КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-14-00599

НазваниеСоздание экспериментальной модели высокозамкнутой биолого-технической системы жизнеобеспечения человека для имитации круговоротных процессов применительно к автономным космическим станциям на Луне, Марсе и других небесных телах.

РуководительТихомиров Александр Аполлинарьевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край

Года выполнения при поддержке РНФ 2014 - 2016  , продлен на 2017 - 2018. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-302 - Химическая экология

Ключевые словасистемы жизнеобеспечения человека, замкнутость массообмена, физико-химическое окисление, фотосинтетическая продуктивность, космическое растениеводство, биорегенерация среды, космические станции

Код ГРНТИ87.24.27


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Обеспечение длительного пребывания человека на будущих космических станциях тесно связано с адекватной средой обитания. Поэтому исследование научных принципов создания среды, пригодной для длительного пребывания человека вне биосферы, приобретает все большую актуальность. Данный проект посвящен созданию экспериментальной высокозамкнутой по массообмену модели биолого-технической системы жизнеобеспечения, имитирующей параметры искусственной среды обитания, пригодной для длительного пребывания в ней человека. Высокая замкнутость массообменных процессов в системе будет обеспечиваться за счет эффективного воспроизводства кислорода, воды, растительной пищи, утилизации углекислого газа и вовлечения в круговоротный процесс органических отходов жизнедеятельности человека. Для утилизации отходов используется оригинальный биологический способ их окисления в почвоподобном субстрате, а также оригинальный экологически чистый энергоэффективный физико-химический метод, основанный на окислении отходов в водной среде перекиси водорода, активированной переменным электрическим полем. Используемая перекись водорода производится по оригинальной технологии из внутрисистемной воды и растворов минерализованных отходов без нарушения круговоротных процессов. Главная новизна проекта заключается в том, что впервые на основе оригинальных технологий будет экспериментально продемонстрирована возможность создания искусственной экосистемы с общим замыканием по массообмену до 90%. Это открывает перспективы длительного (многолетнего) пребывания человека на автономных космических станциях, а также на кораблях с искусственной гравитацией в условиях длительных космических полетов.

