Размер:
A A A
Цвет: C C C
Изображения Вкл. Выкл.
Обычная версия сайта
EN

Федеральный исследовательский центр 
«Красноярский научный центр
Сибирского отделения Российской академии наук»

 Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»

Федеральный исследовательский центр 
«Красноярский научный центр
Сибирского отделения Российской академии наук»

Красноярские биофизики готовы к созданию замкнутой системы жизнеобеспечения нового типа

27 апреля 2021 г. Институт биофизики СО РАН

Красноярские биофизики готовы к созданию замкнутой системы жизнеобеспечения нового типа

У российских космонавтов есть традиция перед полетом смотреть фильм «Белое солнце пустыни». В ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» есть традиция в День космонавтики говорить о замкнутой биологической системе жизнеобеспечения.

Мысли и труды плеяды ученых, занимавшихся темой биосферы, от великих Константина Эдуардовича Циолковского и Владимира Ивановича Вернадского до красноярских Иосифа Исаевича Гительзона, Бориса Григорьевича Коврова, Генриха Михайловича Лисовского и Ивана Александровича Терскова, покорили самого Сергея Павловича Королёва. Благодаря его личному участию был создан уникальный комплекс БИОС-3. Как это было, и какие научные прорывы ждут нас в ближайшее время — об этом мы поговорили с исследователями, жизнь которых тесным образом связана с проектом.

Из прошлого в будущее 

Рассказывает директор Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН академик Андрей Георгиевич Дегерменджи.


Как расцвел космический сад
— Почти 60 лет назад красноярские биофизики решили создать систему, похожую на биосферу, но с меньшим количеством видов и звеньев. В этом месте и скрыта гениальность. Ученые понимали, что полностью повторить биосферу невозможно. Но перед этим были получены сильные результаты по культивированию одноклеточных организмов. Слово «культивирование» указывает на то, что речь идет о поддержании и управлении искусственными живыми системами. Сначала благодаря одноклеточной зеленой водоросли хлорелле был решен вопрос с воздухом. Растения поглощают углекислый газ, а выделяют кислород — идеальные компаньоны для человека в замкнутом пространстве. Так появилась система БИОС-1. По сути, это были водорослевые культиваторы, которые были связаны с человеком посредством шлангов и кислородных масок.
 
Биомасса водорослей шла на выброс. Возник вопрос, почему бы ее не съедать. Всех привлекало, что водоросли делятся с большой скоростью, на газовом обмене относительно небольшого объема хлореллы можно содержать целую команду. Долго искали способы, как сделать зеленую массу пригодной для употребления в пищу, но в итоге она не стала значимой частью рациона. 
 
Тогда исследователям пришла в голову мысль: а что, если съедобные высшие растения научить расти так же быстро, как водоросли. Так в системе стали появляться пшеница, овощи, зелень, чуфа, которые стали источником полноценной растительной диеты. Селекционеры вывели быстрорастущую пшеницу с коротким стеблем, чтобы сократить объем несъедобных отходов. Скорости прироста оказались соизмеримы с водорослями. Потом поняли: для таких огородов совсем не обязательно использовать почву. Проблема почвы в том, что в ней развиваются микроорганизмы, рост которых плохо контролируется. Чтобы от этого уйти, стали минимизировать контакт с почвой, питать корни воздушно-капельной смесью. Теперь мы знаем эти технологии как аэропонику и гидропонику. В таких супертепличных условиях добились высокой продуктивности — для пшеницы до семи урожаев в год. Нужно помнить, что речь идет об изолированной системе с идеальными условиями по освещенности, температуре и питанию. 

Судьбоносная встреча с Королёвым
Для развития экспериментов и масштабирования работ было необходимо отдельное, повышенное финансирование. На этом этапе основатель красноярской науки академик Леонид Васильевич Киренский договорился о встрече с Сергеем Павловичем Королёвым и донес до основателя российской космонавтики идею проекта. Королёв сказал: «Я дам денег, я хочу, чтобы при моей жизни человек был на Луне». Невероятный человек — мечтатель в хорошем смысле. Благодаря авторитету генерального конструктора были найдены средства. На этих деньгах вырос и БИОС-3, и, можно сказать, весь Институт биофизики СО РАН.  
БИОС — это сердце Института биофизики. Он дал жизнь практически всем научным направлениям, по которым ведется работа и сегодня. Потребовалось несколько лет интенсивной работы, чтобы создать прообраз космической станции, где люди могут месяцами жить автономно, без поступления воды, воздуха и пищи. Самый длительный и известный эксперимент длился 180 суток — с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973 года. Исследователи дышали кислородом, выделяемым растущими в БИОС-3 растениями, вода очищалась внутри системы, рацион состоял преимущественно из растительной пищи. Бункер был разделен на четыре равных по площади отсека: жилой модуль и еще три с растениями и водорослями. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95 %) по воде. Вся растительная часть пищи, а это порядка 50—70 % рациона человека, состояла из пшеницы и овощей, выращенных в БИОСе.
 
