно найти различные варианты систем жизнеобеспечения, основанных как на запасах и физико-химических методах регенерации атмосферы и воды, так и на введении в цепь соответствующих биологических звеньев (микроводорослей, высших растений, рыб и т.д.). Накопленный в ИБФ опыт позволяет акцентировать внимание на реализации интегрированной биолого-физико-химической системы жизнеобеспечения с доминирующей ролью первой составляющей. При развертывании планетной биорегенеративной ЗЭС (на примере гипотетической марсианской миссии) регенерация атмосферы станции, построенная только на высших растениях, будет страдать существенным недостатком – большой инерционностью, связанной с длительным циклом их развития. Стационарное функционирование такой системы возможно лишь спустя несколько месяцев после начала запуска: скажем, полное обеспечение экипажа водой и кислородом реально через 2 месяца, растительной частью диеты – через 3–4 месяца. И в течение этого времени обеспечивать экипаж водой и кислородом сможет только упомянутый водорослевый культиватор: при производительности 600 г/сут сухого вещества он полностью решит проблему нормализации воздушной среды для человека.

Конечно, параллельно с запуском последнего необходимо «включить» конвейер высших растений. По мере его формирования нагрузка на конвейер водорослей будет уменьшаться до такой степени, что последний можно остановить. Таким образом, в ходе развертывания биорегенеративной ЗЭС на планетной станции целесообразно перейти на схему функционирования, основанную только на высших растениях, обеспечивающих человека кислородом и растительной пищей.

Что касается земных приложений ЗЭС, то они возможны в самых различных отраслях. Так, специально разработанные для ЗЭС световые технологии могут стать основой создания энергосберегающих ламп с физиологически обоснованными спектральными и энергетическими характеристиками. Эти источники света применимы, в частности, для получения экологически чистой растительной продукции в регионах с неблагоприятными природными условиями. Дома, в которых будут использовать такие технологии замкнутых циклов, способны обеспечить людям автономное существование длительное время (например, в период сильных морозов и непогоды в северных регионах, в труднодоступных горных местностях) с частичным замыканием в воспроизводстве растительной пищи, обеззараживании и утилизации отходов, а также регенерации атмосферы. Расчеты показывают, что энергозатраты экологичного дома даже ниже, чем обычного.

Еще одно земное приложение – модель круговорота в биосфере. В настоящее время в научном сообществе идут широкие дискуссии о возможных климатических изменениях на нашей планете. Однако до сих пор отсутствует достаточное понимание их причин и механизмов. Приблизит ответы на многие вопросы моделирование, заключающееся во внимании к самым основным, принципиальным для функционирования системы (в данном случае биосферы) параметрам. Такого рода подходы проверяемы не только на биосферном уровне, но и на так называемых «биосфероподобных» системах[3]. На основе полученных результатов реально разработать имитационные модели с принципиально новым характером понимания глобальных биосферных процессов.

Правда, в связи с этим необходимо создать упрощенные биосфероподобные искусственные экосистемы с высокой степенью замкнутости круговорота веществ и относительно небольшой обменной массой, к тому же обладающих определенной репрезентативностью по отношению к природным биотам.

Их уже разрабатывают в ИБФ, они могут оказаться эффективным инструментом для моделирования биосферных процессов, включая исследования их устойчивости к антропогенным факторам воздействия. В такой системе при искусственном свете в условиях герметичности поддерживается круговоротный процесс между двумя основными звеньями: фотосинтезирующим (высшие растения) и гетеротрофным (почвоподобный субстрат). Газовый состав среды, температура и влажность воздуха поддерживаются автоматически. Создавая различные факторы воздействия на систему (изменение температуры, концентрации СО₂ и др.), можно оценить ее реакцию и проверить те или иные варианты сценариев изменения климата.

Иллюстрации предоставлены авторами»

Наука в России. 2011. №6.

Примечания

^[1] См.: О. Газенко, А. Григорьев, А. Егоров. Космическая медицина: вчера, сегодня, завтра. – Наука в России, 2006, №3,4; А. Григорьев, Б. Моруков. Марс все ближе. – Наука в России, 2011, №1 (прим. ред.).

^[2] См.: Э. Галимов. Перспективы планетоведения. – Наука в России, 2004, №6; К. Труханов, Н. Кривова. Брать ли на Марс магнитное поле Земли? – Наука в России, 2010, №3 (прим. ред.).

^[3] Биосфероподобные системы – искусственные замкнутые экосистемы, в которых сформированы и функционируют вещественно-обменные циклы, имеющие высокую степень подобия глобальным вещественно-обменным циклам биосферы (прим. авт.).