В 1916 году Константин Циолковский закончил повесть "Вне Земли", в которой группа ученых отправляется в путешествие к Луне и астероидам. Выйдя на орбиту Земли, путешественники разворачивают надувной модуль и устанавливают в нем цилиндр, наполненный почвой. Он становится основой оранжереи, в которой растут практически все необходимые космонавтам растения — от овощей до карликовых яблонь. Сама же модуль-оранжерея становится основой замкнутого биологического цикла: она соединяется с кораблем двумя трубками, одна из которых поставляет кислород, по второй из корабля удаляются углекислый газ и человеческие выделения. Циолковский оказался провидцем: подобная цилиндрическая оранжерея уже построена.
Фото: Jasper Nance/ flickr.com
Фото: Фотолетопись Института физики им. Л.В. Кириенского СО РАН
Фото: Фотолетопись Института физики им. Л.В. Кириенского СО РАН
Фото: Фотолетопись Института физики им. Л.В. Кириенского СО РАН
Фото: Фотолетопись Института физики им. Л.В. Кириенского СО РАН
Фото: Фотолетопись Института физики им. Л.В. Кириенского СО РАН
Фото: Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП)
Фото: Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП)
Фото: Dave Bezaire/ flickr.com
Руководитель проекта "Витацикл" Юлий Беркович из Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, предполагает, что космическая теплица будет готова к отправке на МКС в 2020-2021 годах. Эта цилиндрическая оранжерея намного меньше, чем в повести Циолковского, в ней планируется выращивать только салатные культуры, и она не может служить ключевым звеном замкнутого биологического цикла. Но ученые уже сейчас прорабатывают проекты будущих космических оранжерей, которые сделают орбитальные или лунные станции хотя бы частично независимыми от поставок с Земли.
Глобальная идея: замкнутый цикл
Сто лет назад Циолковский предполагал, что, установив на космическом корабле оранжерею, можно создать некое подобие искусственной биосферы.
В середине ХХ века несколько крупных экспериментов по созданию искусственной замкнутой биосферы показали, что задача намного сложнее, чем считал Циолковский.
Первыми попытками создать замкнутую экологическую систему были проекты БИОС в красноярском Институте биофизики. В 1964 году в эксперименте "БИОС-1" ученые создали систему из двух звеньев "человек--водоросли": использовалась одноклеточная водоросль хлорелла, которая вырабатывала кислород и поглощала углекислый газ. Испытуемый прожил в герметично закрытом помещении 45 суток, но полностью замкнутой такую систему считать нельзя: она не обеспечивала человека едой и не перерабатывала выделения.
Параллельно был проведен ряд успешных экспериментов системы "водоросли--человек" в Институте медико-биологических проблем, показавший, что водорослевые реакторы могут на 100% регенерировать воздух и почти на 90% утилизировать отходы человека — мочу. Тогда же стали очевидны и недостатки этих систем: они не регенерировали остатки пищи, а биомасса хлореллы могла вызывать аллергию. В 1965 году в эксперимент ввели высшие растения — пшеницу и овощи. Были получены отличные урожаи пшеницы — в несколько раз больше, чем в естественных условиях.
А в 1972 году, во время лунной гонки, начался самый масштабный эксперимент серии — "БИОС-3". В подвале Института биофизики был построен герметичный бункер объемом 315 кубометров. В нем были жилая и рабочая зона для трех членов "экипажа", емкости с хлореллой и два отсека с растениями. Эксперимент длился 180 дней, три добровольца дышали воздухом, который вырабатывали растения, ели выращенные ими овощи, пекли хлеб из собственноручно выращенной пшеницы, а также пили воду, которая проходила многократные циклы очистки. Экипаж обеспечивал себя пищей на 80%, лишь белковую пищу испытуемые получали из консервов и сублимированного мяса. Как показали медицинские исследования, ни такой рацион, ни использование переработанного воздуха и воды не сказались на здоровье.
