CC BY
5УДК 628.316.6:66.088
Варианты применения электрогидроударной установки в условиях проживания людей в космосе
А.Э. Юницкий12
доктор философии транспорта
Н.С. Першай2
кандидат технических наук С. А. Арнаут2
кандидат технических наук
1 ООО «Астроинженерные технологии»,
г. Минск, Беларусь
2 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь
ГГ
Рассмотрены технологические решения применения электрогидроударной установки (ЭГУ) в условиях проживания людей в космосе для обеспечения экологической безопасности замкнутых экосистем. В основу предлагаемых технологических схем положены экспериментальные данные, полученные на ЭГУ ипГПюпг, разработанной сотрудниками ЗАО «Струнные технологии». Представлены результаты измельчения бурого угля посредством электрогидравлического эффекта (для производства почвогрунтов с целью повышения плодородия почв), а также технология обеззараживания в замкнутой системе водоотведения и водопотребления, в том числе при подготовке оборотной воды для выращивания аквакультуры (на примере рыбы) в искусственно созданной среде ЭкоКосмоДома (ЭКД).
Ключевые слова:
аквакультура, бурый уголь, измельчение природных материалов, космическое индустриальное ожерелье «Орбита» (КИО «Орбита»), обеззараживание воды, почвогрунт, ЭкоКосмоДом (ЭКД), электрогидравлический эффект, электрогидроудар, электрогидроударная установка (ЭГУ).
UDC 628.316.6:66.088
Options for the Use of Electrohydraulic Discharge Equipment in the Conditions of Human Habitation in Space
A. Unitsky12
Ph.D. in Information Technologies (Transport)
N. Pershai2
Ph.D. in Technical Sciences S. Arnaut2
Ph.D. in Technical Sciences
1 Astroengineering Technologies LLC,
Minsk, Belarus
2 Unitsky String Technologies Inc., Minsk, Belarus
PP
Technological solutions for the use of electrohydraulic discharge equipment (EHDE)
in the conditions of human habitation in space are considered to ensure the environmental safety
of enclosed ecosystems. The proposed technological schemes are based on experimental data
obtained on the UniThorr EHDE developed by the employees of Unitsky String Technologies Inc.
The results of grinding brown coal through the electrohydraulic effect are presented
(for the production of potting soils in order to increase soil fertility), as well as the technology
of disinfection in an enclosed system of water disposal and water consumption,
including the preparation of recycled water for growing aquaculture (using the example offish)
in the artificial environment of the EcoCosmoHouse (ECH).
Keywords:
aquaculture, brown coal, EcoCosmoHouse (ECH), electrohydraulic discharge equipment (EHDE), electrohydraulic effect, electrohydraulic shock, grinding of natural materials, Industrial Space Necklace "Orbit" (ISN "Orbit"), potting soil, water disinfection.
Введение
Человек задумался о развитии замкнутых экосистем с началом освоения космоса. Такого рода исследования стали проводиться более 60 лет назад и продолжаются до сих пор, активно набирая обороты. Это связано, во-первых, с возросшим интересом не только мировых государств, но и частных компаний к освоению космического пространства, а во-вторых, с усугублением глобальных проблем современности, нехваткой человеческих и природных ресурсов, стихийными бедствиями, войнами, перенаселением планеты и др. [1,2].
Инженером А.Э. Юницким разработана концепция строительства космического индустриального ожерелья «Орбита» (КИО «Орбита»]. Это многоорбитальный транспортно-инфраструктурный и индустриально-жилой комплекс, охватывающий планету в плоскости экватора и предназначенный для обслуживания земного человечества. Он станет функциональным аналогом экваториального линейного города, своеобразным плацдармом в случае возникновения различного рода космических угроз, в том числе метеоритных, а также технологической платформой для освоения дальнего космоса [1-3].
В структуре КИО «Орбита» предполагается сооружение ЭкоКосмоДомов (ЭКД), представляющих собой замкнутую экосистему биосферного типа, в которой все жители должны быть обеспечены сбалансированным питанием и качественной питьевой водой [4-7]. В такой среде остро проявляется потребность в создании замкнутых систем с полными циклами самообеспечения людей всем необходимым: едой, водой, кислородом и др.
Технологии функционирования ЭКД должны поддерживать комфортные условия пребывания людей. В частности, обязательны:
• постоянное снабжение жителей кислородом в достаточном количестве;
• комплексная очистка воздуха от вредных примесей;
• регулирование влажности;
• контроль за герметичностью отсеков;
• обнаружение и тушение возгораний;
• доставка и хранение воды, её регенерация и очистка;
• обеспечение продовольствием, в том числе хранение продуктов питания, переработка пищевых отходов;
• гигиенический контроль и ассенизация [8].
Процесс создания полноценной, полностью автономной и замкнутой экосистемы весьма сложный, и на сегодняшний день на 100 % удачных экспериментов такого рода не зафиксировано [9-11].
При разработке замкнутых экосистем необходимо отдавать предпочтение оборудованию и технологиям, принцип действия которых основан на использовании электроэнергии. Это обусловлено тем, что в космическом пространстве имеется неиссякаемый источник солнечной энергии, которую можно преобразовать в электрическую, не требующий доставки с Земли природных ископаемых [12]. Следовательно, электрогидроударная установка (ЗГУ) на околоземной орбите станет хорошей альтернативой традиционному и широко применяемому на нашей планете оборудованию. Отметим, что расположение человеческого поселения в космосе затрудняет доставку любых грузов с Земли, поэтому наиболее предпочтительны технологии, предполагающие возможность создания замкнутого цикла с полной автономией.
