Авторы-мечтатели проекта: директор Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН академик Андрей Георгиевич Дегерменджи, старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат биологических наук Сергей Викторович Трифонов, заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН профессор, доктор биологических наук Александр Аполлинарьевич Тихомиров.
Почти 60 лет назад красноярские биофизики решили создать систему, похожую на биосферу, но с меньшим количеством видов и звеньев. В этом месте и скрыта гениальность проекта. Учёные понимали, что полностью повторить биосферу невозможно. Но перед этим были получены сильные результаты по культивированию одноклеточных организмов. Слово «культивирование» указывает на то, что речь шла о поддержании и управлении искусственными живыми системами. Сначала, благодаря одноклеточной зеленой водоросли хлорелле, был решен вопрос с воздухом. Растения поглощают углекислый газ, а выделяют кислород, что делает их идеальными компаньонами для человека в замкнутом пространстве. Так появилась система БИОС-1. По сути, это были водорослевые культиваторы, связанные с человеком посредством шлангов и кислородных масок.
Биомасса водорослей шла на выброс. Возник вопрос, почему бы её не съедать. Всех привлекало, что водоросли делятся с большой скоростью. На газовом обмене относительно небольшого объема хлореллы можно содержать целую команду. Долго искали способы, как сделать зеленую массу пригодной для употребления в пищу, но в итоге она не стала значимой частью рациона.
Тогда исследователям пришла в голову мысль: а что, если съедобные высшие растения научить расти так же быстро, как водоросли. Так, в системе стали появляться пшеница, овощи, зелень, чуфа, которые стали источником полноценной растительной диеты. Селекционеры вывели быстрорастущую пшеницу с коротким стеблем, чтобы сократить объем несъедобных отходов. Скорости прироста оказались соизмеримы с водорослями. Потом поняли, что для таких огородов совсем не обязательно использовать почву. Проблема почвы в том, что в ней развиваются микроорганизмы, рост которых плохо контролируется. Чтобы от этого уйти, стали минимизировать контакт с почвой, питать корни воздушно-капельной смесью. Ныне эти технологии известны как аэропоника и гидропоника. В таких супертепличных условиях добились высокой продуктивности. Так, пшеница даёт до семи урожаев в год. При этом нужно помнить, что речь идет об изолированной системе с идеальными условиями по освещенности, температуре и питанию.
Для развития экспериментов и масштабирования работ было необходимо отдельное повышенное финансирование. На этом этапе основатель красноярской науки академик Леонид Васильевич Киренский договорился о встрече с Сергеем Павловичем Королёвым и донёс до основателя российской космонавтики идею проекта. Королёв одобрил идею со словами: «Я хочу, чтобы при моей жизни человек был на Луне». Благодаря авторитету генерального конструктора, были найдены необходимые средства. На этих деньгах вырос и БИОС-3, и весь Институт биофизики СО РАН.
БИОС — это сердце Института биофизики. Он дал жизнь практически всем научным направлениям, по которым ведётся работа и сегодня. Потребовалось несколько лет интенсивной работы, чтобы создать прообраз космической станции, где люди могут месяцами жить автономно без поступления воды, воздуха и пищи. Самый длительный и известный эксперимент длился 180 суток — с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973 года. Исследователи дышали кислородом, выделяемым растущими в БИОС-3 растениями, вода очищалась внутри системы, рацион состоял преимущественно из растительной пищи. Бункер был разделен на четыре равных по площади отсека: жилой модуль и еще три с растениями и водорослями. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95%) по воде. Вся растительная часть пищи, а это порядка 50-70 % рациона человека, состояла из пшеницы и овощей, выращенных в БИОСе.
В конце 1980-х годов финансирование проекта практически прекратилось, и БИОС законсервировали. Однако опыт красноярских исследований не пропал. Интерес к подобным работам проявили китайцы и европейцы. Сейчас научно-исследовательский комплекс «Замкнутые экосистемы — БИОС» предназначен для изучения проблем создания и функционирования круговоротных процессов в искусственных экосистемах космического и земного назначения.
В БИОС-4 будет решена проблема соли, которую раньше не удавалось полностью изъять из выделений человека и вернуть в круговорот. Для этого используются съедобные растения-солеросы, которые потребляют воду с высоким содержанием растворенных солей. Также для переработки несъедобных растительных остатков создана система быстрого окисления органических веществ. Раствор из реактора корректируется и поступает к растениям в виде питательной смеси. Таким образом, решена проблема отходов человека и остатков несъедобной части растений.
