Разработка состава почвогрунта для замкнутой экосистемы в космическом пространстве Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

5РАСЕ\Л№Г

Разработка состава почвогрунта для замкнутой экосистемы в космическом пространстве

Юницкий А.Э.

Беларусь г Минск доктор философии транспорта,

ООО «Астроинженерные технологии» и ЗАО «Струнные технологии»

Костеневич А.А.

Беларусь, г. Минск, кандидат биологических наук, бюро «Технологичные экосистемы»

управления перспективных разработок ЗАО «Струнные технологии»

Парфенчик М.М.

Беларусь, г. Минск,

бюро «Технологичные экосистемы»

управления перспективных разработок ЗАО «Струнные технологии»

Бойко Е.Г.

Беларусь, г. Минск,

управление перспективных разработок ЗАО «Струнные технологии»

412

УДК 57.084.1:631.42

99

Разработка «космического» почвогрунта обусловлена необходимостью его использования в ЭкоКосмоДоме (ЭКД) многометровым слоем для защиты от метеоритов и в то же время для снижения общей массы плодородного пласта, что удешевит его доставку на орбиту. Предложены варианты почвогрунта, обладающие повышенной ударной вязкостью и уменьшенным весом по сравнению с обычной почвой. Запланированы эксперименты по изучению влияния созданного почвогрунта на растения. Обоснована возможность включения в состав почвогрунта, предназначенного для применения в ЭКД, недорогих и экологичных материалов.

Ключевые слова:

замкнутая экосистема, «космический» грунт, почва, почвогрунт, разрыхлители почв, ЭкоКосмоДом (ЭКД), экологичность.

Введение

В жилом космическом кластере «ЭкоКосмоДом» (ЭКД) запланировано создание условий, комфортных для проживания людей, а также в целях моделирования соответствующих параметров замкнутой биосферной среды для устойчивого симбиоза представителей флоры и фауны, в том числе микрофлоры и микрофауны. Жизненно необходимый критерий - образование кислорода в замкнутой экосистеме ЭКД посредством растений [1]. Для благоприятной активности растительным организмам требуются оптимальные режимы температуры, влажности, но самое главное - наличие живой плодородной почвы. Помимо питательной функции она является местом обитания тысяч видов микроорганизмов, мелких почвенных животных и грибов, без которых немыслимо существование представителей флоры.

Известно, что основное органическое вещество почвы, т. е. самый плодородный её слой, - это гумус, содержащий гуминовые вещества, обязательные для развития и роста растений [2]. Данные, опубликованные в литературе, подтверждают возможность замены неплодородной части почвы на более лёгкие материалы (перлит [3-6], керамзит [7], пемза и др.), в то время как функцию плодородного компонента будет выполнять почвогрунт ипПегга, имеющий в составе гуминовые вещества и полезные почвенные микроорганизмы [3, 8].

Задача, которую призвано решить настоящее исследование, заключается в создании «космического» почво-грунта, в отличие от обычной почвы обладающего рядом преимуществ:

• сниженный суммарный вес;

• повышенное водопоглощение и исключительная ударопрочность;

• низкая стоимость;

• увеличение питательной ценности для эффективного роста и развития растений;

• содержание необходимого для жизни полного набора ультра-, микро- и макроэлементов.

В настоящей статье рассмотрены вопросы строения плодородной почвы, возможности создания «космического» грунта на основе минеральных компонентов (перлита, керамзита) и почвогрунта ипГГегга, пригодного для роста и развития растений. Кроме того, описан эксперимент, касающийся изучения влияния «космического» почвогрунта на жизнь растительных культур, и предположены его вероятные результаты. В заключительной части подведены итоги проделанной работы, обозначены её дальнейшие перспективы.

Подбор компонентов «космического» почвогрунта

С точки зрения науки в почве выделяют минеральную и органическую части. Минеральный компонент образован в результате процессов выветривания горных пород и накопления обломков различной величины, механически перемешанных под действием силы тяжести, ветра и воды. Он составляет 80-90 % массы почвы, за исключением органогенных почв, в которых его доля может уменьшаться до 10-15 % [9].

Авторами данной статьи на основании публикаций [3-5, 7] предложено минеральную часть, т. е. 80-90 % от почвенной массы, заменить на более лёгкие минералы, позволяющие сформировать нужную структуру субстрата (таблица 1).

