Как прокормить космонавтов, не используя продукты с Земли
Член экипажа установки «БИОС-3» инженер института биофизики Сергей Степанович Алексеев во время работы у пульта управлени
Орбитальные оранжереи
Выращивать растения на космических станциях вполне реально. Об оранжереях на орбите мечтал еще Константин Циолковский. В 70-х годах ученые из Красноярска создали мини-экосистему «БИОС-3», которая позволила производить свеклу, картофель, огурцы и другие овощные культуры в условиях замкнутого цикла. Система не требовала воды и кислорода извне, на 50–80% обеспечивала растения питательными веществами и по задумке должна была прокормить троих колонистов. Похожие замкнутые системы стали появляться и за рубежом: запущенный в 1991-м в США проект «Биосфера-2» поддерживал жизнь 8 человек, сельскохозяйственных животных и растений около года. Планировалось вдвое дольше, но из-за снижения уровня кислорода и других проблем создатели остановили эксперимент. В 2014 году более успешно прошел испытания китайский модуль «Лунный дворец»: трое добровольцев провели в нем 105 дней без видимых проблем.
На симуляциях на Земле экспериментаторы не остановились. В гидропонной установке «Оазис» на станции «Салют-4» в 1974 году Георгий Гречко прорастил 3 из 36 горошин, а через четыре года советские космонавты уже пробовали «орбитальный» урожай лука. На станции «Мир» в 2000-х работала автоматическая оранжерея «Свет», где удалось вырастить несколько видов салата, пшеницу и редис.
Цинния, цветущая в условиях микрогравитации
В 2012 году американские исследователи установили, что микрогравитация на орбите не мешает правильному развитию корня арабидопсиса — модельного растения, которое часто используется для научных экспериментов. В 2015-м астронавты NASA попробовали выращенный на МКС салат латук, а в 2016 году благодаря их работе на станции зацвела цинния. На российской части МКС функционирует установка «Лада-01», где кроме злаков и бобовых также выращивают редис, картофель и перец чили.
Наследницей космических оранжерей, разработанных в России, скоро должна стать полностью автоматическая установка «Витацикл-Т». Растения в ней будут размещаться на цилиндрической поверхности — так каждое потянется к свету, а их верхушки не будут переплетаться и бросать тень друг на друга. В планах, помимо уже доступных на орбите растений, производить в ней капусту, репу, горчицу, морковь, томаты и перец.
Нередко ученые тестируют оборудование для производства еды будущих покорителей космоса и колонистов в самых негостеприимных уголках нашей планеты. Один из примеров — антарктическая теплица EDEN ISS недалеко от немецкой станции «Ноймайер III». Она состоит из технического модуля и места для культивации овощей на аэропонике. Система прошла успешные испытания в 2018 году. За 9,5 месяцев в ней на площади 12,5 кв. м. выросли 268 килограммов овощей. Лидерами по урожаю стали огурцы, томаты и зеленый салат. Клубника и перцы там тоже прижились, но урожай был в десятки раз скромнее. Теплица работает и сейчас, но не в постоянном режиме.
Международный проект EDEN ISS ставит эксперименты по выращиванию различных культур в Антарктиде и финансируется ЕС
Экспериментальными антарктическими теплицами занимаются и ученые на станции «Восток». Летом прошлого года им удалось вырастить в этих суровых условиях самые южные в мире арбузы. Плоды 13 сантиметров в диаметре, по словам полярников, на вкус были похожи на астраханские.
«Да будет тьма»
Под таким названием вышла редакционная статья в Science о новом взгляде на космическую агрономию. Человечество давно научилось выращивать урожай в лучах Солнца или при помощи подсветки. Но будущие колонисты и исследователи Вселенной не везде смогут позволить себе такую роскошь. Даже Марс получает вдвое меньше энергии нашей звезды, чем Земля, что уж говорить о глубоком космосе. Инженер-химик Роберт Джинкерсон из Калифорнийского университета придумал способ решить эту проблему, который может пригодится и на нашей планете, например на полюсах во время полярной ночи. При помощи электричества он превращает выдыхаемый космонавтами углекислый газ и воду в простые углеводороды, способные стать питанием для растений.
