Вслед за началом космической эры в Советском Союзе начались разработки замкнутых систем жизнеобеспечения. Физико-химическими системами занимался Институт авиационной и космической медицины Министерства обороны. Биологическими — отдел биофизики Института физики Сибирского отделения Академии наук СССР. Работы по данной тематике стартовали в начале 1960-х годов.
Первыми попытками создать замкнутую экологическую систему были проекты БИОС в Красноярском Институте биофизики. В 1964 году в эксперименте «БИОС-1» учёные 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 проведён 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.
Этапы разработки
БИОС-1 (1964–1966): Первая попытка
БИОС-1 представлял собой герметичную кабину объёмом 12 кубических метров с установленным культиватором для выращивания одноклеточной водоросли хлореллы. Экипаж состоял из одного человека. Всего было проведено 7 экспериментов продолжительностью от 12 часов до 90 суток. Результаты были обнадёживающими: система обеспечивала полностью замкнутый цикл по кислороду и воде, но не могла обеспечивать пищу.
БИОС-2 (1966–1970): Расширение системы
В 1966 году к герметичной кабине БИОС-1 были добавлены камеры с высшими растениями. Учёные проводили эксперименты по подбору идеального соотношения хлореллы и овощей для обеспечения потребностей одного и двух человек. Основное внимание уделялось рациональному набору высших растений, освещению и сбору данных для создания более сложных систем. Эксперименты длились до нескольких недель.
БИОС-3 (1972—настоящее время): Совершенство замкнутой экосистемы
«БИОС-3» — экспериментальный комплекс красноярских учёных — состоял из четырёх отсеков:
- Бытовой отсек: три каюты членов экипажа, кухня-столовая, санузел, отсек управления и мастерская-лаборатория. Оборудование для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы, ремонтных работ и доочистки воды и воздуха.
- Фитотроны: один фитотрон был занят сортом карликовой пшеницы, выращиваемой конвейерным способом (14 возрастов). Второй фитотрон содержал овощи (6 возрастов): морковь, редис, свёклу, картофель, капусту, огурцы, щавель, салат, укроп, лук и чуфу (для масла). На каждого испытателя приходилось около 200 грамм зерна и 400 грамм свежих овощей в сутки.
- Водорослевый культиватор: три фотобиореактора объёмом 20 литров каждый для выращивания хлореллы. Хлорелла использовалась для регенерации кислорода и воды, но не для пищи.
Система демонстрировала высокий уровень автономности:
- Замкнутый почти на 100% цикл по кислороду и воде.
- Воспроизводимая часть рациона экипажа составляла до 52% по калорийности.
Самый длительный эксперимент длился 180 суток, в то время как один участник прожил в системе более 13 месяцев.
Уникальные достижения
Комплекс «БИОС-3» достиг следующих результатов:
- Полностью регенерировал атмосферу за счёт световой энергии.
- Возвращал в круговорот до 95% воды.
- Воспроизводил 1/5 часть продуктов питания, включая витамины, 26% углеводов, 14% белков и около 3% жиров.
Источником воды служили конденсаты из фитотронов и культиваторов хлореллы. Вода фильтровалась через ионообменные смолы и уголь, после чего становилась пригодной для питья. Твердые и жидкие отходы жизнедеятельности минерализовались и частично поглощались хлореллой. Сточные воды использовались для питательных растворов растений.
Проблемы и вызовы
- Лампы для фотосинтеза выделяли большое количество тепла, что требовало дополнительных затрат на охлаждение.
- Биомасса растений не всегда перерабатывалась полностью и нуждалась в сжигании.
- Соль, выводимая из организма человека, не возвращалась во внутрисистемный обмен.
- Психологическая устойчивость экипажа в длительной изоляции оставалась вызовом.
Значение для науки
Эксперименты БИОС стали основой для современных разработок систем жизнеобеспечения:
- Замкнутые экосистемы используются в программах NASA и ESA для исследования жизнеобеспечения на Луне и Марсе.
- Технологии переработки воды и воздуха нашли применение на Международной космической станции.
- Разработки БИОС применяются в экологически чистых технологиях на Земле.
БИОС-3 также является одной из экспериментальных площадок Европейского космического агентства, где продолжаются исследования малых экосистем для решения описанных выше проблем.
Заключение
Эксперименты БИОС-1, БИОС-2 и БИОС-3 продемонстрировали, что замкнутые экосистемы способны поддерживать жизнь человека в изоляции. Этот опыт стал основой для дальнейших исследований в космосе и на Земле, вдохновляя новые поколения учёных и инженеров.