Рис. 25. Диаграмма суточного круговорота веществ в организме человека
ЧТО ТАКОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА?
Любая форма живой материи немыслима вне той среды, к существованию в которой она приспособлена, причем более высокоорганизованные формы жизни являются и более требовательными к постоянству состава и свойств внешней среды.
Отрасль биологии, занимающаяся изучением взаимоотношения живых организмов с окружающей их средой, называется экологией. Наука поставила перед учеными и инженерами сложнейшую проблему: как обеспечить человеку вне Земли длительную работоспособность, как создать в космической пустыне, в невесомости условия, пригодные для жизни и работы?
Протекание жизненных процессов в человеческом организме основано на преобразовании одних форм энергии в другие, которое сопровождается химическими превращениями веществ. Так, при совершении мускульной работы входящие в состав человеческого организма углеводы и жиры (вещества с высоким уровнем энергии) превращаются в воду и углекислый газ (вещества с низким уровнем энергии). Освобождающаяся при этом энергия идет на получение полезной механической работы. Кроме того, часть энергии выделяется и рассеивается в виде тепла. Убыль энергии восполняется затем вводом в организм новых жиров и углеводов. Это пример одного из многочисленных проявлений так называемого метаболизма — круговорота веществ в живом организме при взаимодействии его с внешней средой.
Количественные отношения, в которых совершается процесс обмена веществ, во многом зависят от состояния окружающей среды, например от температуры. Но прежде всего они определяются родом жизнедеятельности. Достаточно сказать, что часовое потребление кислорода человеком может изменяться в среднем от 15 л при полном покое (сон) до 75 л и более при тяжелой физической работе.
Однако для уяснения требований, предъявляемых к системе жизнеобеспечения экипажа ОКС, обычно рассматривают некоторые средние нормы. Примером таких осредненных норм суточного круговорота веществ в организме человека могут служить данные, представленные в виде диаграммы на рис. 25 [16]. Приведенная диаграмма составлена из предположения, что вес человека равен 70 кг, суточный рацион питания состоит из 80 г белков, 270 г углеводов и 150 г жиров, а отношение массы вдыхаемого кислорода к массе выдыхаемого углекислого газа составляет 0,82. Рассматривая диаграмму, можно прийти к двум важным выводам. Во-первых, масса всех вводимых в организм веществ равняется массе всех выделяющихся продуктов жизнедеятельности; другими словами, процесс обмена веществ у здорового взрослого человека, вес которого практически остается неизменным, совершается при строгом массовом балансе. Во-вторых, воды выделяется несколько больше, чем вводится. Увеличение массы воды происходит за счет окислительных процессов пищеварения. Количество этой «лишней» воды зависит от типа пищи. Жиры, в частности, создают больший прирост воды, нежели белки и углеводы.
Таким образом, для поддержания постоянства весового баланса веществ, который на Земле вполне естествен, на борту ОКС должна постоянно действовать заранее рассчитанная система обеспечения жизнедеятельности человека. Такая система называется экологической.
Рис. 25. Диаграмма суточного круговорота веществ в организме человека |
Важно тщательно предусмотреть все факторы, влияющие на процесс обмена веществ. Выгодно ли, например, увеличить в рационе космонавта процент высококалорийных жиров? Казалось бы, да — ведь это позволит снизить вес запасаемых на борту продуктов питания. Но оказывается, что увеличение в рационе количества жиров будет повышать содержание воды в атмосфере кабины, а следовательно, потребует и дополнительного влагопоглощающего оборудования. Таким образом, исходя из требования минимального веса всей экологической системы можно будет найти оптимальные решения.
Приступая к разработке принципов построения экологических систем для полетов в космос, ученые обращаются прежде всего к идеальному прототипу таких систем, которым служит созданный самой природой, «космический корабль» — наша планета. На Земле осуществляется замкнутый круговорот всех необходимых для жизни веществ: постоянно расходуются и вновь регенерируются вода и азот, циклически совершаются превращения кислорода в углекислый газ при дыхании животных и углекислого газа в кислород при фотосинтезе в растениях и т.д.
Возникает вопрос: можно ли хотя бы в какой-то мере скопировать эти процессы в экологической системе ОКС? Ведь запастись всеми нужными для жизни продуктами в достаточном количестве для длительного пребывания людей в космосе очень сложно. Это потребует огромного количества транспортных ракет, тем более что вес потребного запаса быстро возрастает с увеличением численности экипажа и времени полета.
