Катастрофы в природе и обществе - Абрам Фет

С другой стороны, медики настаивали на сохранении в рационе экипажа принятого по медицинским нормам количества животной пищи. Вследствие этого, около 50 – 60% пищи бралось из запасов, и лишь 40 – 50% получалось от растений. Если удастся преодолеть трудности с остатками биомассы, то можно будет поставить эксперименты с вегетарианским питанием, дополненным, как уже было сказано, добавками аминокислот. Таким образом можно будет достигнуть замкнутости по питанию.

Но замкнутость по питанию не обеспечивает замкнутости по дыханию! Расчет дыхания производился по двум газам – СO2 и O2 (молекула кислорода состоит из двух атомов и записывается в виде O2). Если даже люди и растения обмениваются элементами, поочередно возвращая их друг другу, как это следует из предыдущих условий, то они передают друг другу одно и то же число атомов, но не обязательно одно и то же число молекул, построенных из этих атомов. Для растений отношение числа потребляемых молекул СO2 к числу выделяемых молекул O2 называется ассимиляционным коэффициентом; для человека отношение числа выделяемых молекул СO2 к числу потребляемых молекул O2 называется дыхательным коэффициентом. Дыхательный коэффициент человека составляет, в зависимости от питания, 0,83 – 0,86; у растений же ассимиляционный коэффициент может быть различным: например, у пшеницы он составляет 0,92 – 0,94. Ясно, что пшеница и человек не могут находиться в равновесном газообмене. Но у масличных культур ассимиляционный коэффициент ниже, чем у пшеницы, поскольку, как мы видели, при синтезе жиров на молекулу СO2 выделяется в полтора раза больше молекул кислорода, чем при синтезе углеводов, главным образом производимом пшеницей. Оказывается, существуют масличные культуры с коэффициентом ассимиляции меньше дыхательного коэффициента человека. Поэтому можно, присоединив к пшенице и овощам в надлежащих пропорциях масличную культуру, сделать ассимиляционный коэффициент такой комбинации растений равным дыхательному коэффициенту человека! Это важное условие позволяет человеку жить в замкнутой по дыханию системе с подобранными описанным образом растениями. Насколько нам известно, эта идея была применена только в Красноярске, где использовалось среднеазиатское масличное растение чуфа'. При этом получались также незаменимые для питания человека растительные жиры.

Особую проблему представляли микроорганизмы. Конечно, были приняты меры по устранению болезнетворных микробов, но трудность представляла сложная и плохо изученная микрофлора почвы, в естественных условиях выполняющая функцию разложения органических остатков. Поскольку эта микрофлора не поддавалась расчету, решено было вовсе устранить почву, выращивая растения гидропонным способом (в воде). Предполагалось, что в системе останутся лишь "постоянные спутники человека" – микроорганизмы, обычно живущие в его организме и выполняющие некоторые важные функции; их распространение вне организма не считалось опасным, и, как обнаружилось, при расчетах ими можно было пренебречь. Оставалась также микрофлора растений, которой также пренебрегали при расчетах. Таким образом, расчет газового обмена можно было проводить с небольшим числом хорошо изученных видов. Заметим еще, что в космических условиях важна экономия массы, также достигаемая отказом от почвы.

Для упрощения системы было выбрано всего несколько видов: пшеница, масличная культура чуфа (необходимость в жирах была уже объяснена выше!) и овощи. Все использованные растения были специально выведены "для космоса". Важно было, что они не нуждались в "ночном отдыхе"; например, при круглосуточном освещении пшеница давала урожай очень быстро, через два месяца после посева. Разумеется, применялись сильные лампы, поскольку не ставилась задача экономить энергию. Для питания растений применялась "гидроаэропоника", при которой корни растений периодически заливались питательной жидкостью. На одного человека в системе приходилось 14 кв.м. площади растений, что иллюстрирует возможности "компактизации" сельского хозяйства при использовании современных технологий. На все работы по жизнеобеспечению члены экипажа тратили в среднем два часа в сутки, так что у них оставалось достаточно времени для исследовательской работы.

В одном из проектов лунной базы с системой жизнеобеспечения, аналогичной системе "Биос-3", экипаж из двадцати человек обеспечивается компактным растительным звеном в форме цилиндра высотой 2м и диаметром 8м, довольно плотно заполненного растениями; этого будет достаточно для снабжения людей кислородом, растительной пищей и очищенной водой. В системе "Биос-3" не было необходимости детально следить за составом атмосферы, так как система была замкнута по дыханию. Если бы экипаж базы был ориентирован на "вегетарианский" рацион с коррекцией небольшими добавками животных аминокислот, что реально в космических условиях, то баланс питания также соблюдался бы автоматически и не требовал бы расчета, причем на человека понадобилось бы 25 кв.м площади растений (При этом не употребляемые в пищу остатки сжигались бы, или перерабатывались бы, как указано выше).

