CC BY
105УДК 629.78.048.4:57 DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-2-37-54
перспективы применения космических оранжерей в комплексе систем жизнеобеспечения космонавтов
в условиях лунной орбитальной станции, лунной базы и межпланетных транспортных кораблей
© 2019 г. Беркович Ю.А.1, Смолянина С.О.1, Железняков А.г.2, ТузенбергА.С.2
1ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН) Хорошевское шоссе, 76А, г. Москва, Российская Федерация, 123007, e-mail: info@imbp.ru
2Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
В комплекс ре генерационных систем жизнеобеспечения экипажей пилотируемых долговременных космических объектов планируется вводить оранжереи для улучшения среды обитания. Космические оранжереи будут обеспечивать членов экипажа свежей зеленью с хорошо усвояемыми витаминами и пищевыми волокнами, а также оказывать психофизиологическую поддержку в условиях длительной космической экспедиции. В статье приводится аналитический обзор конструкций ряда созданных и создающихся отечественных и зарубежных оранжерей, способных работать в условиях космического полета. Приведены их основные конструкционные и эксплуатационные характеристики, проанализированы проблемы на пути разработки более производительных космических оранжерей.
Обосновываются преимущества отечественной конвейерной космической оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью для непрерывного производства витаминной зелени и других овощей на борту пилотируемого космического аппарата. Отмечена необходимость создания отечественного наземного прототипа полноразмерной космической оранжереи для отработки технологии выращивания растений на орбитальных станциях, транспортных кораблях, на лунной и марсианской форпостных базах.
Ключевые слова: регенерационные системы жизнеобеспечения, среда обитания, космическая оранжерея, цилиндрическая посадочная поверхность.
prospects for using space greenhouses as a part of a suite of crew life support systems of a lunar orbital station, a lunar base and interplanetary transfer vehicles
Berkovich Yu.A.1, Smolyanina S.O.1, Zheleznyakov A.G.2, Guzenberg A.S.2
institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMBP RAS) 76A Khoroshevskoe shosse, Moscow, 123007, Russian Federation, e-mail: info@imbp.ru
2S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
It is planned to include greenhouses in the suite of regenerative life support systems for crews of manned long-duration space vehicles to improve their habitability. Space greenhouses will provide crew members with green vegetables containing digestible vitamins
БЕРКОВИЧ Ю.А. СМОЛЯНИНА С.О. ЖЕЛЕЗНЯКОВ А.Г. ГУЗЕНБЕРГ А.С.
БЕРКОВИЧ Юлий Александрович — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ИМБП РАН, e-mail: berkovich@imbp.ru
BERKOVICH Yuliy Aleksandrovich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Lead research scientist at IMBP RAS, e-mail: berkovich@imbp.ru
СМОЛЯНИНА Светлана Олеговна — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ИМБП РАН, e-mail: Q666666@ya.ru
SMOLYANINA Svetlana Olegovna — Candidate of Science (Biology), Senior research scientist at IMBP RAS, e-mail: Q666666@ya.ru
ЖЕЛЕЗНЯКОВ Александр Григорьевич — кандидат технических наук, руководитель НТЦ РКК «Энергия», e-mail: alexander.g.jeleznyakov@rsce.ru
ZHELEZNYAKOV Aleksandr Grigoryevich — Candidate of Science (Engineering), Head of STC at RSC Energia, e-mail: alexander.g.jeleznyakov@rsce.ru
ГУЗЕНБЕРГ Аркадий Самуилович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: arkady.guzenberg@rsce.ru
GUZENBERG Arkadiy Samuilovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at RSC Energia, e-mail: arkady.guzenberg@rsce.ru
and dietary fibers, as well as psychophysiological support during long space missions. The paper presents an analytical review of designs of a number of greenhouses in our country and abroad, both existing and under construction that are capable of operating in spaceflight environment. It describes their key design and operational properties, analyses problems standing in the way of developing more productive space greenhouses.
It explains the advantages of our country's conveyor-type space greenhouse with cylindrical planting surface for continuous production of vitamin-rich greens and other vegetables onboard a manned spacecraft. It points out the need to construct our country's ground prototype for a full-scale space greenhouse to develop the process for growing plants in orbital station, transportation vehicles, in lunar and martian outposts.
Key words: regenerative life support systems, habitat, space greenhouse, cylindrical planting surface.
Введение
В настоящее время ряд государств — США, Россия, государства Европейского союза, КНР, Индия и др. — заявили о планах освоения дальнего космоса, в частности, о создании окололунных обитаемых спутников и поверхностных
лунных баз. Госпрограмма США Evolvable Mars Campaign предусматривает посещение спутника Марса Фобос и самого Марса в 2033 и 2039 гг., соответственно [1]. В России, согласно программным документам «Стратегия российской пилотируемой космонавтики на период до 2035 года» и «Варианты реализации
национальной лунной программы (с учетом участия в международных программах создания окололунной посещаемой платформы)», предусматривается создание лунной базы посещения к 2032 г. [2]. Кроме того, РФ приглашена к участию в создании международной станции Lunar Orbital Platform-Gateway на лунной орбите [1].
Для Лунной орбитальной станции, лунной базы, марсианского транспортного корабля предусмотрена разработка систем жизнеобеспечения (СЖО) замкнутого типа. При выборе структуры и конфигурации комплекса СЖО (КСЖО) для пилотируемых космических аппаратов (ПКА), работающих в условиях и измененной по сравнению с Землей гравитации (форпостные базы), и микрогравитации (транспортные межпланетные корабли, орбитальные станции), обычно используют критерий минимума эквивалентной массы системы, учитывающий массу и объем оборудования, его энергоемкость и затраты на охлаждение, а также трудозатраты на обслуживание [3-6]. Для долгосрочных космических пилотируемых экспедиций главным критерием является интегральная надежность выполнения задач экспедиции в условиях среды, создаваемой конкретной структурой КСЖО, а минимизация эквивалентной массы системы может рассматриваться как «вторичный» критерий качества [7, 8]. Интегральная надежность (вероятность) успешного выполнения запланированной работы экипажа в длительной автономной экспедиции в значительной степени будет зависеть от качества среды обитания в ПКА. Результаты космических и наземных экспериментов выявили «высокую заинтересованность членов экипажа в растениях, которые можно использовать в качестве добавок к рациону питания» в условиях длительной изоляции экипажа [9-11]. При этом отмечены и высокая психологическая значимость космической оранжереи в составе КСЖО как элемента земной биосферы, а также роль улучшения рациона питания космонавтов за счет свежих овощей как мощного средства психологической поддержки [12-14].
В регенерационном КСЖО осуществляется сбор воды, выделяемой растениями, для осуществления круговорота воды ее регенерации и последующего использования для полива.
В настоящее время перспективные разработки космической оранжереи в составе КСЖО для экипажей транспортных межпланетных космических кораблей, орбитальных станций и/или форпостных баз при реализации запланированного освоения Луны, Марса и других небесных тел проводят все страны, ведущие космическую деятельность.
В данной работе рассматривается ряд основных зарубежных и отечественных проектов пищевых космических оранжерей для МКС и Лунной программы, а также обсуждаются перспективные технологические решения в этой области.
основные зарубежные проекты космических оранжерей
Американские проекты. С 2014 г. на МКС в модуле Columbus (европейская лаборатория) работает оранжерея Veggie, разработанная компанией ORBITECH (США) для выращивания салатных овощей в условиях микрогравитации [15, 16]. Оранжерея Veggie снабжена гофрированной вегетационной камерой квадратного сечения с регулируемым объемом со стенками из прозрачного пластика. Светильник на основе красных (630 нм), синих (455 нм) и зеленых (530 нм) свето-диодов в первых полетных экспериментах создавал световой поток с плотностью фотонов ~200 мкмоль/(м2-с) из-за малой выделенной мощности электропотребления, но при соответствующем охлаждении cмо-жет обеспечивать до 450 мкмоль/(м2-с). Светильник и камера охлаждаются вентиляторами, подающими воздух из объема модуля МКС. Растения выращиваются на одноразовых модульных подушках из гидрофильного фитиля, заполненных смесью гранул из обожженной глины (Турфейс) и торфяного почвозаменителя (ПЗ) «Фафард» с добавками гранул медленнодействующего удобрения (МДУ). Вода в корнеобитаемую зону пассивно поступает через гидрофильный мат из кольцевых коллекторов, соединенных с водным резервуаром, обогащается солями, вымываемыми из МДУ, и всасывается корнями растений через увлажненные капиллярно-пористые оболочки модульных подушек. Возможна и принудительная подача воды по команде астронавта. Основные характеристики установки приведены в табл. 1, а ее внешний вид — на рис. 1.