Как видно из таблицы 1, в качестве альтернативной замены минеральной части почвы рассматриваются только природные и экологические чистые минералы (перлит, вермикулит, керамзит, дроблёная кора и кокосовый субстрат), имеющие в составе элементы практически всей таблицы Менделеева. Помимо критерия экологичности используемых материалов учитываются следующие их параметры: размер фракций, плотность, водопоглощение, стоимость и, что наиболее значимо, содержание минеральных веществ, требуемых для жизнедеятельности представителей флоры, растущих на этой почве.

Размер фракций важен для возникновения необходимой структуры почвы: очень мелкая фракция (менее 1 мм) образует пыль и грязь, а при насыпании толстым слоем она будет иметь немалый вес. В то же время применение

Таблица 1 - Характеристика заменителей минеральной части почвы [10-13]

Название вспененного минерала Описание pH Размер фракции, мм Ориентировочная стоимость, USD/м3* Насыпная плотность, кг/м3 Водопоглощение, %

Перлит (агроперлит) Вспученный продукт измельчения и термической обработки вулканической породы 7-7,5 1,5-5 37,6 65-232 100-1000

Вермикулит Вспученный слоистый минерал 6,8-7 2-4 100,4 65-130 400-530

Керамзит Формованная и вспененная обожжённая глина 7 1-4 96,2 350 (в зависимости от фракционного состава. Размер гранул: 20-40 мм) 15-25

Дроблёная кора Дроблёная кора хвойных пород деревьев < 7 0-10 10-30 33,5 54,4 100-600 (в зависимости от фракционного состава и породы древесины) 140-200 (в зависимости от фракционного состава и породы древесины)

Дроблёная пемза Вулканическая порода 7-8 1-3 5-8 15-25 30-50 719 450-750 11-17

Кокосовый субстрат Измельчённая и спрессованная оболочка кокоса 5,8-6,5 Брикеты, маты различной формы 418 330 700-900

* Стоимость материалов приведена исключительно в ознакомительных целях и будет в значительной степени зависеть от поставщика и объёмов поставки.

больших фракций (20-50 мм) ограничено тем, что сквозь подобные крупные минеральные фрагменты мелкодисперсный органический слой почвы промоется при поливе.

Такая характеристика материала, как плотность, позволяет рассчитать его вес в определённом размере. Установлено, что численное значение указанного параметра обычных плодородных почв в зависимости от их вида находится в диапазоне 1100-1700 кг/м3 [9]. В то же время плотность перлита равна всего 65-232 кг/м3. Значит, при замене минерального слоя почвы высотой 1 м с плотностью 1500 кг/м3 на слой, содержащий 90 % перлита, её вес снизится в 4,2-7,2 раза.

Из [1] известно, что ориентировочная масса плодородной почвы, которая понадобится в ЭКД на 5000 человек, составит 200 000 тонн. Следовательно, за счёт снижения объёмного веса можно получить существенную экономию при доставке компонентов почвы с планеты на орбиту.

Водопоглощение (способность вещества впитывать и удерживать в порах и капиллярах воду) - важный параметр при разработке «космического» грунта. Чем выше данная величина у материала, тем больше он сможет связать воды и дольше удерживать её в своей структуре. Благодаря этому свойству будет происходить постепенное выделение воды, которая пойдёт на потребление растениями, что в свою очередь позволит уменьшить кратность поливов. По обозначенному критерию лидирует перлит, способный в зависимости от размера фракции удерживать 100-1000 % воды от массы собственного сухого веса.

Наименьшую стоимость из рассмотренных в таблице 1 материалов имеет перлит, что является ещё одним преимуществом для его использования в составе «космического» грунта в ЭКД.

В научных публикациях, посвящённых применению перлита в сельском хозяйстве [4, 5], описаны следующие его положительные качества:

• позволяет решить проблему полива растений в засушливых районах;

• делает почву рыхлой и воздухопроницаемой;

• играет каталитическую роль в окислительных процессах, происходящих в почве;

• помогает снизить кислотность почвы;

• при остаточным разложении не выделяет побочных продуктов, загрязняющих окружающую сферу [6].

Специалистами [7] изучена возможность применения керамзита (3-5 мм) в качестве субстрата для выращивания томатов в открытом грунте. При этом почва не требовалась. Подкормка растений осуществлялась питательными растворами в разных дозах и с определёнными составами.

