Раздел II. Космическая биология

Глава 4. Системы жизнеобеспечения человека в космическом полете

Системы жизнеобеспечения человека в космическом полете

Системы жизнеобеспечения человека в космическом полете

Система жизнеобеспечения - совокупность технических, физико-химических и медико-биологических средств, обеспечивающих удовлетворение потребностей человека в пище, воде и кислороде и создающих нормальные условия жизни в герметической кабине космического корабля, в замкнутом помещении планетной станции и т. д. Основные задачи системы жизнеобеспечения:

1. Создание в замкнутом объеме нормальных атмосферных условий (температуры, давления, влажности, газового состава) и обеспечение человека пищей и водой.

2. Защита человека от физических факторов космической среды (вакуума, температуры, радиации, метеоритов) в кабине космического корабля, при выходе в открытый космос и передвижении на планетах.

3. Создание благоприятных психофизиологических и гигиенических условий, обеспечивающих высокую работоспособность космонавтов в течение всего полета.

4. Защита от неблагоприятных условий на других планетах, которые могут носить специфический характер.

5. Обеспечение систематического медицинского контроля за состоянием здоровья космонавтов и создание условий для оперативного оказания медицинской помощи.

6. Защита человека в аварийных ситуациях.

Функциональную структуру комплекса систем жизнеобеспечения и характер связи между основными системами иллюстрирует следующая схема.

Функциональная схема комплекса систем жизнеобеспечения

Под влиянием экстремальных воздействий, совместимых с нормальной жизнедеятельностью организма, возникает адаптивная перестройка функций, которая несколько раздвигает границы существования организма, приводит к ослаблению зависимости от внешних условий. Поддержание и сохранение гомеостатических реакций организма - первое и непременное условие, которое стремятся выполнить в тесном содружестве биологи, медики, инженеры, физики, химики и специалисты иных отраслей знания при конструировании надежных космических систем жизнеобеспечения и скафандров различного назначения. Надежность систем жизнеобеспечения - понятие очень емкое. Сюда включается стабильность их характеристик, вероятность безотказной работы в течение заданного времени, быстрое восстановление в случае отказа и целый ряд других критериев надежности.

Среди многочисленных проблем, связанных с практической разработкой систем жизнеобеспечения, ведущими являются формирование газовой среды и регулирование ее параметров, круговорот воды и пищи и др.

Газовая среда

Система жизнеобеспечения, предназначенная для полета человека на космическом корабле, состоит в основном из системы регулирования параметров окружающей среды и системы водообеспечения и удаления продуктов жизнедеятельности организма человека.

Система регулирования параметров окружающей среды обеспечивает регулирование температуры, давления и влажности воздуха в скафандре и кабине космического корабля. С ее помощью удаляются углекислый газ и токсические микропримеси, а также подается свежий кислород для компенсации его утечки и расхода в процессе обмена веществ. Аппаратура для регистрации данных и управления системой является составной частью всей системы жизнеобеспечения. Она может использоваться либо для автоматического управления системой, либо для сигнализации экипажу корабля о необходимости соответствующей коррекции.

В настоящее время ни у кого не вызывает сомнений, что полеты могут совершаться только в герметической кабине, полностью изолированной от окружающего пространства. В герметической кабине космического летательного аппарата должны быть созданы условия, близкие к естественным и привычным для организма. Даже незначительное отклонение внешней среды от допустимых пределов ставит человека в условия дополнительной нагрузки, требующей повышенного напряжения физиологических систем. Это может создать неблагоприятный фон для переносимости перегрузок и других факторов космического полета.

Средний 'вход' и 'выход' веществ из человека в сутки

Особое значение приобретает обеспечение человека кислородом, а также удаление из воздуха герметической кабины углекислого газа, паров воды и вредных примесей. Для этого учитываются оптимальные условия потребления кислорода, выделения углекислого газа и влаги, энерготраты и теплорегуляция организма. Между потреблением кислорода и образованием энергии в организме имеются определенные количественные соотношения. Так, при потреблении одного литра кислорода в условиях смешанного питания в организме образуется 20034 дж тепла. С увеличением энергозатрат повышается количество потребляемого кислорода и выделяемой углекислоты.