Ожидаемые результаты
биолого-технической системы жизнеобеспечения (БТСЖО) нового поколения, где общая степень замкнутости круговоротных процессов может достичь 90%.. Планируемые эксперименты должны обеспечить получение новых знаний и результатов в области создания круговоротных процессов высокой степени замкнутости для имитации автономного режима функционирования планетарной космической станции, включающей человека; должен быть подобран и обоснован состав фотосинтезирующего звена высших растений, предназначенного для утилизации углекислого газа, минерализованных органических отходов растительного и животного происхождения, а также экзометаболитов человека продуцирования кислорода и растительной пищи для человека. На основании согласования процессов газообмена, водообмена и утилизации продуктов растительного и животного происхождения и экзометаболитов человека должен быть организован круговоротный процесс внутри разрабатываемой экспериментальной модели, обеспечивающий необходимые параметры среды обитания человека; раствор, полученный в результате физико-химической минерализации отходов растительного и животного происхождения, а также экзометаболитов человека должен быть сопоставим по химическому составу со стандартным питательным раствором (например, раствор Кнопа), используемым для полива растений в условиях гидропоники. Газовая составляющая физико-химической переработки отходов не должна содержать токсичных для человека и растений соединений. Все газовые компоненты должны легко включаться во внутрисистемный круговоротный процесс. Растения фотосинтезирующего звена должны иметь средние за вегетацию продукционные характеристики по накоплению съедобной биомассы в расчете на абсолютно сухой вес: пшеница не менее 15 г/м2 сутки, овощные культуры не менее 8 г/м2 сутки; по производству кислорода не менее 900 г/сутки в пересчете на одного человека. Созданная физическая модель замкнутой экосистемы должна иметь следующие параметры по замкнутости круговоротных процессов: по газообмену СО2 – О2 – около 100%; по водообмену почва – атмосфера – около 100%; по вовлечению в круговорот жидких и твердых выделений человека – не менее 90%, растительных отходов – до 90%, по наиболее важным биогенам (N, O, C) не менее 80%. Разрабатываемые технологии и полученные результаты позволят создать и поддержать искусственную среду обитания для человека, характеризующуюся стабильным и длительным (в течение нескольких месяцев) массообменным процессом, способным обеспечить человека регенерируемой за счет фотосинтеза растений атмосферой, водой, растительной пищей и утилизацией отходов жизнедеятельности человека. Мировых аналогов таких моделей систем жизнеобеспечения нет. Результаты исследований могут найти применение при создании биолого-технических систем жизнеобеспечения для стационарных космических станций. Технологии, используемые при реализации проекта, могут иметь следующие земные приложения: 1) для формирования высокопродуктивных фитоценозов, выращиваемых с использованием органических отходов, в оранжереях специального назначения, на судах длительного автономного плавания, в экодомах; 2) для создания лабораторных экспериментальных замкнутых экосистем, позволяющих определять экологические последствия от воздействия различных доз испытываемых химических соединений, микробиологических препаратов, новых видов организмов, различных отходов промышленного и сельскохозяйственного производства; 3) для экспериментального моделирования и последующего обоснования экологической экспертизы различных народнохозяйственных проектов 4) при создании автономных арктических и антарктических станций. Успешное выполнение данного проекта будет способствовать сохранению лидирующих позиций российской науки в мировой научной конкуренции по исследованиям в области замкнутых экосистем. Полученные в процессе выполнения проекта научные результаты планируется опубликовать в серии статей в рейтинговых российских и зарубежных журналах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Проведены успешные эксперименты с отдельными видами культурных растений (пшеница, свекла, кресс салаты, горчица, салат, соя, ячмень, тритикале, эндивий, физалис) на нейтральном субстрате и почвоподобном субстрате (ППС), а также в режиме водной культуры для обновления фототрофного звена искусственных замкнутых экосистем. Продемонстрирована возможность культивирования растений сои, как источника высокобелкового продукта для расширения диеты человека. Показана принципиальная возможность культивирования в условиях, приближенных к искусственным экосистемам, растений физалиса, плоды которого могут быть использованы в замкнутой экосистеме как компонент возобновляемого десертного меню. На примере салатных культур впервые рассмотрены особенности формирования разновозрастного конвейера на ППС, выделяющем СО2 в процессе своего функционирования. Экспериментально определен возрастной «шаг» такого конвейера, составляющий 4 суток и позволяющий обеспечить приемлемый «коридор» колебаний СО2 (0,02 мкмоль/(м2•ч)), что обеспечивает достаточную стабильность атмосферы для замкнутой экосистемы по этому газовому компоненту, а также приемлемую скорость окисления растительной биомассы в ППС. Экспериментально показана перспективность использования в условиях замкнутых экосистем излучения светодиодных источников света с облученностями 300-400 мкмоль/(м2•с) фотосинтетически активной радиации (ФАР) для салатных культур и около 700 мкмоль/м2•с ФАР для светолюбивых культур (на примере сои) с предпочтительным спектром излучения, близким к равноэнергетическому в области ФАР. Разработаны технологии минерализации несъедобной овощной биомассы в ППС при внесении в нее измельченных растительных отходов как одноименных видов растений (на примере свеклы), так и растений других видов (на примере моркови). Показана возможность повышения продуктивности растений на ППС в случае внесения в него более быстроразлагающейся биомассы, чем биомасса культивируемого вида. Экспериментально установлено, что неполная физико-химическая минерализация содержащей лигнин соломы с последующим внесением частично минерализованных продуктов в ППС и ирригационные растворы оказывает ингибирующее действие не только на урожай, но и на морфологические признаки пшеницы, являющейся основной культурой в замкнутой системе жизнеобеспечения с диетой европейского типа. Такое сильное ингибирующее воздействие может быть объяснено тем, что при частичной минерализации соломы образуются «активные» вещества фенольной природы, способные влиять на нормальный рост и развитие растений, культивируемых на ППС. Разработана технология более эффективного разложения органических отходов в реакторе физико-химической установки по их переработке. Усовершенствована форма сигнала тока. Вместо формы традиционной синусоиды с частотой 50 Гц предложена форма меандра с частотой 35 Гц, что позволило сократить продолжительность процесса минерализации отходов в реакторе на 18 % и получить 17 % -ную экономию по энергопотреблению. Создана установка и разработаны основы для физико-химического обессоливания реакторной жидкости при минерализации жидких выделений человека для возврата содержащегося в них NaCl человеку. Рассмотрены процессы поэтапного выделения NaCl из минерализованных жидких экзометаболитов человека, включая стадии электрохимического выделения содержащих натрий и калий солей с выходом около 27 % ионов натрия и образования фракции, содержащей около 98,8 % ионов Na и 41,7 % ионов K. Исследован физический процесс разделения растворов солей натрия и калия за счет их различной растворимости при разных температурах и получении соли с содержанием натрия около 72 % и калия около 28 %. Данная технология может быть доработана в дальнейшем для повышения содержания доли натрия в конечном продукте и/или использована как ступень в дальнейшей очистке натрий- калиевой смеси с помощью соленакапливающих овощных растений - солеросов.

 

Публикации

1. Тихомиров А. А., Куденко Ю.А., Ушакова С. А., Трифонов С.В., Морозов Е. А. Перспективы использования новых технологий для создания экспериментальной модели высокозамкнутой системы жизнеобеспечения Наука и образование: проблемы и перспективы развития: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 августа 2014 г.: в 5 частях. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014., Часть 3. С. 126-131. (год публикации - 2014).

