История биотехнических СЖО

«По условию социального эксперимента, пищевые автоматы в Убежище 36 могли производить только жидкую водянистую кашицу»

История началась в эпоху технологического оптимизма на волне первых успехов космических программ.
Ограниченность возможностей тогдашней автоматики вынуждала необходимость её контроля человеком-оператором (заодно давая тому +100 к ПАФОСУ).
И вот здесь на месте одних проблем начинали возникать другие.
Если электронике требуется только электропитание и соблюдение температурного режима, то космонавтам требуется ещё и определённый состав газовой среды и довольно специфичный набор органических веществ в качестве еды.
При околоземных полётах эти вопросы решаемы путём подвоза расходных материалов и химической очистки воздуха, но вдали от родной планеты всё не так однозначно.
Изначально для регенерации воздуха использовались перекисные соединения щелочных металлов. Эта технология достаточно хорошо отработана, но не обходится без недостатков.
Во-первых, шихта в регенераторе очень огнеопасна и может даже взрываться при контакте с водой и органикой.
Во-вторых, час работы такой СЖО требует расхода в среднем килограмма шихты, которая… см. п. 1.


Каждая такая баночка может обеспечить Вам три часа жизни. Если повезёт.

И все эти килограммы нужно тащить на орбиту, потому что залежей перекиси натрия на астероидах пока что не найдено.
Слетать на Луну на готовых запасах можно, а подальше — уже будут проблемы.

ТМК. Так и не взлетел.

Учитывая продолжительность марсианской экспедиции в 2-3 года, масса готовых запасов еды, воды и воздуха для экипажа из трёх человек выходила совершенно неподъёмной даже для носителей Н1. Решение этого вопроса виделось в создании ЗБТК — замкнутого биотехнического комплекса, способного обеспечивать замкнутый цикл использованяи вещества. В состав этого компекса должна была входить оранжерея площадью 60 м2, в которой выращивались бывысшие растения: картофель, сахарная свекла, рис, бобовые, капуста, морковь и другие огородные культуры. Предполагалось выращивать их, естественно, не в земле, а на гидропонике, в специальных капсулах, к которым подводился питательный раствор непосредственно к корням растений. В состав ЗБТК также входили: хлорелльный реактор, ферма с животными (кроликами или курами) и система утилизации отходов с запасами реактивов.
Отработка элементов комплекса началась в 1964 г на экспериментальной установке БИОС-1. В сущности она представляла собой культиватор с водорослями, соединенный воздуховодом с гермокабиной объемом 12 м3. Всего 18 литров культуры Chlorella vulgaris, растущей на площади 8 м2 при искусственном освещении тремя шестикиловаттными ксеноновыми лампами, было достаточно для обеспечения одного человека-испытателя кислородом и удаления углекислоты, причем урина использовалась для подкормки водорослей. С замыканием системы по газообмену время пребывания в замкнутом объеме было доведено от 12 часов до 30 суток. Позднее был замкнут и водообмен, что позволило провести 45-суточный опыт. Увы, приучить экспериментаторов есть хлореллу не удалось(как её не жарили и не парили), а кроме того, водорослям не хватало некоторых биогенных элементов.
Эксперимент был завершён, результаты — проанализированы, выводы — сделаны.
Для этого к существующей камере БИОС-1 было пристроено второе помещение – фитотрон размером 2.0 x 2.5 x 1.7 м3. В нем размещались высшие растения – сначала овощные культуры, а затем и пшеница, – рассматриваемые как средство регенерации атмосферы и источник пищи. Установку переименовали в БИОС-2. Водоросли обеспечивали восстановление воздушной среды примерно на 72 %, а высшие растения – на 28 %. К 1968 г. состоялись эксперименты с экипажем из двух человек продолжительностью 30 и 73 суток, а также 90-суточный эксперимент. В двух последних в качестве четвертого звена был добавлен микробный культиватор для переработки кала. С учетом повторного использования воды был достигнут 85 % уровень замкнутости системы. Эксперименты на БИОС-2 продолжались до 1970 г. Выяснилось, что оранжерея требует особого ухода, но в принципе не может обеспечить полноценное снабжение экипажа. Даже в теории около 10% веществ будут выпадать из круговорота и должны восполняться из запасов. Имелись и другие трудности: половина биомассы, образованной растениями, несъедобна для человека, а твёрдые отходы жизнедеятельности без предварительной обработки не могут быть использованы в качестве удобрений.
После очередной серии анализов и выводов в 1972 году сварили коробку из нержавеющей стали размерами 14 x 9 x 2.5 м и объемом около 315 м3 — БИОС-3. Она была разделена на четыре равных по площади отсека: один жилой и три регенеративных, причем в двух монтировались фитотроны с высшими растениями, а в третьем – культиваторы с микроводорослями. В жилом отсеке располагались три каюты членов экипажа, кухня-столовая, санузел, отсек управления и рабочая зона – мастерская-лаборатория с оборудованием для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы и ремонтных работ, а также системами доочистки воды и воздуха. Отсеки соединялись герметизируемыми дверями, доступ во внешнюю среду был возможен через воздушный шлюз. Управление системами установки осуществлялось автономно – экипажем.