культурой (цинния) продемонстрировали неудовлетворительную работу системы увлажнения почвозаменителя, что привело к угнетению роста и гибели части растений [16]. Средняя суточная продуктивность КО в полетных экспериментах составила менее 1 г/сут, в то время как в наземных опытах — более 4 г/сут. В процессе вегетации на борту МКС астронавту приходилось вручную вводить дозы воды в субстратные подушки с растениями по командам с Земли.
По результатам проведенных экспериментов американские исследователи пришли к выводу о необходимости оборудовать Veggie системой принудительного регулирования подачи воды и воздуха в ПЗ, фактически подтвердив выводы советских исследователей, сделанные в 1980-е гг. на основании первых космических экспериментов с растениями [17, 18]. Автоматическая система регулирования подачи воды в ПЗ по сигналу обратной связи от датчика влажности была впервые реализована в советско-болгарской оранжерее «Свет» на борту орбитальной станции «Мир» [17-19].
Таблица 1
основные характеристики современных космических оранжерей
Характеристики Космические оранжереи
Veggie Advanced Plant Habitat Китайская космическая оранжерея «Свет» «Лада»
Площадь посадочной поверхности, м2 0,14 0,19 0,044 0,09 0,06 (2x0,03)
Объем вегетационной камеры, м3 До 0,48 0,6 0,022 0,7 0,016 (2x0,008)
Площадь светящей поверхности светильника, м2 0,11 0,19 0,044 0,142 0,06 (2x0,03)
Интегральная плотность потока фотонов светильника, мкмоль/(м2-с) 200 (возможно до 450) 1 000 92 230 230
Мощность потребляемой электроэнергии, Вт 115* Нет данных Нет данных 200 60
Длительность вегетации, сут 28-33 До 135 27 До 80 До 76
Число корневых модулей 12 1 1 2 2
Корнеобитаемая среда Гранульный субстрат с торфяной смесью и МДУ Гранульный субстрат с МДУ; аэрозоль раствора Вермикулит (размер частиц 1-2 мм) с МДУ Цеолит «Балканин»; Турфейс (размер частиц 1-2 мм) с МДУ Цеолит «Балканин»; Турфейс (размер частиц 1-2 мм) с МДУ
Общий объем корнеобитаемой зоны, дм3 1,2 (12x0,1) 9,45 (4,5x4,1x0,5) 3,96 (2,1x2,1x0,9) 17,36 (4,2x3,4x1,2) 4,54 2x^,4x1,8x0,9)
Система подачи воды/раствора в корневые модули Пассивная по фитилям; принудительная Принудительная через пористые трубки; аэропоника Пассивная по фитилям Принудительная через пористые трубки Принудительная через пористые трубки
Средняя продуктивность, г сырой массы/сут 0,7* Нет данных 0,6 14 3
Примечание. * — Данные полетного эксперимента VEG-01A. МДУ — медленнодействующее удобрение.
Рис. 1. Оранжерея Veggie: 1 — светодиодный светильник; 2 — вентилятор; 3 — гофрированный пластиковый чехол; 4 — посадочная плата; 5 — субстратные подушки с почво-заменителем и семенами растений
Результаты шести экспериментов в космической оранжерее (КО) Veggie с несколькими сортами салата и одной цветочной
В целом, американские исследователи еще не отработали агротехнологию для витаминной оранжереи на МКС. Однако, важным результатом экспериментов в оранжерее Veggie явилось подтверждение микробиологической безопасности потребления в пищу выращенных в этой установке салатных растений.
Помимо оранжереи Veggie, рассматриваемой NASA как долговременный стенд для отработки различных технологий выращивания салатных культур в условиях микрогравитации, на МКС с апреля 2017 г. работает более крупная оранжерея Advanced Plant Habitat (APH) — «Перспективный отсек для растений» — разработанная корпорацией Sierra Nevada (SNC) совместно со специалистами из космического центра им. Кеннеди NASA (табл. 1) [20, 21]. К настоящему времени оранжерея APH прошла верификационный тест с выращиванием арабидопсиса и карликовой пшеницы. Установка встроена в бортовые стандартные приборные стойки (middeck lockers). Светильник на основе красных (630 нм), синих (455 нм), зеленых (530 нм) и белых светодиодов с добавлением до 50 мкмоль/(м2-с) дальнего красного СД-излучения (730 нм) может создавать интегральный световой поток с плотностью фотонов более 1 000 мкмоль/(м2-с). Вегетационная камера оснащена 180 датчиками параметров среды, включая температуру и влажность в вегетационной камере и корнеобита-емой зоне, плотность потока фотонов, скорость движения воздуха, концентрацию CO2, О2 и этилена и др.
NASA финансировала так^ке разработку концепции пищевой оранжереи с системой солнечного освещения Solar Plant Lighting System с ежедневной производительностью 50...100 г биомассы на каждого члена экипажа в гибридной СЖО [22]. Вегетационная установка имеет многоярусную стеллажную компоновку, подобную американской «Салатной машине», предложенной ранее для американской космической станции Freedom [23, 24]. На рис. 2 показан вариант компоновки модулей этой оранжереи для форпостной лунной базы.
Модули оснащены комбинированной системой освещения растений на базе солнечных концентраторов (через зеркальные концентраторы и оптоволоконные световоды) и осветительных светодиодных панелей, используемых в периоды без естественного освещения. Расчетная производительность салатного модуля составляет 300 г салатной зелени в день, а зернового модуля — 600 г сухого зерна пшеницы в день.
В корпорации SNC ORBITEC разработана также модульная пищевая КО Green wall, наземный прототип которой представлен на рис. 3 [21]. Оранжерея выполнена в виде полуцилиндрической стойки с навесными вегетационными модулями, которые монтируются изнутри вплотную к цилиндрическому корпусу ПКА. Суммарная посадочная площадь космической оранжереи составляет 5,4 м2, она рассчитана на получение ~400 г овощей в день для экипажа из четырех человек. Оранжерея Green wall изготовлена из пластмасс и предлагается также в качестве дополнительной защиты экипажа от космической радиации.
а)
б)
Рис. 2. Компоновка оранжерейньх модулей Solar Plant Lighting System для салатной зелени (а) и пшеницы (б) с комбинированной системой освещения для форпостньх баз [22]
Рис. 3. Космическая оранжерея Green wall: 1 — стойка; 2 — вегетационный модуль; 3 — блок управления [21]
Европейские проекты. В Европейском космическом агентстве в настоящее время реализуется несколько проектов по созданию систем культивирования растений на лунной и марсианской базах, наиболее известными из которых являются Agro Space-MELiSSA и EDEN [25-27]. Целью этих проектов является разработка конструкций наземных оранжерей и для замкнутых экологических систем. По программе MELiSSA GreenMOSS совместно с Университетом штата Аризона был построен прототип лунной цилиндрической оранжереи, а также разработан детальный проект лунной оранжереи с каркасно-надувной конструкцией для экипажа из шести человек [28]. Оранжерея предназначена для воспроизводства растительной части пищевого рациона экипажа и имеет более 658 м2 посадочной площади при производительности 4 100 кг сухой биомассы растений за 655 земных суток экспедиции. Расчетная месячная производительность оранжереи: 33 кг мягкой пшеницы, 31 кг твердой пшеницы,
41,2 кг картофеля, 25 кг соевых бобов, 1 кг салатов, 2,2 кг свеклы и 38,8 кг риса. Оранжерея оснащена комбинированной системой освещения растений (солнечный свет и частично — светодиодные светильники), водяной системой охлаждения, рассчитанной на отвод ~247 кВт тепловой энергии, и оригинальной конвейерной бессубстратной гидропонной системой культивирования растений. Предусмотрена радиационная защита лунной станции слоем спеченного реголита. Однако авторы отмечают, что многие агротехнологии находятся еще на стадии наземной отработки, в частности, не решены вопросы автоматизации процессов посадки, культивирования и уборки растений при плотной стеллажной компоновке посадочных ванн. Другая конструкция европейской оранжереи — EDEN ISS длиной 6 м в настоящее время проходит испытания на антарктической станции Ньюмейер III.