Использование ЗГУ в промышленности достаточно разнообразно [13]. Известно более 35 направлений применения установки в таких сферах, как машиностроение, добыча полезных ископаемых, строительство, горное дело, медицина, сельское хозяйство, экология, энергетика, а также для дробления стеклобоя, ферромагнитов, растительных отходов, торфа, драгоценных камней, нерудных и других материалов, обогащения руд, извлечения остаточных полезных ископаемых из отвалов, разрушения различного рода объектов (скальные породы, железобетонные конструкции, фундаменты, лёд, мёрзлые породы], механоакти-вации строительных материалов, смешивания растворов, очистки поверхностей, обеззараживания воды, повышения плодородия почв и др.
Хорошей альтернативой традиционным методам измельчения и обеззараживания в процессе создания замкнутых систем, предназначенных для реализации в ЭКД, может стать использование ЗГУ. Принцип её функционирования основан на электрогидравлическом эффекте (эффект Юткина], сущность которого заключается в преобразовании электрической энергии в механическую с высоким КПД. Происходит это за счёт того, что внутри объёма жидкости протекает специально сформированный импульсный электрический разряд, вокруг зоны которого возникают сверхвысокие импульсные давления, способные совершать механическую работу и сопровождающиеся комплексом физико-химических явлений [13].
Один из главных плюсов внедрения электрогидро-ударной технологии в условиях космической жизни - эко-логичность, что продиктовано отсутствием дополнительного введения химических веществ, образования побочных продуктов.
Цель проведённой работы - исследование возможных путей использования ЗГУ при длительном нахождении
людей в замкнутой экосистеме ЭКД. Ввиду того что направлений применения ЗГУ достаточно много, были выбраны три, связанные с обеспечением жителей пропитанием и водой.
Первое направление - задействование установки для измельчения природных материалов, в частности бурого угля как компонента лёгкого почвогрунта, предназначенного для культивирования растений в ЭКД [14,15]. В [13,16] авторами предлагается в условиях космоса отходы жизнедеятельности и растительные остатки после измельчения использовать в качестве питательных элементов для внесения в почву. В рамках данного направления планируется расширить исследования по измельчению природных материалов с применением ЗГУ.
Второе направление - обеззараживание воды после очистки сточных вод, которая в зависимости от качества может применяться для бытовых и технологических нужд, полива растений и др. [17,18].
Третье направление - использование в установках замкнутого типа при выращивании аквакультуры, в частности рыбы [19,20].
Согласно поставленной цели решались следующие задачи:
• определение влияния различных параметров работы ЗГУ на измельчение природных материалов на примере бурого угля в качестве компонента почвогрунта, который предназначен для культивирования растений;
• определение влияния электрогидроудара на гибель микроорганизмов и водорослей в схемах очистки и подготовки питьевой и сточной воды, а также в замкнутых системах выращивания рыбы.
На основе достигнутых результатов предложены изменения в традиционные схемы получения почвогрунта, очистки сточных вод и вод рыбного хозяйства.
Описание работы ЭГУ ипЛЬогг
Исследование проводилось на ЭГУ ипГГГюгг [рисунок!], созданной сотрудниками ЗАО «Струнные технологии» (г. Минск, Беларусь]. Главными составными частями установки являются генератор импульсных токов и рабочая камера. Последняя представляет собой ёмкость, внутри которой находятся обрабатываемый материал, технологическая жидкость, а также отрицательный и положительный электроды. Упрощённая электрическая схема ЭГУ ипГГГюгг показана на рисунке 2. С- рабочая ёмкость конденсатора
Рисунок 1 - ЭГУ УпИИогг
Тр
0-
Рисунок 2 - Упрощённая электрическая схема ЭГУ ипПТюгг: ■ зарядное сопротивление; Тр - трансформатор; V- выпрямитель; ФП - формирующий искровой промежуток; РП - рабочий искровой промежуток;
Установка функционирует следующим образом. От высоковольтного трансформатора через выпрямитель и зарядное сопротивление заряжается конденсаторная батарея. При достижении требуемого напряжения по воздушному промежутку происходит подача напряжения на положительный электрод, расположенный в рабочей камере. Замыкание разрядного промежутка осуществляется искровым пробоем в жидкости между положительным и отрицательным электродами, размещёнными внутри рабочей камеры. Отрицательный электрод представляет собой металлическую пластину, встроенную в дно камеры; положительный имеет вид карандаша из диэлектрика, внутри которого находится металлический пруток.
Применение ЭГУ ишТЬогг
для получения компонента лёгкого почвогрунта
Для полноценного и качественного пребывания людей в ЭКД необходимо их обеспечение сбалансированным питанием. Значит, в замкнутых экосистемах следует в обязательном порядке предусмотреть возможность производства растительной пищи. С этой целью развиваются различные технологии культивирования растений в условиях космического пространства. В [15] описаны эксперименты, а также для ЭКД подобран состав лёгких почвогрунтов с использованием мелиоранта-почвоулучшителя ипГГегга, созданного на основе переработки бурого угля [21]. Кроме того, ипиегга содержит гуминовые вещества и почвенные микроорганизмы. Все перечисленные компоненты считаются важным фактором для формирования высокоплодородной почвы [15].
В [16] представлена схема переработки твёрдых пищевых отходов для получения растительной продукции. В данном процессе обязательной стадией является их диспергирование, т. е. дробление частиц твёрдых веществ (растительные остатки, осадки сточных вод, пищевые отходы, помёт и др.] в жидкой среде. В качестве диспергато-ра здесь может выступить ЭГУ, но требуется подбор технологических режимов работы установки, что и планируется выполнить при проведении дальнейших исследований.