Установлено, что основными соединениями субстратов из керамзита, как и минеральной части почвы, являются оксиды кремния - 55,3 %, алюминия - 16,9 % и железа -10,5 %. Кроме того, в керамзите, подобно перлиту, в микродозах имеются практически все химические элементы таблицы Менделеева, которые могут «добывать» микроорганизмы и питать ими растения. Суммарное содержание оксидов кремния и железа за пятилетний период использования этих корнеобитаемых сред уменьшилось примерно на 2 %. Валовое содержание оксидов алюминия за указанный срок, напротив, возросло с 16,9 % до 18,4 %. Подобные изменения обусловлены постепенным разрушением структуры субстратов [7]. Полученные показатели позволяют заключить, что применение керамзита в составе почво-грунта возможно без его замены в течение всего срока эксплуатации ЭКД.

Таким образом, авторами в качестве альтернативы минеральной составляющей почвы предлагается брать перлит, керамзит и их смесь (размер фракций до 1-4 мм), однако не прибегать к приёмам гидропоники.

Органическая часть почвы образована мёртвыми остатками растений (их наземных и подземных частей), микроорганизмов и представителей животного микромира в разных стадиях разложения и гумификации, а также гуминовыми кислотами и их солями [4]. Вместо органического профиля рекомендуется почвогрунт ипГГегга, созданный на основе переработки бурого угля. Кроме того, он содержит гуминовые вещества и почвенные микроорганизмы. Все перечисленные компоненты являются обязательным условием для организации высокоплодородной почвы [3, 8].

Описание планируемого эксперимента

Цель планируемого эксперимента - исследовать влияние разрабатываемого «космического» почвогрунта на рост и развитие растений. Задачи, которые ставят перед собой авторы статьи:

• произвести подбор лёгких минеральных компонентов почвы;

• подобрать растения для посадки на «космическом» грунте;

• изучить воздействие «космического» грунта на рост и развитие растений.

В качестве минеральной части почвы предполагается использовать перлит, керамзит и их смесь. Вносимые

компоненты должны минимизировать вес грунта, но вместе с тем увеличивать его ударопрочность, снижать стоимость, быть экологичными и содержать необходимый набор микроэлементов. Органический сегмент заменит почвогрунт ипГГегга.

Предложено конструирование трёх высоких гряд, внутренний размер каждой составляет 1500 х 700 х 1000 мм (высота х ширина х длина), объём - 1,05 м3. Над грядами разместится искусственное освещение, требуемое для развития растений; полив будет осуществляться вручную.

Лекарственные и плодовые растения, предложенные для высадки в высокие гряды, приведены в таблице 2.

Выбор растений проходил согласно следующим критериям: наличие круглогодичного вегетационного периода

Таблица 2 - Условия роста и развития предлагаемых растений

Растение Температура, °С Влажность, % Вегетационный период

Мелисса 18-22 50 Круглогодично

Лаванда 18-22 50 Круглогодично

Мята 20-25 50 Круглогодично

Тимьян 20-25 50 Круглогодично

Алоэ 20-25 40-60 Круглогодично

Каланхоэ 20-25 40-60 Круглогодично

Лимон 18-25, минимум 6 ч солнечного света 50 Весна - осень

Мандарин 16-30 60 Весна - осень

Кумкват 25-30 60 Весна - осень

Перец многолетний 20-25 60 Весна - осень

Грейпфрут 20-27 50-60 Весна - осень

или способности к плодоношению; температурный режим в диапазоне 20-25 °С; влажность 40-60 %; плоды, листья и корнеплоды растений являются съедобными (деревья, кустарники, овощи и др.) или можно использовать их части для заваривания травяного чая (лекарственные растения).

Яблони, груши, сливы и другие плодовые культуры подвержены сезонным изменениям, что выражается в сбрасывании листвы и переходе в период покоя, поэтому в эксперименте они не участвовали. В качестве альтернативы выбраны комнатные цитрусовые представители, которые хотя и имеют сезонность цветения, но не сбрасывают листву и круглый год остаются зелёными. Данная особенность считается важным психологическим фактором для релаксации человека, находящегося в замкнутом пространстве ЭКД [14, 15].

