Урожаи в невесомости. Интервью с профессором Юлием Берковичем о разработке космических оранжерей

Для долгосрочных автономных полетов на Луну или Марс нужен источник витаминов для космонавтов. При глубокой заморозке или консервации овощи, фрукты и зелень не сохранят необходимые питательные вещества два-три года, на которые рассчитаны длительные миссии. Синтетические витаминные комплексы тоже имеют срок хранения не больше года. Специалисты по космическому питанию говорят о необходимости выращивать витаминную зелень и овощи непосредственно на космических аппаратах.

Какие культуры наиболее подходят для выращивания в невесомости? С какими трудностями столкнулись ученые, пытаясь вырастить в космосе овощи и зелень? Как выглядит инновационная российская космическая оранжерея? Об этом рассказывает заведующий лабораторией ИМБП РАН Юлий Александрович Беркович.

— Идею выращивать растения в космосе для питания космонавтов и восстановления газовой среды в космическом корабле первым предложил К.Э. Циолковский задолго до первых пилотируемых полетов. С чего начались разработки космических оранжерей?

— Действительно, именно К.Э. Циолковский уже в конце XIX в. предлагал использовать растения для длительных космических полетов. А именно — для создания круговорота веществ в замкнутом пространстве.

Надо напомнить, что почти все организмы, которые существуют на Земле, можно разделить на два больших класса: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы используют энергию света для синтеза биомассы из воды и углекислого газа, гетеротрофы употребляют в пищу биомассу, выращенную автотрофами.

Внимание К.Э. Циолковского привлекло то, что автотрофные механизмы, то есть растения, и гетеротрофные организмы — все остальные существа на Земле, — находятся в симбиозе. Растения, используя солнечный свет, синтезируют биомассу и выделяют кислород, а человек питается этой биомассой, потребляет кислород и выдыхает углекислый газ. Эту хорошо известную и понятную взаимосвязь К.Э. Циолковский предлагал использовать в космических полетах.

Когда с полетом Юрия Гагарина началась эра пилотируемого освоения космоса, ученые и в Советском Союзе, и за рубежом обратились к этой идее К.Э. Циолковского. Они начали оценивать возможности системы, которая позволила бы получать пищу, выращивая ее непосредственно на борту космического аппарата.

Тогда было проведено много исследований. Оказалось, что растения, выращенные в космосе, обходятся недешево. Во-первых, потому что кроме углекислого газа и воды нужен довольно значительный ряд других веществ, которые растения используют для синтеза биомассы. Во-вторых, нужно использовать специальное оборудование для выращивания растений в невесомости или при измененной по сравнению с наземными условиями силе тяжести.

— Какое растение и когда было выращено в космосе первым и какие проводились сопутствующие исследования?

— Одними из первых в космосе вырастили растения из луковицы тюльпана. В 1971 г. на станциях «Салют» и «Союз» космонавты проводили первые опыты с помощью установки «Вазон». Это был достаточно простой аппарат: под луковицу помещался небольшой патрон с водой и питательной средой — капиллярный пояс, куда через патрубок космонавты вручную подавали жидкость.

Но это был опыт выращивания из луковицы, что гораздо проще, чем из семени. Дело в том, что луковицы изначально хранят определенный резерв для начального роста, содержат вещества, которые на первой стадии развития растения обеспечивают его всем необходимым, в том числе устойчивостью к неблагоприятным факторам.

Тогда остро стоял вопрос, как будут проходить процессы роста и развития растений без однонаправленной силы тяжести, которая существует на Земле. Многие ученые сомневались, что эти процессы будут идти в принципе: возникали теории о том, что без силы тяжести рост клеток, удлинение тканей и направление развития будут совершенно дезориентированы. За этими предположениями стояли опыты, которые проводились на Земле: они показывали, что растения, посаженные в перевернутом виде, начинают загибать побеги против направления ускорения свободного падения, силы тяжести. Они стремятся вверх даже в темноте, не говоря о ситуации, в которой источник освещения находится над растением.

Эти исследования проводились сначала в установках «Вазон» (для луковичных растений) и «Оазис-1» (который позволял выращивать растения из семени). Определялись параметры гравитационной чувствительности растений, возможности их переориентации, в том числе на Земле, в ситуации, когда они постоянно вращаются и меняют свое положение. Впоследствии советские ученые разработали и отправили на орбитальные искусственные спутники Земли целый ряд различных конструкций небольших космических оранжерей: «Фитон», «Оазис-1м», «Лютик», «Светоблок» и др. В 1980-е гг. в установке «Фитон-2» впервые была доказана возможность прохождения полного жизненного цикла (от семени до семени) в условиях невесомости у небольшого растения арабидопсиса.