2. Тихомиров А.А., Ушакова С.А., Шихов В.Н. Сравнительная оценка фотобиологической эффективности излучения натриевых ламп высокого давления и светодиодных облучателей с фитоспектром для выращивания салатных культур Наука и образование в XXI веке сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 октября 2014 г.: в 17 частях. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. 164 с., Часть 13. С. 156-161. (год публикации - 2014).

3. Ушакова С.А., Величко В.В., Тихомиров А.А., Шихов В.Н., Трифонов С.В. Продуктивность редиса при включении несъедобной растительной биомассы в массообменные процессы биолого-технических систем жизнеобеспечения Журнал Сибирского федерального университета, Том 8 , № 1. С. 4-17 (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Завершено создание блоков экспериментальной модели замкнутой экосистемы (ЭМЗЭ) и выполнены тестовые эксперименты по их сопряжению. ЭМЗЭ состоит из следующих основных блоков: блок фотосинтезирующего звена, блок гетеротрофного окисления отходов, блок физико-химического окисления органических отходов, блок технического обеспечения работы системы. Для уменьшения зависимости динамики продуцирования кислорода фитоценозами от их возраста, все виды растений выращивали в виде конвейеров разновозрастных ценозов со специально определенными «возрастными шагами», регламентирующими время их уборки. Для чуфы каждый такой «шаг» составлял 14 суток, а для остальных культур – 7 суток. В расчете на сухое вещество, наибольший вклад в ежесуточную диету для человека составил для пшеницы примерно 66%, для чуфы- 15%, общий вклад овощных и салатных культур составил около19%. Растения фотосинтезирующего звена культивировали на ирригационном растворе, полученном за счет использования минерализованных органических отходов. Этим обеспечивалось их вовлечение во внутрисистемный массообмен. Было использовано три метода культивирования растений в конвейерном режиме: метод гидропоники на керамзите, выращивание растений на почвоподобном субстрате (ППС) и методом водной культуры. В блоке с растениями на керамзите (пшеница, соя) и на водных растворах использовали технологию культивирования растений на питательных растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека. Ряд видов растений выращивали методом водной культуры с добавлением минерализованных на специальной физико-химической установке экзометаболитов человека. Результаты проведенных исследований показали, что в искусственных условиях растения солероса европейского (Salicornia europaea L.) и водяного кресс-салата (Nasturtium officinale R. Br.), выращиваемые методом водной культуры, являются наиболее перспективными зеленными видами для включения в фототрофное звено при использовании минерализованных экзометаболитов человека в качестве источников минерального питания. В состав фототрофного звена были также дополнительно включены растения сои, семена которой (соевые бобы) богаты белками и жирами. Для этого была проведена селекция сортов сои, способных расти и завязывать плоды при непрерывном освещении на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека. Для растений, выращиваемых на ППС, он одновременно использовался как биологический окислитель, в который вносили по специально разработанной технологии несъедобную биомассу ряда растений фотосинтезирующего звена, которая окислялась в ППС за счет микрофлоры и калифорнийских червей. Несъедобную биомассу растений, выращенных на ППС, возвращали обратно в ППС, чем обеспечивалось ее постоянное вовлечение в круговоротный процесс. Проведенные методом хромато-масс-спектрометрии исследования по оценке аллелопатического взаимодействия растений показали, что корневые выделения чуфы в составе ирригационного раствора влияют на рост и урожай других видов растений, что проявляется в снижении высоты и биомассы растений. Поэтому для чуфы, выращиваемой на ППС, использовали отдельный блок полива. Общая площадь фотосинтезирующего звена составила 1,86 м2 при объеме всей ЭМЗЭ 6 м3. При этом доля посевной площади для пшеницы составляла 34,5%, для чуфы -13,8% , для салатных и овощных растений - 48,3% , для сои - 3,4%. Основными продуцентами общей и съедобной биомассы в ЭМЗЭ были пшеница и чуфа. Эксперименты показали, что для коротко вегетирующих культур вклад в общий газообмен составлял 32%, для длинно вегетирующих культур - 68%. Был выполнен цикл исследований по завершению отработки технологий, связанных с физико-химическим окислением и обессоливанием минерализованных органических отходов и сопряжением этих процессов с блоком фотосинтезирующего и гетеротрофного звеньев ЭМЗЭ. Получили успешное развитие работы по более глубокому окислению экзометаболитов человека, связанные с эффективным растворением большей части труднорастворимого осадка, который образовывался после завершения процесса физико-химической переработки экзометаболитов. С этой целью была разработана технология дополнительного пережигания осадка, полученного после окисления отходов, в смеси H2O2 и HNO3. Выбор HNO3 связан с тем, что эта кислота получается, как побочный продукт физико-химического окисления экзометаболитов человека и ее использование не сказывается на степени замкнутости системы. Соотношение H2O2 и HNO3 составляло 1:1. Время минерализации осадка составляло порядка 2 ч. Для быстрой инициации реакции использовали переменный ток с напряжением 80 В и силой тока 7 А в течение первых двух минут. В дальнейшем напряжение снизили для поддержания нормального хода процесса, и оно составляло 40 В при колебаниях тока в пределах 3-5 А. После пережигания осадка в смеси H2O2 и HNO3, его масса уменьшилась приблизительно в 3,5 раза. Чтобы проверить вероятность выпадения минеральных элементов обратно в осадок, вытяжку из растворенного осадка развели в воде с раствором минерализованных экзометаболитов в соответствующей