Китайские проекты. В Китайском исследовательском тренировочном центре для астронавтов к 2016 г. была создана овощная космическая оранжерея, которая проходила испытания на орбитальной космической лаборатории Тьян-гонг II [29]. Она была оснащена светильником, выполненным на основе красных, синих и зеленых светодиодов, и пассивной системой корневого снабжения (см. табл. 1 и рис. 4).
В ходе космического эксперимента были выращены девять сортов салата, однако, растения в наземном контроле превосходили опытные растения как по сырой, так и по сухой биомассе (на 44 и 58%, соответственно), что, по-видимому, явилось следствием неудовлетворительной работы системы корневого снабжения даже при относительно слабом (не более 90 мкмоль/(м2-с)) освещении растений в данном эксперименте.
При увеличении плотности потока фотонов, падающего на посев, в такой космической оранжерее следует ожидать еще более существенных отклонений параметров водно-воздушного режима в корневом модуле от оптимальных значений из-за несовершенного обеспечения водно-воздушного режима в корневой зоне растений. Как и в опытах в американской КО Veggie, в данном эксперименте китайские специалисты подтвердили микробиологическую безопасность выращенной биомассы и пригодность ее в пищу.
Рис. 4. Овощная оранжерея на борту орбитальной лаборатории КНР Тьянгонг II: 1 — корпус; 2 — светильник; 3 — посадочная плата; 4, 5 — система корневого снабжения [29]
В 2012 г. специалисты из Пекинского аэрокосмического университета в сотрудничестве с учеными ИМБП РАН изготовили наземный прототип конусной конвейерной КО Horn с шестью кольцевыми корневыми модулями с общей посадочной площадью 0,154 м2, объемом вегетационной камеры 0,12 м3, светильником на основе красных и белых светодиодов и энергопотреблением 0,3 кВт (рис. 5).
Рис. 5. Прототип космической оранжереи Horn с конвейерным посевом салата: 1 — конический корпус; 2 — светодиодный светильник; 3 — вентиляторы; 4 — блок кольцевых цилиндрических корневых модулей [30]
Удельная производительность оранжереи Horn по съедобной биомассе салата при круглосуточном освещении посева составила в среднем 254 г в неделю, что превышает аналогичные показатели известных овощных КО [30]. Сведений о проектировании полетного образца подобной оранжереи пока не имеется.
Кроме создания небольших овощных космических оранжерей, китайские специалисты активно развернули работы по созданию моделей форпостных баз для Луны и Марса с гибридным КСЖО, состоящим из физико-химических и биотехнических систем.
В Китайском исследовательском тренировочном центре астронавтов построена малая наземная модель замкнутого биотехнического КСЖО — CELLS Integration Experiment Platform (CIEP) с посадочной площадью под растения ~30 м2, где в 30-суточном эксперименте с изоляцией двух человек была достигнута общая степень замкнутости системы более 95% [31]. В 2013 г. в Пекинском аэрокосмическом университете была построена крупномасштабная наземная модель замкнутой экологической системы с регене-рационным КСЖО под названием Lunar Palace [32]. Lunar Palace включает в себя многофункциональный модуль для экипажа, а также два оранжерейных модуля с посадочной площадью по 69 м2 в каждом (рис. 6, 7).
В перспективе планируется довести количество оранжерейных модулей до четырех. В 2014 г. в этой установке был проведен 105-суточный эксперимент, в котором экипаж из трех человек обеспечивал себя на 55% пищевыми продуктами за счет выращивания 21 вида сельскохозяйственных растений, а также путем культивирования мучных червей для употребления в пищу в вареном и жареном виде [33].
Рис. 6. Общий вид модели замкнутой экологической системы Lunar Palace: 1 — внешний пункт контроля и управления; 2 — многофункциональный модуль для экипажа; 3 — оранжерейные модули [32]
В мае 2018 г. в Lunar Palace был завершен годовой эксперимент с изоляцией от четырех до восьми членов экипажа, в ходе которого был выполнен большой объем медико-биологических исследований и достигнута высокая степень замкнутости системы.
Рис. 7. Работа экипажа Lunar Palace в оранжерейном отсеке [32]
Таким образом, в настоящее время все ведущие космические агентства активизировали работы по созданию КО и разработке гибридных КСЖО с биолого-техническими звеньями, а также по строительству наземных экспериментальных комплексов для отработки перспективных технологий культивирования растений на борту ПКА. Основными задачами на пути разработки производственных космических оранжерей, по мнению американских специалистов [20], являются следующие:
• оптимизация компоновки — увеличение размеров; снижение удельного энергопотребления; увеличение удельной посадочной площади на единицу объема; снижение трудозатрат на обслуживание оранжереи в условиях космического полета; совместимость с физико-химическими компонентами СЖО и другим оборудованием МКС;
• оптимизация системы освещения -определение и обеспечение оптимальных параметров светодиодного освещения для различных посевов растений (плотность потока фотонов, спектр излучения, фотопериод); повышение энергетической эффективности освещения посевов; улучшение систем охлаждения светильников;
• оптимизация системы корневого снабжения растений в условиях невесомости — выбор корнеобитаемой среды или почвозаменителя для растений или
отработка аэропонных систем; определение и обеспечение оптимальных водно-воздушного и температурного режимов в корневой зоне, обеспечение минеральным питанием (МДУ или питательные растворы); регулирование рН и концентрации солей; выбор системы крепления растений; изоляция корневой системы от света; сокращение потребных запасов расходных материалов для корневых модулей;
• оптимизация системы контроля газового состава воздуха — эффективная очистка воздушной среды в космических оранжереях от этилена и других газовых примесей;
• оптимизация системы управления параметрами среды растений — увеличение степени автоматизации и улучшение качества контроля параметров воздушной среды в ростовой камере с растениями.
Российские проекты. Первая исследовательская космическая оранжерея «Оазис-1» (СССР) была доставлена на космический орбитальный комплекс «Союз 10 - Салют» в 1971 г., что послужило стимулом к развертыванию работ по созданию аппаратуры и технологий для выращивания растений в условиях искусственной среды обитания как для невесомости, так и для наземных моделей биолого-технических СЖО [34, 35]. Главной проблемой, выявленной в ходе первых экспериментов, явилось обеспечение адекватных условий увлажнения и аэрации в прикорневой зоне растений. Надежность работы оранжереи удалось значительно повысить группе специалистов ИМБП РАН совместно с инженерами из Центральной лаборатории космических исследований Болгарской академии наук, которая разработала новую конструкцию вегетационного сосуда (корневого модуля) для растений, использованную в составе советско-болгарской исследовательской космической оранжереи «Свет» (см. табл. 1). Корневой модуль заполнялся гранулированным почво-заменителем (природный дробленый соленасыщенный цеолит — балканин) и был оснащен автоматическим регулятором подачи воды в ПЗ по сигналу датчика влажности, а также узлом принудительной вентиляции корневой зоны. В каждом корневом модуле было размещено 16 датчиков параметров корневой среды, позволяющих исследовать водораспре-деление по его объему [17, 18].
В мае 1990 г. оранжерея «Свет» была доставлена на борт орбитальной станции «Мир», где проработала более 10 лет до затопления станции [19, 35, 36]. Эксперименты, проведенные в оранжерее «Свет» на станции «Мир» в период 1990...2000 гг., продемонстрировали, что в условиях невесомости растения могут проходить полный цикл развития в ряду последовательных вегетаций и давать урожаи, сопоставимые с наземными контрольными, при условии, что для наземных осевых органов задано направление роста. В оранжерее «Свет» ориентирующим стимулом для побегов растений служил градиент светового поля, а для корневой системы были созданы адекватные режимы водообеспечения и минерального питания. В ходе исследований были получены важные данные об особенностях гидрофизических характеристик капиллярно-пористых ПЗ в условиях микрогравитации, позволившие в дальнейшем усовершенствовать систему водоснабжения растений в космических оранжереях, а также данные по суточной производительности оранжереи (по салатным овощам) и водопотреблению растений (см. табл. 1). В частности, было установлено, что максимальная суточная величина водопотребления для КО «Свет» с посевами растений не превышала 400 мл при 18-часовом светопериоде. В 1990-е гг. при участии американских специалистов в рамках программы «Мир» - Shuttle оранжерея «Свет» подверглась модернизации, в частности, корне-обитаемая среда балканин была заменена на арцилит — мелкогранульный ПЗ из обожженной керамики с добавлением МДУ. Кроме того, на оранжерее были установлены система контроля параметров среды в корневом модуле и система измерения газообмена растений. Модернизированная КО получила в научной литературе название SVET-GEMS или «Свет-2». После затопления орбитальной станции «Мир» рабочая документация на полетные образцы КО «Свет» и «Свет-2» осталась частично у болгарских, а частично — у американских специалистов.