В конце 1980-х годов финансирование проекта практически прекратилось, и БИОС законсервировали. Однако красноярский опыт не пропал. Интерес к подобным работам проявили китайцы и европейцы. Именно гранты Европейского союза стали толчком к модернизации системы. Сейчас научно-исследовательский комплекс «Замкнутые экосистемы — БИОС» предназначен для изучения проблем создания и функционирования круговоротных процессов в искусственных экосистемах космического и земного назначения.

Система следующего поколения
Система БИОС-3 не может называться полностью замкнутой. В ней были вещества, которые не возвращались в круговорот и, значит, накапливались в виде «тупиков». К таким соединениям относились твердые выделения человека, растворенные соли, несъедобные части растений. За счет этого нарушался баланс и падал коэффициент замыкания.
 
В БИОС-4 будет решена проблема соли, которую раньше не удавалось полностью изъять из выделений человека и вернуть в круговорот. Для этого используются съедобные растения-солеросы, которые потребляют воду с высоким содержанием растворенных солей. Также для переработки несъедобных растительных остатков создана система быстрого окисления органических веществ. Раствор из реактора корректируется и поступает к растениям в виде питательной смеси. Таким образом, решена проблема отходов человека и остатков несъедобной части растений. 
 
С созданием ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» появились новые перспективы и для медицинских исследований. Медики из НИИ медицинских проблем Севера могут контролировать состояние экипажа будущего эксперимента. Это может стать уникальным экспериментом. БИОС — это отличная возможность и для других научных направлений, в ходе исследований можно получать новые знания и представления о человеке и живых системах в экстремальных условиях. Очевидно, что Красноярский научно-исследовательский институт сельского хозяйства может оказать помощь с селекцией и всеми работами по растительной части. 
 
Буквально на днях руководитель госкорпорации «Роскосмос» Дмитрий Олегович Рогозин подписал меморандум с Китайским национальным космическим управлением о создании лунного модуля. Это значит, что нужно начинать работать с чиновниками прямо сейчас. Медлить нельзя, ведь только базовые эксперименты займут три-четыре года. Дальше возникает вопрос надежности, тестирования аварийных режимов. Это необходимый и очень важный этап. В деле создания будущей лунной базы нет готовых регламентов. Ученые шагают в неизвестность. Но однозначно нужен новый Королёв, яркий лидер, который сможет дать ход работам планетарного значения. 


Технологии замыкания 

Рассказывает старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат биологических наук Сергей Викторович Трифонов.

Переработка отходов — ключевой вопрос
— Несмотря на все достижения БИОС-3, в системе оставался один ключевой изъян — переработка твердых отходов. Всё, что удалось сделать в рамках простого решения, это выжать воду из остатков растительной биомассы и вернуть ее в массообмен. Пробовали сжигать несъедобные части растений, но после этого выделялось много токсичных газов. Растения от этого желтели, и экипажу было нехорошо. Получается, что для новой системы один из ключевых этапов — решение проблемы с утилизацией твердых отходов.  
Лидерами в этом направлении были российские и японские ученые. В Японии разработали технологию сжигания отходов в кислородной атмосфере без пламени при низком давлении. В итоге получается зола, которую можно использовать как удобрение, но часть отходов превращается в стекло. Это нерастворимые соединения, которые накапливаются в системе, так называемый тупик. Второй минус подхода — потеря необходимого для роста растений азота, который улетучивается в газообразном виде. 
 
Красноярские ученые предложили физико-химический метод, основанный на окислении отходов в перекиси водорода под действием переменного тока. У этого метода два плюса: нет стеклования и не теряется азот, который выделяется в виде аммиака и может быть относительно просто возвращен в массообмен. 

Как работает реактор
В реактор с органическими отходами заливается перекись водорода и подается переменный ток на угольные стержневые электроды. Переменный ток инициирует распад перекиси на свободные радикалы, которые быстро окисляют органические отходы. Процесс окисления носит цепной характер. Метод легко масштабировать для поселений или станций с большим количеством экипажа. Ведь чем больше объем реактора, тем проще и дешевле протекают цепные реакции. Можно полчаса подавать ток на реактор, потом выключить на час, и процесс всё равно будет активно протекать, реакции будут сами себя поддерживать, и окисление станет проходить без потребления энергии.  
Описание метода звучит очень просто, но на самом деле идет постоянная работа по его усовершенствованию. Например, сначала были подобраны оптимальные частоты тока для работы реактора. Буквально этой осенью ученые выяснили, что можно снизить в два раза использование перекиси водорода, добавляя в реактор азотную кислоту. Она, в свою очередь, может быть спокойно синтезирована из аммиака. Таким образом, уменьшена нагрузка на реактор по производству перекиси водорода. 
 