пропорции (чтобы сохранить рН ирригационного раствора). Выпадение осадка обнаружено не было. Таким образом, удалось добиться выведения из осадка в раствор ~ 97 % Ca, Mg, P и ~89 % Fe, которые ранее были практически недоступны для минерального питания растений. Это позволило выполнить эксперименты по выращиванию растений на ирригационном растворе с добавкой вытяжки растворенного осадка. Эксперименты показали, что урожай растений салата, выращенного на обновленном ирригационном растворе, почти в 2,5 раза выше, чем на ирригационном растворе без добавления растворенного осадка. Использование вновь разработанной технологии позволит увеличить степень замкнутости ЭМЗЭ за счет вовлечения в круговорот дополнительных минеральных элементов, высвобождающихся при растворении осадка. Были продолжены работы по извлечению NaCl из жидких выделений человека физико-химическими методами. Эксперименты показали, что наиболее эффективно процесс электродиализа протекает в случае пятикратного разбавления рабочего раствора и при токе 50 мА. При этом образуется NaHCO3 как продукт для дальнейшего получения NaCl. Установлено, что стехиометрически образующегося при электродиализе Cl2 не хватит для образования NaCl с выделенным из раствора Na в форме NaHCO3. Поэтому были проведены опыты по предварительному выделению Cl2 из минерализованных экзометаболитов в процессе электрокаталитического окисления мочевины на аноде с использованием платиновых электродов. После того, как были проведены эксперименты по разложению мочевины, к газоотводным путям реактора разложения мочевины был подключен платиновый катализатор для проведения экспериментов по синтезу HCl из выделяющихся газообразных Cl2 и H2. Выделяющуюся газовую смесь разбавляли барботирующим воздухом и синтез HCl протекал без детонации. Далее воздушная смесь, уже содержащая в своем составе HCl, проходила два водных уловителя объемами 0,5 и 1 л для фиксации HCl. В данных уловителях был растворен NaHCO3. После реакции соды с HCl получали водный раствор NaCl. Загрязненность водного раствора NaCl кислотными остатками значительно затрудняет его дальнейшее использование для получения пригодного в пищу NaCl и требует дополнительной очистки. Таким образом, представляется технически крайне трудным и нецелесообразным понижение концентрации NaCl в ирригационном растворе только физико-химическим методом. Его использование представляется целесообразным для понижения концентрации NaCl до уровней, приемлемых для дальнейшего использования соленакапливающих съедобных растений, которые поглощают NaCl и таким образом возвращают его человеку. Процесс такого выращивания съедобных солеросов (Salicornia europaea L.) был успешно реализован. Выполнены кратковременные тестовые эксперименты по оценке работы ЭМЗЭ как целостной системы. Было проведено 3 цикла последовательного замыкания системы длительностью 7, 7 и 10 суток соответственно. Проведен анализ соотношения поданной в систему СО2 (имитация дыхания человека) с количеством СО2, выдыхаемой человеком среднего возраста массой 70 кг. Подачу СО2 проводили, поддерживая концентрацию газа в системе в определенных пределах. В зависимости от состояния фототрофного звена и ППС в системе усваивалось от 1% до 4% от суточных выделений СО2 человеком. Замыкание массообменных процессов в системе на 7 суток в ходе первых 2 циклов привело к повышению концентрации кислорода на 0,57 и 0,77% соответственно. Замыкание массообменных процессов в ходе 3-его цикла привело к более значительному росту концентрации кислорода (от 21,07% до 24,02%), что связано с подключением и подачей газа из реактора установки физико-химического сжигания экзометаболитов. Кислород в реакторе образуется при частичном разложении перекиси водорода на водород и кислород. При этом часть образовавшегося кислорода в дальнейшем идет на окисление водорода на платиновом катализаторе до воды. Оставшаяся часть не прореагировавшего кислорода предназначена для последующего использования в реакции синтеза перекиси водорода. Поэтому в реальной системе увеличения концентрации кислорода за счет разложения перекиси водорода происходить не будет. Определение содержания окислов азота и оксида углерода не выявило увеличения их содержания в ходе каждого цикла замыкания. Содержание метана в системе до подачи реакторного газа находилось на уровне 4,4 ppm. После подачи газа из реактора содержание метана на 10-е сутки цикла увеличилось до 15,5 ppm. В планируемых длительных (несколько месяцев) экспериментах по замыканию массообмена в созданной ЭМЗЭ метан можно исключить из выделяющегося газа путем окисления до CO2 и H2O на напыленном палладиевом катализаторе. Также за период подачи газа из реактора происходило увеличение содержания аммиака, который планируется улавливать и/или с помощью нитрификации переводить в HNO3 с последующим использованием для получения азотных удобрений. Проанализирован водный баланс системы и проведен расчет расхода воды на выращивание растений и на потребление человека. При общем содержании воды в системе около 240 л, на долю воды, входящую в состав растений, приходилось всего 2%. Расход воды на прирост 1 г сухого вещества составил 247 мл. Создана компьютеризированная автоматическая система сбора информации параметров среды в ЭМЗЭ. Реализована автоматическая ирригация растительного конвейера путем использования стандартных программируемых таймеров и насосов, подключенных к бакам с питательным раствором. ЭМЗЭ оснащена светодиодными облучателями белого света повышенной мощности, прошедшими успешные фотобиологические испытания. Созданная ЭМЗЭ, в целом, подготовлена для длительного (несколько месяцев) режима функционирования для определения скорости и направленности массообменных процессов, их сопряжения, а также оценки и по возможности устранения потенциальных лимитов, препятствующих этим процессам.