Для фотосинтеза растений требуется освещение; для полного жизнеобеспечения одного человека нужно около трех киловатт круглосуточной освещенности в соответствующем надобностям растений диапазоне. В среднем космосе такое количество света можно собрать с поверхности около 40 кв.м, а на Земле, где условия освещенности зависят от широты, можно указать ориентировочную величину в 200 кв.м. Для теплоотвода в системе "Биос-3" использовалась холодная речная вода, охлаждавшая снаружи элементы конструкции системы, на внутренней стороне которых конденсировалась вода из атмосферы системы. Как уже говорилось, в космосе проблема теплоотвода была бы сложнее.

Среди многих событий, случившихся в ходе экспериментов, упомянем небольшую "экологическую катастрофу". Сейчас экологи часто обсуждают проблему "озонных дыр": в тонком слое озона, расположенном в верхних слоях атмосферы и охраняющем поверхность Земли от вредного для жизни ультрафиолетового излучения, время от времени возникают прорывы –связанные с образованием вихрей в стратосфере и, возможно. также с техническим загрязнением воздуха. Лампы, использовавшиеся в "Биосе-3", так же как и Солнце, излучали не только видимый свет, но и ультрафиолетовый; вместо озонного слоя этот ультрафиолет экранировался специальными стеклянными оболочками на лампах. Однажды в оболочке одной из ламп возникла трещина (аналог озонной дыры!). В несколько часов ультрафиолет убил часть растений, и в системе начался рост углекислого газа. Испытатели сменили оболочку (закрыли "озонную дыру"), посадили новые растения и стали ждать, что произойдет дальше: выйдут ли растения в фазу активного фотосинтеза, или концентрация углекислого газа поднимется выше допустимой. В конце концов все обошлось: растения успели спасти положение, и через десять дней концентрация углекислого газа стала падать.

Система "Биос-3" была создана в Красноярске в конце шестидесятых годов и в начале семидесятых годов, в рамках советских космических программ; аналогичные установки затем испытывались в Москве, где баланса по атмосфере достичь не удалось, и в Соединенных Штатах, где дыхательный коэффициент растений был больше 0,9 и излишнее количество СO2 поглощалось химически, а поглотитель удалялся. Аналог "Биоса-3" нигде не был осуществлен. В системе "Биос-3" испытатели находились до шести месяцев непрерывно.

Технология проектирования систем жизнеобеспечения для космических миссий должна быть тесно связана с типом миссии и ее длительностью. Например, для лунной базы, рассчитанной на длительное функционирование, вес системы не играет большой роли – часть компонент конструкции может составлять лунный грунт, а поставки оборудования с Земли делаются один раз. При этом желательно снизить ежегодные поставки на базу и, что значительно важнее, снизить вероятность гибели экипажа базы, поскольку космонавтика была и остается опасной профессией. При этом главная опасность связана с риском аварии во время старта и посадки на Земле и на Луне: по нынешней статистике, вероятность катастрофы при каждом старте с последующей посадкой составляет около двух процентов. Поэтому, чтобы по возможности уменьшить риск гибели людей, выгодно отправлять космонавтов на длительные сроки – около трех лет. Слишком затягивать эти сроки тоже опасно, поскольку возрастает усталость и вместе с нею вероятность ошибок. Выгодно устраивать на базе высокий комфорт, чтобы космонавты не так быстро уставали и могли дольше там оставаться.

Характерно, что при оптимизации безопасности требуется разная стратегия на уровне миссии в целом и на уровне отдельного космонавта. Если космонавт находится на базе, он уже не может отменить возвращение на Землю и связанный с этим риск. Находясь на базе, космонавт устает физически и психически, что увеличивает шансы заболеть по возвращении на Землю; следовательно, у него есть индивидуальные причины поскорее вернуться. Тем не менее, космонавта придется задерживать на будущей лунной базе на длительный срок (как и его нынешних коллег на станции "Мир"). Некоторой компенсацией служат престиж и увлекательность космонавтики. Но главную роль играет практическая причина – снижая частоту смены экипажа, тем самым снижают суммарный риск для миссии в целом.