Международная лунная посещаемая платформа

Автор Salo, 27.06.2016 14:18:40

« назад - далее »

0 Пользователи и 1 гость просматривают эту тему.

Сергей Хижняк

P.S.
Касательно китайцев. Лично у меня сложилось странное впечатление от последнего визита. Если раньше я там всё время работал, то в этот раз мы почти неделю только языками трепали. Один день - наши и китайские презентации, один день - что-то типа круглого стола, потом немножко работа в группах по интересам, и всё. Остальное время вообще ни о чём. При этом нас было шестеро (трое москвичей и трое красноярцев), самая сильная одновременная команда за всю историю. Я так и не понял, зачем нас собирали. Единственное удовольствие - с московскими коллегами пообщался, как-то так получилось что мы с ними в основном в Пекине и общаемся. :D 

Сергей Хижняк

Цитироватьtestest написал:
Рассказывайте, конечно.
Только сейчас заметил.

Расскажу в ближайшие дни. В качестве основы, если не читали, советую почитать здесь.
http://www.ibp.ru/img/NK2014-07-Lunar_palace.pdf
Самый качественный научпоп на тему БИОС-3 и Юэгун-1, который я встречал. Искреннее уважение автору. Кстати, моя фамилия там тоже упоминается, но я не из-за этого рекомендую.  :D  А я потом дополню. Обычно в научпопе пишут про достижения, но не пишут про проблемы. Я расскажу про проблемы и возможные перспективы. Заодно немножко расскажу про европейский проект (у NASA ничего достойного упоминания нет, достойное упоминания есть только у китайцев, у нас и у ESA).

Сергей Хижняк

Ближайшие дни наступили прямо сейчас, поскольку работать (многочисленную) работу категорически не хочется. Так что - серия постов на тему "биорегенеративные системы жизнеобеспечения, они же БСЖО, они же bioregenerative life support systems, они же BLSS, они же closed ecological life support system, они же CELSS, они же биолого-технические системы жизнеобеспечения человека, они же БТСЖО, они же - частный случай искусственных экосистем для будущих внеземных поселений". Буду рассматривать три ведущих на сегодняшний момент проекта. 1) Российский, являющийся продолжением советского БИОС-3; 2) китайский, фактически являющийся технологически продвинутым наследником того же БИОС-3; 3) европейский проект MELiSSA, который идёт своим альтернативным путём.

Проект "Биосфера-2" рассматривать не буду, поскольку это была предпринятая на частные деньги антинаучная попытка запихнуть под купол все какие есть биомы (от тундры до джунглей и пустынь), заведомо обречённая на провал. Впрочем, насколько знаю, американские коллеги на успех и не рассчитывали, они просто воспользовались случаем потренироваться по принципу "это не деньги налогоплательщиков, так что почему бы и нет".

Буду говорить не столько о достижениях, сколько - о проблемах и возможных путях и сроках их решения.
Моё знакомство с вопросом - изнутри, в качестве микробиолога с фитопатологически-сельскохозяйственно-биотехнологическим уклоном, активно участвующего в российском проекте (руками и мозгами), и спорадически - в китайском (руками, мозгами, и, немножко, подготовкой кадров).

Биологическая основа. Крайне упрощённо, но с сохранением сути.
Жизнь на планете Земля основана на углероде. Поэтому в первую очередь, как и принято, буду рассматривать цикл углерода. Циклы остальных биологически важных элементов (N, P, S и микроэлементы) рассмотрю позже. В грубом приближении жизнь на Земле существует за счёт двух главных реакций.
1) CO2 + H2O + энергия света > органика + O2
2) органика + O2 > CO2 + H2O + энергия
Реакция (1) носит название "кислородный фотосинтез", реакция (2) носит название "кислородное дыхание". Есть и другие варианты фотосинтеза и дыхания (хорошие и разные), а также способы получения живыми организмами вещества и энергии без фотосинтеза и без дыхания (тоже хорошие и разные), однако именно кислородный фотосинтез и кислородное дыхание лежат в основе функционирования современной земной биосферы.

Организмы, осуществляющие реакцию (1), называются "фотоавтотрофы". В БСЖО они составляют "фотоавтотрофный блок". Организмы, осуществляющие реакцию (2), называются "гетеротрофы". В БМЖО они составляют "гетеротрофный блок". Основным (в идеале - единственным) компонентом гетеротрофного блока должен быть экипаж.

