Все свое ношу с собой

Потребность жить во «внеземных» условиях — на высоте, в космосе и под водой — появилась у человека относительно недавно, в XIX веке. За это время способы создания комфортной автономной среды прошли путь от баллонов с кислородом и оленьего войлока на стратостатах до физико-химических систем регенерации воздуха и воды на Международной космической станции. Сделано немало, и сегодня человек может больше года непрерывно находиться в космическом полете. Однако для освоения Луны, Марса и других планет потребуется создавать в космосе аналоги земной биосферы. Подробнее об истории и сегодняшнем дне этих разработок специально для N + 1 рассказали основатели краудфандингового проекта «435nm. Жить за пределами Земли!», члены сообщества «Твой сектор космоса».

Система жизнеобеспечения (СЖО) создает и поддерживает комфортную для человека окружающую среду во «враждебном» окружении. Конечно, свои СЖО существуют на подводных лодках или в подземных убежищах, но мы будем говорить только о «летающих» системах. Вспомним, с чего все начиналось.

Освоение стратосферы

Пятого сентября 1862 года профессиональный воздухоплаватель Генри Трейси Коксуэлл и ученый Джеймс Глэшер на аэростате Mammoth поднялись на высоту 9000 метров без кислородных приборов и чудом остались живы. Аэронавты выжили благодаря профессионализму и выдержке Коксуэлла, который в условиях кислородного голодания смог открыть газовый клапан баллона для снижения высоты.

Двенадцать лет спустя к стратосфере поднялись французы. Пятнадцатого апреля 1875 года аэростат Le Zenith с экипажем в составе Иосифа Кроче-Спинелли, Теодора Сивеля и Гастона Тиссандье достиг высоты 8600 метров. Несмотря на то, что аэронавты дышали кислородом из баллонов, на высоте около 8000 метров они потеряли сознание, и в итоге живым на землю вернулся только Тиссандье.

Следует отметить, что в этих первых полетах экипажи находились в открытых гондолах, поэтому о создании безопасной атмосферы для людей речь еще не шла.

Тем не менее, немецким воздухоплавателям Артуру Берсоному и Рейнхарду Зюрингу почти удалось достичь стратосферы, нижняя граница которой располагается на высоте 11 километров от земли. Их аэростат Preussen 31 июля 1900 года поднялся на высоту 10500 метров. Несмотря на кислородные приборы, Берсоном и Зюринг на высоте свыше 9000 метров теряли сознание и едва не погибли.

В дальнейшем было поставлено еще несколько рекордов высоты для аэростатов с открытой гондолой, но в итоге никто из воздухоплавателей-рекордсменов не выжил. Так, 4 мая 1927 года американец Хауторн Грей сумел подняться на высоту 12944 метра и благополучно спуститься, но полгода спустя, во время второго полета на ту же высоту, Грей погиб на этапе спуска из-за нехватки кислорода. Через год, 15 сентября 1928 года, в открытой кабине стратостата Espana из-за поломки кислородного прибора погиб аэронавт Бенито Моласа.

Все последующие полеты в стратосферу выполнялись уже в герметичной гондоле.

Первым стратостатом, выполненным по этой схеме, стал бельгийский FNRS-1, построенный в 1930 году швейцарцем Огюстом Пикаром. Первый свой полет Пикар совершил 27 мая 1931 года совместно с Паулем Кипфером, причем им удалось достичь высоты 15785 метров. Кстати, Пикар занимался и глубинными погружениями, в частности построил батискафы FNRS-2 и «Триес». На последнем из них его сын Жак достиг дна Марианской впадины на глубине 10916 метров.

Переход на герметичные кабины привел к необходимости не только снабжать экипаж кислородом, но и удалять выдыхаемый углекислый газ, а также регулировать влажность. В качестве источника кислорода продолжали применяться баллоны с кислородом, а для поглощения СО₂ применялись патроны с гашеной известью. Химическая реакция при этом протекала следующим образом:

Са (ОН)₂ + СО₂ —> Са (СО₃) + Н₂О.

Вслед за FNRS-1 состоялось рекордные полеты американских и советских стратостатов, например «СССР-1», который 30 сентября 1933 года установил мировой рекорд, достигнув высоты 19 километров. После войны серии уникальных запусков проводили и в Советском Союзе, и в Соединенных Штатах. Из самых последних достижений можно вспомнить прыжок Феликса Баумгартена 14 октября 2012 года, совершившего прыжок с парашютом с высоты 39 045 метров. Сейчас рекорд подъема человека над землей принадлежит Алану Юстасу, который 24 октября 2014 года достиг высоты 41 419 метров.