В период формирования МКС на околоземной орбите в Лаборатории космической динамики Университета штата Юта, США, с участием специалистов ИМБП РАН была разработана и изготовлена российско-американская исследовательская КО «Лада», аналогичная оранжерее «Свет-2»
по дизайну, структуре и основным технологическим решениям, но имеющая значительно меньшие габариты и энергопотребление (см. табл. 1 и рис. 8).
Рис. 8. Космическая оранжерея «Лада» с двумя вегетационными модулями (емкость для воды не показана):
1 — вегетационная камера; 2 — светильник; 3 — корневой модуль с растениями; 4 — блок контроля и управления [37]
Оранжерея «Лада» состояла из следующих основных компонентов:
• блока контроля и управления;
• двух вегетационных камер;
• пятилитровой емкости для воды, соединенной с насосами корневого блока.
Емкость могла быть пополнена питьевой водой из системы водообеспечения МКС. В 2002 г. «Лада» была доставлена на борт РС МКС и надежно обеспечивала проведение космических экспериментов с растениями вплоть до выработки в 2017 г. своего первоначального ресурса [37]. Суточное водопотребление КО «Лада» с растениями в бортовых экспериментах не превышало 300 мл. Рабочая документация на оранжерею «Лада» принадлежит американским разработчикам.
Параллельно с американо-российскими разработками научно-исследовательских КО «Свет-2» и «Лада» в ИМБП РАН совместно с РКК «Энергия» разрабатывали новую концепцию производственных КО для условий микрогравитации [38, 39]. Первые работы по созданию конвейерных КО с выпуклыми посадочными поверхностями были начаты в 1980-е гг., а основные технические решения были запатентованы в период 1997...2013 гг. [35]. Конвейерный посев состоит из разновозрастных растений, высеваемых с определенным временным интервалом (шагом конвейера).
Работа конвейерной оранжереи происходит следующим образом. Первый посев проводится в корневой модуль на 1-й позиции конвейера, расположенной напротив технологического люка оранжереи (рис. 9). Через период, равный 1/п
длительности товарной вегетации выбранной культуры (п — число шагов конвейера, равное числу корневых модулей в оранжерее), корневой модуль с появившимися всходами переводят на 2-ю позицию, поворачивая его вместе с блоком корневых модулей (БКМ) относительно вегетационной камеры так, чтобы на 1-ю позицию конвейера встал следующий корневой модуль, в который высевается новая порция семян.
Рис. 9. Схема компоновки блока корневых модулей в 6-шаговой конвейерной оранжерее «Витацикл-Т»:
1 — корневые модули; 2 — пористые трубки; 3 — посадочные щели в чехлах; 4 — светодиодные панели; I—VI — позиции шагов конвейера
Эта операция повторяется до тех пор, пока все корневые модули в оранжерее не окажутся засеянными. К этому времени вся вегетационная камера будет заполнена растениями различного возраста, заполняющими объем между БКМ и цилиндрическим светильником, а первый корневой модуль с растениями, достигшими товарной спелости, окажется на последней позиции конвейера (рис. 9). Тогда первый модуль устанавливается на первую позицию, растения срезаются, а в освободившийся модуль высевается новая порция семян. Работа такой оранжереи может продолжаться непрерывно, выдавая порцию зеленных овощей с периодом, равным длительности шага конвейера, при условии, что в каждом корневом модуле отработавший ПЗ периодически заменяется на новый.
К настоящему времени в ИМБП РАН изготовлены и испытаны несколько наземных прототипов цилиндрических конвейерных салатных оранжерей, ориентированных на условия космического полета:
«Фитоцикл-СД» (рис. 10), «Витацикл» и «Фитоконвейер». При освещении посева от красных и синих светодиодов с интегральной плотностью потока фотонов 350 мкмоль/(м2-с) оранжерея «Фитоцикл-СД» обеспечивала среднесуточную производительность конвейерного посева пекинской капусты, равную 215 г сырой съедобной биомассы с посадочной площади 0,3 м2.
Рис. 10. Наземный прототип космической оранжереи «Фитоцикл-СД» с конвейерным посевом листовой капусты
По техническому заданию РКК «Энергия» запланировано изготовление филиалом ОРКК-НИИ КП совместно с ИМБП РАН опытного образца витаминной КО «Витацикл-Т» для экспериментальной отработки на РС МКС (с целью проверки и уточнения режимов работы конвейерной цилиндрической оранжереи в условиях космического полета). Ожидается, что «Витацикл-Т» позволит обеспечить потребности одного члена экипажа в витаминах С и Л и частично — в витаминах группы В и грубых пищевых волокнах [39].
Основные проектные характеристики космической оранжереи «Витацикл-Т»: мощность электропотребления 0,25 кВт; объем вегетационной камеры 0,08 м3;
источники света белые и красные
светодиоды;
площадь светящей
поверхности светильника 0,38 м2;
интегральная плотность потока фотонов
от светильника 430+20 м2мкмоль/ (м2-с); форма корневого
модуля цилиндрическая;
размеры корневого модуля: длина 250 мм;
диаметр 60 мм;
корнеобитаемая среда волокнистый
ионообменный ПЗ «БИОНА-В3»;
объем ПЗ в корневом модуле 0,75 дм3;
число корневых модулей 6;
расчетная суточная производительность листовой капусты по сырой биомассе 45 г.
Система подачи воды/раствора в корневые модули — принудительная, через перфорированные трубки с помощью регулятора, снабженного датчиками водного потенциала ПЗ в цепях обратной связи. Полив растений осуществляется питьевой водой с выхода бортовых регенерационных систем или из запасов после обогащения ее нутриентами в узле минерального кондиционирования КО. Максимальное суточное водопотребление КО и, соответственно, паровыделение в окружающую среду не превышает 3 л.
Планируемая установочная масса оборудования КО составляет ~75 кг, включая ЗИП, посадочные и возвращаемые материалы.
В конструкцию космической оранжереи «Витацикл-Т» включены инновации, обеспечивающие ряд преимуществ [35]:
• выпуклая цилиндрическая посадочная поверхность обеспечивает 30%-ное увеличение удельной производительности оранжереи на единицу энергии на освещение растений за счет концентрирования света по глубине посева и уменьшения затенения листьев в нижних ярусах в посеве с радиально растущими стеблями;
• форма вегетационной камеры в виде спирального цилиндра обеспечивает почти двукратное увеличение удельной производительности оранжереи на единицу занимаемого посевом объема;
• блок корневых модулей, составленный из отдельных изолированных модулей, позволяет организовать конвейерный посев растений, в т. ч. различных видов и сортов, тем самым избежав проблем, связанных с хранением урожая;
• процесс выращивания растений по принципу ротационного конвейера с единым местом проведения всех технологических операций позволяет снизить трудозатраты на обслуживание, а при необходимости -легко механизировать эти операции;
• узел кондиционирования питательного раствора позволяет автоматически контролировать концентрацию минеральных элементов в поливной воде, подаваемой к растениям, прокачивая ее через картридж с удобрениями и обогатительный патрон с гранулированным соленасыщенным ионитом. Это, в свою очередь, позволяет увеличить срок непрерывной работы оранжереи без замены ПЗ [40];
• конструкция корневого модуля в сочетании с узлом кондиционирования питательного раствора позволяет на порядок уменьшить объем корнеобитаемой зоны растений без снижения их продуктивности, а также массу запаса ПЗ в космическом полете, и использовать единственный тензометрический датчик в каждом корневом модуле для управления подачей воды в корнеобитаемую зону [35];
• оптимизированные в серии наземных экспериментов параметры светодиодного освещения для посева листовой капусты позволили уменьшить потребление электроэнергии светильником на единицу площади освещаемого посева [41].