Разумеется, какой-то первоначальный запас надо иметь в любом случае. Однако если при кратковременном полете в космос можно пойти на то, чтобы полностью расходовать этот запас, заботясь лишь об удалении продуктов жизнедеятельности из кабины, то обеспечение продолжительного пребывания человека в космосе заставляет подумать о способах регенерации продуктов жизнедеятельности для повторного их использования. Это означает, например, что надо иметь такие материалы для поглощения углекислого газа и влаги, которые допускали бы многократное применение их после регенерации. Еще лучше, если они будут при этом в достаточном количестве выделять новые порции необходимого для человека кислорода. Ставится и более сложная задача получения пищевых продуктов из остатков процесса жизнедеятельности: сахара и крахмала — из углекислого газа и воды, белков — из азотсодержащихся веществ мочевины.
Главной проблемой при создании экологической системы ОКС является поддержание в кабине нормального давления и состава атмосферы, а также ее температуры и влажности. При этом давление в кабине может быть и меньше атмосферного, но не ниже 0,7 кг/см2. Парциальное давление кислорода необходимо поддерживать близким к давлению на уровне моря (158 мм рт. ст.). Давление других газов, присутствующих обычно в земной атмосфере, соответствующее их содержанию, не должно превышать следующих норм: для углекислого газа — 4-8 мм рт. ст., паров воды — 5-12 мм рт. ст.
В настоящее время существует несколько способов поддержания нормального состава атмосферы в герметических кабинах. Все они сводятся к одному — к созданию запаса кислорода и средств для поглощения углекислого газа и воды.
Самый простой способ обеспечения экипажа кислородом — это создание на борту ОКС его запасов в газообразном или жидком виде. Но хранение газообразного кислорода приводит к большому «мертвому» весу металлических баллонов. Так, например, вес газообразного кислорода обычно составляет только 10-20% полного веса снаряженных баллонов.
Жидкий кислород хранится в специальных сосудах — конверторах. Однако хранение его в условиях космического полета сопряжено с некоторыми техническими трудностями. В частности, необходимо иметь очень хорошую тепловую изоляцию конверторов с жидким кислородом для уменьшения потерь на испарение.
Перспективным представляется получение кислорода непосредственно на борту ОКС из продуктов, запасенных на Земле, хранение которых в количествах, достаточных для обеспечения кислородом, не вызывает больших трудностей.
Такими химическими соединениями, которые при реагировании с другими веществами выделяют кислород, вполне пригодный для дыхания, являются перекись водорода (Н2О2), хлорат натрия (NaClO3), перекись натрия (Na2О2) и др. Правда, с точки зрения весовой отдачи химические источники кислорода занимают пока промежуточное положение между баллонами с газообразным кислородом и жидкостными конверторами.
Использование химических соединений для кислородного снабжения экипажа ОКС может дать и другие преимущества. Некоторые из этих веществ могут не только выделять кислород, но и образовывать продукты, способные поглощать углекислый газ, частично влагу, также уничтожать вирусы и бактерии. Примером такого соединения служит перекись калия КО2. При взаимодействии перекиси калия с водяными парами протекает следующая реакция:
Как видно из уравнения этой реакции, кроме трех молекул О2, образуется еще четыре молекулы гидроокиси калия, которые можно затем использовать для поглощения углекислого газа:
Кстати, для поглощения углекислого газа давно уж используют гидроокиси щелочных металлов — натрия калия, кальция, бария или лития. Правда, при поглощении углекислого газа гидроокисью какого-либо щелочного металла образуется вода, часть которой испаряется и должна удаляться другими влагопоглотителями.
Существует также метод удаления углекислого газа основанный на высокой растворимости его в некоторых жидкостях. Этот метод, широко применяющийся на подводных лодках, требует довольно тяжелых и громоздки; установок, что делает его малопригодным для использования в космосе.
В качестве влагопоглотителей для герметической кабины предлагается целый ряд химических веществ Обычные поглотители воды — окислы кальция или бария и широко использующийся в авиации и быту силикагель — требуют от 7 до 10 единиц собственного веса для поглощения одной весовой единицы воды. Значительно выгоднее в весовом отношении перхлорат магния и хлорид лития, требующие лишь 2-3 единицы собственного веса на единицу веса поглощаемой воды. Перхлорат магния может к тому же регенерироваться, т.е. восстанавливаться нагреванием. Правда, это потребует специальных мер предосторожности, так как перхлорат магния при контакте с парами органических веществ и высокой температуре становится взрывоопасным.