Эксперимент "БИОС-3" был многообещающим. Ученые были готовы продолжать работу, но после проигрыша лунной гонки государство уже не интересовалось этой темой. Работы по созданию замкнутых биосистем жизнеобеспечения были свернуты. Сейчас в Красноярском научном центре на базе БИОС ведутся исследования по отработке новых технологий замыкания цикла, есть планы опробовать наработанные технологии переработки органических отходов в новом масштабном эксперименте, но для этого требуется соответствующее финансирование. Зато опыт БИОС-3 был учтен китайскими учеными: в 2014 году они провели похожий эксперимент в модуле "Юэгун-1", который был построен при активном участии красноярских ученых.
Космические ограничения
Пока одни ученые пытались построить автономную биосферу на Земле, другие проверяли, как отдельные элементы такой биосферы будут вести себя в космосе. Началась работа по созданию космических оранжерей.
Тысячелетний опыт садоводов и огородников тут помогал мало, потому что условия на орбитальных станциях сильно отличаются от земных — при выращивании надо принимать в расчет невесомость, ионизирующее излучение, ограничения по использованию воздуха, воды и электроэнергии. Да и солнечный свет, в отличие от Земли, на космических оранжереях использовать не получается. Растениям необходим суточный цикл освещения, а орбитальные станции, вращаясь вокруг Земли, имеют совсем другой цикл: 60 минут — свет, 30 минут — темнота. В межпланетных и лунных полетах к этому добавляется отсутствие магнитного поля и большая доза радиации. Есть ограничения и по подбору растений для космоса: они должны быть не ядовитыми и не аллергенными. Все оранжереи, которые когда-либо работали на орбитальных станциях, были созданы с научными целями, и поэтому их объем весьма небольшой. Это обстоятельство накладывало третье ограничение: растения должны быть маленькими.
Эволюция оранжерей
Первые космические эксперименты по выращиванию растений были самыми простыми — например, прорастить семена; причем не было ни специальных устройств, ни освещения (для него использовались бортовые светильники), не было специальной подготовки космонавтов. Как отмечают ученые, такой подход чаще приносил отрицательные результаты: растения погибали или развивались неправильно.
Первые оранжереи полетели на кораблях "Восход" в 1960-х годах. Они были очень простыми и напоминали пластиковый стакан с крышкой. Над стаканом помещали на кронштейне светильник, в нижней части стакана находился субстрат, в который помещали семена или луковицы. "Стакан" и "крышка" завинчивались таким образом, что через мембрану растение могло дышать. Никакой механики: космонавт вручную увлажнял субстрат, вспрыскивая отмеренную дозу воды. Тюльпаны и гиацинты прорастали, но не цвели, к тому же были проблемы с доставкой растений на Землю: при посадке они испытывали те же перегрузки, что и космонавты, и были случаи, когда растение возвращалось в не очень подходящем для исследования виде.
Следующим этапом было создание оранжерей "Оазис". Это была уже основательная конструкция: с вегетационной камерой, в которой можно было установить на нескольких уровнях кюветы с растениями, с блоком освещения и блоком управления.
Игорь Подольский, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИМБП РАН, рассказывает: "На "Оазисах" появился дозатор, корневой модуль стал больше, немного возросла интенсивность света. Был установлен ручной насос, чтобы космонавт мог заправить дозатор и поливать корневой модуль. Но полив осуществлялся все равно вручную — космонавту давалось указание, и он с помощью тумблеров поливал субстрат и включал аэрацию. Ученый приезжал в ЦУП и писал радиограмму, например "полить" или "посеять", которую передавали на станцию. Лишь изредка удавалось поговорить пару минут. Поэтому оценить результаты эксперимента специалисты могли только после того, как он был завершен".
По воспоминаниям космонавта Георгия Гречко, не все получалось сразу: "Вода не поступала туда, куда было нужно, затем стали срываться огромные капли, и за ними пришлось гоняться с салфетками". Но именно в оранжереях серии "Оазис" были получены интересные результаты — выращены взрослые, 23-дневные растения гороха. Правда, цвести они по-прежнему отказывались.
Неудачи породили теорию, что растения в принципе не могут развиваться в условиях невесомости, так как разобщаются функции, нарушается транспорт гормонов, и поэтому растения не могут ни расти, ни плодоносить.