Таблица 2
Параметры Зеленной модуль Морковный модуль Томатный модуль Перечный модуль
Габариты вегкамеры:
- длина, м 1,5 0,9 1,2 0,7
- диаметр, м 0,75 1,2 1,3 1,0
Посадочная площадь, м2 0,9 1,4 0,75 0,4
Освещаемая площадь, м2 2,4 3,2 4,0 1,7
Объем вегкамеры, м3 0,4 1,21 1,06 0,36
Количество корневых модулей (шагов конвейера) 10 10 10 10
Источники света Светодиоды Светодиоды Светодиоды Светодиоды
Плотность потока фотонов под светильником, мкмоль/(м2-с) 350 600 600 600
Мощность излучения светильника, кВт 0,16 0,36 0,44 0,19
характеристики модулей конвейерной космической оранжереи для марсианского транспортного корабля
На основе конструкции цилиндрической конвейерной КО в работе [42] была предложена компоновка четырехмодульной овощной оранжереи с суммарной мощностью электропотребления ~7 кВт для марсианского транспортного корабля с экипажем из шести человек (табл. 2).
В работе [42] были также обоснованы форма и размеры модулей для подобной КО с расчетной суточной производительностью 1,92 кг съедобной биомассы с суммарным энергетическим содержанием суточного урожая 690 ккал при средней доле хозяйственно полезной биомассы 0,75. Это полностью покрывает потребности экипажа в витаминах С и А и на 10-20% — в витаминах группы В, минералах и пищевых волокнах.
Предложенная конструкция оранжереи может быть применена не только в транспортных межпланетных кораблях, но и на окололунной или околомарсианской орбитальных станциях. В рамках Лунной и Марсианской программ запланированы наземные, а затем и полетные (на РС МКС) испытания конструкции КО и ее отдельных подсистем, результатом которых явятся рекомендации по технологии выращивания моркови, перца и томатов в цилиндрических конвейерных оранжереях.
Анализ предложенных конструкций КО показал, что можно выделить две альтернативные концепции компоновки оранжерейных устройств для пилотируемых космических экспедиций: с использованием плоской посадочной поверхности (например, КО «Свет» и «Лада» [43]) или выпуклой посадочной поверхности, например, цилиндрической («Витацикл-Т», «Фито-конвейер» и «Фитоцикл-СД»). Многоярусные компоновки оранжерей с корневыми модулями в форме прямоугольных параллелепипедов и расположенными над ними на каждом ярусе светильниками сейчас широко применяются в промышленных фабриках растений. Аналогичная компоновка использована для американских оранжерейных модулей (см. рис. 3), а также в проекте американской «Салатной машины», встроенной в стандартный объем стоек для Shuttle [23].
В целом, КО «Свет» и «Лада» зарекомендовали себя как надежные научные инструменты для исследования роста и развития растений в условиях космического полета. Однако при разработке производственных пищевых КО следовало
учесть ряд ограничений, заложенных в конструкциях научно-исследовательских оранжерей первого поколения.
Во-первых, форма корневого модуля в виде прямоугольного параллелепипеда в условиях микрогравитации не может обеспечить однородность водных потенциалов и концентраций солей в субстратном растворе по объему капиллярно-пористого ПЗ из-за наличия угловых зон в модуле. Эта неоднородность будет возрастать вместе с габаритами корневого модуля, объем которого при выращивании интенсивного посева должен быть достаточно велик, так как жестко связан с минимально допустимым объемом корневой среды на одно растение и с максимальной дозой внесения МДУ на единицу объема ПЗ. Количество же выращиваемых растений в каждом модуле пищевой КО целесообразно выбирать с учетом обеспечения хотя бы суточной нормы потребления культивируемых растений экипажем, поскольку более мелкое дробление шага конвейера резко увеличивает трудозатраты по обслуживанию КО. Для шагов растительного конвейера производственной КО потребуются корневые модули гораздо больших размеров, чем в научно-исследовательских оранжереях, в которых выравнивание водо- и солераспределе-ния по объему ПЗ придется осуществлять либо с помощью протяженной системы фитилей, либо с помощью специальных водораспределителей. Кроме того, для контроля полива в разных зонах корневых модулей с заведомо различными и нестационарными в процессе роста растений значениями влажности ПЗ необходимо будет устанавливать целую систему датчиков водного потенциала (или влажности). Все это значительно усложнит и удорожит конструкцию производственной КО, уменьшит надежность ее работы и затруднит использование объема корневых модулей для выращивания некоторых овощей, например, корнеплодов.
Вторым ограничением в используемых ранее КО является технология выращивания растений в гранульных капиллярно-пористых средах с МДУ. Из таких сред в условиях микрогравитации небезопасно удалять корневые остатки после съема урожая и осуществлять дробное внесение в них удобрений для последующих посевов, что ограничивает число повторных вегетаций в каждом КМ.
Расчеты показали, что для обеспечения непрерывной работы в таких КО необходимо будет доставлять на борт расходные материалы, масса которых будет превышать массу выращенной зелени на порядки.
Наконец, плоская форма посадочной поверхности и светящей поверхности светильников в научно-исследовательских КО не позволяет достичь значений фотосинтетической эффективности светового потока, которые имеют место при освещении густых посевов на выпуклой посадочной поверхности светильниками с вогнутой светящей поверхностью.
Инновационная технология выращивания посевов в космической оранжерее «Витацикл-Т» позволит избежать указанных ограничений и даст возможность проверить ряд перспективных технологических решений для будущих витаминных и овощных оранжерей, предназначенных для работы в условиях микрогравитации.
Важно отметить, что гидропонные технологии на основе запасов удобрений, взятых с Земли, которые сегодня применяются во всех КО, не смогут кардинально увеличить коэффициент замкнутости КСЖО в целом. Поэтому следующим шагом в разработках КО должны стать системы приготовления питательных растворов для растений из бортовых отходов. Применительно к следующему поколению КО уже предложен ряд биотехнических решений, например, технология физико-химической и микробиологической переработки корневых остатков внутри волокнистого ПЗ, которая позволяет продлить сроки его использования и таким образом уменьшить массу расходных материалов [44]. ИМБП РАН разрабатывает также технологию биодеградации растительных отходов в жидкие продукты, способные в дальнейшем стать основой питательных солевых растворов для гидропонного выращивания растений [45]. В работах специалистов из Красноярского института биофизики разработана для наземных условий технология биодеградации отходов СЖО с формированием почвоподобного органического субстрата для выращивания растений [46, 47]. Эксперименты по приготовлению питательных растворов или ПЗ из отходов космических КСЖО находятся пока на стадии НИР, но заслуживают всяческой поддержки для скорейшего внедрения.
Что касается оранжерей для работы на лунной форпостной базе, то для них в большинстве зарубежных проектов предлагается многоярусная компоновка с применением бессубстратной гидропоники. В России в настоящее время нет ни одной работоспособной наземной полномасштабной оранжереи для отработки технологии выращивания растений в условиях работы на космических объектах, что замедляет разработку гибридных КСЖО для Лунной орбитальной станции, лунной базы и марсианского транспортного корабля.
Быводы
Разработка оранжерей для выращивания растений как на борту межпланетных транспортных кораблей, так и на будущих лунных и планетарных базах в качестве средства регенерационного КСЖО с высокой степенью замкнутости (с конденсацией и сбором транспирационной воды для регенерации и последующего использования) является одним из приоритетных направлений деятельности всех ведущих космических агентств мира.
Разрабатываемая в России конвейерная космическая оранжерея с цилиндрической посадочной поверхностью «Витацикл-Т» имеет ряд преимуществ перед оранжереями с плоскими посадочными поверхностями и позволяет:
• значительно увеличить удельную производительность оранжереи на единицу потребляемой энергии и занимаемого объема;
• уменьшить объем корнеобитаемой зоны растений и массопоток расходных материалов без снижения продуктивности;
• упростить систему регулирования подачи воды в корнеобитаемую зону;
• организовать процесс выращивания растений по принципу ротационного конвейера, тем самым сократив трудозатраты на обслуживание;
• избежать проблем, связанных с хранением урожая.