 

Публикации

1. Куденко Ю.А, Тихомиров А.А., Трифонов С.В. Устройство каталитического синтеза HCl из газообразного H2 и Cl2. -, 03-08-2015, Патент № 157597 (год публикации - 2015).

2. Морозов Е., Куденко Ю., Трифонов С., Тихомиров А. The effects of the frequency and waveform of the activating current on physicochemical oxidation of organic wastes. Life Sciences in Space Research, Volume 5, pp. 53-56, (год публикации - 2015).

3. Тихомиров А.А., Куденко Ю.А., Трифонов С.В. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЭКЗОМЕТАБОЛИТОВ ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ВОВЛЕЧЕНИЯ NaCl В МАССООБМЕН ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, Т.466, №1, с.1-4. (год публикации - 2016).

4. Трифонов С.В., Куденко Ю.А., Тихомиров А.А. Prospects for using a full-scale installation for wet combustion of organic wastes in closed life support systems. Life Sciences in Space Research, Volume 7, Pages 15–21 (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В течение 2016 года были выполнены эксперименты по запуску и поддержанию круговоротных процессов экспериментальной модели замкнутой экосистемы (ЭМЗЭ) в режиме 1 и 6 месячной эксплуатации. Первый, более короткий цикл эксплуатации (до 1 месяца) был предназначен для устранения возможных проблем технологического характера, которые не удалость выявить в 2015 году в тестовых кратковременных экспериментах продолжительностью несколько суток, а второй был предназначен для оценки характеристик круговоротного процесса в режиме более длительной эксплуатации. В задачи работы входила организация сопряженной работы фотосинтетического и физико-химического блоков ЭМЗЭ, которая бы обеспечила высокую замкнутость круговоротных процессов по газообмену, воде и твердому веществу. В этой связи была разработана методика подачи в атмосферу ЭМЗЭ газовых выделений из реактора физико-химической установки. В первом цикле эксплуатации ЭМЗЭ проанализирован состав газа, выделяющегося при минерализации отходов человека. Было установлено, что в выделяющемся газе в больших количествах содержится молекулярный водород, а также присутствуют следовые концентрации летучих органических соединений и небольшие количества аммиака. Поскольку в таком составе полученная газовая смесь не может быть выпущена в систему, потребовалось решить проблему преобразования компонентов такой смеси в смесь, содержащую только экологически чистый газовый состав, пригодный для атмосферы, используемой для дыхания человека. После переработки газа (пропускание газа через 6 %-ный раствор азотной кислоты и окисление на платиновом катализаторе) проблема содержания в нем токсичных веществ была снята, так как летучие органические соединения и водород окислялись кислородом, выделяющимся в газовой смеси, до CO2 и H2O, а аммиак фиксировался в азотной кислоте внутрисистемного происхождения. Высокое содержание CO2 в выделяющейся газовой смеси (до 9,7 %) не оказалось проблемным, так как CO2 повышенной концентрации разбавлялся в атмосфере ЭМЗЭ и успешно ассимилировался растениями. Другая проблема была связана с высокой концентрацией О2 (до 9,7 %) в получаемой газовой смеси. Подача такой газовой смеси в атмосферу системы могло бы привести к достаточно быстрому достижению установленного верхнего порогового для человека значения концентрации кислорода – 24 – 25 %. В реальной системе жизнеобеспечения с использованием данных технологий «лишний» кислород будет связываться в ходе внутрисистемного синтеза перекиси водорода, необходимой для окисления органических отходов. В исследуемой ЭМЗЭ необходимо было провести имитацию такого связывания «лишнего» кислорода. Эксперименты показали, что наиболее приемлемым для этой цели является физико-химическое связывание кислорода дополнительно вносимым водородом (получаемом в данном процессе) на платиновом катализаторе. Использование этого подхода позволило за сутки утилизировать до 90 % кислорода от его исходного количества. Таким образом, поступление остаточного кислорода в атмосферу ЭМЗЭ привело к увеличению его концентрации внутри системы на 0,017 % ежесуточно, или на 3 % за шесть месяцев работы ЭМЗЭ, что вполне приемлемо для заданных условий функционирования ЭМЗЭ. Продолжение экспериментов в ЭМЗЭ более одного месяца постепенно выявляло ряд новых особенностей формирования газовой среды. В атмосфере системы удалось поддерживать концентрацию СО2 на уровне, не лимитирующим фотосинтетические процессы и не являющимся вредным для человека (800 – 2500 ppm). Исходя из того, что общее содержание СО2 в ЭМЗЭ составляет в среднем 344 ммоль, среднесуточное среднее потребление СО2 равно 1309 ммоль, время одного оборота (цикла) СО2 составляет 6,3 ч. Концентрация О2 не опускалась ниже 20,8 % и не поднималась выше 22,6 %. От человека в систему поступал выдыхаемый воздух, а человеку поступал воздух из системы. Таким образом поддерживали в системе концентрацию СО2 и О2 в определенных пределах, имитируя примерно 0,06 дыхательных потребностей человека. Ассимиляционный коэффициент, рассчитанный по соотношению потребления СО2 и