Обеспечение кислородом может быть осуществлено разными способами в зависимости от продолжительности полета:

1. Создание на борту запасов газообразного или жидкого кислорода или веществ, содержащих кислород (например, перекись водорода или надперекисные соединения щелочных металлов).

2. Использование системы регенерации кислорода из углекислого газа, выдыхаемого человеком. Для регенерации могут использоваться: методы прямого разложения углекислого газа; способ каталитического восстановления углекислого газа до углерода и воды и последующего разложения образовавшейся воды электрическим током.

3. Использование растений в качестве источника кислорода и поглотителя углекислого газа.

Потребление кислорода и выделение углекислого газа зависят и от индивидуальных особенностей человека. Разница между крайними величинами составляет около 20%, причем в покое она меньше, чем при других состояниях организма. Газообмен между организмом и окружающей воздушной средой осуществляется как через легкие, так и в известной степени через кожу. В состоянии покоя через кожу в среднем поглощается 1,3% кислорода и выделяется 1,6% углекислого газа от общего количества потребляемого человеком кислорода и выделяемого углекислого газа. С повышением концентрации кислорода в окружающей среде интенсивность его поглощения кожей значительно возрастает и может достигать 29% от общего количества потребляемого кислорода.

Выдыхаемый человеком воздух в значительной мере определяет характер накапливающихся в герметической кабине различных продуктов жизнедеятельности, в том числе и воды. При каждом вдохе человек в покое потребляет примерно 28 мл кислорода и при выдохе выделяет 22 мл углекислого газа. Следовательно, в условиях относительного покоя (15-18 вдохов в минуту) человек в час потребляет 26-30 л кислорода и выделяет 21-25 л углекислого газа. Однако эти величины могут изменяться в сторону уменьшения или увеличения.

Для поддержания нормальной жизнедеятельности человека в герметической кабине существенное значение имеет концентрация кислорода во вдыхаемом воздухе. Нижним пределом содержания кислорода в атмосфере гермокабины следует считать 17-18% при нормальном барометрическом давлении, что соответствует парциальному давлению кислорода, равному 130-136 мм рт. ст.

Высокие концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе оказывают неблагоприятное воздействие на организм человека. Так, в атмосфере с парциальным давлением кислорода 418-420 мм рт. ст. отмечаются понижение жизненной емкости легких и загрудинные боли, брадикардия, изменения электрокардиограммы.

Успешное освоение космического пространства во многом зависит от экспериментальных исследований, направленных на обеспечение и поддержание нормальной жизнедеятельности человека и сохранение его работоспособности при длительных космических полетах.

С этой целью в Советском Союзе был поставлен с участием трех испытуемых - биолога А. Н. Божко, врача Г. А. Мановцева и техника Б. Н. Улыбышева длительный (с 6 ноября 1967 г. по 5 ноября 1968 г.) медико-технический эксперимент в наземном экспериментальном комплексе, одной из основных задач которого было установление возможности пребывания человека в течение года в условиях герметической камеры ограниченного объема при потреблении воды и кислорода, регенерируемых из продуктов жизнедеятельности человека (мочи, испаряемой влаги и выдыхаемого углекислого газа).

Испытатели Г. А. Мановцев и А. Н. Божко проводят функциональную пробу на велоэргометре у испытателя Б. Н. Улыбышева

Кислород для дыхания вырабатывался системой регенерации, состоящей из двух блоков: электролизного и блока утилизации углекислого газа. В электролизном блоке путем электролитического разложения воды, поступающей из блока утилизации, и воды, поступающей дополнительно из системы регенерации ее из конденсата атмосферной влаги, выделялся кислород и водород. Кислород после очистки от аэрозоля щелочи (мельчайшие частицы электролита) поступал в термокамеру, а водород - в блок утилизации углекислого газа. В этом блоке осуществлялось получение воды путем соединения выдыхаемого испытуемыми углекислого газа с водородом в присутствии катализатора.

Очистка воздуха термокамеры от углекислого газа и его концентрация обеспечивались системой очистки атмосферы путем осушки воздуха с применением веществ, поглощающих влагу, поглощения углекислого газа и его концентрации с применением регенерируемых синтетических веществ. После очистки воздух вновь увлажнялся и возвращался в термокамеру, а концентрированный углекислый газ подавался в блок утилизации.