Летные испытания оранжереи
«Витацикл-Т» на РС МКС позволят проверить инновационные технологические решения (в т. ч. сбор воды, выделяемой растениями, для осуществления круговорота воды) для будущих витаминных и овощных производственных космических оранжерей в составе КСЖО пилотируемых космических аппаратов,
включая марсианский транспортный корабль и лунную базу.
Для отработки технологии выращивания растений на космических объектах необходимо создание отечественного наземного полномасштабного прототипа космической оранжерейной установки.
Список литературы
1. Дмитриенко И. Засиделись на Земле // Космическая деятельность стран мира. Информационный бюллетень. 2018. № 10. С. 4-13.
2. Роскосмос: Россия планирует построить базу на Луне в 2030-2035 гг. // Сообщение ТАСС, 5 апреля 2016 г. Режим доступа: http://tass.ru/kosmos/3178557 (дата обращения 30.05.2018 г.).
3. Jones H.W. Equivalent mass versus life cycle cost for life support technology selection // SAE technical paper. 2003-01-22082. 2003.
4. Jones H.W. Comparizon of bioregenerative and physical/chemical life support systems // ICES 2006-01-2082. 2006.
5. Czupalla M., Dirlich T, Bartsev S.I. An approach to LSS optimization based on equivalent system mass, system stability and mission success // SAE technical paper. 2007-01-3222. 2007.
6. Hanford A.J. BVARD: Advanced life support baseline values and assumptions document//NASA JSC-47804. 2004.
7. Jones H.W. Design and analysis of a flexible, reliable deep space life support system//AIAA 2012-3418. 2012. P. 1-27.
8. Bartsev S.I. Optimal design of biological life support systems: criteria and problems // Current Biotechnology. 2013. V. 2. P. 208-216.
9. Левинских М.А., Сычев В.Н., Сигна-лова О.Б., Дерендяева Т.А., Подольский И.Г., Масгрейв М.Е., Бингхейм Г.Е. Рост и развитие растений в ряду поколений в условиях космического полета в эксперименте «Оранжерея-3» // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001. Т. 35(3). С. 43-48.
10. Левинских М.А., Сычев В.Н., Гущин В.И., Кареткин А.Г., Сигналова О.Б., Дерендяева Т.А., Нефедова Е.Л., Поддубко С.В., Подольский И.Г., Михайлов Н.И. Оранжерея в составе системы жизнеобеспечения эксперимента со 105-суточной изоляцией: биологические, технологические и психологические аспекты // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2010. Т. 44(4). С. 57-61.
11. Гущин В.И., Швед Д.М., Левинс-ких М.А., Виноходова А.Г., Сигналова О.Б., Смолеевский А.Е. Экопсихологические исследования в условиях 520-суточной изоляции // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2014. Т. 48(3). С. 25-29.
12. Berkovich Yu.A., Krivobok N.M., Sinyak Yu.Ye, Smolyanina S.O., Grigoriev Yu.I, Romanov S.Yu, Guissenberg A.S. Developing a vitamin greenhouse for the life support system of the International space station and for future interplanetary missions // Advances in Space Research. 2004. № 34. P. 1552-1557.
13. Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А., Гузенберг А.С., Андрейчук П.О., Протасов Н.Н., Беркович Ю.А. Системы жизнеобеспечения экипажей длительных межпланетных экспедиций // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 57-74.
14. Berkovich Yu.A., Smolianina S.O., Krivobok N.M., Erokhin A.N., Agureev N.A., Shanturin N.A. Vegetable production facility as a part of a closed life support system in a Russian Martian space flight scenario // Advances in Space Research. 2009. № 44. P. 170-176.
15. Massa G.D., Newsham G, Hummerick M.E., Caro J.L., Stutte G.W., Morrow R.C., Wheeler R.M. Preliminary species and media selection for the Veggie space hardware // Gravitational and Space Research. 2013. № 1. P. 95-106.
16. Massa G.E., Dufour N.F., Carver J.A., Hummerick M.E., Wheeler R.M., Morrow R.C., Smith T.M. VEG-01: Veggie hardware validation testing on the International Space Station // Open Agriculture. 2017. № 2. P. 33-41.
17. Berkovich Yu.A., Derendyaeva T.A., Ivanova I.E., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I., Ivanova T.N. Preliminary results at the first stage of the SVET space greenhouse exploitation in space flight // Proceedings of the 2-nd micro-symposium SVET-90 on Biotechnology and life supports of the space biology working group, Bulgarian Academy of sciences, 1991. P. 25-36.
18. А. с. 1598926 СССР. Вегетационный сосуд для растений. Беркович Ю.А., Симонов В.М., Шайдоров Ю.И., Иванова Т.Н., Стругов О.М., Костов П.П., Кынчев Н.А.; № 4455407/30-15: заявление от 08.07.1988 г.; опубликовано 15.10.1990 г. // Бюллетень № 38. 5 с.
19. А. с. 1424774 СССР. Вегетационный сосуд для растений. Беркович Ю.А., Симонов В.М., Шайдоров Ю.И., Иванова Т.Н., Стругов О.М., Костов П.П.,
Кынчев Н.А.; № 4174301/30-15: заявление от 26.12.1986 г.; опубликовано 23.09.1988 г. // Бюллетень № 35. 4 с.
20. Morrow R.C., Wetzel J.P., Richter R.C., Crabb T.M. Evolution of space-based plant growth technologies for hybrid life support systems // ICES. 2017-301. 2017. P. 1-9.
21. Massa G.D., Wheeler R.M., Morrow R.C. Levine H.G. Growth chambers on the International Space Station for large plants // Acta Hortic. 2016. V. 1134. P. 215-222.
22. Nakamura T., Monje O., Bugbee B. Solar food production and life support in space exploration // AIAA 2013-5399. 2013. P. 1-9.
23. Kliss M, MacElroy R.D. Salad Machine: a vegetable production unit for long duration space missions // ICES. 901280. 1990.
24. Kliss M., Heyenga G., Hoehn A., Stodieck L. Toward development of a « Salad-Machine»//ICES. 2000-01-2476. 2000.
25. Zabel P., Bamsey M, Schubert D., Tajmar M. Review and analysis of over 40 years of space plant growth systems // Life Sciences in Space Research. 2016. V. 10. P. 1-16.
26. Farges L., Poughon C., Creuly J.-F., Cornet C.-G., Dussap C., Lasseur. Dynamic aspects and controllability of the MELiSSA project: a bioregenerative system to provide life support in space // Appl. Biochem. Biotechnol. 2008. V. 151. P. 686-699.
27. Maiwald V., Quantius D., Schubert D., Zabel P., Zeidler C., Vrakking V. Glance into the future: research steps on a path to a continuous human presence on Moon, Mars and beyond // Acta Futura. 2016. V. 10. P. 45-59.
28. Zeidler C., Vrakking V., Bamsey M., Poulet L., Zabel P., Schubert D., Paille C., Mazzoleny E, Domurath N. Greenhouse module for space system: a lunar greenhouse design // Open Agriculture. 2017. № 2. P. 116-132.
29. Shen Yu., Guo S., Zhao P., Wang L., Wang X., Li J., Bian Q. Research on lettuce growth technology onboard Chinese Tiangong II Spacelab // Acta Astronautica. 2018. V. 144. P. 97-102.
30. Fu Yu.A, Liu H., Shao L., Wanga M, Berkovich Yu A., Erokhin A.N. A highperformance ground-based prototype of horn-type sequential vegetable production facility for life support system in space // Advances in Space Research. 2013. № 52. P. 97-104.
31. Guo S, Dong W., Ai W., Feng H, Tang Y., Huang Z., Shen Y., Ren J., Qin L,
Zeng G., Zhang L., Zhu J., Fei J., Xu G. Research on regulating technique of material flow for 2-person and 30-day integrated CELSS test // Acta Astronautica. 2014. V. 100. P. 140-146.
32. Liu H. Bioregenerative life support experiments in Chinese Lunar Palace 1: results and future plans // IAC-15, A1,7,8,x30373. 2015. Режим доступа: https://iafastro.directory/iac/archive/browse/ IAC-15/A1/7/30373/ (дата обращения 26.05.2018 г.).
33. Fu Yu, Li L, Xie B, Dong C, Wang M, Jia B., Shao L., Dong Y., Deng S., Liu Hui, Liu G., Liu B., Hu D., Liu Hong. How to establish a bioregenerative life support system for long-term crewed missions to the Moon or Mars // Astrobiology. 2016. V. 16(12). P. 925-936.