Наиболее трудной задачей оказалось обеспечение растений корневым питанием. Когда мы выращиваем что-то на Земле даже методом гидропоники, без почвы, нам помогает сила тяжести. Она ориентирует направление роста корней, а гравитационный сток помогает обеспечить их питательными веществами. В условиях орбитального полета такого стока нет из-за отсутствия однонаправленной силы тяжести.

На первых этапах эту задачу решали по-разному. Например, использовали гелеобразные питательные среды на агаре или комбинацию гидрофильных и гидрофобных нитей, через которые к корням за счет капиллярных сил в капиллярно-пористых средах подавали воду, насыщенную питательными веществами. Почти 20 лет на орбиту с переменным успехом отправляли установки, различающиеся способом подачи воды к корневой системе.

Создать надежную систему удалось после того, как ученые теоретически рассмотрели вопросы продвижения жидкости и газов в капиллярно-пористых средах при отсутствии силы тяжести.

В 1982 г. нашему институту поставили задачу создать космическую оранжерею, где было бы возможно полностью вырастить растение: от семени до товарной продукции. Эту работу проводили в рамках «Интеркосмоса» — организации, которая объединяла все социалистические страны, и в 1990 г. мы в сотрудничестве с болгарскими специалистами закончили разработку и отправили установку «Свет» на орбитальный комплекс «Мир». Там она проработала десять лет до затопления станции.

— Какие задачи кроме направления роста растений и подвода питательных веществ к корневой системе пришлось решать?

— Чтобы вырастить растение в космосе, нужно создать для него систему жизнеобеспечения, так же как мы обеспечиваем всем необходимым космонавтов. Нужны минеральное питание, вода, свет, определенные характеристики окружающей среды: температура, влажность и состав воздуха.

Одной из проблем стал газовый состав на орбитальных станциях. На одном из аппаратов одновременно работали три установки для выращивания различных культур. В них по-разному подводились вода и питательные вещества, поддерживались различные температура и свет. В один из дней на борту погибли абсолютно все растения — во всех установках. Подозрение пало на газовые загрязнители в кабине.

Начались новые исследования. Дополнительные опыты, в том числе на Земле, показали, что растения гораздо чувствительнее к токсическому воздействию газовых загрязнителей, чем человек. А в небольшом объеме орбитальной станции концентрация ряда загрязнителей может претерпевать колебания. Можно выделить до сотни веществ, которые попадали в атмосферу космического корабля. Нормы скопления загрязняющих веществ, допустимые для человека, могут быть смертельны для растений или приводить к серьезным отклонениям в их развитии.

— Как решали проблему загрязнений в атмосфере станции? Начали разрабатывать замкнутые устройства для выращивания растений?

— Оранжереи с замкнутым объемом — это, в основном, американский путь. К настоящему времени они испытали уже десятки таких устройств на орбите. Надо понимать, что в таких оранжереях очень сильно усложняется система жизнеобеспечения, хотя и возможно создать более контролируемую среду обитания для растений. Однако растения сами выделяют довольно большое количество загрязняющих веществ. Кроме того, они не могут жить без транспирации — испарения воды с поверхности листьев. Этот механизм помогает держать постоянную температуру листа при изменении температуры окружающей среды. Такой процесс серьезно трансформирует газовую среду в замкнутом пространстве. Трудность и в том, что для фотосинтеза растениям нужен углекислый газ, — в открытых установках мы получаем его от человека, но в замкнутых устройствах нужен дополнительный источник СО₂. Необходимо контролировать баланс углекислого газа и кислорода, который при высокой концентрации становится ядом для растений. Каждый процент повышения содержания кислорода в воздухе приводит к существенному снижению интенсивности фотосинтеза и биосинтеза.

Создание таких сложных замкнутых устройств — это один из путей. Другие ученые стремились воплотить идеи К.Э. Циолковского и создать биологическую систему жизнеобеспечения с круговоротом веществ внутри всего космического аппарата. Нет смысла отгораживать растения от человека, если мы планируем отправлять их вместе в долгий космический полет. Какое-то время космические растениеводы пытались создать такие системы жизнеобеспечения и устройства, которые могли бы в условиях невесомости обеспечить полный пищевой рацион растительной продукцией, но эта задача сравнительно быстро отпала — выявился целый ряд проблем.

