Замкнутая экосистема как «маленькая планета» и зачем она нужна

Дата публикации:

В Красноярске уже более 50 лет существует лаборатория, которая разрабатывает механизмы создания замкнутых экосистем нового поколения. Ее руководитель – Александр Тихомиров – предложил вместе со своими коллегами способы их использования для выживания в космосе и на Земле. Эти знания и технологии как никогда сейчас актуальны, когда человечество столкнулось с пандемией коронавируса. Как выжить, как сохранить человечество? Как подготовить резервные станции для перемещения на другие планеты, если Земля «устанет» от человека?


Что такое замкнутые экосистемы и зачем они нужны

Мы живем на Земле и часто не задумываемся о том, надолго ли нам хватит запасов кислорода, воды и пищи. Поскольку наша планета Земля имеет конечные размеры, то эти запасы тоже конечны. Однако благодаря круговоротным процессам на нашей планете происходит возобновление этих запасов. Подсчитано, что кислород в атмосфере полностью обновляется примерно за 2000 лет, запасы воды – за 2800 лет. Более сложно протекают процессы утилизации органического вещества, которое минерализуется в почве, а затем в виде растений и животных вновь восстанавливается в виде органики, которая впоследствии минерализуется в почве, то есть здесь также наблюдается круговорот. Благодаря этому человечество, которое живет на Земле уже много тысяч лет, многократно использует эти запасы, которые постоянно возобновляются. Таким образом, мы на Земле имеем дело с возобновляемыми круговоротными процессами, что обеспечивает нас неисчерпаемыми ресурсами для жизни.

А как же обеспечить такие условия жизни человека при освоении космического пространства? Сразу возникает идея – взять с собой в космос «маленькую Землю», которая сможет воспроизводить для человека наиболее важные для жизни вещества. Эту роль маленькой планеты должна выполнять искусственная замкнутая экосистема (ЗЭС).

Создать такую ЗЭС – очень сложная задача специалистов разных профилей – инженеров и ученых. Здесь главная цель – это организация такого круговоротного процесса, когда вещества на «входе» системы (газовая атмосфера, вода, пища и др.) после попадания вовнутрь проходят такие преобразования, взаимодействуя с человеком и внутренней средой в системе, что вновь образуют на «выходе» системы те первоначальные вещества, которые поступили на «вход» системы. Таким образом, образуется тот самый круговорот веществ, который обеспечит жизнь человека внутри системы на практически неограниченный срок. При этом человек не будет нуждаться в воспроизводстве продуктов первой необходимости, и сама система станет автономной на очень долгое время. Единственным ограничителем функционирования такой замкнутой системы будет источник энергии. Однако, например, таким источником энергии может быть ядерный реактор, способный работать долгие годы.


Проблемы и перспективы создания замкнутых экосистем для освоения космоса.

Над созданием искусственных замкнутых экосистем работают ученые из России, США, Китая, Японии, Европейского союза и других стран. Интерес к таким исследованиям понятен – без таких систем невозможны полеты человека для освоения среднего и тем более дальнего космоса. Ни один космический корабль не сможет транспортировать то огромное количество кислорода, воды, пищи и других жизненно важных грузов, которые потребуются для длительной космической миссии. Большая часть этих грузов должны воспроизводиться в замкнутых экосистемах. Одна из наиболее важных проблем в создании замкнутой экосистемы – это создание высокой степени замыкания круговоротных процессов. Чем больше вещества регенерируется в системе, тем выше степень замкнутости такой системы. Это сделать очень трудно. Нужно так настроить все процессы внутри системы, чтобы не было потерь вещества, то есть, чтобы не было тупиковых веществ. Например, в системе образуются отходы жизнедетельности человека как растительного, так и животного происхождения. Их нужно так регенерировать, чтобы получить экологически чистые вещества, например, воду, кислород, углекислый газ, которые затем опять будут включены в круговоротный процесс. Здесь необходима разработка новых технологий, проведение сложных научных исследований.


Уникальность научных исследований и образовательного процесса на кафедре замкнутых экосистем

Кафедра замкнутых экосистем (ЗЭС) является базовой кафедрой СибГУ им. М.Ф.Решетнева, она использует материально-техническую часть Института биофизики СО РАН ФИЦ КНЦ СО РАН, основой которой является всемирно известный уникальный комплекс БИОС-3 (биорегенеративная система), включающая человека. Исследования Института биофизики (ИБФ)СО РАН по замкнутым экосистемам получили признание и мировую известность. Еще в далекие 60-е годы ХХ века С.П. Королев по представлению академиков Л.В. Киренского, И.И. Гительзона и И.А. Терскова одобрил их предложения и выделил средства для развития в Красноярске научного направления по замкнутым экосистемам, которое активно развивается вплоть до настоящего времени. Выполненные в системах БИОС разной степени сложности эксперименты с человеком в замкнутых экосистемах на несколько десятков лет опередили мировые исследования в данной области. Так, впервые в 1972 году в БИОС-3 был выполнен шестимесячный эксперимент с экипажем в 2-3 человека, который в условиях полного замыкания и изоляции обеспечивал себя пищей, водой и кислородом, получаемым за счет круговоротных процессов внутри системы. Только в последние годы ученые Китая смогли повторить эти результаты в собственной системе жизнеобеспечения, которая во многом была скопирована с системы БИОС-3.