Авторами настоящей статьи изучалось влияние электрогидравлического удара на измельчение бурого угля, определялись основные параметры процесса дробления с целью подбора оптимальных технологических режимов функционирования ЭГУ.
Одно из преимуществ применения установки для измельчения бурого угля в жидкой среде - электрогидравлическое воздействие (обработка суспензии] приводит
к повышению содержания азота, улучшает растворимость химических веществ, преобразует их в усвояемую для растений форму; полученная суспензия может дополнительно служить питательным раствором [13,22].
Для проведения исследований использовали бурый уголь марки Б1 двух месторождений: российского и казахстанского. Диапазон исходной фракции составлял 0-50 мм. В качестве рабочей жидкости применяли водопроводную воду. Её объём в разрядной камере зависел от соотношения угля и воды, а также от массы загрузки.
Бурый уголь в виде водоугольной суспензии помещался в рабочую камеру и обрабатывался в течение определённого времени (до 60 мин]. Через заданный промежуток (2-10 мин] проводился отбор проб. Гранулометрический анализ образцов ситовым методом осуществляли по [23]. Для количественной оценки частиц меньшего размера использован метод лазерной дифракции с помощью прибора Malvern Mastersizer 3000.
Проведённые исследования показали эффективное дробление бурого угля в течение 5-10 мин в зависимости от природы сырья и массы загрузки (рисунок 3].
Установлено, что обработка более 10 мин не приводит к значительному увеличению доли частиц размером менее 100 мкм. Возможно, это связано с тем, что при длительном воздействии в дискретных камерах протекают два противоположных процесса - измельчение и коагуляция.
CS
-е--е-
50 100
500 1000
Размер частиц, мкм
Рисунок 3 - Интегральное и дифференциальное распределение частиц бурого угля после измельчения на ЭГУ ипГПтсгг в течение 10 мин
При дроблении в камере непрерывного режима функционирования ЭГУ при отведении суспензии с частицами менее 250 мкм процесс коагуляции будет исключён.
На микроснимках измельчённого бурого угля (рисунок 4) наблюдается однородность частиц с размерами фракции менее 100 мкм, видны вкрапления минеральной составляющей. Увеличение времени обработки фракционированного исходного сырья (фракция 3-5 мм) приводит к получению частиц более равномерной и округлой формы.
Дальнейшие исследования структуры и химического состава образцов бурого угля выполняли методом сканирующей электронной микроскопии с электронно-зондовым рентгенофлуоресцентным энергодисперсионным химическим анализом (сканирующий электронный микроскоп Ш-ббЮШ с системой химического анализа 1Е0-2201,1Е01_, Япония).
При использовании исходного нефракционированно-го бурого угля (фракция 0-50 мм) даже при увеличении времени измельчения до 15 мин наблюдается ухудшение качества измельчения, а частицы имеют более вытянутую форму и высокую неоднородность состава (рисунок 5).
Исследования показали, что между результатами измельчения фракции угля с размерами частиц 3-5 мм и 7-50 мм нет значительных различий. В связи с этим эксперименты проводились с исходной фракцией угля 7-50 мм, поскольку частицы более крупного размера разрушаются достаточно быстро и дальнейшее измельчение происходит с такой же скоростью, как и для фракции 3-5 мм.
Кроме того, экспериментальным путём подтверждено, что на начальном этапе обработки физико-химические свойства угля оказывают влияние на функционирование установки и требуют корректировки технологического процесса с учётом особенностей исходного материала. Однако конечный результат измельчения после регулировки параметров ЭГУ идентичен. Это говорит о том, что настройку установки необходимо осуществлять под конкретное сырьё и корректировать только при изменении его характеристик. Выбор режима работы ЭГУ прежде всего обусловлен удельной электропроводностью водоугольной суспензии, которая зависит от содержания в буром угле водорастворимых минеральных веществ (рисунок 6).
Повышение удельной электропроводности вызывает ухудшение качества импульса, т. е. появление так называемого холостого разряда, и приводит к снижению КПД установки вследствие того, что полезная работа импульса идёт не на дробление материала, а на нагревание рабочей среды.
Рисунок 4 - Электронно-микроскопические изображения структуры образца бурого угля (исходная фракция 3-5 мм) с размерами частиц менее 100 мкм после измельчения в течение 10 мин: а - увеличение в 100 раз; б - увеличение в 1000 раз; 1 - вкрапления минеральной составляющей
Рисунок 5 - Электронно-микроскопические изображения структуры образца бурого угля (исходная фракция 0-50 мм) после измельчения в течение 15 мин: а - увеличение в 100 раз; б - увеличение в 1000 раз
Рисунок 6 - Результат электронно-зондового химического анализа зольного остатка бурого угля
а)
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
4 5 6 7 8 9 10 Энергия, кэВ
ВАРИАНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРОУДАРНОЙ УСТАНОВКИ
В УСЛОВИЯХ ПРОЖИВАНИЯ ЛЮДЕЙ В КОСМОСЕ 0 /
Юницкий А.Э., Першай Н.С., Арнаут С.А.
Экспериментально установлено, что в процессе функционирования ЗГУ удельная электропроводность увеличивается за счёт перехода в водный раствор водорастворимых минеральных компонентов сырья (например, зольность казахстанского бурого угля снижается до 40 % в зависимости от времени обработки) (таблица). Кроме того, измельчение бурого угля на ЗГУ для получения удобрений путём щелочной экстракции гуминовых кислот [ГК] приводит к увеличению общего выхода гуминовых веществ на 18-27 %, что, скорее всего, обусловлено разрывом химических связей в процессе помола и повышением их лабильности. При этом возрастает массовая доля фульвовых кислот (ФК) по сравнению с ГК.
