Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2016
Ключевые слова: системы жизнеобеспечения человека, замкнутость массообмена, физико-химическое окисление, фотосинтетическая продуктивность, космическое растениеводство, биорегенерация среды, космические станции
Аннотация: В течение 2016 года были выполнены эксперименты по запуску и поддержанию круговоротных процессов экспериментальной модели замкнутой экосистемы (ЭМЗЭ) в режиме 1 и 6 месячной эксплуатации. Первый, более короткий цикл эксплуатации (до 1 месяца) был предназначен для устранения возможных проблем технологического характера, которые не уПоказать полностьюдалость выявить в 2015 году в тестовых кратковременных экспериментах продолжительностью несколько суток, а второй был предназначен для оценки характеристик круговоротного процесса в режиме более длительной эксплуатации. В задачи работы входила организация сопряженной работы фотосинтетического и физико-химического блоков ЭМЗЭ, которая бы обеспечила высокую замкнутость круговоротных процессов по газообмену, воде и твердому веществу.? В этой связи была разработана методика подачи в атмосферу ЭМЗЭ газовых выделений из реактора физико-химической установки. В первом цикле эксплуатации ЭМЗЭ проанализирован состав газа, выделяющегося при минерализации отходов человека. Было установлено, что в выделяющемся газе в больших количествах содержится молекулярный водород, а также присутствуют следовые концентрации летучих органических соединений и небольшие количества аммиака. Поскольку в таком составе полученная газовая смесь не может быть выпущена в систему, потребовалось решить проблему преобразования компонентов такой смеси в смесь, содержащую только экологически чистый газовый состав, пригодный для атмосферы, используемой для дыхания человека. После переработки газа (пропускание газа через 6 %-ный раствор азотной кислоты и окисление на платиновом катализаторе) проблема содержания в нем токсичных веществ была снята, так как летучие органические соединения и водород окислялись кислородом, выделяющимся в газовой смеси, до CO2 и H2O, а аммиак фиксировался в азотной кислоте внутрисистемного происхождения. Высокое содержание CO2 в выделяющейся газовой смеси (до 9,7 %) не оказалось проблемным, так как CO2 повышенной концентрации разбавлялся в атмосфере ЭМЗЭ и успешно ассимилировался растениями. Другая проблема была связана с высокой концентрацией О2 (до 9,7 %) в получаемой газовой смеси. Подача такой газовой смеси в атмосферу системы могло бы привести к достаточно быстрому достижению установленного верхнего порогового для человека значения концентрации кислорода – 24 – 25 %. В реальной системе жизнеобеспечения с использованием данных технологий «лишний» кислород будет связываться в ходе внутрисистемного синтеза перекиси водорода, необходимой для окисления органических отходов. В исследуемой ЭМЗЭ необходимо было провести имитацию такого связывания «лишнего» кислорода. Эксперименты показали, что наиболее приемлемым для этой цели является физико-химическое связывание кислорода дополнительно вносимым водородом (получаемом в данном процессе) на платиновом катализаторе. Использование этого подхода позволило за сутки утилизировать до 90 % кислорода от его исходного количества. Таким образом, поступление остаточного кислорода в атмосферу ЭМЗЭ привело к увеличению его концентрации внутри системы на 0,017 % ежесуточно, или на 3 % за шесть месяцев работы ЭМЗЭ, что вполне приемлемо для заданных условий функционирования ЭМЗЭ. Продолжение экспериментов в ЭМЗЭ более одного месяца постепенно выявляло ряд новых особенностей формирования газовой среды. В атмосфере системы удалось поддерживать концентрацию СО2 на уровне, не лимитирующим фотосинтетические процессы и не являющимся вредным для человека (800 – 2500 ppm). Исходя из того, что общее содержание СО2 в ЭМЗЭ составляет в среднем 344 ммоль, среднесуточное среднее потребление СО2 равно 1309 ммоль, время одного оборота (цикла) СО2 составляет 6,3 ч. Концентрация О2 не опускалась ниже 20,8 % и не поднималась выше 22,6 %. От человека в систему поступал выдыхаемый воздух, а человеку поступал воздух из системы. Таким образом поддерживали в системе концентрацию СО2 и О2 в определенных пределах, имитируя примерно 0,06 дыхательных потребностей человека. Ассимиляционный коэффициент, рассчитанный по соотношению потребления СО2 и соответствующему ему увеличению содержания кислорода в интервале после и перед подачей в ЭМЗЭ реакторного газа и дыхания человека, оказался равен 0,83. Таким образом, при среднесуточном потреблении СО2 1,2 – 1,4 моли выделялось1,4 – 1,7 моли О2, что при среднесуточной потребности человека в О2, равной 25,9 молям, соответствует 5,4 – 6,5 % от его суточной потребности. Если считать концентрацию О2 в системе лимитирующим фактором для расчета «доли человека», то созданная ЭМЗЭ соответствовала расчетной «доле человека», колебавшейся в пределах 5,4 – 6,5 %.?