Последние годы сотрудники лаборатории занимаются улучшением технологических процессов. Первые эксперименты проводили в реакторе объемом 250 мл, а сейчас в работе автоматизированный экономный реактор на несколько литров. Процесс автоматизации очень важен для замкнутой системы. Процесс окисления в реакторе занимает от трех часов для отходов человека до двенадцати часов для растительных отходов. Сейчас оператор требуется только для того, чтобы загрузить отходы и слить готовый раствор в конце. Устройство работает как автоматическая стиральная машина, только для соломы и отходов человека. 

На пути к масштабному эксперименту
Отдельно была разработана технология глубокой очистки выделяющихся при работе установки газов: аммиака и летучих органических соединений. Ведь если они накопятся в системе, то окажут токсичное воздействие на человека и растения. Из аммиака химическими методами можно синтезировать азотную кислоту. Для утилизации органических соединений создана каталитическая установка, которая при температуре около 1 000 ℃ производит глубокое окисление. В итоге из реактора выделяются лишь безвредные углекислый газ и водяные пары.  
Эксперименты с растениями показали, что продукты окисления отходов не влияют на их рост. То же самое можно сказать о минерализованных растворах. Сейчас реактор выдает раствор, который нормально воспринимают растения, и газы, которые растения спокойно могут ассимилировать. Таким образом, с использованием созданного метода система показывает более высокую степень замыкания, происходит возврат минеральных элементов в круговорот. 
 
Получается, что биофизики далеко шагнули по сравнению с тем, что было в БИОС-3. Можно сказать, что красноярцы готовы создать полностью готовую линию переработки отходов. Для этого нужно значительное финансирование. Пока команде не удается аккумулировать средства или выиграть мегагрант с обеспечением масштаба 100—150 миллионов рублей в год. В рамках текущих бюджетных поступлений запустить проект не под силу. 


Неожиданные применения

Рассказывает заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН профессор, доктор биологических наук Александр Аполлинарьевич Тихомиров.

 Оптимальное освещение
— Один из показателей надежности системы — это стабильные концентрации кислорода и углекислого газа. Повышение CO2 даже на 3 % будет критичным для экипажа. Содержание двуокиси углерода зависит от состояния и роста растений, для которых важно освещение. Сейчас нам уже известно, что для оптимального развития разным растениям нужен разный спектр излучения. Возникает задача поиска оптимальных источников искусственного освещения. 
Выбор источника света для выращивания растений основывается на двух важных параметрах: спектре и интенсивности излучения. Они должны подбираться в зависимости от видовой специфики реакции растений. Но для каждого растения свою лампу не создашь. Поэтому разные сорта и виды можно объединить в группы, которые сходны по своим требованиям к определенным параметрам искусственного света. Сейчас исследователи формируют группы растений, близких по своей реакции на тот или иной спектр излучения. В них войдут наиболее распространенные для выращивания в тепличных условиях виды. Такой подход нужен не только для будущей лунной базы, но и наземных условий, где солнечного света недостаточно, например для северных регионов. 

От северной экотеплицы до биосферы
Применение космических технологий замыкания экологического цикла на Земле упирается в вопрос рентабельности. Например, на Крайнем Севере лето очень короткое, и органические отходы не успевают разложиться естественным образом в почве, плохо работают и системы очистки воды. Когда земля оттаивает, возникает не только неприятный запах, но стремительно размножаются болезнетворные организмы. Если внедрить в таких условиях элементы круговорота системы жизнеобеспечения, то можно избавиться от завалов отходов, получить удобрения и создать тепличные комплексы для выращивания свежих овощей и зелени. 
 
Здесь важно помнить, что растения являются тем компонентом системы жизнеобеспечения, который включается в круговоротный процесс, в том числе и для переработки отходов. После переработки отходов с помощью физико-химических методов получаются минеральные соли, которые служат удобрениями для растений. Так растения помогают переработать отходы в полезную биомассу, которая после может быть использована в пищу. 
 
Замкнутая экологическая система может быть полезна и для экологических исследований, например проверки последствий парникового эффекта для растений, почвенной мерзлоты или водной экосистемы. БИОС — это почти биосфера, только уменьшенная до настольной версии. Физика как наука достигла значительных успехов, используя понятия идеальных объектов или упрощенных моделей. В нашем случае, моделируя в лаборатории полный круговорот и экспериментируя с ним, можно добиться огромного прогресса в понимании работы всей биосферы.


Источник: Наука в Сибири



Поделиться:



Наверх