Увеличение выхода гуминовых веществ и водорастворимых солей благоприятно скажется на характеристиках почвогрунта, потому что данные компоненты нужны для роста и развития растений [14,15,24].
На основании полученной информации сформированы требования к исходному сырью, в зависимости от его характеристик подобраны оптимальные режимы работы ЗГУ.
Общая технологическая схема измельчения бурого угля как компонента почвогрунтов представлена на рисунке 7. При этом, как указывалось выше, в качестве органической составляющей субстратов в замкнутых системах можно использовать растительные остатки, осадки сточных вод, пищевые отходы и др.
Исходный материал (бурый уголь или другое органическое сырьё] собирается в накопительной ёмкости, затем после корректировки/выставления необходимых параметров направляется в рабочую камеру ЗГУ. Сюда же добавляется свежая порция воды и часть жидкости после отстаивания измельчённой массы. При функционировании установки мелкая фракция измельчённой массы через верхний патрубок поступает в резервуар для гравитационного осаждения (как вариант - осаждения под действием центробежной силы в гидроциклоне], где часть воды отводится в промежуточный резервуар, затем насосом снова подаётся в ЗГУ для измельчения. Осадок после отстаивания откачивается и поступает на технологическую линию получения почвогрунтов. Все параметры работы оборудования определяются исходя из производительности линии и характеристик сырья.
Таблица - Изменение параметров бурого угля после обработки на ЗГУ 11тТ1шг
Сырьё Время Количество Зольность, % Массовая доля гуминовых веществ, %
обработки, мин импульсов, шт. Всего ГК ФК
0 0 12,6 ± 0,6 29,3 16,9 12,4
Бурый уголь 3 180 8,3 ± 0,4 34,4 19,3 15,1
(Россия) 6 360 7,9 ± 0,4 33,4 18,2 15,2
12 720 7,4 ± 0,4 35,8 20,5 15,3
0 0 3,6 ± 0,2 29,6 13,4 16,2
Бурый уголь 3 180 3,3 ± 0,2 32,2 15,9 16,3
(Казахстан) 6 360 3,5 ± 0,2 40,8 16,6 24,2
12 720 3,5 ± 0,2 38,9 15,3 23,6
Г Исходное сырьё
(jfofla]
-^Жидкость после отстаивания^
Г Электроэнергия
Накопительная ёмкость
Рабочая камера ЗГУ —►Г Резервуар для гравитационного осаждения
Е
Г Линия получения почвогрунтов J л I г Измельчённое сырьё!
н I
Рисунок7 - Схема измельчения бурого угля как компонента почвогрунтов
Применение ЭГУ UniThorr для обеззараживания воды
Вода - одна из важнейших составляющих организма человека, без которой существование невозможно. Именно поэтому вопрос обеспечения людей безопасной питьевой водой, соответствующей самым жёстким гигиеническим требованиям и нормативам [3-5], в замкнутых экосистемах является ключевым наряду с питанием и дыханием. В таких условиях остро осознаётся необходимость в создании эффективной замкнутой системы водоотведения, водоочистки и затем водоснабжения жителей ЭКД качественной питьевой водой [6,7].
Электрические способы очистки представляются наиболее перспективными. Их суть заключается в преобразовании электрической энергии в другие виды, оказывающие влияние на объект обработки. Хорошей альтернативой традиционным методам обеззараживания в процессе создания замкнутой системы очистки станет использование ЭГУ.
Электрогидравлический удар в воде, вызываемый электроимпульсами малой длительности (несколько микросекунд], но с высокой мгновенной мощностью (50-1000 МВт], приводит к появлению активных свободных радикалов, атомарных кислорода и водорода, соединений азота и простейших аминокислот. Осуществлению процесса способствуют воздух и газы, растворённые в воде. Микробная флора, в первую очередь бактериальная, при этом активно гибнет, что связано с ультразвуковым, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением плазмы канала разряда, а также с мощным окисляющим действием атомарного кислорода [25].
При обеззараживании воды электрогидравлическим ударом к гибели микроорганизмов приводит комплекс факторов в зависимости от вида/штамма микроба. Обработанная таким образом жидкость приобретает устойчивую во времени бактерицидность. В [26, 27] описаны исследования по влиянию электрогидроудара на различные микроорганизмы, включая бактерии группы кишечной палочки, основной представитель которой Escherichia coli [18,25]. С учётом вышеизложенного можно сделать вывод, что использование данного метода актуально для обеззараживания воды.
В настоящей работе в качестве объекта изучения выбрана грамположительная спорообразующая почвенная бактерия Bacillus subtilis [В. Subtilis} штамм G ВКМ В-911, или сенная палочка, взятая из собственного банка микроорганизмов лаборатории отдела биотехнологий ЗАО «Струнные технологии» [3,25].
Выбор объекта исследования продиктован тем, что, с одной стороны, данный штамм является индикаторной
тест-культурой для определения эффективности стерилизации. С другой стороны, спорообразующие бактерии могут длительное время находиться в состоянии покоя при неблагоприятных условиях, что позволяет им выживать и эффективнее расселяться. Споры характеризуются низким уровнем метаболической активности, отличаются необычайно высокой термостойкостью, сохраняя жизнеспособность при кипячении в течение нескольких часов, а также повышенной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и механическому воздействию.