Впервые удача пришла в 1982 году, когда в последней модификации "Оазиса" зацвел арабидопсис. В оранжерее "Фитон" на станции "Салют-7" в 1982 году арабидопсис прошел полный цикл развития и дал семена. Это была первая победа в деле космического садоводства и огородничества, за которой снова последовала череда неудач: растения вновь не давали семян ни в экспериментах на спутниках, ни в экспериментах на станции. До выращивания полноценных растений и получения урожая все еще было далеко.
Первой автоматической оранжерей стала оранжерея "Свет", созданная в соавторстве с болгарскими учеными и установленная на станции "Мир". Но назвать ее автоматической можно лишь с оговорками: автоматика управляла сменой "дня" и "ночи", а полив так и остался ручным.
Автоматизация полива — основная проблема, с которой сталкивались все инженеры оранжерей. Если в первых оранжереях автоматически лишь задавался фотопериод (смена "дня" и "ночи"), то с автоматическим поливом было намного сложнее. Из-за невесомости растения нельзя поливать так же, как на Земле. Корни растений в космических оранжереях находятся в корневом модуле, который тщательно закрыт, чтобы частицы субстрата не попали в воздух. Чтобы высадить растения, в прорезь, плотно прикрытую складками ткани, которая хорошо распределяет влагу, вставляют планку с наклеенными семенами.
Вторая проблема, с которой столкнулись исследователи,— это непонимание, как распределяется вода в прикорневом слое в условиях невесомости. Вода могла собираться в одном месте, и в итоге образовывались пересушенные и переувлажненные участки. Сначала ученые предположили, что с этой задачей справится установленный в оранжерее термоимпульсный влагомер: если с его помощью можно было получать данные о том, сколько воды находится в корнеобитаемом слове, то на их основе можно создать автоматическую систему полива. Но, как выяснилось в ходе эксперимента, для решения этих задач были нужны другие датчики. Их создали намного позже.
"Термоимпульсный метод,— говорит Игорь Подольский,— в котором датчик подает тепловой импульс для замера влаги, оказался совершенно неподходящим. Небольшой импульс плохо зондировал почву и не мог адекватно измерить содержание влаги. Но большой импульс на почву тоже было подать нельзя — он мог обжечь корешки, более того, в условиях космического полета он мог привести к перераспределению влаги. Когда мы это поняли, то решили проверить, насколько датчик правильно дает показания. И когда мы увидели, сколько воды было подано по данным датчика, то оказалось, что это было очень мало. Но мы же знаем, сколько нужно накачать воды в корнеобитаемую среду! И тогда мы сказали космонавтам: "Забудьте про датчик, будем поливать вручную",— и, как в предыдущих экспериментах, снова радиограммами вели весь цикл вегетации".
В первых экспериментах по выращиванию суперкарликовой пшеницы и гороха, которые космонавты проводили на станции "Мир", растения выросли, но оказались абсолютно стерильны. Своеобразный результат дали эксперименты и с гибридом дикой капусты: растения взошли и дали семена, но вместо 25 см в высоту они достигли лишь шести. Как выяснилось позже, на рост растений и на стерильность повлияла высокая концентрация этилена. Поэтому для второго эксперимента с пшеницей ученые ИМБП решили подобрать сорт, менее чувствительный к этилену. Второй эксперимент оказался удачным, и космонавты вырастили пшеницу первого и второго поколения.
Маргарита Левинских, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории биологических систем жизнеобеспечения в экстремальных условиях ИМБП РАН, рассказывает: "Эксперименты с пшеницей и горохом стали прорывом: впервые были получены семена пшеницы сначала первого, а затем второго поколения. Эти эксперименты дали ответ на вопрос, почему первый опыт оказался неудачным, когда растения давали колосья, в которых не было ни одного зерна. Мы установили причину: на "Мире" не было фильтров с каталитическим сжиганием примесей, и в воздухе накапливался этилен. Он является очень мощным фитогормоном — например, повышенную концентрацию этилена применяют для того, чтобы вызвать стерильность пыльцы. Ее развитие замирает на одноядерной стадии, не происходит дальнейшего деления, и семян такое растение дать в принципе не может. На Земле был проведен контрольный эксперимент, который подтвердил эти данные — без очистки ни о каких семенах говорить не приходится. Сейчас на МКС другой вообще принцип очистки воздуха, что и позволило в эксперименте 2011 года, когда выращивали пшеницу, получить семена очень хорошего качества — у нас не всегда на Земле такие семена получают".
