Питательная основа дальнего космоса

Если не рассматривать возможность глобальной природной или геополитической катастрофы, способной значительно приостановить технологическое развитие на Земле, уже в этом столетии человечество может начать осваивать космос за пределами магнитного поля планеты. А по оптимистичным прогнозам и заявлениям, уже в 2030-х гг. человек сможет жить на поверхности естественного спутника Земли. О планах совместной постройки лунной базы летом 2023 г. заявили Россия и Китай. Ранее, в конце 2022 г., The Times писала о проекте NASA: агентство рассчитывает к 2030 г. построить в кратере Шеклтон на Южном полюсе Луны лунную базу, на которой космонавты смогут жить и работать.

В скором освоении Луны уверен и советник генерального конструктора РКК «Энергия» А.Г. Чернявский: в недавнем интервью для портала «Научная Россия» он говорил, что базы на Луне возможно построить силами даже одного развитого государства в отличие от долгосрочных миссий на другие планеты, в частности на Марс. А технологии и возможности уже есть, было бы финансирование на их производство и испытания. 

«В первую очередь надо сказать, что база на Луне нужна обязательно. В том числе как промежуточная точка при полете на Марс: это касается и базы на поверхности Луны, и орбитальных лунных станций. А в том, что полеты на Марс нужны, никто не сомневается. Сегодня мы в значительной степени технически готовы к постройке поселения на Луне. Многие проекты, связанные с ее освоением, касаются именно аддитивных технологий с применением реголита. Это реальные проекты, которые развиваются в соответствующих институтах и университетах, но в них необходимо вкладывать финансирование. Без этого мы никуда не двинемся», ― утверждает А.Г. Чернявский в интервью «Космонавтика, о которой мало говорят».

Освоение космоса, более далекого, чем околоземная орбита, на которой кружит МКС, требует решения важнейших задач, направленных на выживаемость экипажа. Это в том числе отсутствие магнитного поля, защищающего от космической радиации, и проблемы, связанные с долговременным отсутствием гравитации. Не менее важны вопросы питания и обеспеченности космонавтов витаминами. При глубокой заморозке и консервации запасенные зелень или овощи потеряют в полете нужные питательные вещества, а синтезированные витаминные комплексы пока не гарантируют необходимого срока хранения. Поэтому важно создать технологии, позволяющие выращивать растения в космосе.

Орбитальный конвейер зелени

В идеале системы жизнеобеспечения должны формировать замкнутый цикл. Первые предположения об использовании растений для создания круговорота веществ в замкнутом пространстве высказывал К.Э. Циолковский в конце XIX в. Ученый обратил внимание на симбиоз автотрофных и гетеротрофных организмов: растения, поглощая солнечный свет, выделяют кислород и создают биомассу, а человек получает питательные вещества, кислород и выдыхает необходимый растениям углекислый газ.

В следующем году планируется завершение испытаний отечественной космической оранжереи «Витацикл-Т». Это устройство позволит со стабильной периодичностью выращивать зелень на орбитальной станции, в частности на МКС, где будут проходить первые эксперименты. Фактически конвейер растений «Витацикл-Т» ― это цилиндрическая установка с корневыми модулями, в которые космонавты раз в несколько дней устанавливают планки с семенами. Допустим, космонавты после посадки растений заполняют корневой модуль каждые три дня. В таком случае через 21 день на орбите появится первый урожай зелени, через три дня ― следующий и т.д. При этом место снятого урожая засевается заново и космонавты стабильно получают источник свежих витаминов, которые не нужно доставлять с Земли. 

Это автоматическая установка, космонавтам требуется только вовремя вставлять планки с семенами и снимать урожай. Цилиндр оранжереи «Витацикл-Т» расширяется так, что с ростом растений пространство увеличивается, а верхушки отдаляются друг от друга, чтобы верхние листья не затеняли нижние. Еще одна важная особенность: конструкцию можно модернизировать в зависимости от задач — например, увеличивать длину для повышения производительности или добавлять модули для посева растений, которым требуется больше времени на созревание.

Комическая оранжерея пока проходит испытания на Земле. Это проект Института медико-биологических проблем РАН. После испытаний начнется подготовка образца, который отправят на МКС, а в первых экспериментах на орбите планируют выращивать пекинскую капусту.

О планах запуска космической оранжереи на МКС также сообщал ректор МГУ им. М.В. Ломоносова В.А. Садовничий. Об этом ректор сообщал 1 сентября, выступая перед первокурсниками в День знаний. Ожидается, что проект будет готов к запуску в следующем году. 

Листовые овощи стоят первыми в очереди на орбитальные эксперименты. Они небольшие, насыщены питательными веществами и достаточно быстро растут. При этом у салатных культур высокий коэффициент хозяйственной полезности — соотношение съедобной и несъедобной частей. В салате, редисе или японской репе съедобная часть биомассы достигает 90–95%. У томатов этот показатель значительно ниже, а у пшеницы около половины растения становится отходами ― соломой, которую в космосе еще надо как-то утилизировать.

Грибы для пищи и утилизации отходов

Впрочем, солому тоже можно ввести в биорегенеративную систему жизнеобеспечения, по крайней мере если речь идет об обитаемой лунной базе. Сибирские ученые разработали проект грибной фермы, способной работать на поверхности естественного спутника Земли. Работу выполнили специалисты лаборатории проблем создания круговоротных процессов искусственных экосистем Института биофизики СО РАН. Грибная ферма способна выполнять две задачи: обеспечивать космонавтов пищей и перерабатывать растительные отходы, в частности солому. После снятия урожая грибов субстрат можно вновь использовать как удобрение для тех же растений: переработка отходов для их последующего использования и лежит в основе биорегенеративных систем.

Пока проект существует на бумаге. Эффективность грибной фермы необходимо проверять непосредственно на Луне. При этом, как рассказали корреспонденту «Научной России» разработчики проекта, использовать промежуточную экспериментальную базу в виде МКС в таком случае не получится: полное отсутствие гравитации и магнитное поле Земли, защищающее станцию, делают эксперимент на орбите Земли неэффективным. А обеспечивать космонавтов грибами в таком случае выгоднее, доставляя запасы грузовыми кораблями.

По проекту на полных мощностях ферма будет использовать 86 кг растительных отходов в виде субстрата, из которого через два месяца можно собрать 28 кг грибов. Но эти данные дают расчеты на Земле. При сниженной гравитации и прочих факторах лунной поверхности результат может быть иным.

Перепела на орбите

И еще один запланированный эксперимент, который в перспективе может дополнить системы жизнеобеспечения для дальнего космоса. Ожидается, что в декабре 2023 г. на МКС отправят яйца перепела японского, чтобы исследовать возможность устойчивого существования птиц в условиях микрогравитации. Птиц будут выращивать в условиях искусственной силы тяжести, создаваемой центрифугой.

Эксперименты по выращиванию птиц в невесомости проводились в 1990-х гг. Тогда ученые выяснили, что птицы не могут питаться, если не чувствуют опоры, но в условиях искусственной гравитации, создаваемой центрифугой, перепела способны есть и даже незначительной силы тяжести может быть достаточно для их нормального развития.