Советский марсианин
Как в Красноярске создали первую в мире установку для автономного выживания в космосе
В фильме «Марсианин» герою нужно было дождаться прилета на Красную планету следующей экспедиции при небольшом запасе воды, еды и воздуха. Американский кинематограф попытался придумать, как это сделать, а советские ученые решили подобную задачу еще до создания книги о выживании на Марсе Энди Вейером.
Полвека назад в красноярском Институте физики СО РАН была создана установка, которая помогла бы космонавту выжить на любой планете без особых проблем и помощи извне. Революционная, не имеющая аналогов в мире система замкнутого обеспечения «БИОС-3» практически полностью обеспечивала людей внутри нее и водой, и кислородом, и едой. Достаточно было взять с собой совсем небольшой запас, и дальше все производилось и очищалось самой системой.
«Русская планета» выяснила, как сибирские ученые сумели опередить время и коллег.
Дышать вместе с водорослями
— Первые эксперименты по созданию замкнутых автономных систем жизнеобеспечения начались в Красноярске в конце 1960-х, — рассказывает корреспонденту РП ведущий научный сотрудник, ученый секретарь Института биофизики Сибирского отделения РАН, кандидат биологических наук Егор Задереев. — Ученые установили: чтобы два человека могли прожить год, им нужно около 300 кг кислорода, 2,5 тонны воды и 400 кг пищи. При этом за тот же период они выделят 350 кг углекислого газа и тонну отходов, которую необходимо переработать. Оставалось понять, как обеспечить их всем этим в изолированной от внешнего мира среде.
Специалисты провели эксперименты и подтвердили гипотезу, что потенциал развития живого организма выше, чем реализуемые возможности. Когда одноклеточную водоросль хлореллу поместили в идеальные условия, она стала расти значительно быстрее и производить больше кислорода, чем в естественной среде, а также активнее перерабатывать углекислый газ.
Водорослей в небольшом баке стало хватать для того, чтобы человек мог нормально дышать весь день, поместив лицо в специальное отверстие, не позволяющее поступать воздуху снаружи. Так в 1964 году создали систему с замкнутым циклом воспроизводства кислорода «БИОС-1», которая помогала человеку дышать в безвоздушном пространстве, например, в космосе. Затем ученые смогли увеличить время пребывания в замкнутом помещении с 12 часов до 30 суток. Позднее был замкнут и водообмен, что позволило провести 45-суточный опыт.
Однако водоросли пригодились лишь для того, чтобы обеспечивать человека кислородом и избавлять от углекислого газа. Если в замкнутом пространстве не будет других растений, то и питаться придется тоже водорослями. Может, питательных веществ человеческому организму и хватит, но сохранить психическое здоровье на такой диете будет проблематично.
В 1966 году ученые запустили эксперименты с овощами и злаками и в результате построили установку «БИОС-2». Оказалось, что если той же пшенице создать идеальные условия для роста — без перепадов температуры, смены погоды, сорняков, то она будет давать урожай шесть раз в год, причем в несколько раз больший, чем в естественных условиях. Попутно исследователи установили, какое количество пшеницы необходимо посеять, чтобы прокормить одного человека.
Бионавты в бункере
— Когда об экспериментах, проводившихся в Институте физики СО РАН, стало известно основоположнику отечественной космонавтики Сергею Королеву, он заинтересовался ими и встретился с создателем и директором красноярского института академиком Леонидом Киренским, — продолжает Егор Задереев. — По личному распоряжению Королева, которому требовалась автономная система жизнеобеспечения для станции на Луне, были выделены средства на продолжение исследований. Они позволили в рекордно короткий срок, всего за семь лет создать искусственную экосистему «БИОС-3».
Красноярские биофизики получили огромные по тем временам деньги — 1 млн рублей. На эти средства к 1972 году они построили специальный изолированный от внешнего мира бункер со стенами из нержавеющей стали, общий объем которого составлял 315 куб. м, а площадь — 14х9х2,5 м.
