«Техника-молодежи» 1977 №4, с.25-27

Так уж случилось, что сначала мы писали об «Оазисе-2» («ТМ», № 4 за 1974 г.), а теперь говорим об «Оазисе-1». Оазис — греческое слово, означающее место среди пустыни, где имеется растительность и вода. В толковом словаре Ушакова оазисом называется также что-то исключительное, непохожее на окружающее...

Нетрудно представить себе рабочий отсек орбитальной станции, «набитый» техникой: сложнейшими астрономическими и астрофизическими приборами, системами навигации, обеспечения жизнедеятельности экипажа и многим другим, что необходимо для выполнения программы полета, и если в этом море техники вы увидите зеленые растения, тянущиеся к свету, то это и будет оазис. «Летающий оазис», «Грядки в космосе», «Оазис жизни на орбите» — так называли журналисты, аккредитованные при Центре управления полетом, свои статьи об установке «Оазис-1» на орбитальной станции «Салют-4». Ив этих броских названиях нет преувеличения. Легко заметить, что развитие космонавтики идет по пути создания космических станций и длительного существования. И космические объекты следующих поколений, возможно, доставят человека на Марс, Венеру и другие планеты солнечной системы. Космические путешествия станут намного продолжительнее и потребуют создания принципиально новых систем обеспечения жизнедеятельности человека, создания искусственной биосферы. По определению академика В. Вернадского, биосфера — область распространения жизни. Она включает все живые организмы планеты и элементы неживой природы, составляющие среду их обитания. Но даже на Земле запасы минеральных элементов (необходимых для жизни) не бесконечны. Если бы они только потреблялись, то жизнь рано или поздно должна была бы прекратиться. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечности, — писал В. Вильямс, — это заставить его вращаться по замкнутой кривой». То же происходит и в биосфере: основа ее существования — круговорот вещества. Создать круговорот веществ в объеме космического корабля — и бесконечность жизнеобеспечения будет достигнута.

Но... Вот здесь и начинается проблема. Как создать? За счет каких приемов и средств? Как на Земле? Но ведь ее населяют 1,27 X 10⁶ видов организмов. И все они взаимодействуют между собой и со средой обитания. Попробуйте это смоделировать! Из всего многообразия компонентов нужно выбрать минимальное, необходимое их число и создать на их основе круговорот веществ, который мог бы обеспечить человека всем: пищей, водой, кислородом. Отходы жизнедеятельности не шли бы в «тупик», а вовлекались в круговорот.

И вот здесь мы сразу обращаем свой взгляд к зеленым растениям. В самом деле. Если на лист падает свет, то происходит известная всем реакция фотосинтеза:

Эта реакция означает, что в зеленом листе растения углекислый газ, то есть то, что выдыхает человек, связывается с водой и при этом, образуется органическое вещество и кислород, то есть то, что потребляет человек. Вот уже и круговорот в самом сокращенном виде. Эта схема круговорота отрабатывается в различных лабораториях мира.

Но возникает другой вопрос, А как будут чувствовать себя растения в невесомости? Вспомните, как прорастает семя: корень тянется вниз, стебель — вверх. Это свойство закреплено миллионами лет эволюции.

Ростовые вещества синтезируются в точках, положение которых определяется силой тяготения. Но ведь в космическом корабле нет «верха» и «низа».

Первые исследования, проведенные на «Союзе-9», «Зонде-8», «Союзе-12» со всходами пшеницы, картофеля, гороха, показали, что в условиях невесомости прорастание, рост и морфогенез побега происходят без заметных отклонений. Однако некоторые изменения на клеточном и субклеточном уровне есть. В частности, происходит перераспределение аминопластов в клетках корня гороха, израстание столонов картофеля и некоторые другие на первый взгляд незначительные отклонения. К каким последствиям это может привести в условиях онтогенеза, то есть при развитии растения от семени до взрослого состояния? Это была одна из основных задач, которая решалась в зеленом оазисе.

Но ведь надо было еще и научиться выращивать растения в условиях космического корабля. Обеспечить растения светом, водой, минеральными веществами. Это другие задачи, которые также решались в «Оазисе-1М».

На фото (справа) показана система «Оазис-1М», предназначенная для выращивания растений в условиях невесомости и кинорегистрации особенностей их роста. Система состоит из культивационного и регистрирующего блоков. Первый содержит практически все элементы конструкции, из которых будут состоять будущие космические оранжереи. В нем есть вегетационные сосуды, заполненные искусственной почвой, система подачи воды и система освещения, обеспечивающая растения необходимой лучистой энергией. А многочисленные датчики позволили (синхронно с полетом) воспроизводить в земных лабораториях условия проведения опыта.

При выборе искусственной почвы предпочтение было отдано искусственным субстратам на основе ионообменных материалов с достаточно высокой концентрацией минерального питания в осмотическо-неактивной форме. Это исключило необходимость приготовления и контроля в ходе эксперимента состава минерального раствора.

В известном годовом медико-биологическом эксперименте с тремя испытателями почва оранжереи состояла из ионообменных гранул. Но при отсутствии силы тяжести, перегрузках и вибрации связь между гранулами нарушается и «почва» может распылиться.

Чтобы этого не произошло, был разработан субстрат, обладающий теми же ионообменными свойствами, но с непрерывной, сложной структурой и высокими капиллярными свойствами, а также с большой механической прочностью и минимальным объемным весом. Он имеет волокнистую структуру. В это волокно и были заделаны семена гороха.

