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​ 

Источники

Замкнутая экосистема как "маленькая планета" и зачем она нужна
СибГУ им. М.Ф. Решетнева (sibsau.ru), 05/08/2020
Красноярские тропы в космос
СибГУ им. М.Ф. Решетнева (sibsau.ru), 05/08/2020
Ученые СибГУ им. М.Ф. Решетнева предложили способы выживания в космосе и на Земле
Seldon.News (news.myseldon.com), 10/08/2020
Ученые СибГУ им. М. Ф. Решетнева предложили способы выживания в космосе и на Земле
Красноярск online (krasnojarsk.online), 10/08/2020
Ученые СибГУ им. М. Ф. Решетнева предложили способы выживания в космосе и на Земле
NewsLab.ru, 10/08/2020
"Ученые СибГУ им. М. Ф. Решетнева предложили способы выживания в космосе и на Земле"
Ivest.kz, 10/08/2020
Ученые СибГУ им. М. Ф. Решетнева предложили способы выживания в космосе и на Земле
Gorodskoyportal.ru/krasnoyarsk, 10/08/2020
Ученые СибГУ им. М. Ф. Решетнева предложили способы выживания в космосе и на Земле
1k.com.ua, 10/08/2020
Ученые СибГУ им. М. Ф. Решетнева предложили способы выживания в космосе и на Земле
Город финансов (gorodfinansov.ru), 10/08/2020

Похожие новости

  • 03/02/2021

    Программа мероприятий, посвященных Дню российской науки

    ​Ежегодно 8 февраля российское научное сообщество отмечает свой профессиональный праздник — День российской науки. ​ По традиции к этой дате в институтах и вузах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН, приурочены научно-популярные мероприятия: дни открытых дверей, экскурсии, лекции и так далее.
    2645
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6532
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    5898
  • 01/04/2021

    3D-печать, нейросети и наноматериалы для «Новой медицины»

    ​Нейросети, 3D-печать имплантатов, доставка лекарств с помощью наноматериалов – об этом вы узнаете в заключительной, третьей части обзора уникальных исследований и технологий университетов Проекта 5-100 по направлению «Новая медицина».
    659
  • 06/11/2019

    В СФУ стартовал Большой Лекторий Енисейской лиги

    ​В Сибирском федеральном университете прошли мероприятия, приуроченные к торжественному открытию Большого Лектория Енисейской лиги. Знаковым событием, выступившим точкой отсчёта для цикла научно-популярных лекций, организуемых на площадке университета для школьников, студентов, учёных и научных работников Красноярского края, Хакасии и Тувы, стало выступление российского химика и кристаллографа, доктора физико-математических наук, профессора Сколковского института науки и технологий, профессора РАН, члена Европейской академии наук Артёма Оганова.
    1352
  • 22/12/2020

    Наночастицы помогли улучшить добычу нефти

    Ученые из России выяснили, как наночастицы влияют на эффективность извлечения нефти. Добавление их в воду, которая вытесняет нефть из пласта, способствует улучшению отрыва капель нефти от горной породы и вымыванию их на поверхность.
    986
  • 25/03/2021

    Учёные предложили очищать сточные воды предприятий без использования реагентов

    Российско-китайский коллектив учёных разработал экологичную технологию извлечения частиц тяжёлых металлов из отработанных сточных вод промышленных предприятий. Технология предполагает кавитационное очищение — особый способ переработки воды с помощью «микровзбивания», в результате которого загрязняющие частицы образуют легко удаляющийся осадок.
    610
  • 08/12/2020

    Вода в Абаканской протоке цветет в первую очередь из-за низкой проточности

    ​​Красноярские ученые исследовали причины цветения воды в Абаканской протоке реки Енисей в черте Красноярска. Результаты двухлетнего мониторинга физических и химических характеристик воды и обитающих в протоке живых организмов показали, что массовое развитие водорослей и снижение качества воды в первую очередь связаны с низкой проточностью.
    1174
  • 24/10/2018

    Космический огород, светящиеся бактерии и пешеходное движение в Красноярске

    Как учатся выращивать растения и утилизировать отходы для будущих марсианских и лунных баз, как работает процесс определения загрязняющих веществ в воде с помощью светящихся бактерий, для чего нужно моделирование пешеходного движения? "Чердак" побывал в лабораториях Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского федерального университета и узнал, какие там сейчас ведутся разработки и исследования.
    1821
  • 04/08/2020

    Лето исследований. Сразу несколько экспедиций отправились в Арктику

    Совместный проект ЮНЕСКО и Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова — плавучий университет, научно-исследовательское судно «Академик Николай Страхов» вошло в акваторию Баренцева моря, где более 20 студентов из МГУ и других российских вузов при поддержке Министерства образования и науки России будут изучать перспективы нефтегазоносности этого района.
    1812