- 4 -

Принцип замкнутости и освоение космоса

Для поддержания жизнедеятельности человека в космических условиях необходимо, прежде всего, обеспечить его воздухом, водой и пищей (другие факторы окружающей среды здесь не рассматриваются). Это можно сделать тремя путями: а) с помощью запасов или периодической доставки расходуемого вещества с Земли; б) получая необходимые продукты из местных источников (например, получая кислород из окислов, содержащихся в материале космических тел); в) применяя регенерацию отходов жизнедеятельности человека (отходов в широком смысле, включая и технологические).

Недостатки первых двух путей очевидны. При нынешнем состоянии наших знаний единственно возможным путем представляется третий.

Регенерация отходов позволяет многократно использовать химические элементы, входящие в состав потребляемых человеком веществ, и в этом смысле такая система жизнеобеспечения является замкнутой. Естественно, для обеспечения замкнутости необходимы энергия и соответствующие устройства. Полная замкнутость в настоящее время возможна только при использовании живых организмов.

Функционирование человека и других живых организмов связано, прежде всего, с химическими превращениями веществ, но не только с ними. В живых организмах весьма интенсивно протекают также процессы массопереноса, обеспечивающие постоянство физико-химических параметров внутренней среды организма. В результате этого происходит загрязнение окружающей среды. Вот некоторые примеры: — Для того, чтобы извлечь кислород из воздуха, человеку необходимо прокачать через легкие значительное количество воздуха (в течение суток для извлечения 0,6 кг кислорода человек прокачивает через легкие около 30 кг воздуха (Calloway, 1975)). В результате воздух становится непригодным для дыхания — не из-за исчерпания кислорода, а вследствие его загрязнения, прежде всего углекислым газом. — Поддержание постоянства физико-химических параметров крови и лимфы требует пропускания через организм человека нескольких литров воды в сутки. Это должна быть «чистая» вода, то есть вода определенного физико-химического состава, но отнюдь не дистиллированная. — Еще больше воды человек тратит на санитарно-гигиенические нужды. — Возможна, однако, и очистка воды: за счет внешней энергии растения очищают воду в процессе транспирации (дыхания растений).

Таким образом, функционирование живых организмов приводит к изменению состава окружающей их среды в результате метаболических процессов, протекающих внутри них, и переноса образовавшихся отходов наружу.

При этом характерно, что понятие «отходы» для разных организмов может быть диаметрально противоположным: так, кислород — отход для растений и необходимейшее вещество для человека; напротив, углекислый газ — отход дам человека и необходимейшее вещество для растений. Поэтому для систем жизнеобеспечения вводится понятие «организм-задатчик», по которому настраивается функционирование всей системы (Гительзонидр., 1975). Для космических систем жизнеобеспечения организмом-задатчиком является, естественно, человек.

Ясно, что такая система жизнеобеспечения (СЖО) должна включать различные технические устройства, которые должны функционировать исправно, так что их создание и ремонт должны осуществляться также с соблюдением принципа замкнутости.

Таким образом, для расчета замкнутых космических СЖО необходимо рассматривать три уровня замкнутости, которые коротко можно назвать метаболическим, физиологическим и инженерно-технологическим.

Метаболический (химический) уровень замыкания является основой существования замкнутых систем. Без замкнутых химических циклов замкнутые СЖО вообще не могут существовать.

Рассмотрим идеальный вариант замыкания. Идеальным можно было бы считать полностью комплементарный (дополнительный) для человека организм-регенератор. СЖО с использованием такого организма и физико-химических систем очистки (разделения) веществ могла бы неограниченно долго поддерживать жизнедеятельность человека. Но, к сожалению, таких комплементарных человеку организмов в природе не существует, и приближение к полному замыканию можно обеспечить только набором целого ряда отдельных организмов.

До настоящего времени исследовались теоретически и экспериментально только СЖО, состоящие из небольшого числа организмов-регенераторов: это микроводоросли, водородные бактерии и высшие растения.

Наиболее интенсивные метаболические процессы человека связаны с энергетикой, поэтому при создании СЖО главные усилия были направлены на замыкание метаболизма, связанного с энергетическими процессами; для человека таким метаболизмом является дыхание.

В целом метаболическое замыкание полностью основано на законе сохранения элементов и наличии в организме соответствующих ферментов. При отсутствии определенных ферментов можно использовать специальные химические технологии переработки веществ.

Таким образом, обеспечение замкнутости СЖО может быть основано либо на увеличении числа видов, входящих в систему, либо на использовании специальных химических технологий переработки тупиковых веществ, возникающих в живых организмах в результате метаболических процессов.

Физиологический уровень замыкания учитывает изменение фазового состава воздушной и водной, сред, а также состава пищи в результате физиологических и технологических процессов, протекающих в СЖО. Его невозможно рассматривать без учета данных о метаболизме и химических процессах в СЖО. В некоторых случаях простая очистка позволяет резко увеличить коэффициент замыкания СЖО: например, поглощение углекислоты из атмосферы СЖО незамкнутого типа позволяет резко поднять коэффициент замыкания, то есть значительно увеличивает время существования человека в СЖО без запасов.

На инженерно-технологическом уровне замыкания рассматривается не только поддержание физиологического существования человека, но и поддержание всей биотехнологической среды.

При создании космических систем жизнеобеспечения требуется тщательный анализ разнообразных массообменных процессов в этих системах, и в этом смысле создание и исследование СЖО могут дать многое для понимания закономерностей функционирования биосферы. Следовательно, создание космических систем жизнеобеспечения неразрывно связано с обеспечением существования человека на Земле, а сами СЖО можно рассматривать как искусственные маленькие биосферы. В соответствии с принципами, разработанными при создании СЖО, можно конструировать и различные другие искусственные биосферы, уже без человека. Нельзя экономить на космических исследованиях: это оставит человечество неподготовленным к изменениям в биосфере, возникающим входе глобального кризиса.

Страница 4 из 9 Все страницы