Ученые из разных стран сравнивали эффективность систем обеспечения рациона питания, очистки воздуха и воды, основанных только на запасах и физико-химических процессах регенерации, и тех, которые включают биологические элементы. Оказалось, что первые в разы выгоднее по массе и энергопотреблению.

Оценивалась масса всего оборудования, включая запчасти, расходные материалы и необходимые вещества. Сравнивался объем, который оборудование занимает на борту, потому что каждый кубический дюйм стоит больших денег. Сравнивались и затраты энергии, необходимой для работы всей системы. Например, при создании биологической системы жизнеобеспечения требуются дополнительные энергетические ресурсы на охлаждение и освещение. Оценивались трудозатраты экипажа по уходу за оборудованием.

Расчеты показали, что системы жизнеобеспечения с биологическими процессами очень сильно уступают физико-химическим системам в полетах длительностью в несколько лет. А оранжереи, которые могут создавать существенную часть пищевого рациона, станут выгодны не ранее, чем при полетах на Марс и к другим планетам, а также при постройке станций на космических объектах, где космонавты будут жить вахтовым методом. Даже на Луну оказалось выгоднее доставлять продукты, чем выращивать их на месте. Но все эти оценки не учитывали небольшое, но с нашей точки зрения существенное обстоятельство: растения значительно улучшают среду обитания.

— Как растения влияют на атмосферу внутри космического аппарата?

— Во-первых, растения обогащают окружающую среду кислородом. Конечно, самим побегам повышение этой концентрации не очень полезно, но на атмосферу внутри корабля и состояние космонавтов они влияют положительно.

Кроме того, исследования показали, что при выделении водяных паров и кислорода растениями в окружающей газовой среде увеличивается количество отрицательных аэроионов. Об их позитивном воздействии на здоровье человека писал еще известный советский ученый А.Л. Чижевский, друг К.Э. Циолковского. Он известен также тем, что в монографии «Земное эхо солнечных бурь» выдвинул теорию, что изменение солнечной активности влияет не только на организм человека, но и на общественные процессы. Таким образом, оба этих ученых придерживались мнения, что земная биосфера и околоземное космическое пространство существенно связаны.

Растения снижают уровень стресса у космонавтов. В наземных экспериментах с длительной изоляцией экипажа в замкнутом пространстве получены данные о том, что наличие растений улучшает психическое и физическое состояние людей.

— По каким критериям выбирают растения, наиболее подходящие для выращивания в космосе, и какие культуры к этому максимально приспособлены?

— Ученые сделали выводы, что для длительных полетов нужны одни культуры, а для полетов с коротким пребыванием экипажа — другие. Сегодня есть соответствующая ранжировка различных сельскохозяйственных растений, пригодных для выращивания в космосе.

На первом месте в этой ранжировке стоят листовые овощи: при небольших габаритах они богаты витаминами по отношению к единице биомассы. Кроме того, у таких овощей сравнительно короткий срок товарной вегетации: от посадки семян капусты до получения листа необходимого размера у нас проходит всего 24 дня.

Важен и коэффициент хозяйственной полезности — соотношение съедобной и несъедобной биомассы. У листовых овощей мало корней, поэтому на съедобную часть приходится до 90–95%. Сюда относятся салатные культуры, а также редис и японская репа — у этого растения можно есть и ботву, и сам корнеплод. Для сравнения: у пшеницы соотношение съедобной и несъедобной частей около 50%, надо что-то делать с оставшейся соломой, а утилизация отходов в космосе — большая проблема.

Выбор растений зависит и от того, какие потребности космонавтов необходимо удовлетворить. Если в рационе нужны только углеводы — это один набор, если требуется углеводно-белковая диета, то совсем другой. Сегодня у нас есть аванпроект для обеспечения экипажа из шести человек во время трехлетнего полета на Марс и обратно. Туда входят четыре модуля для выращивания культур — это зеленые овощи, морковь, которую требует ввести специалист по питанию, томаты и перцы. Это четыре вида растений, которые, по нашему мнению, наиболее быстро будут внедрены в космических оранжереях.

— Как часто, по расчетам, космонавты смогут употреблять свежие овощи, выращенные в космосе?