Для эксперимента использовали состаренные 3-4-суточные культуры, которые подвергали электрогидроудару. Отбор проб воды до и после воздействия выполняли асептическим способом. Кратность повторения каждой пробы была равна трём. Посев на поверхность плотной агаризо-ванной среды осуществляли методом Коха, инкубировали на питательном агаре и проводили подсчёт выросших колоний [28]. О степени обеззараживания воды судили по изменению количества колониеобразующих единиц [КОЕ], которое выражали в виде общего микробного числа (ОМЧ).
Полученные результаты показали, что обеззараживание происходит весьма интенсивно, а скорость процесса пропорциональна количеству импульсов, вызывающих электрогидравлические удары. Установлено, что остаточное значение ОМЧ при исходной концентрации микроорганизмов 3 х Ю4 КОЕ/мл составляет менее 50 КОЕ/мл, что удовлетворяет требованиям СанПиН 10-124 [29] к качеству питьевой воды по этому показателю. Наиболее интенсивный обеззараживающий эффект наблюдается при времени обработки до 10 мин, а за начальные 6-10 с функционирования ЭГУ уничтожается до 94 % микроорганизмов (рисунок 8].
Время обработки, мин
Рисунок 8 - Влияние времени обработки на ОМЧ при исходной концентрации микроорганизмов 3 х ю4 КОЕ/мл
Более подробно рассматриваемая тематика исследована и описана в [25].
При организации обеззараживания воды в ЭКД в качестве примера реально существующей системы водоочистки в условиях космоса предлагается к рассмотрению установка на МКС. Здесь реализована технология, включающая дистилляцию и йодирование [30], которая нуждается в улучшении и доработке. Система восстановления обеспечивает чистую воду для космонавтов путём использования мочи, конденсата влаги в жилых помещениях, образовавшегося от пота, дыхания и гигиены экипажа, а также воды из системы восстановления воздуха. Для регенерации воды из конденсата атмосферной влаги применяется сорбционно-каталитический метод с последующей минерализацией, консервацией серебром и пастеризацией очищенной воды. Блок обработки мочи сконструирован для получения 87 % воды из урины экипажа. Извлечение воды осуществляется путём дистилляции с сорбционно-каталитической очисткой. Дистиллят объединяется с конденсатом и обрабатывается с помощью узла водоподготов-ки, который восстанавливает 100 % данной жидкости. В результате общее восстановление воды составляет около 93,5 % [31]. Регенерация санитарно-гигиенической воды проводится путём фильтрации с последующей сорбционной доочисткой.
Йодирование как метод обеззараживания подходит только для малогабаритных индивидуальных установок; он имеет ряд недостатков, среди которых изменение концентрации йода в процессе работы, невозможность точного дозирования в проточную воду и отсутствие контроля его концентрации. Как показывают исследования, йодирование оптимально в отношении бактерий и вирусов и недостаточно эффективно при воздействии на микробные токсины и фенольные соединения. Ещё одно ограничение
на распространение метода накладывает появление специфического запаха при растворении йода в воде.
Вместо блока йодирования предлагается использовать ЗГУ, эффективность которой подтверждена экспериментально. Экономически выгодным считается короткий период воздействия, соответствующий резкому падению значения ОМЧ. Таким образом, предлагаемая технология обеззараживания воды сводится к её периодической ступенчатой электрогидравлической обработке в устройстве, схема которого представлена на рисунке 9. Общие энергетические затраты при этом не превышают 0,5 кВт-ч/м5 и коррелируют с литературными данными [13].
ЗГУ для очистки воды выполняется в виде трубы со встроенными во втулках, проходящих сквозь её стенки, парами положительного и отрицательного электродов. Положительные должны быть изолированы, а отрицательные могут являться частью самой трубы. Каждая пара электродов будет питаться от самостоятельного разрядного контура.
Принцип работы ЗГУ для очистки воды заключается в следующем. Обеззараживаемая жидкость насосом непрерывно подаётся в ЗГУ и продолжает движение внутри проточной камеры, выполненной в виде трубы. Её корпус снабжён несколькими парами разрядников (количество определяется исходя из мощности установки, объёма жидкости и степени её загрязнения], электроды которых пропущены в диэлектрик через стенку корпуса. Электрогидравлические удары обеззараживают жидкость в потоке с определённым интервалом времени. Скорость обеззараживания пропорциональна энергии импульсов. Простота конструкции ЗГУ облегчает возможность автоматизации и регулирования процессов очистки, а также позволяет создавать компактные установки любой производительности.
Рисунок 9 - Электрогидравлическое устройство для очистки и обеззараживания воды: 1 - проточная камера; 2 - электрод
Применение ЭГУ ипГГИогг в рыбном хозяйстве
При рассмотрении вопроса проживания людей в космосе особое внимание следует уделить развитию аква-культуры как обязательного направления деятельности в замкнутом пространстве ЭКД. Для удовлетворения потребности его жителей в еде, содержащей животный белок, существует не так много вариантов в силу сложности выращивания животных, ограниченности площадей и ресурсов - воды, пищи, кислорода. В качестве источника животного белка стоит рассмотреть рыбу. По пищевым качествам она не уступает мясу, а по усвояемости даже превосходит его. Так, содержание белка в рыбе находится в диапазоне 13-23 %.
На сегодняшний день уровень биотехнологических возможностей выращивания разных объектов аквакуль-туры позволяет наладить их производство в установках замкнутого водоснабжения [32-35]. Это даёт значительную экономию воды, что является ключевым пунктом в условиях космического пространства с резким ограничением ресурсов. Благодаря системе циркуляции установка заполняется водой однократно, а далее только периодически подпитывается, причём на это требуется всего 4-6 % воды от объёма установки [36].