По-настоящему автоматической стала лишь оранжерея "Лада", созданная совместно с Университетом штата Юта для экспериментов на МКС в 2000-х годах. "Лада" была проверена на устойчивость к вибрации и на электромагнитную безопасность и оснащена совершенно другим набором датчиков: кроме измерителей влажности в прикорневом слое, здесь были впервые установлены датчики изменения концентрации кислорода, углекислого газа, давления. На трех уровнях изменялись температура и интенсивность света.
"Благодаря этим экспериментам мы поняли, как можно создать автоматический полив,— объясняет Подольский.— В вегетационном сосуде "Лады" было установлено шесть датчиков, алгоритм усреднял показания по всему объему, и космонавты могли устанавливать среднее влагосодержание в течение эксперимента. Все выращивалось в автоматическом режиме. В зависимости от требований растений мы могли устанавливать фотопериод. Мы выращивали горох, редис, салат, для пшеницы ставили круглосуточное освещение".
Новая усовершенствованная оранжерея типа "Лада" с новыми светодиодными светильниками и полностью автоматической системой управления отправилась на МКС в декабре 2016 года на борту грузового корабля "Прогресс МС-04". Но грузовик не долетел до станции, во время запуска произошла авария — и он упал на территории Тувы.
Лунные базы и марсианские сады
Эксперименты с оранжереями на орбите позволили сделать следующий шаг — создать большую установку, которая будет снабжать космонавтов свежей зеленью. Работа над цилиндрической оранжереей "Витацикл" началась еще в 1990-х годах. Сейчас создан работающий прототип, посевная площадь которого составляет 0,48 м2. Это камера с вращающимся цилиндром внутри. В цилиндре — почвозаменитель и кюветы для растений. Цилиндр медленно вращается внутри камеры, на внутренней поверхности которой находятся светодиодные лампы. Космонавты в ходе эксперимента будут высаживать посадочную планку с наклеенными семенами. На следующем шаге цилиндра растения будут высаживаться в следующую кювету, и так до тех пор, пока не будет заполнена вся поверхность цилиндра. К тому моменту, когда цилиндр сделает два оборота, салат вырастет, и космонавту останется лишь открыть люк камеры, срезать салат, а на его место вставить следующую планку с семенами — все это займет несколько минут. Через 72 дня почвозаменитель необходимо сменить, потому что в нем истощатся минеральные элементы, а самое главное — он зарастет корнями, поэтому в комплект будет входить запасной кювет с субстратом.
В ИМБП разработан и аванпроект овощной оранжереи для марсианского транспортного корабля, основанной на принципах "Витацикла", но ученые не слишком оптимистично настроены по отношению к экспедициям к Луне и Марсу. Чтобы разработать системы жизнеобеспечения для них, нужны исследования и эксперименты, нужны и ученые, и финансирование. Но молодых ученых, готовых перенять опыт старшего поколения, немного, а те, что есть, не всегда знакомы с опытом предшествующих поколений.
"Нельзя сказать: завтра мы летим на Марс, и послезавтра там вырастут фикусы! — говорит Маргарита Левинских.— Решение любой проблемы требует затрат, требует ученых, которые будут в это области работать, инженеров. А мы разогнали все, что можно было разогнать! Остались лишь несколько человек, которые имеют представление, что это такое. Можно было это все продолжать, но решение о продолжении экспериментов зависит не от нас, а от Роскосмоса.
К нам тут приходил молодой ученый из института — не скажу, из какого,— и говорит: мы сейчас сделаем водорослевый реактор, который просто будет отличный. Я веду их к нам и говорю: если вы хоть по какому-нибудь параметру превзойдете вот эту вот "Сирень", которая сделана в 1960-е и стоит у нас, вот я снимаю шляпу и съем ее. Сейчас между поколениями исследователей получился огромный разрыв, и многие начинают заново, не зная, что все это уже изобретено!"