— Для того чтобы свежие овощи были в рационе космонавтов регулярно, мы применили систему растительного конвейера. Сейчас готовится аппарат «Витацикл-Т» для экспериментов на российском сегменте МКС — это новая космическая оранжерея, которая абсолютно не похожа на другие разработки.

Допустим, от посадки растения до получения съедобного плода проходит 24 дня. В установке предусмотрены несколько модулей для выращивания растений из семян, которые заполняются по очереди. В первый день засевается один корневой модуль, через четыре дня — второй, еще через четыре дня — третий и т.д. Таким образом, на 24-й день мы получаем спелые растения в первом корневом модуле, на 28-й — во втором и т.д., то есть каждые четыре дня устройство выдает рассчитанную порцию салата.

Это концепция спиральной цилиндрической оранжереи. Сама спираль расширяется по мере роста растений в модулях, чтобы растение постоянно получало свет и имело пространство для роста. Конструкцию устройства можно менять в зависимости от задач: чтобы обеспечить витаминами одного человека, нужна определенно рассчитанная производительность, для двоих требуется вдвое увеличить длину устройства. Для того чтобы регулярно получать другие овощи, которые растут дольше, можно увеличивать количество модулей для посева. Мы выращивали культуру с 40-дневным сроком вегетации — это десять корневых модулей, с которых раз в четыре дня снимается урожай, а на освободившееся место засеивается следующее растение.

— Насколько эти установки сложны в эксплуатации? У космонавта должен быть опыт растениеводства?

— Аппарат «Витацикл-Т» практически полностью автоматизирован. Космонавтам требуется только вставить планку с наклеенными семенами в очередной модуль. На выходе космонавт вынимает эту планку, срезает посев и вставляет новую.

Со временем в модулях требуется замена вкладышей с почвозаменителями. Ничто не работает бесконечно, запас питательных веществ в искусственном субстрате ограничен, через некоторое количество вегетаций искусственная почва пронизывается корнями. Необходимо разработать технологию, которая позволила бы продлить срок использования почвозаменителей.

— Отправлять в космос землю, в которой можно выращивать овощи, невыгодно и нерационально. Чем ее заменяют в космических оранжереях?

— Отправлять почву в космос не просто невыгодно и нерационально, у нее есть свойства, незаметные на Земле, но неприятные на борту корабля. Например, большое количество органики — а там, где есть органика, есть и микрофлора, происходят переработка веществ с выделением газов и изменение капиллярно-пористых свойств. Со временем эти характеристики меняются, система становится нестабильной.

Кроме того, в почве могут оказаться вещества и микроорганизмы, токсичные не только для растений, но и для экипажа. Поэтому требуется что-то более стабильное.

В 1980-х гг. мы обратились в Институт физико-органической химии Академии наук Белорусской ССР. Там работал и работает по настоящее время академик В.С. Солдатов, который занимался созданием ионитных почв — это, по сути, синтетические смолы-цеолиты, включающие в себя отрицательные и положительные ионы. Он делал из них мелкие гранулы и насыщал минеральными удобрениями по разработанной им технологии. Смесь гранул содержит все необходимые удобрения. В контейнер с ионитной почвой подается вода — и получается питательный раствор для растений.

Сегодня мы отошли от гранульных субстратов и используем почвозаменители в виде войлока. В сотрудничестве с учеником академика В.С. Солдатова Василием Матусевичем мы используем такую технологию: плавим ионообменные смолы, пропускаем их через фильеры, получаем волокна, насыщаем их удобрениями, а затем на ткацких машинах делаем из волокон войлок. Такой войлок насыщен всеми необходимыми удобрениями: анионитные и катионитные волокна в нем переплетены, и этот субстрат лучше подходит для растений в космосе, поскольку не разлетается на частицы в невесомости.

Со временем из любых почвозаменителей уходят питательные вещества, поэтому мы разработали систему обогащения истощенных субстратов минеральными солями. Для этого в оранжерее установлены обогатительные патроны, через которые при необходимости пропускается поливная вода. То есть мы постоянно измеряем уровень электропроводности раствора — если он снизился, то пора дополнительно насыщать почвозаменитель питательными веществами.

Конечно, со временем корневые системы растений засорят субстрат так, что его придется выкидывать, но в автономную космическую миссию на три-четыре года можно взять запас войлочного почвозаменителя и обогатительных патронов — это относительно небольшие объем и вес.