Источником поставки кислорода в ЭМЗЭ является фотосинтез высших растений и в незначительном количестве газ из реактора. Поэтому важнейшей задачей являлось обеспечение высокой фотосинтетической активности фототрофного звена системы. Общий урожай съедобной биомассы за цикл составлял 366 г, что соответствует ежесуточной продуктивности растительного ценоза по съедобной биомассе в 26,2 г. В результате в ЭМЗЭ выращенная съедобная биомасса могла обеспечить суточные потребности человека в растительной части диеты примерно на 6 %. Растения, выращенные в двух блоках ЭМЗЭ, могут обеспечить суточные потребности человека в углеводах на 1,7 %, в растительных жирах – на 5,5 %, в растительных белках – на 6,4 %. Эта продуктивность фототрофного звена, а также эпизодическое подключение человека в газовый контур, обеспечивали необходимый газовый баланс внутри ЭМЗЭ на расчетную долю человека. Периодичность такого подключения человека к газовому контуру определялась по пределам концентрации СО2 внутри системы, колебания которой находились в диапазоне 800 – 2500 ppm. Данный диапазон обеспечивал оптимальную фотосинтетическую активность растений при заданном уровне облученности. Время достижения нижней границы концентрации СО2 определялась скоростью его утилизации растениями. В момент ее достижения человек начинал дышать в газовый контур, за счет чего концентрация СО2 достигала верхнего запланированного уровня. При этом концентрация О2 в системе, которая возрастала из-за фотосинтеза растений, снижалась. Таким образом, за счет периодического подключения человека в дыхательный контур системы регулировалась в заданных пределах как концентрация СО2, так и концентрация О2, причем последняя оставалась в пределах 20,8 – 22,6 %.?Анализ воздушной среды ЭМЗЭ на содержание газовых поллютантов при длительной эксплуатации в течение 6 месяцев показал, что содержание метана находилось в пределах 2 – 6 мг/м3 при ПДК 300 мг/м3. Содержание оксида углерода также не выходило за пределы 2 мг/м3 при ПДК 3 мг/м3.?Отмечено, что в течение последних 2 месяцев замыкания концентрация аммиака в ЭМЗЭ увеличилась и стала составлять 0,09 – 0,11 мг/м3, что более, чем в 2,5 раза превышает ПДК. Аналогичная проблема была и с содержанием этилена, концентрация которого в системе на протяжении всего периода замыкания была более, чем в 3 раза выше ПДК, и составляла 7,5 – 10 мг/м3 при ПДК 3 мг/м3. В ЭМЗЭ отсутствовал диоксид азота, но при этом концентрация оксида азота в течение 4 месяцев была близка к среднесуточному значению ПДК и колебалась в пределах 0,04 – 0,06 мг/м3, но затем возросла и стала превышать ПДК в 1,5 – 2 раза. К моменту окончания эксперимента в воздушной среде были обнаружены следовые количества поллютантов органической природы: метиловые эфиры жирных кислот, углеводороды бензольной и фенольной групп, альдегиды и спирты, которые при более длительном сроке эксплуатации могут накопиться в более значительных количествах.?Другой важной проблемой, требующей исследований для условий многодневной эксплуатации ЭМЗЭ, явилась оценка степени стабильности минерального состава питательного раствора для растений, приготовленного на основе использования минерализованных органических отходов жизнедеятельности человека. Была изучена динамика изменений в питательном растворе для растений следующих основных элементов: Ca, K, Na, N, Mg, P, S. Источниками их поступления были минерализованные органические отходы животного и растительного происхождения. Наиболее существенным в процессе месячных наблюдении было значительное уменьшение содержания фосфора в питательном растворе, что потребовало частичного внесения этого биогена в раствор из запасов.?Для проверки методических подходов по расчету скорости и направленности потоков элементов и соединений, характеризующих степень замкнутости системы, были проанализированы минеральный состав растворов, используемых для полива растений, выращиваемых методом гидропоники на керамзите, методом водной культуры и на почвоподобном субстрате, минеральный состав корректирующих растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека и экстрактов водорастворимых соединений из соломы пшеницы, выращенной методом гидропоники на керамзите. Установлено, что в съедобной биомассе культивируемых на почвоподобном субстрате (ППС) растений калия содержится примерно в 1,5 раза больше, чем азота. Дисбаланс по остальным элементам связан, с одной стороны, с увеличением их содержания в питательном растворе (в первую очередь, Na) и с содержанием макроэлементов в съедобной биомассе, выведенной из массообменных процессов. На основании этого был сделан вывод, что для предотвращения истощения ППС по калию, в экспериментах длительностью более 1 месяца необходимо регулировать внесение несъедобной