Классическая схема замкнутой системы водоснабжения для выращивания аквакультуры в рыбных хозяйствах представлена на рисунке 10. Необходимое качество воды в ней обеспечивается функционированием биофильтров. В общем виде схема включает механическую, биологическую в биофильтрах и ультрафиолетовую обработку.
На первой стадии происходит очищение воды, собранной со всех рыбоводных бассейнов в накопительной ёмкости, от механической взвеси, т. е. от фекалий рыб и остатков кормов. В качестве оборудования для этой стадии могут выступать гидроциклоны, барабанные фильтры и др. Скопившийся осадок удаляют и передают на переработку. Гидро-цикпон очищает воду от крупной взвеси, а барабанный фильтр - от мелкой.
На второй стадии происходит очистка воды в биофильтрах от растворённых примесей, которые невозможно задержать механическими фильтрами. Вода из барабанного фильтра по трубам попадает в биофильтр, представляющий собой резервуар с диффузорами на дне. В них подаётся воздух для постоянной аэрации. В резервуаре с водой также находится пластиковая загрузка для аэрации. На загрузке растут бактерии, которые перерабатывают растворённые вещества. После биофильтра очищенная вода забирается насосами. Специфика функционирования биофильтра обусловлена применением колоний живых
организмов: требуется соблюдать благоприятный для них температурный режим, поддерживать определённую влажность, следить за получением бактериями всех необходимых питательных элементов для жизнедеятельности и роста.
Третья стадия - обеззараживание воды при помощи ультрафиолета от патогенных микроорганизмов и бактерий. Далее вода подаётся в оксигенатор, где насыщается чистым кислородом. Это важный этап очистки: здесь вода под давлением смешивается с кислородом, а затем поступает обратно в бассейны.
Ключевая проблема загрязнения воды рыбных хозяйств - активное размножение микроскопических водорослей, которое влечёт за собой появление токсических веществ, продуктов гниения, снижение количества растворённого кислорода, тем самым вызывая гибель рыбы, если система очистки работает недостаточно хорошо. Основные представители микроводорослей, которые приводят к цветению воды, - цианобактерии.
Особенность водоочистки рыбного хозяйства в установках замкнутого цикла заключается в том, что она не требует достижения полного бактериального обсеменения оборотной жидкости. Это обусловлено тем, что выращивание рыбы в стерильной среде снижает её иммунитет. Оптимальный уровень очистки воды должен составлять 70-75 %.
Рисунок 10 - Структура рециркуляционной системы рыбного хозяйства
Как было описано выше, ЗГУ ипГПшг показала хорошие результаты по обеззараживанию воды от бактерий. В [37] имеется информация о применении электрогидро-удара для очистки воды рыбохозяйственных комплексов, что дало предпосылки для изучения его влияния на качество воды, содержащей микроводоросли. Кроме того, замена биофильтров на ЗГУ позволит упростить обслуживание и контроль оборудования ввиду отсутствия необходимости поддержания специализированных условий при его работе. Вместе с тем не требуется регенерация и не возникают побочные продукты очистки при меньших занимаемых площадях.
В качестве объектов настоящего исследования выбраны ассоциации почвенных зелёных микроводорослей ШатудотопадаШь Шогососса/е$ ¿МЛ/г/и/ей; ^тйэ/е^ взятые из собственного банка микроорганизмов лаборатории отдела биотехнологий ЗАО «Струнные технологии» [3].
Воздействию электрогидроудара подвергали наработанный инокулят, культивированный в жидкой среде в течение 14 дней. Отбор проб воды выполняли асептическим способом. Кратность повторения каждой пробы была равна трём. Посев на поверхность плотной агаризованной среды осуществляли методом Коха, инкубировали на специальных стеллажах при освещении в течение 12 ч, затем проводили подсчёт выросших колоний на питательной среде для водорослей. Время роста клеток на питательной среде составляло 10-12 дней.
С учётом полученных данных можно увидеть определённую закономерность между временем обработки и общим числом клеток (04К) водорослей (рисунок 11]. Сначала в течение первой минуты функционирования ЗГУ происходит резкое падение ОЧК с 2 х Ю4 до 2 х Юг КОЕ/мл. Затем снижение величины ОЧК продолжается более плавно с 250 до 30 КОЕ/мл. После 5 мин обработки воды с микроводорослями зависимость ОЧК от времени воздействия выходит на плато и слабо изменяется в течение следующих 25 мин. Остаточная концентрация микроводорослей после 30 мин работы ЗГУ - 5 КОЕ/мл.
Результаты проведённых опытов показывают, что использование электрогидроудара позволяет уменьшить биологическое загрязнение, не доводя воду до стерильного состояния, но снижает бактериальную обсеменённость оборотной воды до величины, обеспечивающей комфортные условия разведения рыбы на разных стадиях выращивания.
Комплексный характер электрогидроудара особенно важен при очистке вод, содержащих широкий спектр микроорганизмов. В связи с этим исследовали также озёрную
воду, отобранную в экопарке «Акварель» (г. Марьина Горка, Беларусь]. Находящийся там искусственный водоём выбран как прототип замкнутой водной экосистемы.
Полученные данные (рисунок 12] идентичны результатам обработки воды, контаминированной В. зиЬШв (рисунок 8] и микроводорослями (рисунок 11].