Если рассуждать о полетах на десятки лет или о жизни на далеких космических станциях, то потребуется более глубокая переработка отходов, с помощью которой можно будет получить питательные вещества для создания удобрений. Выращивая зелень, овощи или злаки, мы в среднем употребляем в пищу примерно половину биомассы. Около 50% приходится на отходы, и именно их переработка может дать недостающие соли для удобрений. Глубже можно перерабатывать и отходы жизнедеятельности человека: сейчас, например, при переработке мочи возвращают 97–98% воды, остается концентрированный рассол, который содержит много азота и солей.

Все происходит поэтапно: нельзя сказать, что сейчас мы разрабатываем витаминную оранжерею и больше не обращаем ни на что внимания. Но ситуация складывается так, что возможностей на все не хватает, — сегодня реально отправить на орбиту только небольшую витаминную оранжерею, потому что для ее работы предоставят всего порядка полкиловатта электроэнергии. Энергетическая установка, которая сегодня работает на МКС, вырабатывает энергию, которой хватает только на самое необходимое для экипажа и проведения плановых экспериментов. Для выращивания растений остается мало ресурсов.

— На какие исследования и разработки в области космического растениеводства сегодня делается особенный упор?

— Наш институт относится к Российской академии наук, поэтому мы не можем забрасывать фундаментальную науку или перспективные исследования. Но наибольшее внимание сегодня уделяем разработке технологий выращивания растений в конвейерной цилиндрической витаминной космической оранжерее «Витацикл-Т». Опытный образец, изготавливаемый в НИИ космического приборостроения, должен быть готов в мае.

Установка полностью автоматизирована. Ее особенности можно перечислять долго, но в первую очередь это цилиндрическая форма, которая позволяет выращивать разные зеленные культуры — от семян до листьев товарного размера — и снимать урожай каждые четыре дня. Когда соседние растения в космосе растут на цилиндрической поверхности, а светодиодный светильник, расположенный на цилиндрической поверхности большего радиуса, светит внутрь на посев, то стебли и листья растений тянутся к свету и растут перпендикулярно посадочной поверхности, как на цилиндрической щетке. При этом по мере роста верхушки растений отдаляются друг от друга, а верхние листья меньше затеняют нижние. Кроме того, свет от такого светильника концентрируется к центру цилиндра и лучше освещает нижние листья, которые в обычных условиях оказываются в положении светового дефицита. Так мы сильно экономим и световую энергию, и объем, который установка занимает внутри космического аппарата. При одинаковом количестве растений объем цилиндрической оранжереи выходит практически в два раза меньше, чем плоской.

С оранжереей «Витацикл-Т» очень удобно работать — и посев растений, и сбор урожая выполняются через один и тот же люк. У меня даже была мечта сделать робота — фактически нужны только две автоматизированные руки, которые будут вынимать созревшее растение и вставлять новую планку с семенами.

В лаборатории мы отбираем культуры для выращивания в этой перспективной оранжерее. Несколько лет мы потратили на то, чтобы отработать оптимальный режим выращивания листовой капусты российской селекции, и сейчас хотим расширить ассортимент салатных культур. В планах — выращивание редиса, японской репы и листовой горчицы. Космонавты часто просят чего-то пряного. Есть салат, конечно, полезно, но космонавтам хочется острого, поэтому будем пробовать выращивать листовую горчицу.

Мы отрабатываем разные варианты полива — например, подаем ровно столько воды, сколько растениям нужно для транспирации. А количество жидкости зависит от яркости света, температуры и влажности воздуха, его циркуляции и возраста посева. Так, мы научились в лабораторных условиях управлять системами контроля влажности — добавляя ровно столько воды, сколько нужно растениям в определенных условиях, мы серьезно экономим воду.   

Перед тем как отправлять «Витоцикл-Т» на МКС, мы должны проверить все на Земле, поскольку в конструкции много новшеств, поэтому работы в лаборатории много.

— Когда «Витоцикл-Т» планируют отправить на МКС?

— В этом году заканчивается разработка опытного образца. Биолого-технологические испытания и изготовление двух летных образцов запланированы на следующий год, плюс необходимо обучить космонавтов работать с этой установкой. Мы рассчитываем отправить установку на российский сегмент МКС и начать испытания в невесомости ориентировочно в 2024 г. Тогда мы получим бесценную информацию и сможем начать готовить новые модули под разные культуры: морковь, томаты и перец.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.