Но все эти полеты не привнесли в развитие систем жизнеобеспечения ничего радикального нового. В отличие от космонавтики.

Космические полеты

Первые космические СЖО создавались под влиянием опыта полетов на стратостатах. Так, Михаил Тихонравов, один из основоположников практической космонавтики и соратник Сергея Королева, писал, что вес кабины экипажа пилотируемого аппарата следует брать «согласно весу гондол для современных стратостатов».

Именно группа Тихонравова осенью 1945 года в инициативном порядке приступила к проработке ракетного пилотируемого полета на рекордную высоту. Согласно проекту, получившему название ВР-190, трофейную немецкую баллистическую ракету «Фау-2» предполагалось оснастить кабиной, пригодной для размещения двух членов экипажа, чтобы отправить их на высоту около 190 километров.

Проект не дошел до запусков с человеком на борту, но заслужил высокую оценку Королева. В рамках ВР-190 были проведены запуски собак на рекордную высоту более 100 километров. Первый такой полет состоялся 22 июля 1951 года на геофизической ракете В-1В (Р-1В), максимальная высота полета составила 101 километр. А первыми живыми существами, которые оказались в космосе «официально» (с учетом того, что микробы могли «незаконно» проникнуть на борт всех предыдущих ракет), стали мушки дрозофилы, запущенные американцами на ракете V-2 20 февраля 1947 года.

Поскольку первые баллистические полеты животных, а впоследствии и людей, были краткосрочными, их системы жизнеобеспечения не комплектовались средствами утилизации отходов жизнедеятельности. Порой это приводило к курьезам, а в орбитальных полетах без пищи и средств отправления естественных надобностей было уже не обойтись. В итоге история космического туалетостроения оказалась увлекательной и полной неожиданностей.

Первое живое существо на орбите, собака Лайка, попало туда на «Спутнике-2», который был запущен 4 ноября 1957 года. В ее гермоконтейнере были и устройства обеспечения газообмена, и запасы пищи, и первый космический туалет. К сожалению, Лайке не суждено было вернуться на Землю, так как тогда возвращать объекты из орбитального полета еще не умели. Тем не менее, на основе СЖО для «Спутника-2» была создана система для пилотируемого корабля типа «Восток», что позволило Юрию Гагарину 12 апреля 1961 года совершить первый в мире космический полет длительностью 1 час 48 минут.

На борту корабля у Гагарина был тот же состав средств жизнеобеспечения, что и у Лайки, а также у других собак, Белки и Стрелки, которые стали первыми живыми существами, вернувшимися с орбиты в прототипе «Востока-1».

Белка и Стрелка совершают полет на орбиту на борту космического корабля «Спутник-5»

Кстати, на нынешних пилотируемых кораблях серии «Союз» система жизнеобеспечения осталась принципиально такой же, какой была и на первых кораблях «Восток». В качестве средства регулирования газового состава в ней используются химические реакции следующей схемы:

4КО₂ + 2 Н₂О —> 3О₂ + 4 КОН
2КОН + СО₂ —> К₂ СО₃ + Н₂О
К₂ СО₃ + Н₂О + СО₂ —> 2 КНСО₃.

Более современные СЖО на «Союзах», помимо патронов с оксидом и гидроксидом калия, используют гидроксид лития и активированный уголь. Кроме того, на борту есть баллоны с кислородом и воздухом, а также система контроля температурно-влажностного режима.

Американцы пошли по другому пути. На всех их пилотируемых кораблях, от первого «Меркурия» до последнего «Аполлона» атмосфера была только кислородной с давлением 246 миллиметров ртутного столба (в остальном отличия были не принципиальны). Чисто кислородная атмосфера привела к тому, что во время наземной подготовки «Аполлона-1» в спускаемом аппарате заживо сгорел весь экипаж. Возможно, поэтому станция «Скайлэб» и космический челнок «Спейс Шаттл» летали с обычным воздухом на борту.

Орбитальные станции

С появлением орбитальных станций вопросы жизнеобеспечения вышли на новый уровень. Дело в том, что длительность автономных полетов космических кораблей не превышает нескольких недель. Самый продолжительный автономный полет — 17 суток 16 часов 58 минут 55 секунд — был проведен экипажем Андрияна Николаева и Виталия Севастьянова в 1970 году на корабле «Союз-9». Для таких периодов времени система жизнеобеспечения могла быть построена по расходному принципу, когда все ее компоненты использовались однократно и обратно в круговорот не возвращались.