Отсеки-фитотроны имели суммарный объем 150 м3 при посевной площади 40.8 м2. Каждый из них освещался 20 дуговыми ксеноновыми лампами ДКсТВ-6000 мощностью по 6 кВт с водным охлаждением, свет которых близок к естественному солнечному как по интенсивности, так и по спектру. В них высаживалась карликовая пшеница (на площади 34 м2) и овощные культуры: соя, салат, морковь, редис, репа, свекла, картофель, огурцы, щавель, капуста, укроп и лук. Пшеница сорта 232 выращивалась в непрерывной воздушной субирригационной культуре, овощи – по методу гидропоники на керамзите, то есть в водном растворе минеральных солей. В обоих случаях был реализован «возрастной конвейер»: пшеница высаживалась участками из 14 различных возрастов, овощи – из шести возрастов. Каждый из трех культиваторов хлореллы площадью светоприемной поверхности 10 м2 освещался шестью лампами.
Пшеничное «поле» могло вырабатывать в сутки до 1500 л кислорода, а культиваторы с хлореллой – 2000 л, что было достаточно для жизнеобеспечения трех и четырех человек соответственно. Конденсат испаренной влаги из отсеков с фитотронами проходил кипячение и дополнительно перерабатывался на ионообменных смолах и активированном угле до состояния, пригодного для питья. От микробного культиватора отказались, и твердые отходы человеческой жизнедеятельности высушивались и удалялись. Жидкие отходы проходили минерализацию (разложение на окислы, минеральные соли и воду) и удалялись либо могли идти на корм хлорелле и на полив пшеницы. Сточно-бытовая вода поступала в питательные растворы пшеницы и овощей.