Размещение растений на высоких грядах определяется исходя из размера кроны, а также толщины стволика

у корневой шейки. Например, для лимона с кроной диаметром 40 см посадочное место должно быть такого же размера. Следовательно, на гряде можно высадить в один уровень два цитрусовых дерева и дополнительно под ними -лекарственное растение. Учитывая необходимость экономии площади в ЭКД, возможна высадка мини-деревьев в два яруса (таблица 3).

В ходе эксперимента важно фиксировать следующие условия: температуру, влажность, освещённость, дополнительный полив.

Полученные результаты будут полезны для организации в ЭКД гряд, на которых планируется выращивать различные растения (в том числе плодовые) с применением разработанного «космического» почвогрунта.

Для предварительной экспериментальной проверки возможности задействования «космического» грунта в качестве субстрата для роста и развития представителей флоры поставлен следующий опыт (рисунки 1а, 1б).

Таблица 3 - Подбор растений для высадки на высоких грядах

Номер гряды Состав грунта Растения

1 Перлит + почвогрунт UniTerra Деревья*: 1-й ряд - мандарин; 1-й ряд - кумкват; 2-й ряд (более высокий) - лимон; 2-й ряд - лайм. Травы**: камнеломка

2 Керамзит + почвогрунт UniTerra Деревья: 1-й ряд - каламондин; 1-й ряд - лимон Мейера; 2-й ряд - бергамот; 2-й ряд - цитрон. Травы: ягель (олений лишайник) или тимьян ползучий

3 Керамзит + перлит + почвогрунт UniTerra Деревья: 1-й ряд - цитрофортунелла; 1-й ряд - мандарин японский; 2-й ряд - лимонелла; 2-й ряд - грейпфрут. Травы: микромята

* При посадке двух деревьев на гряду предлагается выбрать из четырёх растений.

** Предложенные травы являются почвопокровными (до 15 см) и обладают лекарственными свойствами.

Рисунок 1 - Рост растения на «космическом» грунте: а - общий вид; б - крупный план

Был приготовлен «космический» грунт, состоящий из 97,5 % перлита и всего 2,5 % ипГГегга (рисунок 1а). Даже при таком небольшом содержании органического компонента почвы неприхотливое растение прижилось. Тем не менее на рисунке 1б видно, что корневые волоски растительной культуры достигли дна ёмкости. Вероятно, данный факт обусловлен миграцией органической части грунта вниз из-за его промывания водой.

Именно поэтому для изучения процесса промывания органической части грунта приготовлены ещё два варианта «космического» грунта, имеющие 10 % (рисунки 2а, 2б) и 20 % (рисунки 2в, 2г) ипГГегга. Наименьшее вымывание органической части грунта наблюдается при 20 % концентрации ипГГегга, промежуточное положение занимает 10 % ипГГегга. Следует отметить, что немаловажным преимуществом

а)

б)

использования 10 % ипПегга является снижение общего веса почвогрунта по сравнению с содержанием ипГГегга в количестве 20 %.

На основании предварительного эксперимента произведён расчёт необходимых материалов для различных вариантов состава «космического» грунта с учётом того факта, что почвогрунт ипГГегга занимает объём пор между минеральными компонентами. Результаты вычислений представлены в таблице 4.

По данным расчётам будут приготовлены «космические» грунты для изучения их влияния на рост и развитие растений (таблицы 2, 3).

Таблица 4 - Количественная характеристика компонентов «космического» почвогрунта

Номер гряды (варианты) Вид минеральной части Плотность минеральной части, кг/м3 Массовый процент минеральной части, % Масса минеральной части, кг Объёмный процент UniTerra, % Масса UniTerra, кг Общая масса «космического» почвогрунта на одну высокую гряду, кг

1 Перлит 65 90 68,3 10 105 173,3

1 Перлит 149 90 156,5 10 105 261,5

1 Перлит 232 90 243,6 10 105 348,6

2 Керамзит 350 90 367,5 10 105 472,5

3 Перлит + керамзит 65 + 350 60 + 30 166,8 10 105 271,8

3 Перлит + керамзит 149 + 0,35 60 + 30 225,6 10 105 330,6

3 Перлит+ керамзит 232 + 350 60 + 30 283,7 10 105 388,7

Выводы

и дальнейшие направления исследования

В статье рассмотрены физико-механические и агрономические свойства разрабатываемого почвогрунта. Произведён подбор лёгких минеральных компонентов почвы (перлит, керамзит, смесь перлита и керамзита). Для посадки на «космическом» грунте выбраны растения, которые имеют сезонность цветения, однако не сбрасывают листву и круглый год остаются зелёными.

