CC BY
45
УДК 629.786.048
ОПТИМИЗАЦИЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В БИОС-3 И LUNAR PALACE-1: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Д. А. Шабанов Научный руководитель - С. И. Барцев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: hio123123@mail.ru
Создание эффективной биологической системы жизнеобеспечения является важным этапом в развитии космической отрасли. Одной из основных проблем при этом является нахождение оптимальных массообменных процессов между компонентами для создания устойчивого состояния данной системы. Ведется предварительное сравнение и анализ российской системы БИОС-3 и китайской системы Lunar Palace-1.
Ключевые слова: биологические системы жизнеобеспечения, искусственные экосистемы, процессы масообмена, оптимизация.
OPTIMIZATION OF MASS EXCHANGE PROCESSES IN BIOS-3 AND LUNAR PALACE-1: COMPARATIVE ANALYSIS
D. A. Shabanov Scientific Supervisor - S. I. Bartsev
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: hio123123@mail.ru
Creating an effective biological life support system is an important step in the development of the space industry. One of the main problem is to find optimal mass transfer processes between the components to create a steady state of the system. In this paper preliminary comparative analysis of the Russian system BIOS-3 and the Chinese system Lunar Palace-1 is conducted.
Keywords: bioregenerative life support system, artificial ecosystem, mass exchange process, optimization.
Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) - это искусственные системы, используемые для долгосрочного проживания, предоставляющие еду, очищенную воду и восстановленный воздух для экипажа из отходов его жизнедеятельности. БСЖО основаны на симбиозе между человеком и другими биологическими организмами, моделируя в относительно малом пространстве обмен массы и энергии в биосфере, в которой почти нет притока массы снаружи, а энергия поступает в виде солнечной радиации. Изначально создаваемые для длительных космических перелетов и колонизации космических объектов, эти системы могут быть использованы и на Земле для подводных и полярных станций, или как экспериментальная модель Земной биосферы [1-3].
БИОС-3 - это замкнутая экосистема, созданная в 1972 году как часть космической программы Советского Союза. В БИОС-3 было проведено несколько экспериментов, самый длительный из которых продлился шесть месяцев. Эта система до сих пор находится в Институте Биофизики в Красноярске.
Конструкция этой системы состоит из четырех отсеков: зона экипажа, два фитотрона с высшими растениями и культиватора для хлореллы. Зона экипажа также разделена на три раз-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 2
дельных спальни, кухню, уборную, комнату контроля и рабочую зону. Для уменьшения утечки воздуха, снаружи к основной конструкции присоединены два воздушных баллона, обеспечивающих внутреннее давление, близкое к атмосферному.
Chlorella Vulgaris - это одноклеточная водоросль. Легкая в производстве и содержании, она может использоваться для преобразования углекислого газа в воздухе в кислород. С помощью нее можно добиться 20 % замкнутости по массе (85 % при переработке воды), но всё же культиваторы хлореллы используются как резервная система, ведь очевидно, что для достижения большей замкнутости необходимо что-то более съедобное.
В фитотронах во время эксперимента выращивалось достаточно много растений: пшеница, чуфа, горох, морковь, редис, свекла, кольраби, лук, укроп, помидоры, огурцы, картофель. Растения, для фотосинтеза, освещались круглосуточно, однако для некоторых культур, таких как картофель и помидоры, требуется темная фаза.
Для обеспечения стабильности системы, перед экспериментами были поведены вычисления массообменных процессов.
Лиофилизированная животная пища поступала в систему снаружи из-за простоты хранения и из-за того факта, что любое животное в системе будет прямым конкурентом человека за ресурсы, обеспечивая эффективность продукции пищи всего лишь в 10 %, существенно увеличивая размер системы.
Несъедобная растительная биомасса сжигалась, возвращая углерод астениям через углекислый газ, однако при этом также выделялись токсичные газы и терялись минеральные вещества. Хотя и был позже применен модифицированный ферментер, проблема не была полностью решена, потому несъедобная биомасса высушивалась и выводилась из системы.
График ниже показывает концентрации углекислого газа и кислорода в системе. Резкие изменения во второй половине графика вызваны сжиганием несъедобно растительной биомассы, однако зеркальное поведение графиков показывает высокую замкнутость системы.
Рис. 1. Динамика концентраций углекислого газа и кислорода во время второго эксперимента в БИОС-3
Lunar Palace-1 - это замкнутая экосистема, созданная как прототип лунной базы. Эксперименты проводятся и в настоящее время, самый продолжительный из них пролился 105 дней. Объекты системы расположены в Институте Экологической Биологии и Технологии Жизнеобеспечения Бэйхангского Университета в Пекине, Китай. Эта система основана на идеях БИОС-3 с добавлением новых технологических решений.
На момент 2016 года, в Лунный Дворец состоит из одной общей кабины и одной растительной кабины. Общая кабина включает в себя 4 спальни, ванную комнату, комнаты экипажа и комнаты для удаления отходов и выращивания насекомых. Растительная кабина разделена на две
части, что позволяет контролировать условия выращивания посевов в зависимости от их требований к росту. Также, во время эксперимента были использованы определенные светодиоды, обеспечивающие не просто обычный белый свет, но смеси голубого, красного и белого света, которые должны обеспечивать улучшенный рост культур.
В растительной кабине выращивались: пшеница, чуфа, соя, фасоль, морковь, огурец, зеленый лук, земляника, кукуруза, арахис и листовые овощи. Растения освещались в зависимости от их потребностей к фотосинтезу: в первой комнате освещение было постоянным, а во второй комнате оно было по 12 часов в день.
Вместо сжигания отходов, в Лунном Дворце используется ферментер, что позволяет вернуть углерод обратно в систему без каких-либо токсинов.
Для удовлетворения потребности экипажа в белке и для переработки некоторого количества несъедобной растительной биомассы, в системе выращивались мучные черви, хотя частично мясо бралось из запасов.
Рассматриваемая как более продвинутая, чем другие БСЖО, Лунный Дворец-1 был менее стабильным, чем ВЮ8-3 по концентрации углекислого газа: в БИОС-3 увеличение углекислого газа продолжалось только в течение нескольких дней из-за технической чрезвычайной ситуации, в то время как в Лунном Дворце значения углекислого газа постоянно колебались во время эксперимента, как показано на графике ниже. Эта проблема была вызвана тем, что в составе экипажа Лунного Дворца были мужчины и женщины, и в такой ситуации расчет процессов масообме-на следует выполнять с большей осторожностью.
Рис. 2. Колебания концентраций кислорода и углекислого газа в 105-ти дневном эксперименте в Lunar Palace-1. График углекислого газа светлее графика кислорода
Библиографические ссылки
1. Salisbury F. B., Gitelson J. I., Lisovsky G. M. BIOS-3: Siberian experiments in bioregenerative life support attempts to purify air and grow food for space exploration in a sealed environment began in 1972 // Bioscience. 1997. Т. 47. №. 9. С. 575-585.
2. Dong C. et al. Element Cycling and Energy Flux Responses in Ecosystem Simulations Conducted at the Chinese Lunar Palace-1 // Astrobiology. 2017.
3. Dong C. et al. Twin studies in Chinese closed controlled ecosystem with humans: the effect of elevated CO 2 disturbance on gas exchange characteristics //Ecological Engineering. 2016. Т. 91. С. 126-130.
© Шабанов Д. А., 2017