Несмотря на все достижения БИОС-3, в системе оставался один ключевой изъян — переработка твердых отходов. Всё, что удалось сделать в рамках простого решения, это выжать воду из остатков растительной биомассы и вернуть ее в массообмен. Пробовали сжигать несъедобные части растений, но после этого выделялось много токсичных газов. Растения от этого желтели, и экипажу было нехорошо. Получается, что для новой системы один из ключевых этапов — решение проблемы с утилизацией твердых отходов.
Лидерами в этом направлении были российские и японские ученые. В Японии разработали технологию сжигания отходов в кислородной атмосфере без пламени при низком давлении. В итоге получается зола, которую можно использовать как удобрение, но часть отходов превращается в стекло. Это нерастворимые соединения, которые накапливаются в системе, так называемый тупик. Второй минус подхода — потеря необходимого для роста растений азота, который улетучивается в газообразном виде.
Красноярские ученые предложили физико-химический метод, основанный на окислении отходов в перекиси водорода под действием переменного тока. У этого метода два плюса: нет стеклования и не теряется азот, который выделяется в виде аммиака и может быть относительно просто возвращен в массообмен.
Работает это следующим образом:
В реактор с органическими отходами заливается перекись водорода и подаётся переменный ток на угольные стержневые электроды. Переменный ток инициирует распад перекиси на свободные радикалы, которые быстро окисляют органические отходы. Процесс окисления носит цепной характер. Метод легко масштабировать для поселений или станций с большим количеством экипажа. Ведь чем больше объем реактора, тем проще и дешевле протекают цепные реакции. Можно полчаса подавать ток на реактор, потом выключить на час, и процесс всё равно будет активно протекать, реакции будут сами себя поддерживать, и окисление станет проходить без потребления энергии.
Отдельно была разработана технология глубокой очистки выделяющихся при работе установки газов — аммиака и летучих органических соединений. Ведь их накопление в системе грозит токсичным воздействием на человека и растения. Из аммиака химическими методами можно синтезировать азотную кислоту. Для утилизации органических соединений создана каталитическая установка, которая при температуре около 1000 ℃ производит глубокое окисление. В итоге из реактора выделяются лишь безвредные углекислый газ и водяные пары.
Эксперименты с растениями показали, что продукты окисления отходов не влияют на их рост. То же самое можно сказать о минерализованных растворах. Сейчас реактор выдает раствор, который нормально воспринимают растения, и газы, которые растения спокойно могут ассимилировать. Таким образом, с использованием созданного метода система показывает более высокую степень замыкания, происходит возврат минеральных элементов в круговорот.
Один из показателей надежности системы — это стабильные концентрации кислорода и углекислого газа. Возникает задача поиска оптимальных источников искусственного освещения.
Выбор источника света для выращивания растений основывается на двух важных параметрах: спектре и интенсивности излучения. Они должны подбираться в зависимости от видовой специфики реакции растений. Но для каждого растения свою лампу не создашь. Поэтому разные сорта и виды можно объединить в группы, которые сходны по своим требованиям к определенным параметрам искусственного света. Такой подход нужен не только для будущей лунной базы, но и наземных условий, где солнечного света недостаточно, например, для северных регионов.
Здесь важно помнить, что растения являются тем компонентом системы жизнеобеспечения, который включается в круговоротный процесс, в том числе и для переработки отходов. После переработки отходов с помощью физико-химических методов получаются минеральные соли, которые служат удобрениями для растений. Так растения помогают переработать отходы в полезную биомассу, которая после может быть использована в пищу.
Замкнутая экологическая система может быть полезна и для экологических исследований, например, проверки последствий парникового эффекта для растений, почвенной мерзлоты или водной экосистемы. БИОС — это почти биосфера, только уменьшенная до настольной версии. Физика как наука достигла значительных успехов, используя понятия идеальных объектов или упрощенных моделей. В нашем случае, моделируя в лаборатории полный круговорот и экспериментируя с ним, можно добиться огромного прогресса в понимании работы всей биосферы.
Получается, что биофизики далеко шагнули по сравнению с тем, что было в БИОС-3. Можно сказать, что красноярцы готовы создать полностью готовую линию переработки отходов. Для этого нужно значительное финансирование. Пока команде не удается аккумулировать средства или выиграть мегагрант с обеспечением масштаба 100-150 миллионов рублей в год. В рамках текущих бюджетных поступлений запустить проект не под силу.