биомассы растений в субстрат в соответствии с выносом калия со съедобной биомассой растений, выращенных на этом субстрате. Поэтому для компенсации вынесенных из ППС со съедобной биомассой минеральных элементов, несъедобную биомассу растений, выращенных методом гидропоники на керамзите и методом водной культуры, закладывали в ППС в количестве, необходимом для восстановления содержания К. Плотные и жидкие выделения человека также являлись источниками минеральных элементов. Эти выделения поступали в реактор физического окисления, откуда реакторный газ после очистки поступал в ЭМЗЭ, а жидкие продукты окисления были использованы для коррекции питательных растворов для полива растений, культивируемых методом гидропоники на керамзите, восстанавливая концентрацию питательных элементов в растворе до необходимого уровня. Выращенная в ЭМЗЭ съедобная биомасса могла обеспечить суточные потребности человека в растительной части диеты примерно на 6 %. ?Одной из жизненно важных характеристик круговоротных процессов в системах жизнеобеспечения является водообмен и качество воды. Основными слагаемыми водообмена, складывающегося в ЭМЗЭ, являлось 250 мл корректирующего раствора, полученного в результате физико-химического окисления плотных и жидких выделений человека, и 250 мл отжима после замачивания соломы пшеницы. Остальная вода, в основном, содержалась в питательном растворе для растений, в биомассе растений. Так как количество воды, входящее в состав растений при конвейерном способе культивирования, величина фактически постоянная, то эвапотраспирационная вода может полностью пойти на удовлетворение как пищевых, так и бытовых потребностей человека. Общее содержание воды в ЭМЗЭ составляет 151,5 литра, а за сутки водообмен составляет 12,9 л, время одного оборота (цикла) воды составляет 11,7 суток. Если исходить из рекомендуемых потребностей человека в условиях систем жизнеобеспечения при выполнении длительных космических миссий, равных примерно 24 л, то суточный водообмен в ЭМЗЭ может удовлетворить потребности человека примерно на 50 %. Анализы показали, что содержание химических элементов (А, As, B, Be, Cd ,Cu, Fe, Mn, Zn и др.) во внутрисистемной воде либо составляет десятые-сотые доли их ПДК, либо находится за пределами чувствительности прибора. Поэтому представляется, что для применения специальных мер, предполагающих удаление таких примесей, нет оснований. ?Анализ работы отдельных звеньев ЭМЗЭ позволил определить коэффициенты замкнутости по основным биогенным элементам, а также таким важнейшим соединениям для человека как Н2O и СО2. Установлено, что замыкание более 90 % соответствует Ca, Mg, S, N, О, а также Н2О и СО2. Более низкое замыкание (84 %) зарегистрировано для К, и еще ниже (60 %) – для Р.?Поставленные на 2016 год задачи выполнены. В техническом отношении созданная ЭМЗЭ полностью соответствовала поставленным задачам. В частности, эксперименты показали, что утечки системы не превышали 1 % от общего объема камер при каждой операции перестановки растений с использованием шлюзов. Каждая такая перестановка составляла около 15 минут. При этом время возврата основных параметров среды в начальное состояние, оцениваемое по интенсивности изменения концентрации CO2 в системе (падение концентрации на 15 – 20 ppm) составляло 25 – 30 мин. Эти процессы не оказывали заметного влияния на интенсивность протекающих в системе газообменных процессов. Проверка надежности в условиях длительной эксплуатации технических блоков ЭМЗЭ, включающих системы компьютерного контроля параметров среды (температура, газовый состав атмосферы, рН растворов и др.), электрические, механические и другие узлы установки показала, что общий процент отказов системы не превысил 0,9 % от общего времени ее работы. Как правило, эти сбои были вызваны неполадками внешнего сетевого оборудования. Для интеграции в состав системы приборов газоанализаторов был спроектировано электронное устройство, позволяющее получать доступ к данным приборов газоанализаторов, а также получать визуальную информацию внутри ЭМЗЭ через сеть Интернет. Созданная ЭМЗЭ позволяет ставить и решать широкий круг задач по изучению механизмов функционирования круговоротных процессов применительно к земным и космическим приложениям.?С учетом полученных в проекте результатов предлагается набор факторов, которые при создании полномасштабных замкнутых биолого-технических систем жизнеобеспечения долговременного функционирования (до года и более) потребуют дальнейшего совершенствования ряда технологических процессов. В этой связи следует, в частности, отметить необходимость дальнейшего совершенствования технологии более глубокой очистки газового состава системы, тотального химического и микробиологического мониторинга питательных растворов, создания технологий для более высокой степени замкнутости ряда биогенов.?