Нормальное состояние организма человека и его работоспособность при длительном нахождении в кабине малого объема зависят не только от обеспечения кислородом и удаления из воздуха углекислого газа и влаги. Наличие в воздухе токсических веществ и дурно пахнущих примесей также влияет на состояние организма.

Для очистки воздуха от вредных газообразных примесей и микробной флоры в системе очистки атмосферы в годовом эксперименте были предусмотрены специальные каталитические печи и бактерицидные фильтры. В результате в течение всего времени пребывания испытуемых в кабине их состояние и работоспособность сохранялись полностью. Проведенное после выхода из кабины тщательное клиническое обследование не обнаружило никаких патологических изменений.

Для обеспечения жизненно необходимых условий для космонавта в кабине корабля следует поддерживать определенную температуру и влажность воздуха.

Температура в кабине корабля

К метеорологическим факторам среды космического объекта относятся температура окружающего воздуха, его влажность и движение, а также излучение от нагретого оборудования.

При значительном повышении или понижении температуры среды в организме человека происходят рефлекторные процессы терморегуляции. В норме в течение суток температура тела изменяется в пределах 1°, достигая максимума в дневные часы (16.00-18.00) и минимума в ночные (3.00-5.00).

Химическая терморегуляция заключается в изменении обмена веществ и в соответствующем изменении теплопродукции в организме. По мере повышения температуры среды потребление кислорода у человека в покое уменьшается.

Под физиологической терморегуляцией понимается совокупность физиологических процессов, ведущих к повышению или понижению отдачи тепла организмом. Отдача тепла осуществляется тремя способами: проведением, излучением, испарением. Теплоотдача проведением происходит в том случае, если температура среды ниже температуры поверхности тела. Теплоотдача излучением может иметь место при температуре воздуха ниже температуры кожи или равной температуре кожи, но при более низкой температуре окружающих предметов, находящихся от человека на некотором расстоянии. Теплоотдача испарением выражается в потере тепла при испарении пота с поверхности кожи. Испарение имеет большое значение в терморегуляции. Даже в условиях средней температуры человек испаряет в сутки около 1 л жидкости. Значение теплоотдачи резко вырастает при высоких температурах среды.

При высокой влажности окружающего воздуха теплоотдача испарением затрудняется, при низкой влажности, наоборот, увеличивается. Поэтому для оценки влияния метеорологических условий применяется метод суммарного определения физиологического действия обоих факторов: температуры и влажности окружающего воздуха. Соответствующий суммарный показатель получил название эффективной температуры. Исследуемого помещают в камеру, в которой изменяются одновременно температура и влажность так, чтобы у человека при этом сохранялось постоянно одно и то же ощущение тепла. Этим методом, например, было установлено, что одно и то же ощущение тепла человек испытывает как при температуре 19°, установленной по показанию сухого термометра, так и при температуре 16,4° по показанию мокрого термометра. Все сочетания температуры и влажности, вызывающие теплоощущения, идентичные теплоощущениям при 100% относительной влажности и соответствующей температуре воздуха, принимаются за один и тот же градус шкалы эффективной температуры. Специальными исследованиями было доказано, что изменения эффективной температуры окружающей среды от 0 до 18° мало отражаются на уровне физической работоспособности, дальнейшее же ее повышение связано с ухудшением работоспособности.

С повышением температуры окружающего воздуха и интенсивности работы потоотделение человека значительно увеличивается. Многочисленными исследованиями установлено, что в покое при температуре до 16-18° потоотделение почти не изменяется, а затем медленно и равномерно нарастает. При физической нагрузке потоотделение нарастает уже при температуре 5-8° и приобретает более резкий характер. Испарение, облегчающее теплоотдачу в этих температурных пределах, зависит от относительной влажности окружающего воздуха.

В условиях высокой влажности, несмотря на огромное потоотделение, не происходит достаточного полезного испарения влаги с поверхности тела, и тогда начинается накопление тепла, что приводит к перегреванию организма.

Уменьшение физической работоспособности при повышении эффективной температуры среды объясняется тем, что усиленное выделение пота представляет в физиологическом смысле значительную работу. В течение 8 часов работы потери воды вследствие потоотделения могут составить около 7-10% веса тела. Одновременно повышается частота пульса и дыхания и температура тела.