Бункер был рассчитан на пребывание в нем трех человек и разделен на четыре части. В одной располагались жилые каюты с кроватями, кухня-столовая, санузел и рабочая зона — мастерская-лаборатория с оборудованием для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы, а также с системами доочистки воды и воздуха. Другие три части предназначались для растений. В замкнутом пространстве и при искусственном освещении росли водоросли, а также селекционные сорта сои, салата, огурцов, редиса, моркови, свеклы, укропа, капусты, картофеля, лука. Они регенерировали воду и кислород, а также обеспечивали «бионавтов» всеми необходимыми для существования питательными веществами, витаминами и микроэлементами. Там же росла и специально выведенная красноярским селекционером Генрихом Лисовским карликовая пшеница с очень коротким стеблем: несъедобная часть колоса была минимального размера, и отходов было мало. Она давала урожай в 200–300 центнеров с гектара. А среднеазиатская трава чуфа обеспечивала людей растительным маслом.
Чтобы люди внутри «БИОСа» могли общаться с внешним миром, герметичный бункер обеспечили телевизором и телефоном. Была смонтирована система охлаждения и подачи энергии.
— В начале 1970-х три добровольца из числа сотрудников впервые прожили в бункере полгода — 180 дней, с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973 года, — говорит Егор Задереев. — Весь кислород, которым они дышали, обеспечивали выращиваемые ими растения. Они же перерабатывали углекислый газ. Первоначально имевшийся запас воды перерабатывался и очищался, чтобы использоваться многократно.
Идет сеанс очередной связи с испытателями в установке «БИОС-3». На связи испытатель В.В. Терских (в иллюминаторе), фото 1973 года. Фото: photo.kirensky.ru
Участники эксперимента ели овощи, выращенные ими самими, собирали и мололи пшеницу и пекли из нее хлеб. Так они получали по 300 граммов хлеба и 400 граммов овощей в день. Животным белком «бионавтов» обеспечивали запасы консервов и сублимированного мяса. Постоянно проводившиеся медицинские наблюдения показали, что такой рацион, а также переработанные и очищенные вода и воздух не сказались отрицательно на здоровье добровольцев.
Эксперимент длился всего полгода. Стало ясно, что продолжать его нет смысла: созданная в «БИОСе» замкнутая система жизнеобеспечения работает безукоризненно. Искусственно созданный конвейер по производству воды, кислорода и пищи сбоев не дает. Разумеется, при условии поступления большого количества электроэнергии снаружи, но эта проблема в космосе или на любой из планет легко решается с помощью атомной электростанции или солнечных батарей.
Год за герметичной дверью
На станции «БИОС-3», имитирующей внеземное поселение, состоялось 10 экспериментов по автономному выживанию. В них принимали участие экипажи составом от одного до трех человек. Дольше остальных «бионавтов» в «БИОС-3» прожил инженер Николай Бугреев — в общей сложности 13 месяцев.
В 1968 году красноярская разработка рассматривалась на XIX конгрессе Международной астронавтической федерации как один из возможных прототипов биологической системы обеспечения жизнедеятельности людей на новом этапе освоения космоса — во время длительных экспедиций. Это стало мировым признанием достижений сибирских биофизиков.
Ученым оставалось решить еще одну принципиальную задачу — как обеспечить людей в замкнутом пространстве не только растительной, но и белковой пищей. Один из создателей «БИОСа-3» академик Иосиф Гительзон выдвинул революционную по тем временам идею — использовать для этого генетически модифицированные растения, которые будут производить нужный животный белок. Не решенными также оставались проблемы естественной утилизации биомассы растений и возвращения во внутрисистемный массообмен выводимой из организма человека соли.
Ученые решили повторить успешный на Земле эксперимент в условиях космоса. Красноярский институт начал готовить первые емкости для выращивания растений в условиях невесомости, но тут грянула перестройка. Из-за полного отсутствия финансирования уникальные, не имевшие на тот момент аналогов в мире исследования пришлось прекратить, а «БИОС-3» — законсервировать.
Слева направо — участники 6-месячного эксперимента в «БИОС-3»: М.П. Шиленко, В.В. Терских, Н.И. Петров, фото 1973 года. Фото: photo.kirensky.ru
Ковчег в пустыне
Лишь 15 лет спустя, в 1985 году в США была осуществлена попытка провести аналогичный эксперимент.