Самый длительный и известный эксперимент занял 180 суток – с 24 декабря 1972 г. по 22 июня 1973 г. – и состоял из трех этапов. Два первых месяца регенерацию атмосферы обеспечивали только высшие растения (пшеница и девять видов овощных культур), причем сточные воды шли на полив пшеницы. После этого вместо фитотрона № 2 был подключен отсек с культиваторами хлореллы, в которые направлялись жидкие выделения. Еще через два месяца в фитотроне № 2 была организована витаминная оранжерея, а фитотрон № 1 закрыт.
В соответствии с этапами эксперимента менялся и состав экипажа. Его начинали агроном Мария Петровна Шиленко, инженер Владислав Владимирович Терских и врач Николай Иванович Петров. В феврале агронома заменил инженер-механик и технолог по культивированию водорослей Николай Иванович Бугреев, а в апреле в экипаж вернулась М. П. Шиленко, сменив Н. И. Петрова. Таким образом, В. В. Терских отработал в БИОС-3 полный срок, а остальные трое – по четыре месяца.
Посев и уход за растениями, сбор урожая и выпечка хлеба занимали большую часть времени экипажа. Зато оранжерея БИОС-3 давала в среднем в сутки 600 г зерна и примерно 1100 г свежих овощей. Часть зерна отбиралась на семена для посева и на анализы, а из оставшегося выпекали хлеб.
Суммарный показатель замкнутости круговорота веществ на первом этапе составил 82.4 %, а на втором и третьем – 91 %. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95 %) по воде. Экипаж получал 100 % необходимой растительной пищи (огурцы, редис, лук). В то же время овощи составляли лишь 20 % рациона по калорийности, давая 26 % углеводов, 14 % белков, около 3 % жиров и свежие витамины. Остальное приходилось на мясные продукты в виде обезвоженных консервов. По массе пищи (критерий, существенный при использовании квазизамкнутой СЖО в космическом полете) коэффициент замыкания был около 75 %. В ходе эксперимента отмечалось угнетение пшеницы на втором этапе из-за чрезмерного полива сточно-бытовой водой и овощных культур на третьем этапе из-за токсичного воздействия малых примесей атмосферы.
Николай Бугреев участвовал и в двух последующих экспедициях и в общей сложности прожил в гермообъеме БИОСа 13 месяцев. Зимой 1976 – 1977 гг. был осуществлен четырехмесячный эксперимент, в котором в течение первых 27 суток участвовали три бионавта, а затем двое (Н. И. Бугреев и Г. З. Асиньяров). На этот раз для жизнеобеспечения экипажа водоросли в ход не шли, а только пшеница, чуфа и овощные культуры. Бионавты использовали каталитическую печь для сжигания несъедобных частей растений, а также термокаталитический фильтр, который удалял из воздуха летучие органические примеси. Применение последнего позволило сохранить продуктивность высших растений в условиях замкнутой экосистемы. Воспроизводимая часть рациона экипажа была доведена до 52% по калорийности.
В ноябре 1983 г. – апреле 1984 г. состоялся последний, пятимесячный эксперимент (Н. И. Бугреев, С. С. Алексеев). Во всех трех опытах никакого ухудшения в состоянии здоровья бионавтов не отмечалось. Не было патологических изменений в микрофлоре кожных покровов и слизистых покровов в кишечнике, а также каких-либо аллергических явлений из-за контакта с растениями.
Опыт БИОС-3 показал необходимость тщательного контроля баланса всех компонентов искусственной биосферы, включая микрофлору, и принципиальную возможность регулирования воспроизводства и замыкания экосистемы. Нерешенными оставались проблемы естественной утилизации биомассы растений и возвращения во внутрисистемный массообмен выводимой из организма человека соли.


Самый масштабный эксперимент по организации замкнутой экосистемы был проведен в 90-х годах в США.

Основателя этого проекта звали Джон Аллен. Отучившись в металлургическом институте и немного поработав по профессии, Джон быстро забросил это дело, поскольку родительского наследства хватало на безбедную жизнь, и с головой окунулся в науку, причем в самом индиана-джонсовском ее проявлении. Аллен финансировал небольшие научные экспедиции в удаленные уголки мира с целью изучения, скажем, сельского хозяйства древних цивилизаций. Под это дело набирались молодые энтузиасты, все вместе ехали в какую-нибудь глубинку, где на стыке этнографии и экологии занимались научными изысканиями, а по сути дела путешествовали с места на место и отлично проводили время. В какой-то момент вокруг Аллена сформировалась группа энтузиастов и энтузиасток, которых он объединил в своеобразную коммуну — ранчо Синергия в штате Нью-Мехико. До начала своих научных изысканий он успел побыть девелопером в азиатских странах, основателем рекрутингового агентства для наемников и менеджером крупной сталелитейной компании, так что ему было что рассказать о жизни. Также на ранчо Синергия увлекались изучением истории философии и практиковали любительские театральные постановки, которые помогали участникам «раскрыть творческий потенциал», да и вообще поддерживали атмосферу студенческой летней экспедиции.
Все это, вероятно, продолжалось бы в том же духе, если бы в среду беспечных студентов не затесался настоящий миллиардер Эд Басс. Он с восторгом посещал семинары, участвовал в театральных дурачествах и вообще всячески демонстрировал, что готов на все ради науки. Аллен решил, что упускать такой шанс просто глупо, и задумал с помощью Эда провернуть один из самых громких частных научных проектов в истории человечества.
Это была «Биосфера-2» — эдемский сад за стеклянной стеной, прототип будущей лунной либо марсианской колонии или даже убежища на случай мировой катастрофы. В общем, собственный карманный дивный мир, где можно установить свои законы.
Серьезные научные институты с самого начала скептически отнеслись к идее «Биосферы-2», поскольку, во-первых, ни один из основателей проекта не был академическим ученым, а во-вторых, финансирование этого впечатляющего эксперимента происходило не в рамках государственной программы или хотя бы под эгидой какого-то института, а просто по капризу частного лица. А вот пресса была просто в восторге от «Биосферы». Восемь человек, выживающих в замкнутом пространстве, похожем на студийный павильон… Эта идея витала в воздухе, и, если бы создатели «Биосферы-2» додумались поставить внутри купола камеры, именно они стали бы основателями современных реалити-шоу и, наверное, отбили бы все миллионы, потраченные на проект. Но этот момент был упущен.
В местечке Оракл на юге Аризоны было куплено около 16 гектаров земли, на которых Эд и Аллен начали проектировать свой новый мир. Для постройки системы куполов пригласили знаменитых инженеров и архитекторов, для проектирования бионических модулей (океана, джунглей, саванны, пустыни и болота) позвали работников лучших ботанических садов мира и специалистов-океанологов.