Профессорско-преподавательский состав кафедры ЗЭС включает в себя известных ученых по замкнутым экосистемам, которые активно сотрудничали с NASA, Европейским космическим агентством, коллегами из Китая и Японии по замкнутым экосистемам. В рамках этого сотрудничества выполнен ряд международных грантов и контрактов, активные международные контакты продолжаются и в настоящее время. Внутри России учеными кафедры ЗЭС выполнены три гранта Российского научного фонда (РНФ) по тематике создания замкнутых экосистем нового поколения с высокой степенью замкнутости круговоротных процессов. Такие исследования выполнялись с участием студентов и аспирантов СибГУ им. М.Ф. Решетнева.

В настоящее время в рамках научного и образовательного процесса на каф. ЗЭС развивается новая актуальная тематика по созданию действующих моделей «малых» замкнутых экосистем с виртуальным присутствием человека (человек участвует в газообмене системы, а его продукты жизнедеятельности частично включены во внутрисистемный круговорот). Исследования «малых» экосистем позволяют экономить финансовые средства, исключить риски здоровья для испытателей, решать те задачи, которые опасно или невозможно сделать в больших экосистемах. Полученные результаты крайне полезны для последующего использования в полномасштабных замкнутых экосистемах. Успешность этих исследований подтверждается публикациями в высокорейтинговых международных журналах и выступлениями на крупных международных конференциях учеными Института биофизики СО РАН, которые одновременно работают на кафедре ЗЭС СибГУ им. М.Ф.Решетнева. Магистранты кафедры ЗЭС также активно участвуют в этих исследованиях, выполняя диссертационные работы по исследованию информационной среды применительно к моделям замкнутых экосистем.


Возможные земные приложения результатов исследований замкнутых экосистем

Световые технологии. В замкнутых экосистемах исключительно важную роль играют растения, которые выделяют кислород и потребляют излишки углекислого газа, выделяемого человеком. При этом растения растут при искусственном свете ламп. Биофизиками лаборатории так подобраны спектральный состав и интенсивность света, что растения растут быстро и дают максимально высокий урожай. Поэтому полученный опыт выращивания растений может быть с успехом использован в тепличной отрасли. Эти же исследования могут помочь специалистам-светотехникам в создании современных источников света с эффективными спектральными и энергетическими характеристиками.

Физико-химическая переработка отходов. Важной частью технологических разработок в замкнутых экосистемах является физико-химическая переработка отходов. Учеными ИБФ СО РАН, работающими на кафедре ЗЭС, создана оригинальная экологически чистая экономичная технология по превращению органических отходов в замкнутой системе в минеральные удобрения для выращивания растений. Эта технология может оказаться весьма перспективной для утилизации некоторых видов мусора и бытовых отходов, проблема утилизации которого сейчас крайне актуальна.

Создание технологий для экодомов. Совместное применение новых световых технологий и технологий по переработке отходов может найти практические применения при разработке экодомов на Севере. В этом случае возможно комплексное решение по эффективному выращиванию растений в северных теплицах при снабжении растений удобрениями из переработанных отходов и, что крайне важно, минимизировать складирование отходов в окрестностях экодомов, поскольку в условиях Севера природная утилизация отходов протекает крайне медленно и поэтому представляет большую проблему для нормализации экологической обстановке в жилых зонах северных территорий.

Таким образом, на кафедре замкнутых экологических систем СибГУ им.М.Ф.Решетнева организовано эффективное сочетание научного и образовательного процесса, что создает хорошие перспективы для дальнейшего развития научных исследований и их практических применений.

Летим ли на Марс завтра? Эту возможность обеспечат нам биофизики из Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф.Решетнева. Записывайтесь, иначе мест не хватит!

Примечание: с темой этой статьи тесно связана статья академика Иосифа Исаевича Гительзона

Тихомиров Александр Аполлинарьевич, заведующий кафедрой замкнутых экосистем СибГУ им. М.Ф.Решетнева, заведующий лабораторией Института биофизики Сибирского отделения РАН, г.Красноярск.