Впрочем, возможно, разрыв все же удастся преодолеть за счет энтузиастов и школьников. И это не шутка: ИМБП одобрил к проведению на МКС два детских космических эксперимента с растениями. Первый эксперимент будет изучать, как влияет гравитация и разные режимы освещения на культуру ряски, которая сейчас рассматривается как одно из растений для создания биологического замкнутого цикла. Второй эксперимент сможет определить потенциально самый эффективный спектр освещения для растений в оранжерее, для чего школьники планируют вырастить три контрольные группы семян, освещенные светодиодными лампами только одного спектра: синего, красного или белого.
Полтора гектара замкнутой экосистемы
Самую масштабную попытку создать замкнутую биосистему предприняли не ученые, а любитель — миллиардер Эдвард Басс, который в 1990-е годы построил в штате Аризона гигантскую конструкцию площадью полтора гектара — «Биосферу-2». Там были «джунгли» и «океан», ферма с козами, свиньями и курами, инсектариум с 250 видами насекомых, бассейны с рыбами и креветками. Всего было завезено около 3000 видов растений и животных.
Но уже через месяц оказалось, что под куполом «Биосферы» накапливается избыточное количество углекислого газа, концентрация кислорода снижается, вредители плодов размножаются быстрее, чем их естественные враги — насекомые, а предполагаемая пища — свиньи — наоборот, набирать вес и размножаться не высказала желания. Проблемы росли, здоровье бионавтов ухудшалось, и чтобы довести эксперимент до конца, участникам стали поставлять кислород и продукты, что было нарушением условий.
После серии неудачных экспериментов 1991-94 годов «Биосфера-2» была передана под научный надзор Обсерватории Земли при Колумбийском университете, а в начале 2000-х – выставлена на продажу. Купивший «Биосферу-2» Аризонский университет в настоящее время проводит междисциплинарные исследования на семи моделях разных экосистем
Юлий Беркович, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИМБП РАН:
«У многих исследователей были иллюзии, что в ограниченном объеме можно создать простую систему, которая будет работать если не бесконечно долго, то годы. Другие считали, что если взять какой-то объем, обеспечить туда приход света и расположить в этом объеме как можно большее количество видов растений, животных, то есть элементов земной биосферы, то с течением времени эти виды образуют новую узенькую биосферу, в которой все начнет работать, как в земной. Эксперимент «Биосфера-2» показал, что на это нельзя рассчитывать. Поэтому надо делать строго регулируемую, простую систему жизнеобеспечения с включением биологических звеньев, рассчитанную на строго ограниченный срок космического полета. Эту задачу можно решить. Но решить задачу организации биологического круговорота в искусственно созданной биосфере на сегодняшний день мы не можем».
Юлий Беркович, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИМБП РАН:
«Цилиндрическая оранжерея уже построена и должна быть установлена на многофункциональном лабораторном модуле, который пока, к сожалению, еще не запущен к МКС. Это первая оранжерея, которая специально разрабатывалась для выращивания салатной зелени для обогащения рациона экипажа станции свежей витаминной зеленью.
У нее совершенно необычная компоновка, и сама идея совершенно новая, она раньше не использовалась ни в одной из космических оранжерей. Это идея конвейерного выращивания растений на цилиндрической посадочной поверхности: если высаживать посев не на всю посадочную площадь, а по частям, со сдвигом во времени, то выращенную биомассу можно сразу употреблять в пищу, не хранить. А затем посеять на то же место, откуда мы взяли растения, новые семена, снова ее запустить в оборот, для выращивания на следующем обороте. Таким образом, удается построить оранжерею, где космонавты могут получать рассчитанную порцию витаминной зелени для немедленного употребления в пищу раз в три-пять дней.
Кроме того, мы перешли на выращивание растений под светодиодами — они безопаснее и долговечнее газоразрядных ламп. С помощью светодиодов мы можем моделировать очень широкий диапазон различных спектров излучения, похожих на солнечный, отличных от солнечного. После пяти лет экспериментов мы смогли выбрать спектр светодиодного излучения для наилучшего выращивания салатных культур в условиях космической оранжереи. Мы разрабатываем проект бортовой оранжереи на этом принципе, которая должна быть построена к 2020 году и запущена либо в конце 2020-го, либо в 2021 году».