Международная лунная посещаемая платформа

[Сергей Хижняк]

Bell написал:
Извиняюсь за провокационность вопроса, но актуальна ли вообще проблема?

Ничего провокационного. Я в обоих проектах (и российском, и китайском) являюсь "приходящим микробиологом". В российском - так и вообще единственным, в китайском сейчас появились свои молодые кадры, главный из них в своё время стажировался лично у меня (в то время он был аспирантом, сейчас - PhD и правая рука Лю Хун). Если взять валовые затраты времени на научную работу, я бы оценил своё участие в проектах БСЖО в 20-80%в зависимости от года, в среднем - процентов 30-50. Остальное время я занимаюсь другими исследованиям, никак не связанными с Космосом. Так что я могу смотреть и изнутри, и со стороны - трезвым взглядом.   


Когда думали о хлорелле, казалось, что очень актуально. Планировалось разместить биореакторы на борту пилотируемых КА и отправить к Марсу, а потом ещё дальше - у инициатора проекта Королёва была именно такая идея. Предполагалось, что БСЖО сильно сэкономит вес. С хлореллой не получилось, БСЖО на высших растениях на борту корабля не разместишь (там можно вырастить немножко салата к празднику, но никак не прокормить экипаж), планетарные базы пока только в далёкой перспективе... Так что на сегодняшний день с точки зрения освоения космического пространства БСЖО не более актуальны, чем первые ракеты ГИРД, которые умели пролететь 100 метров (или сколько там, лень искать).



Однако есть и вполне земное применение, причём позволяющее сэкономить очень большие силы и очень большие деньги и время при исследованиях в чисто земных интересах. Я прямо сейчас вижу пару-тройку работ уровня докторской диссертации, имеющих одновременно и чисто научную, и практическую направленность, которые можно выполнить на российской БСЖО за 2-3 года (вместо характерных 10-20 лет для такого типа исследований). Вообще-то я хотел рассказать о своём видении космических перспектив БСЖО и о их практическом применении на Земле в самом конце, так что подождите более развёрнутого ответа.   

[Сергей Хижняк]

Bell написал:
Вот крайне полезно было бы изобрести "хлорелльный куб", который втыкаешь в розетку, подключаешь к воздуховодам и он перерабатывает СО2 на О2.

Если говорить о Земле, то таких кубов - сколько угодно, хороших и разных. Называется "фотобиореактор".
https://www.google.ru/search?q=%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1...

А в условиях КА или планетарной базы сразу возникнет вопрос - куда девать накопленную биомассу? Хлорелла образует O2 в ходе реакции (даю валовое балансовое уравнение)
6CO2 + 6H2O > C6H12O6 + 6O2
Получившийся C6H12O6 превращается в биомассу хлореллы. Эту биомассу надо куда-то девать, а изъятый CO2 - восполнять, иначе хлорелла помрёт с голоду. Предполагалось, что экипаж будет есть хлореллу и перегонять её биомассу обратно в CO2, гоняя углерод по замкнутому циклу. Когда оказалось, что есть хлореллу нельзя, идея потеряла смысл. Правда, сейчас на МКС работает немецкий (кажется) фотобиореактор, именно по такой схеме - подключается к воздуховодам. Но это так, чисто для баловства. Всё из той же серии "вырастить к празднику немножко салата".

hlynin написал:
У меня чисто исторический вопрос - почему Красноярск?

Полагаю, дело в секретности. Красноярск в то время (и вплоть до развала СССР) был закрытым для иностранцев городом из-за обилия военных производств в городе и окрестностях. К тому же - географический центр страны, максимальное удаление от вражеских ракет. В общем, удобное сочетание - современная промышленность, приличная научная база в виде Красноярского филиала СО РАН, закрытость для иностранцев и максимальная удалённость от границ.

Временно откланиваюсь, потом продолжу

[testest]

А если отдельно поставить целью замкнутость по воздуху? Избытки хлореллы - выкидывать в шлюз. Какой будет масса такого реактора на, скажем, четырех человек? И насколько он будет надежен?

[Serge V Iz]

А если отдельно поставить целью замкнутость по воздуху? Избытки хлореллы - выкидывать в шлюз. Какой будет масса такого реактора на, скажем, четырех человек? И насколько он будет надежен?

Часть воздуха в составе хлореллы при этом тоже отправится за борт. Похоже, тогда дешевле в широком смысле будет "минеральный" регенератор.

[Serge V Iz]

А в какие-то конструкционные материалы ее, хлореллу, можно превратить? Мебель там делать, или космические мазанки строить? ))

[aaa1]

Serge V Iz написал:
А в какие-то конструкционные материалы ее, хлореллу, можно превратить? Мебель там делать, или космические мазанки строить? ))

Курей кормить. Или карасей.

[Alex_II]

aaa1 написал:
Курей кормить. Или карасей.

Перегонять в спирт и пускать на горючее...

[hlynin]

Alex_II написал:
Перегонять в спирт и пускать на горючее...

Есть и лучшее применение...