соответствующему ему увеличению содержания кислорода в интервале после и перед подачей в ЭМЗЭ реакторного газа и дыхания человека, оказался равен 0,83. Таким образом, при среднесуточном потреблении СО2 1,2 – 1,4 моли выделялось1,4 – 1,7 моли О2, что при среднесуточной потребности человека в О2, равной 25,9 молям, соответствует 5,4 – 6,5 % от его суточной потребности. Если считать концентрацию О2 в системе лимитирующим фактором для расчета «доли человека», то созданная ЭМЗЭ соответствовала расчетной «доле человека», колебавшейся в пределах 5,4 – 6,5 %. Источником поставки кислорода в ЭМЗЭ является фотосинтез высших растений и в незначительном количестве газ из реактора. Поэтому важнейшей задачей являлось обеспечение высокой фотосинтетической активности фототрофного звена системы. Общий урожай съедобной биомассы за цикл составлял 366 г, что соответствует ежесуточной продуктивности растительного ценоза по съедобной биомассе в 26,2 г. В результате в ЭМЗЭ выращенная съедобная биомасса могла обеспечить суточные потребности человека в растительной части диеты примерно на 6 %. Растения, выращенные в двух блоках ЭМЗЭ, могут обеспечить суточные потребности человека в углеводах на 1,7 %, в растительных жирах – на 5,5 %, в растительных белках – на 6,4 %. Эта продуктивность фототрофного звена, а также эпизодическое подключение человека в газовый контур, обеспечивали необходимый газовый баланс внутри ЭМЗЭ на расчетную долю человека. Периодичность такого подключения человека к газовому контуру определялась по пределам концентрации СО2 внутри системы, колебания которой находились в диапазоне 800 – 2500 ppm. Данный диапазон обеспечивал оптимальную фотосинтетическую активность растений при заданном уровне облученности. Время достижения нижней границы концентрации СО2 определялась скоростью его утилизации растениями. В момент ее достижения человек начинал дышать в газовый контур, за счет чего концентрация СО2 достигала верхнего запланированного уровня. При этом концентрация О2 в системе, которая возрастала из-за фотосинтеза растений, снижалась. Таким образом, за счет периодического подключения человека в дыхательный контур системы регулировалась в заданных пределах как концентрация СО2, так и концентрация О2, причем последняя оставалась в пределах 20,8 – 22,6 %. Анализ воздушной среды ЭМЗЭ на содержание газовых поллютантов при длительной эксплуатации в течение 6 месяцев показал, что содержание метана находилось в пределах 2 – 6 мг/м3 при ПДК 300 мг/м3. Содержание оксида углерода также не выходило за пределы 2 мг/м3 при ПДК 3 мг/м3. Отмечено, что в течение последних 2 месяцев замыкания концентрация аммиака в ЭМЗЭ увеличилась и стала составлять 0,09 – 0,11 мг/м3, что более, чем в 2,5 раза превышает ПДК. Аналогичная проблема была и с содержанием этилена, концентрация которого в системе на протяжении всего периода замыкания была более, чем в 3 раза выше ПДК, и составляла 7,5 – 10 мг/м3 при ПДК 3 мг/м3. В ЭМЗЭ отсутствовал диоксид азота, но при этом концентрация оксида азота в течение 4 месяцев была близка к среднесуточному значению ПДК и колебалась в пределах 0,04 – 0,06 мг/м3, но затем возросла и стала превышать ПДК в 1,5 – 2 раза. К моменту окончания эксперимента в воздушной среде были обнаружены следовые количества поллютантов органической природы: метиловые эфиры жирных кислот, углеводороды бензольной и фенольной групп, альдегиды и спирты, которые при более длительном сроке эксплуатации могут накопиться в более значительных количествах. Другой важной проблемой, требующей исследований для условий многодневной эксплуатации ЭМЗЭ, явилась оценка степени стабильности минерального состава питательного раствора для растений, приготовленного на основе использования минерализованных органических отходов жизнедеятельности человека. Была изучена динамика изменений в питательном растворе для растений следующих основных элементов: Ca, K, Na, N, Mg, P, S. Источниками их поступления были минерализованные органические отходы животного и растительного происхождения. Наиболее существенным в процессе месячных наблюдении было значительное уменьшение содержания фосфора в питательном растворе, что потребовало частичного внесения этого биогена в раствор из запасов. Для проверки методических подходов по расчету скорости и направленности потоков элементов и соединений, характеризующих степень замкнутости системы, были проанализированы минеральный состав растворов, используемых для полива растений, выращиваемых методом гидропоники на керамзите, методом водной культуры и на почвоподобном субстрате, минеральный состав корректирующих растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека и экстрактов водорастворимых соединений из соломы пшеницы, выращенной методом гидропоники на керамзите. Установлено, что в съедобной биомассе культивируемых на почвоподобном субстрате (ППС) растений калия содержится примерно в 1,5 раза больше, чем азота. Дисбаланс по остальным элементам связан, с одной стороны, с увеличением их содержания в питательном растворе (в первую очередь, Na) и с содержанием макроэлементов