30 000 -I
25 000 -
20 000 -
ЗГ
О
15 000 -
10 000 -
5000 -
10 15 20 25 30 35 Время обработки, мин
Рисунок 11 - Влияние времени обработки на ОЧК микроводорослей
600 Н
500 -
400 -
^ 300 И
200 -
100 -
у = 791,64 х Ю-'» /?г = 0,9767
10 20 30
Время обработки, мин
40
Рисунок 12 - Влияние времени обработки на ОМЧ озёрной воды
Остаточное значение ОМЧ после обработки на ЗГУ 11пПТюгг выше, чем для воды, контаминированной бактериями и водорослями, и составило 75 КОЕ/мл. Данное обстоятельство обусловлено более высоким исходным значением ОМЧ.
На рисунке 13 представлена модернизированная общая схема очистки воды с применением электрогидроудара в установках замкнутого водоснабжения на рыбокомплексах.
Оксигенатор
Барабанный механический фильтр
ЗГУ
V У
Рисунок 13 - Схема очистки воды для рыбного хозяйства
Принцип функционирования системы заключается в том, что вода первоначально очищается от грубых и мелких примесей, затем подаётся самотёком в установку для элекгро-гидроударной обработки в непрерывном режиме (принцип действия описан выше для системы обеззараживания воды). После очистки вода проходит контроль качества обеззараживания и в случае соблюдения требуемых нормативов подаётся на следующую стадию подготовки перед поступлением в бассейн с аквакультурой. При несоответствии качества воды по любому из показателей она возвращается на вход в ЗГУ на повторную очистку. Параметры работы оборудования подбираются индивидуально для каждого аква комплекса.
Заключение
В настоящей статье отражены проблемы ограниченности ресурсов в условиях проживания людей в замкнутых экосистемах в космосе. Рассмотрены и апробированы несколько вариантов использования ЗГУ с учётом дальнейшего их применения в КИО «Орбита», показаны преимущества электрогидравлического эффекта. Предложенные решения подкреплены исследованиями, проведёнными в 2020-2023 гг. на экспериментальной ЗГУ ипГПтогг, разработанной сотрудниками ЗАО «Струнные технологии».
Изучена возможность использования установки:
• для измельчения бурого угля в качестве компонента почвогрунтов с целью культивирования растительной пищи в условиях космоса;
• для обеззараживания питьевой и сточной воды и очистки воды, предназначенной для выращивания рыбы в замкнутых системах (на примере воды, искусственно контаминированной штаммом бактерии В. зиЬйНв и почвенными зелёными микроводорослями С111атус1отопас1а1е5, СЫогососса1ез, иШпсЬа/ез, ОезтМю/ез, а также нативной озёрной воды).
Полученные результаты подтверждают высокую эффективность данного метода и, соответственно, целесообразность использования ЗГУ в схемах замкнутого цикла водопотребления и водоотведения, утилизации отходов, производства почвогрунтов для культивирования растений в жилых кластерах КИО «Орбита».
Дальнейшие исследования будут направлены на увеличение эффективности работы ЗГУ и улучшение её конструктивных элементов, а также на решение вопроса создания полного цикла водопотребления и водоотведения в условиях ЗКД.
Список основных источников
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / А.Э. Юницкий. - Гомель: Инфотрибо, 1995. - 557 е.: ил.
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.
3. Юницкий, А.З. Почва и почвенные микроорганизмы в биосфере ЭкоКосмоДома /А.Э. Юницкий, ЕА Соловьёва, Н.С. Зыль // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II между нар. науч,-техн. конф, Марьина Горка, 21 июня2019 г./ООО «Астро-инженерные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. -Минск: Парадокс, 2019. - С. 179-185.
4. Юницкий, А.Э. Создание математической модели общепланетарного транспортного средства: разгон маховиков, прохождение атмосферы, выход на орбиту/ А.Э. Юницкий РА. Шаршов, А.А. Абакумов//Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / ООО «Астроинженерные технологии»;
под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. -С. 77-83.
5. Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы III междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 12 сент. 2020 г. / ООО «Астроин-женерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2021. -516 с.
6. Юницкий, А.Э. Инженер: автобиография / Анатолий Юницкий. - Минск: Белпринт, 2021. - 400 е.: ил.
I. Unitsky, A. System Foundations of Non-Rocket Near Space Industrialization: Problems, Ideas, Projects / ed. A. Unitsky. - Minsk: Gradient, 2021. - 568 p.
8. Современные системы жизнеобеспечения корабля [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://sovkos. ru/cosmicheskie-apparaty/sovremennye-sistemy-zhizne-obespecheniya-korablya.html. - Дата доступа: 11.06.2023.
9. Под куполом: история развития замкнутых экосистем -от разработок СССР до современного Китая [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://vc.ru/future/ 50469-pod-kupolom-istoriya-razvitiya-zamknutyh-eko-sistem-ot-razrabotok-sssr-do-sovremennogo-kitaya. -Дата доступа: 10.06.2023.
10. Растения в космосе. Что и как выращивают на МКС [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https:// aogarden.ru/news/rasteniya-v-kosmose-chto-vyra-shchivayut-na-mks/. - Дата доступа: 11.06.2023.
II. История искусственных биосфер: зачем нужна космическая теплица [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://theoryandpractice.ru/posts/7613-biosphere. -Дата доступа: 15.06.2023.
12. Космическая солнечная энергетика и перспективы развития альтернативной энергетики на орбите [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://maxpolyakov. com/ru/kosmicheskaya-solnechnaya-energetika-kak-vid-alternativnogo-istochnika-energii/. - Дата доступа: 15.06.2023.
13. Юткин, Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности /П.А. Юткин. - Л.: Машиностроение, 1986. - 253 с.
14. Перспективные составы и способы производства лёгких почвогрунтов для ЭкоКосмоДома /А.Э. Юницкий [и др.]//Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы V междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 23-24 сент. 2022 г. /
ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2023. - С. 250-261.