Это позволяет отнести все системы на пилотируемых кораблях и стратостатах к системам разомкнутого типа, когда запасы кислорода, поглотителей углекислого газа, воды и прочих расходуемых веществ используются однократно. Соответственно, системы с полным или частичным повторным использованием воды, кислорода и прочих веществ, следует назвать полностью или частично замкнутыми. Например, если СЖО обеспечивает стопроцентное повторное использование воды, то система является полностью замкнутой по воде.

На сегодняшний день разработаны лишь частично-замкнутые СЖО, которые за счет различных физико-химических процессов позволяют частично вернуть в оборот воду и кислород для дыхания. Впервые они были запущены на станции «Салют-4», потом на «Салют-6», «Салют-7», работали на «Мире», а сейчас функционируют на МКС.

На советской станции «Мир», которая успешно эксплуатировалась в пилотируемом режиме с 1986 по 2000 год, была создана самая совершенная СЖО из когда-либо применявшихся в космосе. В ней безвозвратно терялось не более 10-20 процентов воды и воздуха благодаря широкому перечню регенерационных систем. Их прототипы были разработаны в рамках эксперимента «Год в земном звездолете», проходившего в 1967-1968 годах в московском Институте медико-биологических проблем (ИМБП) АН СССР, где экипаж из трех человек был изолирован на 365 суток.

Так, прибор «СРВ-К» собирал конденсат из атмосферы станции, очищал его от примесей с помощью каталитического фильтра. Устройство «СРВ-У» получало воду из мочи космонавтов путем многократной дистилляции. Полученную воду использовали для технических нужд или, например, для полива растений и смыва туалета. Кроме того, из нее же путем электролиза в установке «Электрон» получали кислород для дыхания, а получаемый водород выбрасывался за борт. Установка «Воздух» поглощала из атмосферы станции углекислоту, которая затем «выбрасывалась» за борт.

Благодаря этому на станцию достаточно было доставлять не более тонны воды в год. Сегодня на российском сегменте МКС работают похожие, но несколько упрощенные системы, которые, например, не предусматривают переработки урины, что приводит к увеличению потерь воды до 40 процентов. Тем не менее, опыт станций «Мир» и МКС показывают, что частично-замкнутые СЖО способны бесперебойно функционировать годами.

Но так происходит от того, что на орбитальную станцию принципиально возможно регулярно доставлять с Земли расходуемые компоненты СЖО. В случае с гипотетическим полетом на Марс или строительством лунной базы замыкание по воздуху и воде должно быть не частичным, а абсолютно полным. А значит, перспективы развития комплексов с замыканием круговорота веществ далеко не исчерпаны.

Полет к Марсу

Еще в 1970-е годы была проведена оценка предполагаемой длительности полета на Марс, она составила до 500 суток. Уже в наше время ученые из Института медико-биологических проблем (ИМБП РАН) на основе экспериментальных данных, полученных на станциях «Салют» и «Мир», оценили массу запасов, необходимых для полета к Марсу сроком в 500 суток экипажа из шести человек. Расчеты показали, что только расходуемых материалов необходимо почти 59 тонн!

Масса (в килограммах) компонентов СЖО (кислород, вода и пища) для марсианских экспедиций: 6 членов экипажа, длительность экспедиций 50, 100 и 500 суток (без учета массы тары, упаковки, средств хранения)

Нетрудно заметить, что для полета на Марс только воды требуется почти в пять раз больше по сравнению с массой, необходимой для пребывания шести человек в течение тех же 500 суток на МКС. Столь существенная разница объясняется тем, что на МКС вода не используется для душа, умывания, стирки белья и мытья посуды, и это радикально снижает ее массу до вполне подъемных для современной космической техники 9300 килограмм.

Однако при проектировании СЖО марсианского корабля, скорее всего, придется учитывать и душ, и другие надобности, требующие большого расхода воды. Следовательно, именно вопрос о снижении требуемых для СЖО запасов воды станет наиболее острым при организации условий для жизни и работы космонавтов. А значит, ученым придется искать способы ее использования в замкнутой системе.

Для полного замыкания цикла по кислороду, углекислому газу, воде, пище и отходам жизнедеятельности наиболее перспективным представляется развитие биологических систем жизнеобеспечения (БСЖО) с автотрофными звеньями, то есть с организмами, самостоятельно синтезирующими органические вещества из неорганических. Речь, иными словами, идет о растениях.

Работы в этом направлении в нашей стране активно велись начиная с 1960-х годов. За это время в Отделе биофизики Института физики АН СССР и в ИМБП были выполнены многочисленные эксперименты, в частности серия экспериментов «БИОС», в том числе с участием людей.