в съедобной биомассе, выведенной из массообменных процессов. На основании этого был сделан вывод, что для предотвращения истощения ППС по калию, в экспериментах длительностью более 1 месяца необходимо регулировать внесение несъедобной биомассы растений в субстрат в соответствии с выносом калия со съедобной биомассой растений, выращенных на этом субстрате. Поэтому для компенсации вынесенных из ППС со съедобной биомассой минеральных элементов, несъедобную биомассу растений, выращенных методом гидропоники на керамзите и методом водной культуры, закладывали в ППС в количестве, необходимом для восстановления содержания К. Плотные и жидкие выделения человека также являлись источниками минеральных элементов. Эти выделения поступали в реактор физического окисления, откуда реакторный газ после очистки поступал в ЭМЗЭ, а жидкие продукты окисления были использованы для коррекции питательных растворов для полива растений, культивируемых методом гидропоники на керамзите, восстанавливая концентрацию питательных элементов в растворе до необходимого уровня. Выращенная в ЭМЗЭ съедобная биомасса могла обеспечить суточные потребности человека в растительной части диеты примерно на 6 %. Одной из жизненно важных характеристик круговоротных процессов в системах жизнеобеспечения является водообмен и качество воды. Основными слагаемыми водообмена, складывающегося в ЭМЗЭ, являлось 250 мл корректирующего раствора, полученного в результате физико-химического окисления плотных и жидких выделений человека, и 250 мл отжима после замачивания соломы пшеницы. Остальная вода, в основном, содержалась в питательном растворе для растений, в биомассе растений. Так как количество воды, входящее в состав растений при конвейерном способе культивирования, величина фактически постоянная, то эвапотраспирационная вода может полностью пойти на удовлетворение как пищевых, так и бытовых потребностей человека. Общее содержание воды в ЭМЗЭ составляет 151,5 литра, а за сутки водообмен составляет 12,9 л, время одного оборота (цикла) воды составляет 11,7 суток. Если исходить из рекомендуемых потребностей человека в условиях систем жизнеобеспечения при выполнении длительных космических миссий, равных примерно 24 л, то суточный водообмен в ЭМЗЭ может удовлетворить потребности человека примерно на 50 %. Анализы показали, что содержание химических элементов (А, As, B, Be, Cd ,Cu, Fe, Mn, Zn и др.) во внутрисистемной воде либо составляет десятые-сотые доли их ПДК, либо находится за пределами чувствительности прибора. Поэтому представляется, что для применения специальных мер, предполагающих удаление таких примесей, нет оснований. Анализ работы отдельных звеньев ЭМЗЭ позволил определить коэффициенты замкнутости по основным биогенным элементам, а также таким важнейшим соединениям для человека как Н2O и СО2. Установлено, что замыкание более 90 % соответствует Ca, Mg, S, N, О, а также Н2О и СО2. Более низкое замыкание (84 %) зарегистрировано для К, и еще ниже (60 %) – для Р. Поставленные на 2016 год задачи выполнены. В техническом отношении созданная ЭМЗЭ полностью соответствовала поставленным задачам. В частности, эксперименты показали, что утечки системы не превышали 1 % от общего объема камер при каждой операции перестановки растений с использованием шлюзов. Каждая такая перестановка составляла около 15 минут. При этом время возврата основных параметров среды в начальное состояние, оцениваемое по интенсивности изменения концентрации CO2 в системе (падение концентрации на 15 – 20 ppm) составляло 25 – 30 мин. Эти процессы не оказывали заметного влияния на интенсивность протекающих в системе газообменных процессов. Проверка надежности в условиях длительной эксплуатации технических блоков ЭМЗЭ, включающих системы компьютерного контроля параметров среды (температура, газовый состав атмосферы, рН растворов и др.), электрические, механические и другие узлы установки показала, что общий процент отказов системы не превысил 0,9 % от общего времени ее работы. Как правило, эти сбои были вызваны неполадками внешнего сетевого оборудования. Для интеграции в состав системы приборов газоанализаторов был спроектировано электронное устройство, позволяющее получать доступ к данным приборов газоанализаторов, а также получать визуальную информацию внутри ЭМЗЭ через сеть Интернет. Созданная ЭМЗЭ позволяет ставить и решать широкий круг задач по изучению механизмов функционирования круговоротных процессов применительно к земным и космическим приложениям. С учетом полученных в проекте результатов предлагается набор факторов, которые при создании полномасштабных замкнутых биолого-технических систем жизнеобеспечения долговременного функционирования (до года и более) потребуют дальнейшего совершенствования ряда технологических процессов. В этой связи следует, в частности, отметить необходимость дальнейшего совершенствования технологии более глубокой очистки газового состава системы, тотального химического и микробиологического мониторинга питательных растворов, создания технологий для более высокой степени замкнутости ряда биогенов.