Сельскохозяйственный блок разрабатывался с учетом технологий интенсивного земледелия, а также с использованием некоторых приемов древних цивилизаций. Например, система рыбных прудов, интегрированная в болотистую часть «Биосферы», была сделана по древнекитайскому образцу. Земледелие предполагалось полностью органическое, без использования пестицидов и даже искусственных удобрений — вся химия очень быстро оказалась бы на столе у жителей «Биосферы».
Особое внимание уделили полной герметичности куполов, которая превосходила герметичность космических кораблей. При этом было учтено расширение воздуха во время дневного повышения температуры. Чтобы «Биосфера» не взорвалась, были сконструированы так называемые «легкие» — огромные выгибающиеся мембраны, разнесенные по разным концам системы, которые днем становились выпуклыми, а ночью сдувались. Единственный ресурс, который должен был поступать извне, — это электричество, в первую очередь использовавшееся для циркуляции воды.
В итоге строительство всего комплекса сооружений, включая создание бионических модулей и заселение животных, обошлось в 150 миллионов долларов. Еще 50 миллионов ушло на поддержание «Биосферы» в рабочем состоянии во время проведения эксперимента.
Набор герметичных куполов с общими площадью около 1,5 гектаров и объёмом около 2204000 кубометров вмещал в себя порядка 4 000 видов растений, мелких млекопитающих, птиц, рептилий и насекомых, разнесённых в 5 биомов: тропический лес, океанский риф, пустыня, саванна и мангровый эстуарий, а также агроценоз для выращивания продуктов питания и скота. Всё это вместе должно было работать как полностью замкнутая экосистема.

В 8:15 утра 26 сентября 1991 года восемь человек, одетых в форменные футуристические комбинезоны, помахали огромной толпе журналистов и вошли в герметический шлюз, который вел в… рай-2. По крайней мере, именно так писали многие газеты того времени. Этакая планета в миниатюре, нетронутая технической революцией, где восемь интеллигентных, просвещенных людей, четверо мужчин и четыре женщины, планировали заниматься простым физическим трудом, собираться за одним обеденным столом, музицировать в часы досуга и, наконец, работать ради великой цели, на благо науки. Чем не рай?