В 1964 году в рамках первого из них, «БИОС-1», удалось создать практически полностью замкнутую по воздуху и воде двухзвенную БСЖО «человек-хлорелла». В системе использовались восемнадцать литров среды с хлореллой, освещаемые тремя шестикиловаттными ксеноновыми лампами. Через два года эксперимент был расширен («БИОС-2») и стал трехзвенным: «человек – микроводоросли – высшие растения». В соседнем помещении с «БИОС-1» была установлена камера объемом 8,5 кубических метра, где сначала выращивались овощные культуры, а позже — пшеница. Хлорелла обеспечивала замыкание газообмена на 72 процента, высшие растения — на 28 процентов, и они же использовались в пищу. Общее замыкание по воде и воздуху составило 82 процента.

В 1972-1984 годах проходила серия экспериментов «БИОС-3» с участием экипажей в составе до четырех человек. Эксперименты проходили по той же трехзвенной схеме, что и в «БИОС-2». Были созданы четыре отсека общей площадью 315 квадратных метров — жилой отсек, отсек с культиваторами хлореллы и два отсека с карликовой пшеницей. В ходе эксперимента было достигнуто полное замыкание по газообмену, замыкание по воде составило 95 процентов, высшие растения также использовались в пищу, давая примерно 20 процентов необходимой калорийности. Остальное экипаж получал из обезвоженных мясных консервов.

В целом серия экспериментов «БИОС» была признана перспективной для обеспечения жизнедеятельности экипажа на будущих планетарных базах, но непригодной для использования на существующих пилотируемых кораблях из-за присущих им жестких ограничений на массу, габариты и энергопотребление. В частности, свободный объем существующего пилотируемого космического корабля «Союз» с тремя космонавтами на борту составляет всего 8,5 кубометра при выработке электроэнергии мощностью 1 киловатт, в то время как в «БИОС-3» для выращивания микроводорослей совместно с высшими растениями из расчета на трех человек требовался гораздо больший объем и не менее 200 киловатт электроэнергии.

За рубежом также проводился ряд исследований, связанных с развитием БСЖО. Так, с 1984 года NASA разрабатывала мобильный проект BioHome, рассчитанный на одного человека, с замыканием по воздуху и отходам человеческой жизнедеятельности с помощью высших растений (степень замыкания неизвестна). В 1987 начался проект Melissa по разработке БСЖО из микроводорослей и аэробных микроорганизмов. В настоящее время в Независимом университете Барселоны проводится эксперимент по снабжения кислородом «экипажа» из трех крыс за счет микроводорослей. Степень его замыкания неизвестна.

В 1991–1994 годах Университет Аризоны проводил проект Biosphere 2 на изолированном участке площадью 1,5 гектара, моделирующем тропический лес, океан, пустыню, саванну и мангровый эстуарий. Экипаж состоял из восьми человек, но в целом эксперимент был признан неудачным из-за неконтролируемого размножения микроорганизмов и насекомых, приведшее в резкому повышению расхода кислорода и снижению его уровня в воздухе.

Одним из наиболее успешных стала серия экспериментов CEEF японского Института окружающей среды. В них исследовались замкнутые экосистемы на основе высших растений, в том числе с экипажами до двух человек и двух коз, продолжительностью до четырех недель. Особенностью проекта стало использование комбинации искусственного и естественного освещения для культивации растений. Замыкание по растительной пище для людей составило 95 процентов, для коз — 100 процентов, замыкание по воздуху и воде было полным.

Еще одну масштабную серию экспериментов Yuegong-365 в 2012 году запустило Китайское космическое агентство. В них участвуют экипажи в составе до четырех человек, которые находятся в изоляции длительностью до года. Для производства кислорода они используют высшие растения, а также перерабатывают отходы с помощью мучных червей, которых затем потребляют в пищу, что частично восполняет потребность в животном белке. Достигнуто практически стопроцентное замыкание по воздуху и воде, по пище — на 55 процентов, замыкание системы по массообмену составляет 97 процентов, а среднесуточное потребление установки — 58,75 киловатта.

В целом, исследования БСЖО выглядят весьма перспективными как для космического применения, так и для наземного. На Земле замкнутые биосферы могут использоваться для научных целей, например для изучения влияния отклонений окружающей среды на состояние биосферы, или для практических надобностей — к примеру, они могут служить прототипами домов без отходов или прообразами высокотехнологичных городских ферм для выращивания овощей и фруктов.

Можно сказать, что в общих чертах фундаментальная проблема создания замкнутой искусственной биосферы решена, и теперь требуется найти ее наиболее оптимальные инженерные воплощения.

Александр Шаенко