При повышении эффективной температуры в кабине космического корабля деятельность космонавта сочетается с мероприятиями, способствующими улучшению терморегуляции (вентиляция, умывание лица, обтирание тела прохладной водой и т. д.). Необходимо при этом регулирование общего тепла, излишек которого может быть снят малогабаритной системой обеспечения жизнедеятельности (как в кабине корабля, так и внутри выходного скафандра).

Простое перемешивание воздуха внутри кабины или скафандра может обеспечить удовлетворительные условия работы космонавта и удаление из скафандра дополнительного тепла, поступающего из окружающего пространства.

В период проведения работ в открытом космосе, в условиях глубокого вакуума, теплоизолирующие материалы должны иметь низкую теплопроводность, что можно обеспечить с помощью пористости наружной оболочки. Хорошую теплозащиту можно получить при сравнительно небольшой толщине теплоизолирующей оболочки.

При полетах кораблей "Союз" системы обеспечения жизнедеятельности поддерживали в обитаемых отсеках кораблей комфортные условия. Общее давление воздушной среды в кораблях сохранялось на уровне 750-850 мм рт. ст., парциальное давление кислорода - 160-250 мм рт. ст., углекислого газа - 0-10 мм рт. ст. Температура находилась в пределах 17-23° С.

Круговорот воды

Круговорот воды осуществляется различными физическими и физико-химическими способами: перегонкой, очисткой ионообменными смолами и т. д. Водообеспечение при космическом полете возможно: 1) на основе создания запаса питьевой воды на борту; 2) путем регенерации воды из жидких продуктов жизнедеятельности человека (методом каталитической очистки, методами сорбционной очистки на ионитах и др.).

В зависимости от условий и продолжительности космического полета вода может поступать из запаса, хранимого на борту корабля, а также восстанавливаться из влагосодержащих отходов. Одним из способов получения питьевой воды из влагосодержащих отходов является окислительно-каталитический метод регенерации воды. Этот метод применяется для очистки от продуктов обмена жидких и газообразных веществ функционирующего на космическом корабле биокомплекса путем каталитического окисления органических частей отходов до простейших газов или окислов. Все органические примеси отходов состоят в основном из углерода, водорода, кислорода, азота, в меньшей степени - из серы и фосфора. В результате окисления органические вещества переходят в углекислый газ, воду, азот, сульфаты и фосфаты. Последние два соединения легко удаляются.

Проведение процесса регенерации воды из влагосодержащих отходов жизнедеятельности при атмосферном давлении и невысоких температурах, возможность использования низких температур на неосвещенной стороне корабля и тепловой энергии солнца, а также возможность эксплуатации регенерационной системы в неориентированных космических кораблях или станциях за счет использования других источников энергии позволяют считать окислительно-каталитический метод регенерации воды одним из перспективных применительно к космическим полетам.

В описанном выше годовом эксперименте с участием трех испытуемых источниками получения воды являлись выделяемая ими моча и конденсат атмосферной влаги, представляющий собой сконденсированную в теплообменнике влагу, выделяемую испытуемыми при дыхании и теряемую через кожу испарением и потоотделением.

В наземном экспериментальном комплексе регенерация питьевой воды из мочи осуществлялась окислительно-каталитическим методом в несколько стадий: фильтрация мочи, ее испарение, высокотемпературное окисление органических соединений до простейших газов и окислов в присутствии катализатора, получение конденсата. После обогащения конденсата соответствующими солями и микроэлементами он частично использовался в качестве питьевой воды, которая вполне удовлетворяла всем санитарно-гигиеническим и органолептическим требованиям. Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги достигалась окислительно-сорбционным методом с применением фильтрации, окисления органических соединений под воздействием ультрафиолетового источника света, доочистки на специальных ионообменных смолах. Регенерация так называемой кухонной воды (загрязненной после мойки посуды) осуществлялась окислительно-каталитическим методом, а остальной части санитарно-бытовой (душевой и пр.) воды - методом осаждения (коагуляции).

При сравнительно непродолжительных космических полетах системы водообеспечения должны строиться по принципу создания запасов воды на борту корабля, что требует разработки методов, надежно предотвращающих нарушение химических и органолептических свойств воды, развитие в ней микрофлоры и т. д. С этой целью производят консервирование воды, т. е. хранение ее в таких условиях и такими способами, которые обеспечивают сохранность всех ее свойств в течение продолжительного срока.