 

Публикации

1. - Наука и технологии в России - STRF.ru Электронное издание, Сточные воды космической станции пустят в дело (год публикации - ).

2. - Синева Журнал, 2014, № 5-6 (30), с. 14-15. "Космический "дом" будущего". (год публикации - ).

3. А. А. Тихомиров, С. В. Трифонов, Е. А. Морозов, Ю. А. Куденко, Г.С. Калачева, С.А. Ушакова Development of human exometabolite deep mineralization method for closed ecosystems. Doklady Biochemistry and Biophysics, Vol. 470, pp. 316–318 (год публикации - 2016).

4. Наталья Тихомирова, Софья Ушакова, Галина Калачева, Александр Тихомиров Characteristics of mineral nutrition of plants in the bio-technical life support system with human wastes included in mass exchange. Acta Astronautica, V.126, p. 59–65 (год публикации - 2016).

5. С.В. Трифонов, Ю.А. Куденко, А.А. Тихомиров Bioassay of products of organic waste mineralization: An approach for closed ecosystems Ecological Engineering, V.91, pp. 139–142. (год публикации - 2016).

6. Салтыков М.Ю., Морозов Е.А., Трифонов С.В., Мурыгин А.В., Тихомиров А.А. Компьютерная автоматизация установки "мокрого сжигания" органических отходов для замкнутых экосистем. Вестник Сибирского федерального аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, № 2, том 17, с.438-443 (год публикации - 2016).

7. Тихомиров А.А., Ушакова С.А. Создание экспериментальных моделей замкнутых биолого-технических систем космического назначения на расчетную «долю человека». Пилотируемые полеты в космос, №2 (19), с. 82 – 90. (год публикации - 2016).

8. Тихомиров А.А., Ушакова С.А., Трифонов С.В., Тихомирова Н.А., Величко В.В. Создание круговоротных процессов в будущих биолого-технических системах жизнеобеспечения Авиакосмическая и экологическая медицина, Т. 50, №5 спецвыпуск, с.225-226 (год публикации - 2016).

9. Тихомирова Н.А., Павлова А.М., Ушакова С.А., Трифонов С.В., Грибовская И.В., Тихомиров А.А. Продукционные характеристики зеленных растений при выращивании на жидких продуктах переработки экзометаболитов человека применительно к биолого-технической системе жизнеобеспечения. АВИАКОСМИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА, № 1, Т. 51 (год публикации - 2017).