Наибольшую сложность представляла разработка системы водного обеспечения растений. Она включала в себя специальный вегетационный сосуд с субстратом, устройство для дозированного полива, бак особой конструкции, из которого вода выдавливалась за счет избыточного давления, создаваемого помпой. Схема подачи воды показана на рисунке.

Если о поведении жидкости в невесомости мы имели представление еще до первых полетов в космос, то о ее поведении в сложной системе «сосуд — субстрат» конструкторы «Оазиса» ничего не знали; только в условиях космического эксперимента можно было проверить правильность заложенных принципов.

Вода, используемая для растений, содержит только ионы серебра. Никаких питательных веществ в ней нет. А серебро увеличивает длительность ее хранения. Кстати, такую воду пьют и космонавты.

Растения выращивались при искусственном освещении, создаваемом люминесцентными лампами так называемого «дневного» света. Эти светильники специально изготовлялись для орбитальной станции: ведь они должны были вынести все механические воздействия, сопровождающие старт (вибрации, перегрузки), питаться от бортовой сети электропитания, иметь нужные характеристики.

Кстати, разработка светильников, субстратов, систем водного питания растений для космических оранжерей имеет большое значение для народного хозяйства. Например, искусственные субстраты широко применяются в овощеводстве закрытого грунта, в цветоводстве. А системы с замкнутым технологическим циклом, основанные на круговороте веществ, помогут решить проблемы охраны внешней среды и экономии сырьевых ресурсов.

На иллюстрациях (слева направо): Растения гороха, возвращенные на Землю со станции «Салют-4» после первой экспедиции. Снимок сделан через час после приземления спускаемого аппарата. Общий вид системы «Оазис-1». Слева — культивационный блок, где выращивались растения, справа — регистрирующий блок с кинокамерой, работающий в режиме покадровой съемки. Система разработана и изготовлена во Всесоюзном институте сельскохозяйственного машиностроения. Схема подачи воды в системе «Оазис-1»: 1. Двухсекционная емкость с водой. 2. Воздушная помпа для создания избыточного давления в системе. 3. Дозирующее устройство для полива вегетационных сосудов. 4, 5. Тумблеры. 6, 7. Распределители. 8, 9. Вегетационные сосуды.

Но вернемся к системе «Оазис-1М». На второй день после прибытия на орбитальную станцию «Салют-4» бортинженер первой экспедиции космонавт Г. Гречко произвел полив грядок, включил свет. На третий день появились всходы. Все, казалось бы, предвещало хороший урожай. Был включен регистрирующий блок, снабженный кинокамерой, которая каждые десять минут делала по снимку. Пленка запечатлела динамику роста растений.

Но вдруг сообщения с борта стали тревожными: в сосудах оказалось много воды. С одной стороны, поскольку исчезло тяготение, в капиллярно-щелевом субстрате стали действовать только капиллярные силы и силы сцепления — они превратили сосуд в исправный насос, качающий воду. С другой — резко изменились условия транспирации и испарения влаги — нет естественных конвекционных токов воздуха.

Дозированную подачу воды, рассчитанную и проверенную на Земле, пришлось корректировать. Это было сделано совместными усилиями космонавтов Г. Гречко и А. Губарева и специалистов Центра управления.

В результате урожай «был спасен». На фото (слева вверху) показаны растения, которые были сфотографированы на месте приземления спускаемого аппарата «Союз-17». Стебли сочные, зеленые, в полном расцвете сил. «Нам они очень нравятся», — не раз сообщали космонавты с борта станции.

Во второй экспедиции эксперимент с «Оазисом» продолжали космонавты П. Климук и В. Севастьянов. Вегетационные сосуды были уже «исправлены» с учетом приобретенного опыта. Не обошлось без казусов. Космонавты захватили три луковицы и, конечно, не удержались от того, чтобы не посадить их в грядку. «На день рождения Климука попробуем зеленого лучку», — поделились они своими планами с Землей.

Эта экспедиция продолжалась дольше, чем первая, — два месяца. На грядках появились дружные всходы гороха, луковицы дали густую зеленую поросль, и опять ничего не предвещало беды. Но вдруг растения стали желтеть, их листья закручивались в причудливые спирали.

...И вот космическое путешествие закончилось. В специальном термостате уникальный материал был доставлен в лаборатории ученых.

Что же произошло с растениями?

Внешний осмотр и биометрический анализ показали, что по общему развитию они лишь незначительно отличаются от контрольных, выращенных на Земле, в земном «Оазисе».

Последующие исследования дополнили, что горох при невесомости растет, ориентируясь на источник света, однако его корневая система менее развита по сравнению с контрольными образцами. После определенной стадии, предшествующей образованию генеративных органов, рост этих растений тормозится под влиянием космических факторов. Причины такого явления пока не удалось установить, и эксперименты в этом направлении продолжаются.

В заключение заметим, что над проблемой создания систем типа «Оазис» работали ученые и конструкторы Москвы, Минска, Вильнюса.

Значение этих систем огромно. Полученные важные данные о поведении высших растений в условиях невесомости обогатили наши знания. Сейчас уже представляется возможным, основываясь на идеях К. Циолковского, разрабатывать реальные биологические системы регенерации веществ на борту космических аппаратов.