Для консервирования воды в условиях космического полета в принципе применимы следующие способы стерилизации воды: физические (ультрафиолетовое облучение, воздействие ультразвуком и холодом), биологические (введение антибиотиков) и химические (обработка химическими консервирующими средствами). Среди физических способов определенный интерес представляет замораживание: в ледяных брикетах микроорганизмы теряют способность размножаться. Этот способ Консервирования воды найдет широкое применение в условиях ориентированного полета космического корабля, когда можно использовать низкие температуры на теневой стороне. Применимы в условиях космического полета также химические способы консервирования воды, в частности препаратами серебра. Обогащение воды ионами серебра достигается ее контактированием с посеребренными поверхностями, использованием растворимых солей серебра или электролитическим введением в воду ионов серебра. Исследования показали, что чистая водопроводная вода с невысоким содержанием органических веществ и солей в стеклянной или полиэтиленовой таре может храниться до 6 месяцев при концентрациях в ней серебра 0,1-0,4 мг/л или азотнокислого серебра 1,5-2 мг/л. Ионы серебра в этой концентрации оказывают достаточно сильное обеззараживающее действие при загрязнении воды кишечной палочкой. Наилучшие результаты получены при консервировании воды препаратами серебра электролитическим методом.

При восстановлении воды из влагосодержащих отходов особое внимание необходимо уделять количеству органических примесей. С этой целью в систему регенерации воды должны быть включены автоматические устройства, контролирующие содержание в ней органических примесей. Необходимо также учитывать, что регенерируемая вода обеднена солями. Это ухудшает ее вкусовые качества и снижает поступление в организм некоторых необходимых веществ. Поэтому при разработке системы регенерации воды необходимо предусматривать и методы обогащения ее соответствующими солями и микроэлементами.

Круговорот пищи

При длительных полетах системы жизнеобеспечения должны обеспечить постоянное воспроизводство на корабле или на космической станции пищи с одновременным удалением и утилизацией отходов жизнедеятельности человека.

Продукты питания могут быть взяты в запас в обезвоженном виде, кроме того, возможны комплексы, в которых растительную часть рациона питания получают путем культивирования водорослей на борту корабля или станции и выращивания без почвы огородных культур; белки животного происхождения получают от низших или высших животных, выращиваемых на корабле.

Искусственная экологическая система существенно отличается от естественной. Эти отличия обусловлены прежде всего ограниченным количеством участвующих в круговороте веществ, минимальным числом звеньев, невозможностью па длительное время исключить из круговорота значительное количество веществ. Кроме того, человек, ради поддержания условий жизни которого создается искусственная экологическая система, сам является звеном этой системы, и от его нормальной жизнедеятельности (использование воссозданной пищи, поглощение кислорода, выделение углекислого газа) будет зависеть нормальное функционирование всей системы в целом.

По мнению большинства исследователей, при длительных космических полетах все компоненты жизнеобеспечения экипажей, в том числе и пища, должны воспроизводиться на борту корабля. При этом возможны два пути. Одним из них является создание круговорота веществ на физико-химической основе: разложение отходов до воды, углекислого газа, минеральных элементов, синтез из них исходных продуктов и повторное их использование.

Второй возможный путь - это создание круговорота веществ по типу происходящего в земных условиях. В этом комплексе большое значение приобретает биологическое воспроизводство продуктов питания. Систему биологического воспроизводства продуктов питания наиболее целесообразно строить на основе частично или полностью замкнутого круговорота веществ. Отдельными звеньями такой системы могут быть: низшие автотрофные организмы (одноклеточные водоросли), высшие автотрофные растения, низшие гетеротрофные организмы (дрожжи, бактерии, зоопланктон и др.) и высшие гетеротрофные животные (мелкие животные и птицы), а также звено физико-химической трансформации. Получаемые в системе продукты питания нуждаются в последующей технологической переработке: разрушении клеточных оболочек, удалении пигмента, хитина и т. д.