[Сергей Хижняк]

Отвечаю сразу на всё обсуждение по поводу биореактора с хлореллой как поглотителя CO2 и генератора O2. Да, параметры биореактора элементарно считаются, нет, в плане надёжности это не очень (я, когда буду писать про современное состояние, отдельно коснусь надёжности биотехнологических систем и экосистем), да, механизмы утилизации и рециклизации биомассы придумать можно - но смысла обсуждать нет. Поскольку уже обсуждалось, всё в том же Пекине, в рамках помощи китайцам с их системой, лет 10 назад.   

Обсуждалось в тёплой компании за рюмкой чая, с участием коллеги, доктора технических наук, успешно разрабатывавшего (и продолжающего успешно разрабатывать здесь и сейчас) системы выращивания растений в невесомости для орбитальных станций, начиная ещё с Салютов или около того. Соответственно, он одинаково хорошо разбирается и в технике, и в соответствующих аспектах биологии. Его вердикт однозначный - овчинка выделки не стоит. В 60-е..70-е, возможно, имело смысл - а на нынешнем уровне уже однозначно нет, технические-химические системы дадут биотехнологии сто очков вперёд.


Вердикт двух других российских участников (один - классический биотехнолог, стоявший у истоков советской программы БСЖО, другой - микробиолог с биотехнологическим уклоном, работает с БСЖО со времён БИОС-3 и по сей день, хотя у него уклон немножко другой, чем у меня) примерно такой же. Моё мнение такое же. Реализовать можно, но проще возить кислород с Земли, а поглощать CO2 имеющимися технологиями. Тем более, что имеющиеся технологии уже отработаны, а вот с хлореллой в Космосе непременно попрут проблемы, о которых и не подозревали, и их придётся решать по ходу дела. В биотехнологии всегда так, при реализации начинают вылазить проблемы, откуда не ждёшь. В общем, геморроя будет много, а выигрыш крайне сомнительный. 

[Сергей Хижняк]

Возвращаюсь к БСЖО. После того, как от бака с хлореллой вынужденно перешли к высшим растениям, пошли новые проблемы. 

Немножко теоретической биологии.
Бак с хлореллой - это биотехнология, причём классическая. Плантация растений (причём - разных видов, чтобы обеспечить полноценный рацион) - это уже экология, конкретно - агроэкосистема. Экология имеет гораздо более высокий порядок сложности, чем биотехнология.

Поясню на простом примере.

Если мы посадим хлореллу в банку и поставим на свет, динамика её популяции будет адекватно описываться двумя дифурами, легко сводимыми к одному дифуру. И эта динамика будет иметь вид S-кривой.

Если мы добавим туда инфузорий, питающихся хлореллой, у нас возникнет экосистема. Два взаимодействующих вида - это уже экосистема, хотя и крайне примитивная. Для этой экосистемы потребуется уже как минимум два дифура (или три, в зависимости от детализации), и эти дифуры обязательно дадут автоколебательный процесс. Каковой автоколебательный процесс и наблюдается в реале.

Обратите внимание, раньше была S-кривая с выходом на плато, а теперь - автоколебания.

Если мы продолжим усложнять нашу экосистему, ситуация усложнится. Появится куча теоретических режимов, хороших и разных. С затухающими колебаниями, с увеличивающимия автоколебаниями (вплоть до ситуации "система пошла в разнос и самоликвидировалась"), с апериодическими колебаниями, с хаотическим поведением... К слову, все эти режимы реализуются и в модельных, и в реальных экосистемах.

С определённого уровня сложности теоретическое исследование режимов экосистемы становится невозможным, это выходит за пределы возможностей современной математики и современной вычислительной техники. Мои знакомые мат.моделисты называют это "проклятье размерности". Выход из ситуации теоретики пока не нашли, есть ряд остроумных идей, но все идеи пока в стадии разработки. Я и сам немножко балуюсь мат.моделированием (чисто для себя, иногда анализ модели помогает понять, почему результаты эксперимента именно такие, а не другие), так что хорошо понимаю проблемы, которые ставят в тупик современных теоретиков.


Так вот, агроэкосистема, даже примитивная, на гидропонике в БСЖО - это уже такой порядок сложности, который не поддаётся адекватному моделированию. Такая система поддаётся только экспериментальному изучению, с последующей попыткой теоретически объяснить полученные результаты. Классическая ситуация "всё можно объяснить, ничего нельзя предсказать".


Временно завершаю. Потом будет небольшое продолжение экскурса в теоретическую биологию, а потом напишу, как  теория реализуется на практике. Я - не теоретик, а практик, кондовый экспериментатор, но дополнительный экскурс в теорию всё-равно будет нужен.

[Евгений Кравченко]

Как же я благодарен случаю, занесшему меня однажды на этот форум.
Сергей, не пропадайте пожалуйста никуда  
Рассказываемая вами тема очень интересна, хочется узнать как можно больше подробностей

[Сергей Хижняк]

Ещё чуть-чуть теории.

БСЖО - это замкнутая по веществу экосистема, которая в идеале должна неопределённо долго находиться в стабильном состоянии. То есть быть идеально сбалансированной, сколько чего убыло, столько и прибыло. В природе таких экосистем нет вообще.