В идеале ситуация выглядит так. Фотоавтотрофный блок производит съедобную биомассу из CO2, воды и отходов жизнедеятельности экипажа, в качестве побочного продукта выделяет кислород. Экипаж потребляет биомассу и кислород, и выделяет CO2 и прочие отходы жизнедеятельности. Вещество (углерод и прочие химические элементы) крутится внутри системы сколь угодно долго за счёт внешнего источника энергии. Внешний источник энергии необходим, поскольку наука термодинамика требует, чтобы часть энергии необратимо улетала в виде тепла. А все живые организмы к науке термодинамике относятся с уважением.

Итак, идея была очень простая. Техническая реализация  тоже выглядела простой, поскольку в фотоавтотрофном блоке предполагалось использовать одноклеточных, которые очень легко культивируются. Установки в виде биореакторов получались очень компактными (вплоть до возможности размещения на борту тогдашних пилотируемых КА) и очень легко управляемыми. Рассматривался вопрос и об использовании хемоавтотрофов (водород-окисляющих бактерий) вместо фотоавтотрофов, тогда получалось ещё производительнее и ещё компактнее. Засады начались практически сразу. Продолжение следует.

Bell

ммм...а где тут поставить 5 плюсов?  :oops: 
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

Сергей Хижняк

Продолжение на тему "биорегенеративные системы жизнеобеспечения, они же БСЖО, они же много разных названий, хотя реальных проектов всего три".

Итак, сначала всё казалось настолько просто, что реализацией советского (и на тот момент единственного в мире) проекта занялась всего одна лаборатория в Институте физики СО АН СССР в Красноярске. Когда начались сложности, эта лаборатория выросла в целый отдельный Институт биофизики. В настоящее время БСЖО опять занимается всего одна лаборатория, но уже в Институте биофизики. А остальной Институт биофизики живёт самостоятельной жизнью.  :D 
Главная и принципиальная сложность связана с человеческой биохимией. Выяснилось, что человек не может питаться одноклеточными. Как добавка к рациону - да, как основной (тем более - единственный) рацион - нет. У одноклеточных - чрезмерно высокое содержание нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), как следствие - отношение азота к углероду слишком высокое. Наш организм на такое не заточен. В подробности биохимии вдаваться не буду, скажу только, что в древнем Китае была такая казнь. Приговорённого кормили только мясом (там тоже отношение азота к углероду слишком высокое), и он от такой диеты умирал. Южные народы восполняют нехватку углерода фруктами и овощами, северные - жиром. Так вот, если космонавтов кормить только одноклеточными, получится китайская казнь. Есть способы избавиться от избытка азота в одноклеточных, но эти способы порождают целый букет новых проблем. В итоге от одноклеточных отказались совсем.


А жаль. Культивирование одноклеточных осуществляется очень просто, их рост подчиняется очень простым математическим моделям (даже модель из двух дифуров во многих случаях даёт до отвращения адекватные результаты, а при необходимости дифуры можно и добавить), процессом очень легко оправлять, биореакторы на одноклеточных дают фантастическую продуктивность, процессы легко масштабируются (сделал реактор побольше либо поставил дополнительный реактор). Короче, сплошные плюсы с точки зрения биотехнолога, за исключением одного минуса - одноклеточных нельзя использовать в качестве основного рациона для человека.

Ну и ещё одноклеточные не сказать, что вкусные. Старшие коллеги (те, кто стоял у истоков и продолжает работать здесь и сейчас) рассказывают, как испытателям тайком передавали всякие специи и прочие пищевые добавки. Поскольку без специй хлорелла (одноклеточная водоросль, на которую в основном и ориентировался советский проект, хотя рассматривались и альтернативы, тоже одноклеточные) через месяц в них не лезла ни в каком виде. На мой вкус, хлорелла не противная - я её пробовал, трава-травой. Но, полагаю, через месяц такой диеты она в меня тоже не полезла бы. Бактерии (я их тоже пробовал в студенчестве) гораздо вкуснее, чем хлорелла. Правда, при питании бактериями возникает проблема с клеточной стенкой, надо разрушать ультразвуком, иначе не переварится... В любом случае, вкус хлореллы и клеточные стенки бактерий - дело преодолимое, а вот человеческая биохимия - это непреодолимое препятствие.

Итак, от одноклеточных отказались и переключились на диету, состоящую из привычных для нашей биохимии высших растений. БИОС-3 базировался на высших растениях и (чисто по инерции, для дополнительного производства кислорода) немножко на одноклеточных водорослях. Юэгун-1 в фототрофном звене вообще использует только высшие растения.