Одним из многих вариантов замкнутой экологической системы для жизнеобеспечения в длительных космических полетах является сложная система, включающая в себя в качестве автотрофного звена культуру микроводорослей. С практической точки зрения наиболее важным представляется применение в качестве газообменника микроводорослевого звена, регенерирующего атмосферу кабины космического корабля. При этом основным требованием, предъявляемым к микроводорослевому звену замкнутой системы, следует признать возможность длительного и непрерывного автоматического поддержания в этой системе процесса фотосинтеза, который предусматривает постоянное продуцирование микроводорослей. Выработка микроводорослей должна быть достаточной для удовлетворения потребностей человека при осуществлении длительного космического полета.

Осуществление устойчивого непрерывного процесса микроводорослевого фотосинтеза в культиваторе, производительность которого может обеспечить метаболические потребности человеческого организма, позволило советским ученым провести ряд экспериментов по длительному пребыванию человека в замкнутом объеме, в котором воздушная среда регенерировалась с помощью фотосинтетического метода. В экспериментах продолжительностью от нескольких часов до 30 суток была выявлена возможность создания системы биологической регенерации атмосферы с участием микроводорослей. В течение длительного пребывания испытуемого в термокамере с биологической регенерацией атмосферы не наблюдалось гипотензивного эффекта, проявляющегося в этих же условиях при небиологических способах регенерации. Это дает возможность предположить, что биологическая регенерация атмосферы не только воспроизводит кислород и поглощает углекислоту, но и выполняет иные важные гигиенические функции по облагораживанию атмосферы.

Экспериментально также доказана возможность полного баланса газообмена человека и микроводорослей путем подбора соответствующей питательной среды для водорослей и коррекции рациона питания человека в пределах физиологического оптимума.

Среди одноклеточных водорослей наиболее полно изучена пищевая ценность биомассы протококковых водорослей - хлореллы и сценедесмуса. В зависимости от условий выращивания содержание белков в этих водорослях колеблется от 8,7 до 88,2%, жиров - от 4,5 до 85,6%, углеводов - от 5,7 до 37,5%. При выращивании водорослей в обычных условиях их состав следующий: белков 50%, углеводов 32%, жиров 13%. Биомасса протококковых водорослей содержит различные витамины группы В (в том числе B₁, PP, пантотеновую кислоту, холин), витамины К и С. Хлорофилла в ней содержится 5% от сухого веса. Белки одноклеточных водорослей содержат полный набор аминокислот (мало в них лишь серосодержащих аминокислот). В состав жиров одноклеточных водорослей входит 80% ненасыщенных жирных кислот. В состав углеводов входят глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза, декстрины, крахмал, клетчатка.

Усвояемость биомассы одноклеточных водорослей, установленная в опытах на крысах, составляет 60-70%. Более полному усвоению пищевых веществ препятствует наличие у одноклеточных водорослей оболочек, устойчивых к действию пищеварительных ферментов высших плотоядных животных и человека. Разрушение клеточных оболочек и удаление пигментов повышает процент усвоения биомассы. Включение ее в рацион человека в больших количествах (50, 100, 150 г сухой биомассы в сутки) вызывает отрыжку, метеоризм (вздутие кишечника), тошноту и т. д. Длительное потребление больших количеств непереработанной биомассы одноклеточных водорослей может привести к развитию аллергических состояний.

В системе биологического воспроизводства продуктов питания на борту космического корабля велико значение высших растений как источников получения углеводов, витаминов, минеральных веществ (в том числе микроэлементов), а также растительных жиров и вкусовых добавок. Для выращивания в космической оранжерее наиболее пригодны картофель, сахарная свекла, морковь, редис, капуста (китайская и белокочанная), салат, шпинат, томаты, укроп, арахис.

Одним из источников питания человека могут стать обычно неиспользуемые части высших растений (ботва, листья), если их подвергнуть предварительной технологической переработке (химический или ферментативный гидролиз) и последующей биологической трансформации (выращивание на продуктах гидролиза зоопланктона и др.). Зоопланктон в зависимости от вида, условий культивирования, времени года и места сбора содержит белков 54-65%, жиров 14%, золы 8-16%, хитина 3-4%. Биомасса зоопланктона имеет приятный вкус, напоминающий вкус креветок, и приравнивается к лучшим сортам мяса.

Низшие и высшие растения можно использовать для биологической регенерации воздуха, воды, утилизации предварительно минерализованных отходов человека и животных. Биомасса растений будет служить пищей для последних. Отходы человека и животных, пройдя звено трансформации (разложение с помощью микробов, сжигание или другие физико-химические процессы), будут вновь использоваться для воспроизведения биомассы растений и т. д.