15. Разработка состава почвогрунта для замкнутой экосистемы в космическом пространстве /А.Э. Юницкий [и др.]//Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы III междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 12 сент. 2020 г. / ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2021. - С. 412-423.
16. Юницкий, А.Э. Использование кровель зданий различного назначения под размещение оранжерей: особенности и оптимальные решения /А.Э. Юницкий, М.М. Давыдик, Н.С. Зыль // Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы V междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 23-24 сент. 2022 г. / ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2023. - С. 136-151.
17. Головко, А.И. Перспективы использования электрических методов для очистки жидких органических отходов животноводства / А.Н. Головко, А.М. Бондарен ко // Вестник аграрной науки Дона. - 2018. - № 1 [41]. -С. 52-57.
18. Escherichia Coli Disinfection by Electrohydraulic Discharges/W.K. Ching [et alj// Environmental Science & Technology. - 2021. - Vol. 35 [20]. - P 4139-4144.
19. Руководство по аквакультуре в установках замкнутого водоснабжения [Электронный ресурс] - Режим доступа: h ttp://aquacultura. org/upload/files/pdf/library-5.pdf. - Дата доступа: 15.06.2023.
20. Экологический справочник для рыбоводной промышленности Северо-Запада России [Электронный ресурс] -Режим доступа: https://barenzevo.arktikfish.com/akva-kultura-barentseva-morya/ekologicheskij/6-2-tekhno-logicheskie-metody. - Дата доступа: 15.06.2023.
21. 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.
22. Мусенко, A.A. Проведение исследований по влиянию ЭГ обработанной воды на рост и развитие растений / A.A. Мусенко, A.A. Белов // Вестник аграрной науки Дона. - 2020. - № 3 [51]. - С. 54-60.
23. Топливо твёрдое. Ситовый метод определения гранулометрического состава: ГОСТ 2095-82 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://internet-law.ru/gosts/ gost/29876/. - Дата доступа: 15.06.2025.
24. Плодородие и физико-химические показатели «космических» почвогрунтов для ЭкоКосмоДома /А.Э. Юницкий [и др.]// Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы IV между-нар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 18сент. 2021 г./ ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2022. - С. 515-528.
25. Применение электрогидравлического эффекта для обеззараживания сточных вод в условиях проживания людей в космосе/А.Э Юницкий [и др.]//Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы \/междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 25-24 сент. 2022г./ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2025. -С. 152-161.
26. Белов, A.A. Разработка лабораторной электрогидравлической установки для обеззараживания воды / A.A. Белов// Электротехнологии и электрооборудование в АПК -2020. - Т. 61 №2 [59].- С. 5-1
27. Проведение эксперимента по обеззараживанию воды обработкой высоковольтными разрядами / A.A. Белов [и др.]//Вестник НГИЭИ. - 2019. - №8 [99]. - С. 54-45.
28. Концевая, И.И. Микробиология: физиологические группы бактерий: практ. рук. / И.И. Концевая. - Чернигов: Десна Полиграф, 2017. - 40 с.
29. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: СанПиН 10-124 РБ 99. - Введ. 01.01.2000. - Минск: Госстандарт: Белорус, гос. ин-т стандартизации и сертификации, 2000. - 112 с.
30. Долина, 77. Ф. Очистка сточных вод в условиях космоса / Л.Ф. Долина, Ю.А. Ждан, ДА. Долина//Наука та прогрес транспорту. - 2020. - №2(86]. - С. 7-15.
31. Новая система очистки воды будет работать не только на МКС, но и на Луне [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://hightech.fm/2021/05/02/new-brine-processor?is_ajax=l. - Дата доступа: 15.06.2025.
32. Elements of Circular Technologies in Aquaculture on the Waters of Energy Facilities [Electronic resource]/M. Kalaida
[etal.]. - Mode of access: https://www.researchgate.net/ publication/55524199LEIements_of_circular_technologies_ ¡n_aquaculture_on_the_waters_of_energy_facilities. - Date of access: 15.06.2025.
33. Совершенствование биотехнологии выращивания сомов [Siluroidea] - Silurus glanis L., Ciarías gariepinus, Panga-sius sutchi на водах объектов энергетики/МЛ Калайда [и др.] // Актуальные вопросы сельскохозяйственной биологии. - 2021. - №2(20]. - С. 59-51.
34. Пиганов, Е.С. Искусственное воспроизводство африканского клариевого сома на базе кафедры «Водные биоресурсы и аквакультура» [Электронный ресурс] / Е.С. Пиганов, М.Ф. Хамитова, М.Л. Калайда. - Режим доступа: h ttps://www. el ib гагу. ru/download/elibrary_ 45986244_86910856.pdf. - Дата доступа: 15.06.2025.
35. Вода и жизнь на Марсе [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_ 25244541_92556455.pdf. - Дата доступа: 14.06.2025.
36. Ибрагимова, Г. Д. Аквакультура как перспективная космическая биотехнология [Электронный ресурс] / Г.Д Ибрагимова // Тинчуринские чтения - 2022 «Энергетика и цифровая трансформация»: междунар. мо-лодёж. науч. конф., Казань, 27-29 апр. 2022 г.: эл. сб. ст.: в 5 т. - Т. 2. - Режим доступа: httpsy/www.elibrary. ru/download/elibrary_49190552_15822427.pdf. - Дата доступа: 11.06.2025.
37. Обеззараживание вод в установках замкнутого водоснабжения [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://xn-80aaheadwcbnhcvmjd5ae6a0t.xn-p1ai/tech/ voda/obez. - Дата доступа: 12.06.2025.