При переходе на высшие растения сразу возник целый ворох новых проблем. Некоторые из них уже решены, некоторые решаются здесь и сейчас, некоторые, на мой взгляд, носят принципиальный характер. Принципиальный характер означает, что непонятно, могут они вообще быть решены, или нет. Мат.моделирование однозначного ответа не даёт. Хотя на простых моделях, которые я пишу для студентов в учебно-тренировочных целях, решение находится - но это не настоящие модели, а учебно-тренировочные, в стиле сферического коня в вакууме.

Про проблемы современных систем типа БИОС-3/Юэгун-1, а также про проблемы альтернативы в виде MELiSSA - в следующий раз. Пока рекомендую запустить в Гугле поиск картинок по запросу MELiSSA ESA. У них очень красивые картинки. Правда, реальность там далеко не такая красивая.  :D 

Bell

Извиняюсь за провокационность вопроса, но актуальна ли вообще проблема?

Очевидно, что замкнутая биосфера рассматривается как альтернатива для предварительных запасов и/или снабжения извне. Но каковы современные объективные оценки таковых запасов на 1-го человека в единицу времени? После какого срока автономности замкнутое самообеспечение становиться выгоднее запасов? Ведь все эти оранжереи, системы воздухо- и водообмена с фильтрами и пр., чисто конструкции - это все очень ощутимо весит. Причем, явно, чем меньше экипаж, тем дороже на каждого члена, а в обозримой перспективе 100-1000 человек на Марс и Титан запускать не собираются.
Короче, в чем выгода и какова она?
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

Владимир Добров

ЦитироватьСергей Хижняк написал:
Выяснилось, что человек не может питаться одноклеточными. Как добавка к рациону - да, как основной (тем более - единственный) рацион - нет. У одноклеточных - чрезмерно высокое содержание нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), как следствие - отношение азота к углероду слишком высокое
А не рассматривался ли вариант подвинуть это соотношение в сторону углерода с помощью генной инженерии или селекции? И т.к. скорее всего да - то почему это не сработало?

Bell

#1827
ЦитироватьВладимир Добров написал:
почему это не сработало?
Потому что генные опыты на людях запрещены ))))

А если серьезно, то в 70-х и даже в 80-х этим вообще не занимались, очевидно.
Хотя конечно, идея использовать генномодифицированных кроликов с фотосинтезирующими ветвистыми зелеными ушами лежит на поверхности...
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

testest

ЦитироватьСергей Хижняк написал:
биорегенеративные системы жизнеобеспечения
Спасибо большое. Жаль хлореллу.

Bell

Кстати, еще по поводу численности экипажа, то есть потребителей этой ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ системы.
Экспериментально установлено, что 2 человека на орбитальной станции бОльшую часть времени тратят на обслуживание систем и всякие сопутствующие работы, не связанные с целевой деятельностью. То есть они чисто поддерживают ОС в рабочем состоянии. И только при наличие третьего появляется возможность делать что-то прикладное.

Натуральное хозяйство в отдельно взятой пробирке - это замечательно, но кхм... надо бы на сторону продукт отгружать :)
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

testest

#1830
ЦитироватьBell написал:
Извиняюсь за провокационность вопроса, но актуальна ли вообще проблема?

Очевидно, что замкнутая биосфера рассматривается как альтернатива для предварительных запасов и/или снабжения извне. Но каковы современные объективные оценки таковых запасов на 1-го человека в единицу времени? После какого срока автономности замкнутое самообеспечение становиться выгоднее запасов? Ведь все эти оранжереи, системы воздухо- и водообмена с фильтрами и пр., чисто конструкции - это все очень ощутимо весит. Причем, явно, чем меньше экипаж, тем дороже на каждого члена, а в обозримой перспективе 100-1000 человек на Марс и Титан запускать не собираются.
Короче, в чем выгода и какова она?
Ну, если говорить про 100%-ную замкнутость, то, наверное, она и не нужна. Но та степень замкнутости, что есть на МКС, никуда не годится.

Скажем, будет создана база на Луне с защитой от радиации, и какая-никакая гравитация там тоже будет. На такой базе смогут жить десятки человек больше чем по году. Доставка на Луну - это куда дороже, чем на НОО, поэтому пищу желательно выращивать на месте. Но если мы начинаем выращивать пищу, то начинаются те же проблемы, которые ученые пытаются решить при создании полностью замкнутой системы - получение отсутствующих элементов и вывод лишних.

Bell

#1831
Цитироватьtestest написал:
Ну, если говорить про 100%-ную замкнутость, то, наверное, она и не нужна.
Ну она практически и невозможна. Потому что животные белки на грядке не растут, даже гидропонной. Хотя, блин, конечно, есть генная инженерия...
А какая нужна и почему?