Для осуществления всех этих процессов предполагается, как и в земных условиях, использование световой энергии. В области создания перспективных систем жизнеобеспечения уже ощутимы результаты работ по снабжению человека кислородом за счет растительного звена. Был изучен процесс непрерывного культивирования микроводорослей с продуктивностью до 100 л кислорода в сутки с 1 м² освещаемой поверхности реактора. Создана автоматизированная установка, обеспечивающая потребности человека в кислороде.

Создание непрерывного устойчивого процесса фотосинтеза у микроводорослей в культиваторе позволило провести эксперименты с участием человека в герметической камере длительностью до 30 суток. При этом была установлена биологическая совместимость человека и микроводорослей.

В упомянутом выше годовом эксперименте в термокамере с участием трех испытуемых была испытана экспериментальная оранжерея, выведенная на режим "зеленого конвейера" (на втором этапе годового эксперимента - с 22 января 1968 г.). В процессе эксперимента была установлена возможность выращивания некоторых высших растений (зелени и овощей) в среде замкнутого объема при пребывании в нем человека и многократном использовании воды, выделяемой растениями через листья, для орошения заменителя почвы.

Системы, основанные только на физико-химических процессах, представляются в настоящее время более надежными по сравнению с системами, включающими и биологические процессы. На рисунке представлена примерная схема комплекса систем жизнеобеспечения, основанная на физико-химических процессах.

Весьма успешно ведется разработка физико-химических систем с замкнутым круговоротом кислорода и воды. Регенерация кислорода и воды в герметическом объеме и в условиях невесомости - процесс крайне сложный, и из значительного числа возможных способов находят применение наиболее надежные и эффективные.

При создании систем жизнеобеспечения, рассчитанных на длительные полеты и предусматривающих регенерацию пищи, воды и кислорода, необходимо решить прежде всего вопрос об источнике энергии на борту космического корабля. Ряд проектов предусматривает использование радиоизотопных источников энергии с преобразованием тепловой энергии в электрическую.

Принципиальная схема одного из возможных вариантов комплекса систем жизнеобеспечения, использующего только физико-химические процессы регенерации кислорода и воды и запасы продуктов питания

Давно высказана мысль о том, что замкнутая экологическая система человек - растения нерентабельна не только с точки зрения потребностей энергии, но и с позиции использования образующейся избыточной растительной органической массы. Отсюда и идея об обязательном включении в эту систему гетеротрофного звена, которое трансформировало бы неиспользуемую часть биомассы растений в усвояемые человеком пищевые вещества, в частности животный белок.

В связи с этим в настоящее время большое внимание уделяется вопросу использования микроорганизмов и дрожжей в питании человека и животных в космическом полете. Вне всякого сомнения, дрожжи могут явиться ценным белковым кормом для животных, если представится возможность создания "космических ферм" на планетных станциях или при длительных полетах. Набор видов растений в космической оранжерее, вероятно, будет ограничен, и рацион животных не сможет быть обеспечен только за счет растительных отходов. Не исключена возможность, что для производства белкового питания животных, а также человека будет признано целесообразным выращивание дрожжей на гидролизатах несъедобных растительных отходов.

В длительно функционирующих системах жизнеобеспечения человек будет одним из главных их звеньев - участником и регулятором массо- и теплообмена. Информация о состоянии и деятельности человека должна быть использована для управления не только звеньями, непосредственно связанными с ним, но и другими, вспомогательными. Например, регулирование производительности электролизной ячейки, предназначенной для получения кислорода из воды, в основном будет зависеть от потребления кислорода, которое все время колеблется и зависит в большой мере от характера деятельности человека, индивидуальных особенностей, состояния его здоровья и т. д. В свою очередь эти колебания в потреблении кислорода человеком должны вызывать изменения режима работы системы регенерации воды и кондиционирования воздуха кабины корабля.

Человек не только главное звено системы замкнутого круговорота веществ, но и наиболее объективный индикатор работоспособности этой системы. В нашей стране был сооружен наземный комплекс систем жизнеобеспечения, в котором был проведен уже упоминавшийся годовой эксперимент с участием трех испытуемых. В нем использовались последние отечественные достижения биологии, химии, медицины, техники.