На основании вышеизложенного следует вывод: авторами теоретически обосновано создание «космического» почвогрунта, состоящего из лёгких минеральных наполнителей (по сравнению с обычной почвой) и органической части - почвогрунта ипГГегга. По совокупности свойств разрабатываемый почвогрунт может быть эффективно применён в ЭКД, поскольку обладает высокой плодородностью

и низкой плотностью. Таким образом, исчезает потребность в доставке в ЭКД тяжёлой почвы, достигающей толщины в несколько метров, что даст существенный экономический эффект.

Далее планируется провести эксперименты и проанализировать их результаты, показывающие возможность использования «космического» грунта для эффективного роста и развития как лекарственных, так и плодово-ягодных растений.

Литература

1. Юницкий, А.Э. Особенности проектирования жилого космического кластера «ЭкоКосмоДом» - миссия, цели, назначение /А.Э. Юницкий // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты:

3.

4.

6.

материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 51-57. Шапиро, В.А. Гетерогенная теория сотворения материи / В.А. Шапиро. - М.: ДеЛи плюс, 2013. - 104 с. Юницкий, А.Э. Почва и почвенные микроорганизмыы/ в биосфере ЭкоКосмоДома/ А.Э. Юницкий, Е.А. Соловьёва, Н.С. Зыль // Безракетная индустриализация космоса: проблемыi, идеи, проекты: материалыi II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. /Астро-инженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. -Минск: Парадокс, 2019. - С. 179-183. Салахов, М.С. Перспективыы использования перлита в сельском хозяйстве / М.С. Салахов [и др.]// Современные тенденции развития науки и технологий. - 2015. -№ 3. - С. 60-63.

5. Кашкай, М.-А.С. Перлиты/ и обсидианы/ / М.-А.С. Кашкай, А.И. Мамедов. - Баку: Изд. АН АзССР. - 1961. -145 с. Волохова, О.А. Применение перлита в сельском хозяйстве / О.А. Волохова, Н.А. Майданников // Наука и молодёжь: инновации в современном агропромышленном комплексе: сб. науч. тр.; вы1п. 3. - Новочеркасск: Новочерк. инж.-мелиор. ин-т Донской ГАУ, 2016. - С. 9-11.

Веремейчик, Л.А. Использование промышленного керамзита для производства томатов в условиях защи-щённого грунта /Л.А. Веремейчик, Л.С. Герасимович // Экологические проблемы/ развития агроландшафтов и способыi повышения их продуктивности: материалыi междунар. науч. эколог. конф., Краснодар, 27-29 марта 2018 г. - Краснодар: Кубанский ГАУ им. ИТ. Трубилина, 2018. - С. 84-86.

8. Мелиорант-почвоулучшитель «Гумус UniTerra». Технические условия: ТУ BY 691935133.002-2019. - Введ. 19.03.2019. - Минск: Госстандарт Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 2019. - 12 с.

9. Почвоведение / О.В. Кормилицы>/на [и др.]; под общ. ред. В.А. Рожкова. - М.: Лесная промышленность, 2006. -272 с.

10. Perlit Group [Электронны1й ресурс] - Режим доступа: http://www.perlitgroup.com/ru/svojstva-i-xarakteristiki-periita/. - Дата доступа: 22.07.2020.

11. Слюдяная фабрика [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://spbsluda.ru/. - Дата доступа: 22.07.2020.

12. GrowBOOM [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://growboom. by/perlit-vermikulit/vermikulit-1-l-fasovka. - Дата доступа: 22.07.2020.

7.

13.

14.

15.

Завод керамзитового гравия г. Новолукомль [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.keramzit. Ьу/. -Дата доступа: 22.07.2020.

Ераховец, Н.В. Принципы построения здоровой среды для жизни, деятельности, развития и отдыха человека в условиях ЭкоКосмоДома / Н.В. Ераховец // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 139-143.

Психология стресса и методы его профилактики: учеб.-метод. пособие /Авт.-сост. В.Р. Бильданова [и др.] -Елабуга: Изд-во ЕИ КФУ, 2015. - 142 с.