1. Круговорот кислорода нужен обязательно. Возить в сравнительно компактном жидком состоянии сложно из-за температуры, а в сжатом газообразном - дорого. И даже если его добывать на месте из воды (полярно-лунной и подземно-марсианской), то это 1) будет расходование ценного невозобновляемого ресурса, 2) потребует системы удаления СО2 из замкнутой атмосферы, что само по себе что-то весит и стОит. Поэтому очень привлекательно сделать просто циркуляцию воздуха через оранжерею, где хлорелла сама собой решит все проблемы.

2. По воде тоже очень выгодно - человек потребляет внутрь и иным образом использует очень много воды, а очистка даже простыми физическими способами типа обратного осмоса дает 99%ный результат (причем, 9-ки после запятой по вкусу).

3. Остается только еда, причем по массе/объему именно в таком порядке. И вот тут начинаются вопросы. Человек в год потребляет порядка 0,7-0,8 тонн ОБЫЧНОЙ еды (я тут погуглил чуток). В которой очень много воды, ну на глаз 2/3 как минимум. Поэтому поиграв с рационом и используя обезвоживание полуфабрикатов можно в разы уменьшить ГОДОВОЙ запас еды на каждого члена экипажа. А вода у нас замкнутая (ну почти, процентов 95 наверно).


Если, например, на Марс летят 6 человек на 2,5 года, то им нужно взять собой всего 12 т ОБЫЧНОЙ еды. А сублимированной и спецрациона - 4-5 т. Это порядка 1% общей массы экспедиционного комплекса.
А сколько будет весить оранжерея для выращивания ну хотя бы огурцов, помидоров, лука и картошки? Которую, кстати, надо обслуживать и которая будет потреблять энергию. Вот в чем вопрос...
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

Bell

А, еще остается удаление отходов.
Но это совсем не проблема - космос большой и места там много. Тем более, что целый ряд вещей просто придется выбрасывать по истечению срока эксплуатации.
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

testest

ЦитироватьBell написал:
Если, например, на Марс летят 6 человек на 2,5 года, то им нужно взять собой всего 12 т ОБЫЧНОЙ еды. А сублимированной и спецрациона - 4-5 т. Это порядка 1% общей массы экспедиционного комплекса.А сколько будет весить оранжерея для выращивания ну хотя бы огурцов, помидоров, лука и картошки? Которую, кстати, надо обслуживать и которая будет потреблять энергию. Вот в чем вопрос...
Вопрос в областях применения. ИМХО, в исследовательских экспедициях она не нужна, если это не полет во внешнюю Солнечную систему. Замкнутая биосфера нужна на планетарных базах, экипаж которых достаточно велик для того, чтобы ввести разделение труда.


Bell

Цитироватьtestest написал:
Вопрос в областях применения. ИМХО, в исследовательских экспедициях она не нужна
По кислороду и воде на уровне 95% - обязательно! Травка-огурчики - ну чисто для поддержания морального духа.

Цитироватьtestest написал:
если это не полет во внешнюю Солнечную систему
Даже там полной замкнутости не нужно.

Цитироватьtestest написал:
 Замкнутая биосфера нужна на планетарных базах, экипаж которых достаточно велик для того, чтобы ввести разделение труда.
Кхм... когда ж это будет?...
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

Bell

Вот крайне полезно было бы изобрести "хлорелльный куб", который втыкаешь в розетку, подключаешь к воздуховодам и он перерабатывает СО2 на О2.
Иногда мне кажется что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун

Дмитрий Виницкий

ЦитироватьBell написал:
Вот крайне полезно было бы изобрести "хлорелльный куб", который втыкаешь в розетку, подключаешь к воздуховодам и он перерабатывает СО2 на О2.
Без всякой хлореллы https://newatlas.com/caltech-reactor-convert-co2-oxygen/59869/
+35797748398

hlynin

ЦитироватьBell написал:
Потому что генные опыты на людях запрещены ))))
Это не остановит.

hlynin

ЦитироватьСергей Хижняк написал:
Продолжение на тему "биорегенеративные системы жизнеобеспечения, они же БСЖО, они же много разных названий, хотя реальных проектов всего три".
У меня чисто исторический вопрос - почему Красноярск? Я бывал в Красноярске, даже по Столбам успел полазить. Ничего себе город (я там впервые в жизни ел бананы). Но столицей науки считался Новосибирск, ракетостроение - это Омск, образование - Томск.