Эксперимент подтвердил принципиальную возможность существования, сохранения здоровья и работоспособности человека при длительном пребывании его в термокамере малого объема в специфических условиях частично замкнутого круговорота воды и кислорода.

Рассмотрим одну из возможных систем жизнеобеспечения. Как известно, в процессе своей жизнедеятельности человек выделяет в сутки в среднем 890 г углекислого газа и не менее 1,5 кг твердых и жидких отходов. Направим углекислый газ непосредственно в звено растений как высших (овощные культуры), так и низших (культуры различных водорослей). Это звено принято называть звеном автотрофных организмов, обладающих удивительными свойствами: они живут, питаются, растут и размножаются, поглощая из окружающей среды углекислый газ, минеральные соли и воду, используя при этом световую энергию солнца. Процесс этот носит название фотосинтеза и сопровождается образованием органического вещества, главным образом углеводов и витаминов.

Подсчитано, что до 30-35 л кислорода в сутки можно получить с 1 м² космической оранжереи и до 50 л кислорода в сутки с 1 л суспензии с водорослью хлореллой. Растительные продукты, полученные в оранжерее и реакторе с водорослями, после соответствующей обработки в космической кухне превращаются в пищу. Из растений может быть создан рацион питания космонавта, обеспечивающий его энергией на 30%, белками на 25-30%, углеводами па 60% и полностью витаминами. Площадь оранжереи ориентировочно должна составлять 10-15 м² на 1 человека. Однако полученная растительная пища, хотя и богатая углеводами и особенно витаминами, не может считаться полноценной, ибо человек нуждается еще и в животной пище. Поэтому закономерно введение в биолого-техническую систему жизнеобеспечения еще и звена животных, которые, питаясь не усвояемыми человеком отходами высших растений (ботва, корни и т. д.) и водорослями, давали бы ему продукты животного происхождения.

Для питания самих растений нужны, как указывалось выше, растворы минеральных солей, в которых непременно присутствовали бы такие элементы, как азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо и т. д. Такие растворы минеральных солей могут быть получены в следующем, не менее важном звене - звене утилизации, или минерализации, отходов жизнедеятельности человека и биокомплекса. Сюда поступают все виды твердых и жидких отходов, образующихся на космическом корабле. По своему составу эти отходы (фекалии, моча, остатки растений и животных и др.) в основном являются органическими соединениями, и поэтому их необходимо превратить в усвояемую растениями форму, т. е. минерализовать. Сделать это можно различными способами, как физико-химическими (сжечь, окислить), так и биологическими (окислить с помощью различных полезных микроорганизмов). Наиболее вероятно, что это звено будет включать комбинацию обоих способов.

Биолого-техническая система жизнеобеспечения

Необходимое количество питьевой и санитарно-хозяйственной воды может быть получено путем регенерации ее из жидких отходов жизнедеятельности человека, но главным образом из той влаги, которая испаряется растениями, а затем, охлаждаясь, конденсируется. Условно этот процесс приготовления воды показан на схеме в устройстве "регенератор", откуда питьевая вода направляется к космонавтам и животным. Естественно, что реальная биотехническая система будет включать в себя еще много устройств, аппаратов, узлов и приспособлений для автоматизации, регистрации, коррекции и управления, для проведения сложных биологических, физических и химических процессов на заданном уровне. Суть биолого-технической системы жизнеобеспечения заключается в согласованных связях между отдельными звеньями, в потоках веществ и соединений от одного звена к другому и в трансформации и бесконечных превращениях этих веществ и соединений из одного состояния в другое за время пребывания в звене. Жизнь на корабле будет идти за счет многократного использования элементов, веществ и соединений в направленном человеком круговороте веществ, что позволит организовать путешествия в космос на долгий срок.

Однако создание полного круговорота веществ в условиях космического полета сложная и трудная задача, которая потребует долгих лет напряженной работы специалистов разных профилей. По-видимому, использование продуктов биологического синтеза в питании космонавтов начнется с включения в замкнутую систему жизнеобеспечения планетных станций и космических кораблей отдельных наиболее важных звеньев биологического воспроизводства пищи на основе частичного или полностью замкнутого круговорота веществ.