Скажи что-нибудь по-сибирски: «БИОС-3»

Замкнутая экосистема в подвалах Института физики Сибирского отделения АН СССР


Часто в фильмах можно увидеть, как персонажи обитают в замкнутых экосистемах, где все ресурсы для жизнедеятельности воссоздаются внутри космического корабля или специальной базы. Например, в «Марсианине» Мэтт Деймон пытается выжить на Марсе, выращивая в жилом модуле станции картофель, а для получения воды проводит химическую реакцию, используя ракетное топливо. Или в «Аватаре» Джеймса Кэмерона показывают корабль Venture Star, предназначенный для перемещения между Землей и Пандорой, который оснащен системами фильтрации воды и воздуха, модулем переработки отходов и теплицами.
Наличие такой замкнутой экосистемы — необходимое условие выживания на другой планете, а разработки схожих экосистем проводились и проводятся во многих странах с космическими амбициями. Например, «Биосфера-2» в США, проект Европейского союза MELiSSA, китайский «Лунный дворец» и так далее. Но одним из первых таких проектов был советский «БИОС-3» — экспериментальный комплекс красноярского Института биофизики, ставший основой для многих современных разработок.


После удачной отправки человека в космос в 1961 году начали появляться все более амбициозные и сложные космические проекты. В том же году началась разработка системы «БИОС» — его основателями стали главный конструктор СССР Сергей Королев и Леонид Киренский, создатель и директор Института физики в Красноярске. Они встретились и познакомились как депутаты Верховного Совета СССР, а Киренский предложил свой институт в качестве площадки для экспериментальной программы.

Строительство здания отдела биофизики

Так в отделении биофизики Института физики Сибирского отделения АН СССР в Красноярске начали создание модели замкнутой экосистемы для перспективных лунных и планетных баз. Первая экспериментальная установка «БИОС-1» появилась в 1964 году. Она состояла из двух компонентов: герметичной кабины объемом 12 м3, внутри которой размещался человек, и специального резервуара-культиватора объемом 20 литров для выращивания хлореллы обыкновенной.

В установке ученые провели 7 экспериментов различной длительности, от 12 часов до 45 суток, — результаты показали возможность полностью замкнуть газообмен, то есть обеспечить выработку кислорода и утилизацию углекислого газа микроводорослями. Также через процессы жизнедеятельности хлореллы был налажен водооборот, в процессе которого вода очищалась в количестве, необходимом для питья. Опыты длительностью более 45 суток в «БИОС-1» не удавались из-за того, что по прошествии этого времени рост микроводорослей останавливался.

В 1966 году начались эксперименты в трехзвенной системе «человек — микроводоросли — высшие растения». Для создания такой системы «БИОС-1» модернизировали до «БИОС-2» — к герметичной кабине присоединили фитотрон объемом 8 м3. Фитотрон — это специальное техническое устройство для выращивания в условиях искусственного освещения и микроклимата высших растений — овощей и пшеницы. Высшие растения должны были служить источником пищи для экипажа и обеспечивать рециркуляцию воздуха. Высшие растения тоже давали кислород — это позволяло провести опыты с участием двух испытателей, продолжительностью в 30, 73 и 90 дней. В таком виде проект работал вплоть до 1970 года. В «БИОС-2» удалось достигнуть 85% автономности системы — то есть 85% ресурсов возобновлялись, а 15% — поставлялись извне.

Установка «Кулон», предназначенная для выращивания низших и высших растений в условиях космического полета

В фитотроном зале лаборатории управляемого биосинтеза отрабатывались режимы для культивирования растений для использования в «БИОС-3»

Новая версия проекта, «БИОС-3», начала работу в 1972 году. Герметичное сооружение размером с 4-комнатную квартиру площадью около 140 м2 разместили в подвале Института. Внутри пространство было разделено перегородками со шлюзами на четыре изолированных отсека: две оранжереи для съедобных растений, выращиваемых в фитотронах методом гидропоники (не требующим наличия почвы), отсек для разведения производящей кислород и чистую воду хлореллы и отсек для размещения членов экипажа. В жилом отсеке находились спальные места, кухня и столовая, туалет, пульт управления, приспособления для обработки растительных продуктов и утилизации отходов.