1. Все природные экосистемы не замкнуты по веществу. Они так или иначе обмениваются с другими экосистемами (через атмосферу, через воду). Относительно замкнутой является экосистема типа "тропический лес" (к слову, это эволюционно чуть ли не самые молодые экосистемы), хотя и там замкнутость не 100%-я. Единственной замкнутой по веществу экосистемой является Биосфера планеты, хотя и там идёт подпитка за счёт дегазации мантии.

2. Все природные экосистемы, включая и Биосферу, несбалансированные. Всё время возникают дисбалансы, что-то накапливается, что-то расходуется. Экосистемы решают проблему дисбалансов за счёт сукцессии. Старая экосистема вымирает, на её месте возникает новая, и так далее. В конце, правда, возникает стабильное состояние, так называемый климакс. Но само существование климакса оспаривается. В учебниках по экологии он точно есть, сам видел. А вот в реальности климаксное состояние никогда не длится достаточно долго, так что, может, это никакой и не климакс. Биосфера тоже не сбалансирована, проблему возникающих дисбалансов она решает за счёт эволюции. Как только возник серьёзный дисбаланс - жди появления нового вида. Который этот дисбаланс ликвидирует и следом создаст новый. То есть в реальной природе - никакой стабильности, причём на любом уровне.


Кстати, когда я говорю "решает", я не подразумеваю наличия разума. Разума во всём этом не больше, чем в стакане с буферным раствором.

Итак, в БСЖО мы пытаемся создать экосистему, которая обладает свойствами, в природе не встречающимися

- полное отсутствие автоколебаний
- полная замкнутость по веществу
- полная сбалансированность по всем химическим элементам (я писал про углерод, но ещё надо балансировать азот, фосфор, серу, микроэлементы)
- полная стабильность во времени
- отсутствие эволюции.

Вопрос "а возможно ли такое в принципе?" теоретически не решён, см. сложности моделирования экосистем. Лично я бы сказал - нет, невозможно. Однако если заменить слово "полное" на "достаточное для практических нужд", то почему бы и нет? Автоколебания можно гасить искусственно или сводить к допустимому минимуму, дисбалансы ликвидировать доставкой минимального груза, стабильность на протяжении столетий нам не нужна... к тому же можно и нужно резервировать фотоавтотрофные блоки, один дестабилизировался - подключили другой, свежезапущенный... В общем, не всё так грустно.   

Всё, заканчиваю с теорией, дальше перейду к тому, как теория реализуется на практике.

[Сергей Хижняк]

[Сергей Хижняк]

Тест

[Сергей Хижняк]

Работает. Далее буду иллюстрировать свои посты кое-какими авторскими (то есть сделанными лично мной) микрофотографиями всякой живности, самовольно колонизующей БСЖО.

На данном фото - хищный микроскопический гриб Arthrobotrys oligospora, который ловит нематод, которые питаются бактериями, которые питаются корневыми выделениями пшеницы, которой питается экипаж. В доме, который построил Джек. Из перечисленных обитателей законными являются только пшеница и экипаж, остальные - незаконные иммигранты.

[Lunatik-k]

Скажите Сергей, а управлять автоколебаниями пробывали ?
Если система начала много вырабатывать чего-то, то просто притормозить её, вогнать в спячку:
типа изменять среду обитания, снизить освещение, понизить температуру, в различных объемах свое управление компонентами экосистемы.
В разных баках чрезмерно размножилась хлорелла, вогнать этот бак в спячку, размножились инфузории и им поправить среду обитания, стали голодными инфузории перекачать питание из бака хлореллы и т.д и т.п.
Совсем не обязательно надеяться на разум природы, на её самоорганизацию, ведь и человек может вмешиваться в процессы, для того ему и разум дан. 

[Bell]

И это, тема генной модификации не раскрыта )))

[Сергей Хижняк]

На данном фото справа - новорожденная ловчая петля (Л), сформированная вышеупомянутым грибом прямо в гидропонном растворе. Слева - две нематоды (Н), пойманные упомянутой ловчей петлёй. Буквой Г обозначена молодая гифа упомянутого гриба, которая растёт за счёт питательных веществ, добытых из нематод, которые выросли за счёт бактерий, которые выросли за счёт корневых выделений пшеницы, которой питается экипаж. Как уже писал, все, кроме пшеницы и экипажа - незаконные мигранты.

[Сергей Хижняк]

На данном фото - цианобактерия (вверху) и одноклеточные зелёные водоросли - родственники хлореллы (внизу), которые небезуспешно конкурируют за минеральные вещества с пшеницей, которой должен питаться экипаж. Все, кроме пшеницы и экипажа - незаконные иммигранты.

[Сергей Хижняк]

На данном фото слева - фитопатогенный гриб р. Fusarium, который незаконно питается пшеницей, которой должен питаться экипаж. Но экипажу уже ничего не достанется - см. растения справа, которыми попитался упомянутый гриб. Упомянутый гриб является не только незаконным, но и очень вредным иммигрантом.