34. Nechitailo G.S., Mashinsky A.L. Space biology. Studies at orbital stations // Moscow, Mir publ, 1993. 503 p.
35. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Смолянина С.О., Ерохин А.Н. Космические оранжереи: настоящее и будущее. М.: Слово, 2005. 368 с.
36. Космическая биология и медицина. Медико-биологические эксперименты на ОС «Мир» // Под ред. Григорьева А.И. 2002. Т. 2(6). С. 319-343.
37. Bingham G.E., Shane Topham T., Mulholland J.M., Podolsky I.G. Lada: the ISS plant substrate microgravity testbed // SAE Technical paper. 2002-01-2388. 2002.
38. Беркович Ю.А., Корбут В.Л., Павловский В.И. Оранжереи с криволинейной посадочной поверхностью // Космическая и авиакосмическая медицина. 1985. № 6. С. 77-80.
39. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Синяк Ю.Е., Смолянина С.О., Григорьев Ю.И., Романов С.Ю., Гузенберг А.С. Проблема создания салатной оранжереи для международной космической станции и последующих межпланетных полетов // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2002. Т. 36(5). С. 8-12.
40. Беркович Ю.А., Кривобок А.С., Кривобок Н.М., Смолянина С.О. Перспективный метод организации минерального питания растений применительно к условиям микрогравитации // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2014. Т. 48(3). С. 56-62.
41. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н. Обоснование
оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т» // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50(4). С. 28-36.
42. Berkovich Yu.A., Smolyanina S.O., Krivobok N.M., Erokhin A.N., Agureev A.N., Shanturin N.A. Vegetable production facility as a part of a closed life support system in a Russian Martian space flight scenario // Advances in Space Research. 2009. V. 44(2). P. 170-176.
43. Левинских М.А., Сигналова О.Б., Дерендяева Т. А., Ливанская О.Г., Нефедова Е.Л., Сычев В.Н., Подольский И.Г. Разработка технологии выращивания и выбор овощных листовых культур для космических оранжерей // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001. Т. 35(1). С. 61-67.
44. Кривобок А.С. Повышение ресурса почвозаменителей для оранжереи в составе системы жизнеобеспечения космических
экипажей. Автореферат дисс. ... канд. биол. наук. Москва, 2013. 22 с.
45. Ilyin V.K., Korshunov D.V., Chuvil-skaya N.G., Doronina N.V., Mardanov R.G., Moukhamedieva L.N., Novikova N.D., Starkova L.V., Deshevaya E.A. Microbial purification of waste biodegradation liquid products // Ecological engineering and environment protection. 2008. № 1. P. 48-56.
46. Manukovsky N.S., Kovalev V.S., Rygalov V.Y., Zolotukhin I.G. Waste bioregeneration in life support CES: development of soil organic substrate // Advances in Space Research. 1997. V. 20(10). P. 1827-1832.
47. Величко В.В., Ушакова С.А., Тихомиров А.А. Ионообменный субстрат как источник мобильных форм азота при конвейерном методе выращивания овощных растений на почвоподобном субстрате // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2014. Т. 48(4). С. 57-62.
Статья поступила в редакцию 16.08.2018 г.
Reference
1. Dmitrienko I. Zasidelis' na Zemle. Kosmicheskaya deyatel'nost' stran mira [Stayed too long on Earth]. Informatsionnyy byulleten', 2018, no. 10, pp. 4-13.
2. Roskosmos: Rossiya planiruet postroit' bazu na Lune v 2030-2035gg. [Roscosmos: Russia plans to build a base on the Moon in 2030-2035]. TASS Report, 5 April 2016. Available at: http://tass.ru/kosmos/3178557 (accessed 30.05.2018).
3. Jones H.W. Equivalent mass versus life cycle cost for life support technology selection. SAE technical paper, 2003-01-22082, 2003.
4. Jones H.W. Comparizon of bioregenerative and physical/chemical life support systems. ICES2006-01-2082, 2006.
5. Czupalla M, Dirlich T., Bartsev S.I. An approach to LSS optimization based on equivalent system mass, system stability and mission success. SAE technical paper, 2007-01-3222, 2007.
6. Hanford A.J. BVARD: Advanced life support baseline values and assumptions document. NASA JSC-47804. 2004.
7. Jones H.W. Design and analysis of a flexible, reliable deep space life support system. AIAA 2012-3418, 2012, pp. 1-27.
8. Bartsev S.I. Optimal design of biological life support systems: criteria and problems. Current Biotechnology, 2013, vol. 2, pp. 208-216.
9. Levinskikh M.A., Sychev V.N., Signalova O.B., Derendyaeva T.A., Podol'skiy I.G., Masgreyv M.E., Bingkheym G.E. Rost i razvitie rasteniy v ryadu pokoleniy v usloviyakh kosmicheskogo poleta v eksperimente «Oranzhereya-3» [Growth and development of plants in many generations in space flight conditions in experiment Oranzhereya-3]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2001, vol. 35(3), pp. 43-48.
10. Levinskikh M.A., Sychev V.N., Gushchin V.I., Karetkin A.G., Signalova O.B., Derendyaeva T.A., Nefedova E.L., Poddubko S.V., Podol'skiy I.G., Mikhaylov N.I. Oranzhereya v sostave sistemy zhizneobespecheniya eksperimenta so 105-sutochnoy izolyatsiey: biologicheskie, tekhnologicheskie i psikhologicheskie aspekty [The greenhouse as part of the life-support system of the experiment with a 105-day isolation: biological, technological and psychological aspects]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2010, vol. 44(4), pp. 57-61.
11. Gushchin V.I., Shved D.M., Levinskikh M.A., Vinokhodova A.G., Signalova O.B., Smoleevskiy A.E. Ekopsikhologicheskie issledovaniya v usloviyakh 520-sutochnoy izolyatsii
[Ecopsychological research in conditions of a 520-day isolation]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2014, vol. 48(3), pp. 25-29.
12. Berkovich Yu.A., Krivobok N.M., Sinyak Yu.Ye., Smolyanina S.O., Grigoriev Yu.I., Romanov S.Yu., Guissenberg A.S. Developing a vitamin greenhouse for the life support system of the International space station and for future interplanetary missions. Advances in Space Research, 2004, no. 34, pp. 1552-1557.
13. Romanov S.Yu., Zheleznyakov A.G., Telegin A.A., Guzenberg A.S., Andreychuk P.O., Protasov N.N., Berkovich Yu.A. Sistemy zhizneobespecheniya ekipazhey dlitel'nykh mezhplanetnykh ekspeditsiy [Life-support systems for crews of long-duration expeditions]. Izvestiya RAN. Energetika, 2007, no. 3, pp. 57-74.
14. Berkovich Yu.A., Smolianina S.O., Krivobok N.M., Erokhin A.N., Agureev N.A., Shanturin N.A. Vegetable production facility as a part of a closed life support system in a Russian Martian space flight scenario. Advances in Space Research, 2009, no. 44, pp. 170-176.
15. Massa G.D., Newsham G., Hummerick M.E., Caro J.L., Stutte G.W., Morrow R.C., Wheeler R.M. Preliminary species and media selection for the Veggie space hardware. Gravitational and Space Research, 2013, no. 1, pp. 95-106.
16. Massa G.E., Dufour N.F., Carver J.A., Hummerick M.E., Wheeler R.M., Morrow R.C., Smith T.M. VEG-01: Veggie hardware validation testing on the International Space Station. Open Agriculture, 2017, no. 2, pp. 33-41.
17. Berkovich Yu.A., Derendyaeva T.A., Ivanova I.E., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I., Ivanova T.N. Preliminary results at the first stage of the SVET space greenhouse exploitation in space flight. Proceedings of the 2-nd micro-symposium SVET-90 on Biotechnology and life supports of the space biology working group, Bulgarian Academy of sciences, 1991. P. 25-36.
18. Certificate of authorship 1598926 SSSR. Vegetatsionnyy sosud dlya rasteniy [Vegetative vessel for plants]. Berkovich Yu.A., Simonov V.M., Shaydorov Yu.I., Ivanova T.N., Strugov O.M., Kostov P.P., Kynchev N.A.; application 4455407/30-15 of 08.07.1988; published 15.10.1990. Byulleten' no. 38, 5p.