В фитотронах экипаж выращивал специально выведенные карликовые сорта пшеницы, содержащие минимум несъедобной биомассы. Так же разводили овощи: лук, огурцы, редис, капусту, морковь, картофель, свеклу, щавель и укроп. Растения имели укороченные стебли, что позволяло снизить количество отходов. Чуфа (среднеазиатская трава) выращивалась для производства растительного масла. Необходимые белки экипаж получал, употребляя в пищу мясные и рыбные консервы.

Продукты жизнедеятельности обитателей установки подвергались минерализации и частично поступали в культиваторы с хлореллой. Бытовые стоки, образующиеся в ходе мытья и стирки, шли на полив пшеницы и овощей. В качестве питьевой воды использовался конденсат, образующийся в фитотронах и культиваторах. Эта вода предварительно пропускалась через фильтры, содержащие ионообменные смолы и активированный уголь.

Фильм Красноярской киностудии «Эксперимент "БИОС-3"»

Всего «БИОС-3» провели десять опытных заселений. Три из них продолжались по нескольку месяцев. Самый долгий опыт непрерывной полной изоляции экипажа из трех человек продолжался 6 месяцев — с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973 года. Этот эксперимент был более сложным в организации и проводился в три этапа. Каждому этапу соответствовал свой состав исследователей. Внутри установки посменно находились Мария Шиленко, Николай Петров и Николай Бугреев, отработавшие по 4 месяца каждый, а Владислав Терских пробыл в «БИОС-3» все 6 месяцев.

Большую часть времени экипажа «БИОС-3» занимали выращивание съедобных растений, сбор урожая и его обработка, выпечка хлеба и приготовление пищи. Оранжерея «БИОС-3» давала в среднем в сутки 600 грамм зерна и примерно 1100 грамм свежих овощей. Тогда удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95%) по воде. Растительная пища, выращенная внутри системы, в совокупности с белковыми консервами могла полностью обеспечить экипаж.


В 1976 году  начался эксперимент длительностью в четыре месяца, в котором были задействованы двое испытателей — Геннадий Асиньяров и Николай Бугреев. С осени 1983 года по весну 1984 года проводился пятимесячный эксперимент с участием Николая Бугреева и Сергея Алексеева, которым завершилась работа «БИОС». На тот момент 15 месяцев, в совокупности проведенных Бугреевым в замкнутой искусственной среде, были рекордными.

В конце 1980-х программа «БИОС» была заморожена, так как прекратилось государственное финансирование. Для его спасения в 1992 году был создан Международный центр замкнутых экологических систем, проводились совместные работы с Европейским космическим агентством и научными группами отдельных европейских стран. Но добиться выделения средств на модернизацию экспериментального комплекса так и не удалось.

В 2012-2013 годах на базе «БИОС-3» в рамках Международной Европейской программы реализовался проект BIOSMHARS (моделирование биозагрязнения пространств, связанных с космосом), а с 2013 года началось сотрудничество российских ученых с китайскими коллегами, которые в это время начали работы над собственной установкой «Лунный дворец» (Юэгун-1). Сейчас в СМИ периодически появляются обсуждения о возможном возобновлении проекта — в Институте биофизики СО РАН ведутся разработки, которые делают возможным создание системы жизнеобеспечения нового типа с практически полной замкнутостью по всем компонентам: от системы глубокой очистки аммиака и летучих органических соединений до технологий создания грибной фермы.


Борис Ковров за пультом управления биологическими и медицинскими параметрами в установке «БИОС-3»


Экипаж БИОС-3 после завершения эксперимента