Воду и углекислый газ можно удалять и вымораживанием. На ОКС с постоянной ориентацией на Солнце такой метод может оказаться эффективным; для этого необходимо будет обеспечить отвод воды и углекислого газа на холодную, теневую, сторону станции. Как показали лабораторные испытания [23], система поддержания атмосферы в герметической кабине с использованием перекиси калия получается достаточно простой и надежной, причем для поддержания жизнедеятельности одного человека в течение суток необходимо иметь около 2 кг перекиси калия. Определенный интерес для регенерации кислорода на борту ОКС представляет также известный из химии процесс электролиза, т.е. разложения воды под действием электрического тока на кислород и водород. Необходимые для этой цели запасы воды могут пополняться с помощью углекислого газа, который сам может быть превращен в воду при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора. Полученный в результате электролиза газообразный кислород можно использовать непосредственно для дыхания, а водород вновь применить для получения воды.
Выполненная в США действующая модель электролитического устройства для регенерации кислорода в герметической кабине весит около 90 кг и занимает площадь примерно 0,2 м2.
Недостатками системы, использующей электролиз воды, являются взрывоопасность свободного водорода и довольно значительный расход электроэнергии. Рассмотренные выше способы поддержания нормального состава атмосферы в герметической кабине основаны на физико-химических процессах, протекающих без участия органической природы, и предоставляют поэтому лишь ограниченные возможности для получения замкнутого кругооборота веществ внутри космической станции.
Но еще К.Э.Циолковский указывал, что в систему жизнеобеспечения продолжительных полетов нужно включать живую материю. Он предлагал выращивать на космическом корабле растения, богатые хлорофиллом, В последнее время в литературе по космической медицине широко обсуждается вопрос об использовании для этой цели водорослевых культур. Особенно перспективна в этом отношении одноклеточная водоросль хлорелла. Теоретически она позволяет осуществить почти полностью замкнутый цикл обмена веществ внутри ОКС при сравнительно несложном оборудовании. Из 230 л водной суспензии хлореллы под действием света ежедневно может выделиться около 600 л кислорода. При этом в процессе фотосинтеза образование кислорода сопровождается поглощением углекислого газа, причем отношение объема выделяемого кислорода к объему поглощаемого углекислого газа равно единице.
Хлорелла обладает еще одним интересным свойством. В процессе роста она синтезирует ценные пищевые продукты: белки, углеводы, жиры и различные витамины, которые могут служить пищей человеку. Если учесть, что для питания хлореллы пригодны такие продукты жизнедеятельности человека, как мочевина, соли и эфиры азотной кислоты, то эту ценную водоросль можно считать замыкающим звеном в цикле азотного обмена между человеком и растениями. Кстати, растет хлорелла поразительно быстро: каждый килограмм ее при соответствующих условиях может увеличить свой вес за сутки в 2,6 раза.
Водорослевая система жизнеобеспечения обладает отличными весовыми характеристиками. Целесообразность ее применения возрастает с увеличением времени пребывания в космосе. Трудностей в разработке подобных систем еще очень много. Но несомненные достоинства их для применения на очень больших обитаемых станциях, а также при длительных межпланетных полетах привлекают к ним все большее внимание.
Приведем примерную классификацию и весовые характеристики экологических систем, предназначаемых для обитаемых космических аппаратов, которые позволяют судить о целесообразности применения системы того или иного типа в зависимости от продолжительности полета [28].
В качестве критерия для классификаций взята степень изолированности экологической системы от внешней среды, т.е. способность к продолжительному функционированию без пополнения необходимыми продуктами извне. С этой точки зрения все экологические системы могут быть подразделены на незамкнутые (открытые), полузамкнутые и замкнутые.
В открытой системе кислород, вода и пища запасаются на все время полета, а накапливающиеся продукты жизнедеятельности постоянно удаляются из кабины. Открытые системы имеют несложное оборудование — баллоны, контейнеры, вентиляторы, приборы контроля за поступлением и удалением продуктов. Вес таких систем быстро возрастает с увеличением продолжительности полета и численности экипажа.
В полузамкнутой системе пища и питьевая вода также запасаются на все время полета, но первоначальный запас кислорода может быть взят небольшим, поскольку в такой системе предусматривается поддержание нормального состава атмосферы кабины одним из рассмотренных выше способов. В отличие от открытой системы в этом случае удаляются наружу не все продукты жизнедеятельности. Углекислый газ используется в ней для регенерации кислорода.