На деньги мультимиллионера Эда Басса в Аризоне построили гигантскую базу «Биосфера-2» из воздухонепроницаемых куполов, занимавших площадь в 12 тысяч кв. м. На этой огромной территории ученые воспроизвели земные ландшафты — пустыню, тропический лес, саванну, даже небольшой океан с коралловым рифом, высадили растения и завезли сотни видов животных. Предполагалось, что все это будет расти и размножаться само по себе и обеспечивать добровольных участников эксперимента всем необходимым для жизни.
— Однако очень скоро выяснилось, что кислорода критически не хватает, пришлось открывать окна, чтобы воздух поступал снаружи, — рассказывает член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Сергей Оленин. — Потом начали болеть и погибать растения, вымерли некоторые виды животных. Расплодилось невероятное количество тараканов и муравьев. Еды стало не хватать, ее пришлось завозить извне. Через два года эксперимент был прекращен, хотя создатели «Биосферы-2» рассчитывали, что искусственная экосистема сможет просуществовать в автономном режиме не менее 100 лет.
После неудачной первой попытки американские исследователи внесли изменения в созданный ими искусственный мир и запустили второй эксперимент в 2007 году. Однако он был прекращен по другой причине: один из участников новой команды добровольцев во время ссоры напал на других. После этого инвестор утратил интерес к проекту, и сейчас этот «Ноев ковчег» посреди пустыни посещают только туристы.
— В прошлом году еще один эксперимент по автономному выживанию был проведен в Китае. Он получил название «Лунный дворец-1», — продолжает Сергей Оленин. — Ученым, которые фактически полностью повторили красноярские исследования, удалось обеспечить участников всей необходимой пищей на 75% за счет того, что потребность в белке удовлетворялась червями, которых они выращивали. Так они сумели прожить в автономном режиме три месяца.
Мир для экспериментов
Сейчас Европейское космическое агентство начало проявлять интерес к красноярским исследованиям. На получаемые в виде грантов деньги в Институте биофизики СО РАН проводятся небольшие эксперименты, закупается современное оборудование для бункера, построенного еще в конце 1960-х. Создается искусственный почвоподобный субстрат для выращивания растений. Ведутся эксперименты по физико-химической технологии разложения органических веществ до минеральных, которые могут вновь возвращаться в оборот в виде солей для роста растений. Изучается использование наземных улиток для производства необходимого людям белка.
Однако на полномасштабные исследования средств недостаточно — для этого необходимо несколько десятков миллионов долларов. Все понимают, что нужно возобновить работу по созданию замкнутых систем жизнеобеспечения, поскольку без них не может быть и речи о серьезном освоении космоса, но все упирается в финансы. «БИОС-3» пустует. Хотя это самая успешная экспериментальная система, полностью обеспечивающая потребности человека в воде, воздухе и растительной пище за счет замкнутого биологического цикла. Она могла бы уже использоваться, пусть пока и не на Марсе или других планетах, а на Земле. Ведь с ее помощью можно в сотни раз уменьшить ущерб экологии, который неизбежно наносит человек, поскольку «БИОС-3» позволяет потреблять минимум ресурсов и почти не производить отходов. Дома с замкнутым циклом резко бы уменьшили нагрузку на окружающую среду, а также могли бы обеспечивать людей всем необходимым там, куда сложно или дорого добираться, например, в отдаленных арктических зонах, пустынях или на высокогорье, под водой.
— Еще один вариант использования «БИОСа» — это проводить в нем эксперименты, которых пока не ведет никто в мире. Все только рассуждают о том, что будет, если, к примеру, уровень метана в атмосфере достигнет критического. Произойдет катастрофа или нет? А в Красноярске могут об этом не рассуждать, а проверить, что в результате случится в маленькой замкнутой экосистеме, — рассуждает Сергей Оленин. — И это лишь один из возможных экспериментов, которые могут иметь даже не огромное, а колоссальное значение для всего человечества. Можно изучить процессы круговорота веществ в биосфере Земли, а не только помочь людям выживать на других планетах.
Информация