В начале карьеры Джинкерсон искал новые методы производства топлива, но однажды заметил, что одноклеточные водоросли могут «кормиться» ацетатом и выживать даже без фотосинтеза. Найти простой путь для получения нужного углеводорода для питания растений Джинкерсону помог химик Фэн Цзяо из Университета Делавэра, разрабатывающий топливо. Он научился вырабатывать ацетат высокоэффективным путем, используя воду, углекислый газ и специальные катализаторы, ускоряющие реакцию. Методика Цзяо повысила выход конечного продукта с 30% до 99% — для фотосинтезирующих водорослей этого было достаточно. Как выяснилось позднее, на таком питании могут развиваться и другие растения, и даже грибы.
Но свет нужен растениям не только для питания при помощи фотосинтеза. Благодаря Солнцу побеги на Земле ориентируют направление роста. Оно же помогает им цвести, а фруктам — созревать. Поэтому, хотя проект Джинкерсона и Цзяо, получивший название Nolux («нет света» в переводе с латыни), может производить 8,5 кг грибов в сутки, зелень и овощи в этой технологии выживали, но не развивались и не росли. Успех пришел только после модификации ДНК растений при помощи CRISPR/Cas-9 и других технологий генетического редактирования. Это позволяет листьям терять меньше CO2 во время цикла Кребса и использовать углерод более эффективно.
Вешенки, которые в темноте культивирует группа под руководством Джинкерсона, в 18 раз эффективнее превращают ацетат и неорганику в биомассу, чем если бы они перерабатывали разлагающиеся фотосинтезирующие растения, как в природе
Исследователи ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» начали культивировать грибы другим способом, на растительных отходах (например, листьях и стеблях пшеницы, которые люди не едят). Для этого в одном отсеке биомасса перерабатывается в почву, а в другом, соединенном с первым алюминиевыми трубами, растут сами грибы. Загрузив в систему 86 килограммов отходов, за 66 дней можно получить до 28 килограммов грибов для питания 14 лунных колонистов.
Микроскопические кормильцы Биотехнологии и биоинженерия приходят на помощь будущим исследователям космоса не только когда нужно приспособить растения к новым условиям. С помощью микроорганизмов и различных клеточных культур можно получать полезные белки и другие питательные вещества. Один из вариантов — цианобактерия спирулина, на основе которой давно делают пищевые добавки на Земле. Она использует нитраты или мочевину для роста.
В биомассе спирулины содержится до 70% белка, 15–25% углеводов и 18% незаменимых жирных кислот — и это не считая витаминов и других полезных компонентов. А после генетических изменений одноклеточных можно «научить» более эффективно производить антибиотики, биоматериалы для прицельной доставки лекарств, диагностики болезней и защиты от радиации, а также получать кислород для дыхания космонавтов. Не говоря уже о том, что технология производства мяса «в пробирке» может пригодиться не только зоозащитникам и любителям всего необычного. Разобравшись в особенностях роста клеток в условиях микрогравитации или полной невесомости, ученые могли бы перенести ее на космические станции и корабли.
Микроорганизмы способны перерабатывать отходы в топливо. Так, ученые из Технологического института в штате Джорджия разработали такой механизм специально для Марса. В дело вновь вступают фотосинтезирующие цианобактерии: они превращают выдыхаемый космонавтами CO2 и воду в сахара, которые бактерия Escherichia coli будет трансформировать в биотопливо. Система не только потребляет на 59% меньше энергии и весит на 13% меньше, чем существующие аналоги, но еще и генерирует тонны дополнительного кислорода.
Кроме того, одноклеточные способны очищать воду, получать кислород из выдыхаемого космонавтами углекислого газа, а при помощи химических реакций еще и выделять металлы из марсианских или лунных пород. Все эти технологии уже доступны на Земле.
Два крупных проекта, BLISS (Bioregenerative Life Support Systems) и MATRICES (Manufacturing mATeRIals and proCEsses for Sustainability in space), стараются создать замкнутые и устойчивые системы, чтобы очищать воду, воздух и производить пищу для участников космических миссий. Однако другая цель таких проектов — улучшать жизнь на Земле, где ресурсы тоже ограниченны, а окружающая среда страдает от отходов. Поэтому такие проекты не только вдохновляют покорять новые космические рубежи, но становятся прекрасным аргументом в спорах о том, следует ли финансировать изучение космоса, когда на нашей собственной планете столько проблем.