Для замкнутой экологической системы характерным является минимум отброса продуктов жизнедеятельности. Исходный запас продуктов, в том числе и пищевых, многократно регенерируется для повторного использования. Такие системы нуждаются в сложном оборудовании для осуществления в герметической кабине замкнутого кругооборота веществ, но «мертвый» вес этого оборудования практически не изменяется с течением времени, а первоначальный запас продуктов зависит только от численности экипажа.
Из диаграммы (рис. 26), показывающей зависимость веса систем жизнеобеспечения различных типов от продолжительности времени их применения для ОКС с тремя космонавтами на борту, можно увидеть, что небольшие ОКС, рассчитанные на продолжительность существования две — три недели или на частую смену экипажа с доставкой необходимых грузов, могут иметь экологические системы открытого типа [28]. Полузамкнутая экологическая система обладает приемлемым весом при продолжительности полета до двух месяцев (срок, считающийся вполне достаточным для ОКС со сменой экипажа и пополнением запасов пищи и воды с Земли грузовыми ракетами).
 Рис. 26. Диаграмма изменения веса экологических систем в зависимости от времени полета ОКС с экипажем из трех человек: 1 — открытая система; 2 — полузамкнутая система; 3 — замкнутая система |
Рассмотрим один из возможных вариантов незамкнутой экологической системы на примере американского проекта трехместной научной лаборатории «Сателлаб», рассчитанной на автономное существование на орбите в течение двух недель [28].
С целью повышения надежности основные отсеки «Сателлаба» имеют сдублированную систему жизнеобеспечения, принципиальная схема которой представлена на рис. 27. Капсула возвращения экипажа и отсеки лаборатории имеют идентичные, независимые друг от друга системы теплорегулирования и поддержания нормального состава атмосферы. На орбите в нормальных условиях функционирует система лабораторного отсека, в случае отказа последней включается система, размещенная в капсуле возвращения.
 Рис. 27. Схема экологической системы обитаемой космической станции «Сателлаб»: 1 — автоматический регулятор расхода кислорода; 2 — ручной регулятор расхода азота; 3 — вентилятор; 4 — кондиционирующая установка; 5 — электростатический фильтр очистки воздуха; 6 — поглотитель CO2 и запахов; 7 — регулятор давления в кабине; 8 — отверстие подвода воздуха в кабину; 9 — отверстие забора воздуха; 10 — клапаны для подсоединения шлангов наддува скафандров; 11 — водяной насос; 12 — излучатель; 13 — кипятильник; 14 — обратный клапан |
Поясним некоторые особенности рассматриваемой экологической системы, связанные с поддержанием нормальных атмосферных условий.
Кислород и азот запасаются в жидком виде, причем расход кислорода контролируется автоматически в зависимости от потребностей экипажа и полного давления в кабине; поступление же азота регулируется вручную. Углекислый газ непрерывно удаляется поглощением гидроокисью лития, хранящейся в специальных канистрах, каждая из которых рассчитана на сутки.
Вредные, газы и неприятные запахи поглощаются с помощью фильтров из древесного угля. Для этой же цели служат электростатические воздушные фильтры-ионизаторы. Очень важную роль выполняют вентиляторы, осуществляющие принудительную циркуляцию воздуха в кабине с целью рассасывания возможных в условиях невесомости застойных зон вредных газов. В аварийной обстановке космонавты могут надеть скафандры с наддувом воздухом. Изготовленный из пластиков скафандр вместе со шлемом и ботинками весит около 9 кг. К числу аварийных средств относятся и индивидуальные дыхательные приборы, используемые также при переходе из одного отсека в другой через шлюзовые люки.
Полный вес экологической системы «Сателлаб» без учета запаса пищи и питьевой воды составляет около 700 кг.
В настоящее время наиболее разработаны экологические системы открытого типа. Такие системы можно успешно использовать на первом этапе освоения околоземного космического пространства, учитывая возможность снабжения орбитальных станций с Земли. В дальнейшем, по мере увеличения числа и размеров обитаемых станций, будет выгоднее, видимо, перейти к созданию более сложных полузамкнутых и замкнутых систем жизнеобеспечения.
На крупных ОКС можно будет испытывать и отрабатывать замкнутые экологические системы будущих межпланетных кораблей, предназначенных для многолетних путешествий к отдаленным мирам.