Первые же недели эксперимента показали, что воссоздание природного равновесия — не такое уж простое дело. Уровень кислорода начал падать примерно на 0,5% каждый месяц. И дело оказалось не в том, что экспериментаторы неправильно рассчитали количество «колонистов», перенаселив станцию, а в непредвиденном размножении микроорганизмов — те буквально заполонили посевы, саванну и лес, истребляя всходы и меняя экосистему под себя, не считаясь с планами человека.
Ещё через пару недель одна из участниц эксперимента отрезала себе палец при работе на сельскохозяйственном оборудовании. Попытки пришить палец окончились неудачей и участнице пришлось покинуть эксперимент.
Довольно быстро команда разбилась на две противоборствующие группы. Это сильно мешало нормальному ходу исследований.
Выяснилось, что ферма в 20 соток при всех современных технологиях обработки земли способна обеспечить лишь 80% потребностей колонистов в пище. Их ежедневный рацион (одинаковый для женщин и мужчин) составлял 1700 калорий, что нормально для сидячей офисной жизни, но катастрофически мало при том количестве физической работы, которую должен был выполнять каждый житель «Биосферы».
Поначалу ужин сервировали в виде шведского стола, однако вскоре из-за этого начали возникать серьезные конфликты, и еду стали накладывать каждому в тарелку, отмеряя буквально до грамма.
Люди вставали из-за стола голодными и постоянно мечтали о лакомствах большого мира.
Вечерние философские дискуссии заменили фантазии о том, что они съедят, когда выйдут на свободу. Кладовую, где хранилось главное лакомство бионавтов – бананы, после эпизода с анонимным разграблением пришлось запирать на ключ.
Перед тем как отдавать очистки свиньям, люди тщательно выбирали все, что можно было съесть самим. Банановые шкурки и ореховая шелуха шли за деликатес.
Однажды вечером Джейн Пойнтер, ответственная за ферму, призналась, что ей было известно о будущем продовольственном кризисе. За несколько месяцев до заселения она просчитала, что бионавтам будет не хватать еды, однако под влиянием доктора Валфорда с его представлениями о здоровой диете было решено, что эта нехватка пойдет только на пользу.
Доктор, кстати, был единственным, кто не жаловался на голод. Он же продолжал настаивать на справедливости своей теории: уже через полгода «голодной» диеты состояние крови бионавтов значительно улучшилось, понизился уровень холестерола, улучшился метаболизм. Люди потеряли от 10 до 18 процентов массы тела и выглядели удивительно молодо. Они улыбались из-за стекла журналистам и любопытным туристам, делая вид, что ничего не происходит. Однако бионавты чувствовали себя все хуже и хуже.

Лето 1992 года стало для колонистов особенно сложным. Посевы риса были уничтожены вредителями, так что их рацион на протяжении нескольких месяцев почти полностью состоял из фасоли, батата и моркови. Из-за избытка бета-каротина их кожа стала оранжевой. К этой беде добавился особенно сильный Эль-ниньо, из-за которого небо над «Биосферой-2» почти всю зиму было затянуто облаками.
Это ослабило фотосинтез джунглей (значит, и выработку драгоценного кислорода), а также снизило и без того скудные урожаи. Мир вокруг них терял свою красоту и гармоничность. В «пустыне» из-за конденсации на потолке регулярно выпадали дожди, так что многие растения сгнили. Огромные пятиметровые деревья в джунглях неожиданно стали хрупкими, некоторые упали, сломав все вокруг. (Впоследствии, исследуя этот феномен, ученые пришли к выводу, что его причина крылась в отсутствии ветра под куполом, который укрепляет стволы деревьев в природе.) Стоки в рыбных прудах забились, и рыбы становилось все меньше. Все труднее было бороться с кислотностью океана, из-за которой гибли кораллы. Животный мир джунглей и саванны тоже неумолимо сокращался.
Хозяева рая чувствовали себя ничуть не лучше. Количество кислорода в атмосфере постоянно снижалось и достигло 16% (при норме в 20%). Это сравнимо с разреженным воздухом гор, и обыкновенно человеческий организм быстро приспосабливается к этому состоянию. Однако из-за общего истощения колонистов горная болезнь не отпускала их.
Бионавты начали быстро уставать, постоянно кружилась голова, они не могли уже выполнять работу в прежнем объеме. Но самым радикальным образом кислородное голодание сказалось на их моральном состоянии. Все чувствовали себя угнетенными, грустными, раздраженными. Каждый день под куполом происходили скандалы.
Прекрасно себя чувствовали только тараканы и муравьи, которые заполнили все биологические ниши. Биосфера постепенно умирала.
Обитатели проекта стали терять в весе и задыхаться. Учёным пришлось пойти на нарушение условий эксперимента и начать поставку внутрь кислорода (23 тонны) и продуктов (эти факты скрывались и были разоблачены впоследствии).