19. Certificate of authorship 1424774 SSSR. Vegetatsionnyy sosud dlya rasteniy [Vegetative vessel for plants]. Berkovich Yu.A., Simonov V.M., Shaydorov Yu.I., Ivanova T.N., Strugov O.M, Kostov P.P., Kynchev N.A.; application 4174301/30-15 of 26.12.1986; published 23.09.1988. Byulleten' no. 35, 4 p.
20. Morrow R.C., Wetzel J.P., Richter R.C., Crabb T.M. Evolution of space-based plant growth technologies for hybrid life support systems. ICES, 2017-301, 2017, pp. 1-9.
21. Massa G.D., Wheeler R.M., Morrow R.C. Levine H.G. Growth chambers on the International Space Station for large plants. Acta Hortic, 2016, vol. 1134, pp. 215-222.
22. Nakamura T., Monje O., Bugbee B. Solar food production and life support in space exploration. AIAA 2013-5399, 2013, pp. 1-9.
23. Kliss M., MacElroy R.D. Salad Machine: a vegetable production unit for long duration space missions. ICES, 901280, 1990.
24. Kliss M., Heyenga G., Hoehn A., Stodieck L. Toward development of a «Salad-Machine», ICES, 2000-01-2476, 2000.
25. Zabel P., Bamsey M, Schubert D., Tajmar M. Review and analysis of over 40 years of space plant growth systems. Life Sciences in Space Research, 2016, vol. 10, pp. 1-16.
26. Farges B., Poughon L., Creuly C., Cornet J.-F, Dussap C.-G, Lasseur C. Dynamic aspects and controllability of the MELiSSA project: a bioregenerative system to provide life support in space. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2008, vol. 151, pp. 686-699.
27. Maiwald V., Quantius D., Schubert D., Zabel P., Zeidler C., Vrakking V. Glance into the future: research steps on a path to a continuous human presence on Moon, Mars and beyond. Acta Futura, 2016, vol. 10, pp. 45-59.
28. Zeidler C, Vrakking V., Bamsey M, Poulet L., Zabel P., Schubert D., Paille C., Mazzoleny E, Domurath N. Greenhouse module for space system: a lunar greenhouse design. Open Agriculture, 2017, no. 2, pp. 116-132.
29. Shen Yu., Guo S, Zhao P., Wang L, Wang X., Li J., Bian Q. Research on lettuce growth technology onboard Chinese Tiangong II Spacelab. Acta Astronautica, 2018, vol. 144, pp. 97-102.
30. Fu Yu.A., Liu H., Shao L., Wanga M., Berkovich Yu A., Erokhin A.N. A high-performance ground-based prototype of horn-type sequential vegetable production facility for life support system in space. Advances in Space Research, 2013, no. 52, pp. 97-104.
31. Guo S., Dong W, Ai W., Feng H., Tang Y., Huang Z, Shen Y., Ren J., Qin L., Zeng G., Zhang L., Zhu J., Fei J., Xu G. Research on regulating technique of material flow for 2-person and 30-day integrated CELSS test. Acta Astronautica, 2014, vol. 100, pp. 140-146.
32. Liu H. Bioregenerative life support experiments in Chinese Lunar Palace 1: results and future plans. lAC-15, A1,7,8,x30373. 2015. Available at: https://iafastro.directory/iac/archive/ browse/1AC-15/A1/7/30373/ (accessed 26.05.2018).
33. Fu Yu., Li L., Xie B., Dong C., Wang M., Jia B., Shao L., Dong Y., Deng S., Liu Hui, Liu G., Liu B., Hu D., Liu Hong. How to establish a bioregenerative life support system for long-term crewed missions to the Moon or Mars. Astrobiology, 2016, vol. 16(12), pp. 925-936.
34. Nechitailo G.S., Mashinsky A.L. Space biology. Studies at orbital stations. Moscow, Mirpubl, 1993.503 p.
35. Berkovich Yu.A., Krivobok N.M., Smolyanina S.O., Erokhin A.N. Kosmicheskie oranzherei: nastoyashchee i budushchee [Space greenhouses: present and future], Moscow, Slovopubl., 2005.368p.
36. Kosmicheskaya biologiya i meditsina. Mediko-biologicheskie eksperimenty na OS «Mir» [Space biology and medicine. Biomedical experiments onboard the Mir OS], Ed. by Grigor'ev A.I. 2002, vol. 2(6), pp. 319-343.
37. Bingham G.E., Shane Topham T., Mulholland J.M., Podolsky I.G. Lada: the IS S plant substrate microgravity testbed. SAE Technical paper, 2002-01-2388, 2002.
38. Berkovich Yu.A., Korbut V.L., Pavlovskiy V.l. Oranzherei s krivolineynoy posadochnoy poverkhnost'yu [Greenhouses with a curved landing surface], Kosmicheskaya i aviakosmicheskaya meditsina, 1985, no. 6, pp. 77-80.
39. Berkovich Yu.A., Krivobok N.M., Sinyak Yu.E., Smolyanina S.O., Grigor'ev Yul, Romanov S.Yu., Guzenberg A.S. Problema sozdaniya salatnoy oranzherei dlya mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii i posleduyushchikh mezhplanetnykh poletov [The problem of creating a lettuce greenhouse for the International Space Station and the subsequent interplanetary flights], Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2002, vol. 36(5), pp. 8-12.
40. Berkovich Yu.A., Krivobok A.S., Krivobok N.M., Smolyanina S.O. Perspektivnyy metod organizatsii mineral'nogo pitaniya rasteniy primenitel'no k usloviyam mikrogravitatsii [The advanced method for organizing mineral nutrition of plants, as applied to microgravity conditions], Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2014, vol. 48(3), pp. 56-62.
41. Konovalova l.O, Berkovich Yu.A., Erokhin A.N., Smolyanina S.O., Yakovleva O.S., Znamenskiy A.1, Tarakanov l.G, Radchenko S.G., Lapach S.N. Obosnovanie optimal'nykh rezhimov osveshcheniya rasteniy dlya kosmicheskoy oranzherei «Vitatsikl-T» [Justification of optimal modes of lighting plants for space greenhouse Vitatsikl-T], Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2016, vol. 50(4), pp. 28-36.
42. Berkovich Yu.A., Smolyanina S.O., Krivobok N.M., Erokhin A.N., Agureev A.N., Shanturin N.A. vegetable production facility as a part of a closed life support system in a Russian Martian space flight scenario. Advances in Space Research, 2009, vol. 44(2), pp. 170-176.
43. Levinskikh M.A., Signalova O.B., Derendyaeva T.A., Livanskaya O.G., Nefedova E.L., Sychev V.N., Podol'skiy l.G. Razrabotka tekhnologii vyrashchivaniya i vybor ovoshchnykh listovykh kul'tur dlya kosmicheskikh oranzherey [Development of the cultivation technology and selection of vegetable leaf crops for space greenhouses], Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2001, vol. 35(1), pp. 61-67.
44. Krivobok A.S. Povyshenie resursa pochvozameniteley dlya oranzherei v sostave sistemy zhizneobespecheniya kosmicheskikh ekipazhey [Increasing the resource of soil substitutes for the greenhouse as part of the life-support system of space crews], Avtoreferat diss. ... kand. biol. nauk. Moskva, 2013. 22 p.
45. Ilyin V.K., Korshunov D.V., Chuvilskaya N.G., Doronina N.V., Mardanov R.G., Moukhamedieva L.N., Novikova N.D., Starkova L.V., Deshevaya E.A. Microbial purification of waste biodegradation liquid products. Ecological engineering and environment protection, 2008, no. 1, pp. 48-56.
46. Manukovsky N.S., Kovalev V.S., Rygalov V.Y., Zolotukhin l.G. Waste bioregeneration in life support CES: development of soil organic substrate. Advances in Space Research, 1997, vol. 20(10), pp. 1827-1832.
47. Velichko V.V., Ushakova S.A., Tikhomirov A.A. lonoobmennyy substrat kak istochnik mobil'nykh form azota pri konveyernom metode vyrashchivaniya ovoshchnykh rasteniy na pochvopodobnom substrate [Ion-exchange substrate as a source of mobile forms of nitrogen using the conveyor cultivation method of vegetable plants on a soil-like substrate], Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2014, vol. 48(4), pp. 57-62.