Главной причиной конфликта было то, что Аллен не разрешал бионавтам обнародовать их проблемы.Он продолжал делать вид, что эксперимент идет по плану.
Половина колонистов (оба капитана, пиар-директор и начальница по научным исследованиям, то есть руководство) были абсолютно согласны с этой позицией. Они считали, что нужно пробыть под куполом запланированные два года любой ценой. Еще четверо бионавтов утверждали, что надо срочно запросить помощь международных ученых, чтобы понять, почему исчезает кислород и неплохо было бы заказать немного воздуха и еды извне.
Джейн Пойнтер, лидер группы, которая хотела просить помощи, так описывает начало конфликта: «Я убирала в загонах для животных на ферме. Голова ужасно кружилась, и приходилось поминутно отдыхать. С утра мы говорили о нашем положении, и я сказала, что оставаться тут и задыхаться – это какое-то сектантство. Я думала про все это, потом обернулась и увидела Абигайль, которая стояла у меня за спиной. У нее что-то было во рту… В следующую секунду она плюнула мне в лицо! Я растерялась и спросила: «За что?» «Сама подумай», – ответила та, развернулась и ушла».
Тем временем обычные зрители, которые каждый день приезжали целыми автобусами, чтобы посмотреть, что творится в гигантском «аквариуме», и не подозревали, какие страсти там кипят. Они выстраивались вдоль стены, потягивая колу, жуя хот-доги, и люди в футуристических костюмах за стеклом казались им удивительно одухотворенными, настоящими героями фантастических книг и визионерами. Хотя, по большому счету, они просто были очень уставшими и голодными. Осенью 1992 года содержание кислорода под куполом опустилось до 14%.
Доктор Валфорд объявил, что снимает с себя свои обязанности, поскольку более не в состоянии сложить в уме даже двухзначные числа. По ночам бионавты постоянно просыпались, так как активный фотосинтез растений прекращался, уровень кислорода резко падал и они начинали задыхаться. К этому моменту все позвоночные животные биосферы погибли.

Спустя год после начала эксперимента Аллен и Басс приняли решение разгерметизировать капсулу и добавить в атмосферу «Биосферы» кислород. Также они разрешили бионавтам использовать неприкосновенные запасы зерна и овощей из семенного хранилища. Это значительно улучшило общее состояние колонистов.
Однако две враждующие группы так и остались в состоянии перманентной войны, стараясь даже не разговаривать друг с другом. 26 сентября 1993 года злых и голодных подопытных из этого комплекса всё же выпустили, хотя разговаривать между собой они и сейчас не желают.
После окончания эксперимента в 1994 году, началось трехгодичное восстановление огромного комплекса.
За это время спонсоры отказались от проекта, признавая, что эксперимент не принес ожидавшихся результатов.
В начале 1996 года «Биосфера-2» была передана под научный надзор Б. Марино и его коллег из Обсерватории Земли при Колумбийском университете.
Они решили прекратить эксперимент и удалить из сооружения людей, поскольку было неясно, как решить проблему питания и сохранения неизменного состава воздуха. В середине 1996 года ученые начали новый эксперимент, уже без участия людей.
Они должны были выяснить: действительно ли с увеличением процентного содержания СО2 урожайность повышается и до каких пор; что происходит с излишками углекислоты и где они накапливаются; возможен ли при неконтролируемом росте содержания двуокиси углерода в атмосфере некий обратный катастрофический процесс.
Второй этап также был преждевременно прерван из-за организационно-финансовых проблем.

TL;DR: Фоллаут — хрень.

epizodsspace.no-ip.org/bibl/tm/2004/10/korolev.html
novosti-kosmonavtiki.ru/mag/2014/1344/21818/
www.liveinternet.ru/users/tetali/post281373699/

4 комментария

Очень интересно получилось, спасибо.
Такие дела.
Занятная статья, но какое-нибудь введение не помешало бы.
Чем про перекись натрия не введение?
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.