«Планктонные инкубаторы», вместо «Космических плантаций»

Восполнение запасов пищевых продуктов одна из основных проблем пилотируемых экспедиций к другим планетам, предполагаемым в ближайшем будущем. Большие запасы продуктов создают дополнительный вес, их регенерация методом прямого химического синтеза невозможна. В перспективе проблему возобновления пищевых ресурсов предполагается решать, выращивая растения на специальных модулях – «Космических плантациях» но они имеют большую массу и низкую производительность. Задача снижения массы и габаритов, может быть решена заменой фотосинтеза растений, «Хемосинтезом» бактерий, растущих на химической питательной среде. В отличие от массивных плантаций биохимические инкубаторы легкие и компактные устройства, которые можно разместить в обитаемых модулях.
Новый метод получения пищевых продуктов может упростить задачу освоения космоса и дать начало новым направлениям пищевой индустрии на земле.

Обеспечение жизнедеятельности экипажей во враждебной для человека среде космического пространства, одно из главных условий осуществления пилотируемых полетов.
Современные системы жизнеобеспечения могут поддерживать нужную температуру и состав воздуха в обитаемых модулях, восстанавливая необходимый для дыхания кислород из воды. На околоземных пилотируемых станциях углекислый газ и высушенные отходы жизнедеятельности экипажей сбрасывают в космос, в этот их большой недостаток, так как расходуемые материалы нужно постоянно пополнять с земли. Возможности современных технологий позволяют создать системы жизнеобеспечения с полностью замкнутым циклом использования воды, кислорода и органических веществ. Теоретически такие системы могли бы работать, совершенно не нуждаясь в доставке расходных материалов с земли, но камнем преткновения к их созданию служит практическая невозможность синтезировать пищевые продукты на борту станций, с той же легкостью, с которой можно возобновлять кислород и воду.
В современных станциях используются в основном «Сублимированные» — высушенные в вакууме продукты, разбавляемые на борту водой, которая используется многократно. Питание экипажей сублимированными продуктами позволяют до минимума сократить их потребление в пересчете на вес. Для сравнения человек в сутки потребляет несколько литров воды, 1200 грамм кислорода и около 600, грамм сублимированных продуктов. Сублимированные продукты и циклическое использование воды, позволяют снизить расходование ресурсов СЖО, но не позволяет отказаться от него вообще.
Для околоземных орбитальных станций зависимость от снабжения не принципиальная проблема, земля рядом, продукты и другие материалы всегда можно доставить очередным грузовиком. Но в будущем, когда начнутся пилотируемые полеты на другие планеты и строительство обитаемых баз на них, космические перелеты и вахты будут длиться годами, снабжение с земли будет сильно затруднено. В таких условиях понадобятся системы жизнеобеспечения с полностью замкнутым циклом всех биогенных веществ, способные длительное время работать автономно и независящие от снабжения.

Самым простым решением проблемы регенерации пищевых продуктов в замкнутых системах был бы их прямой химический синтез, но это технически невозможно, химические компоненты пищевых продуктов слишком сложны для синтеза.

Сейчас в качестве перспективной концепции автономного возобновления пищевых ресурсов принята концепция биологического воспроизводства, за счет фотосинтеза. Выращиваемые на борту растения должны поглощать углекислый газ и производить питательные продукты, осуществляя цикл подобный естественному круговороту веществ в биосфере. Но большим недостатком растений является их низкая продуктивность относительно поглощаемой световой энергии и низкая скорость роста, что ведет к необходимости отведения больших площадей под «Космические посевы». Выращивать растения предполагается в специализированных модулях – «Космических плантациях» или «Оранжереях». Вес таких оранжерей сравним с весом обитаемых модулей для обеспечения, которых они предназначены.
Массивные космические оранжереи плохо стыкуются со стремлением максимального снижения веса для космических аппаратов, вызванного дороговизной космического транспорта. Для межпланетных полетов эта проблема усугубляется еще и действием радиации, от которой не защищает магнитосфера земли, что требует создания специальных экранов, тоже массивных. Экранирование радиации предельно обостряет дефицит жизненного пространства для межпланетных кораблей.

Выращивание растений в космосе достаточно проблематично из-за жесткого габаритно массового дефицита, но фотосинтез, не единственно возможный способ биологического воспроизводства пищевых ресурсов. Для этой цели может быть использован так называемый – «Хемосинтез», поглощение химических веществ с использованием их энергии для роста, который могут осуществлять некоторые бактерии. В качестве питательного субстрата может использоваться водород. Водород может легко возобновляться системами жизнеобеспечения методом электролиза воды, он не токсичен, не вызывает коррозии, может быть горючим и взрывоопасным в присутствии кислорода, но в водной среде вероятность его воспламенения минимальна.
Водородом питаются так называемые – «Водородные бактерии». В отличие от растений микроорганизмы имеют феноменально высокую биологическую продуктивность и достаточно высокий КПД превращения исходного химического сырья в биомассу, сравнимый с «Автотрофными» организмами, питающимися органическими веществами.
Биомасса бактерий непригодна в пищу для людей, но она может служить первым звеном в простой пищевой цепи, субстратом для культивации быстрорастущих животных, «Планктонных рачков», которые могут служить полноценной основой рациона для людей. Выращивание бактерий и рачков может быть объединено в устройстве служащим для производства «Креветочной пасты» — основного продукта экипажа, который может дать хемосинтез.
Высокая скорость роста культивируемых организмов, бактерии удваивают свою биомассу за несколько часов, рачки за несколько дней, позволяет выращивать их в малом объеме. В отличие от космических оранжерей, занимающих отдельные модули, «Пищевые инкубаторы» для выращивания рачков, могут свободно размещаться в обитаемых модулях.

Такой метод имеет природную аналогию, глубоководные микро экосистемы продуцентами биомассы в которых служат бактерии питающиеся сероводородом. Сероводород выделяют подводные гейзеры, так называемые — «Черные курильщики»
Кроме того в модулях можно разместить «Микрофермы» для выращивания быстрорастущих животных на креветочной пасте и «Микроплантации», в которых будет расти быстрорастущая зелень, играющая роль не основы рациона а витаминной добавки.
Приблизительный объем «Планктонных инкубаторов» будет в пределах нескольких кубометров, вес в пределах тонны, объем микроферм и микроплантаций тоже будет умеренным, в сумме около нескольких кубометров, вес еще меньше, так как для них не нужна жидкая питательная среда.
Таким образом, на основе хемосинтеза можно обеспечить замкнутый цикл возобновления пищевых продуктов, из нескольких источников дающих в сумме полноценный пищевой рацион. Компактность и легкость планктонных инкубаторов и сопутствующих устройств, позволяет размещать их внутри обитаемых модулей, как составной элемент систем жизнеобеспечения, без ощутимого ущерба для внутреннего обитаемого пространства.
Концепция возобновления пищевых продуктов на основе хемосинтеза и простых пищевых цепей, в космосе позволяет создать полностью автономные системы жизнеобеспечения способные разместиться в стандартных модулях. Что уменьшит затраты на снабжение космических станций, упростит задачу полетов к другим планетам и создания первых обитаемых инопланетных баз.

На земле этот принцип может лечь в основу новых направлений промышленного производства пищевых продуктов и фермерского хозяйства.
Используя бактерий питающихся метаном, в качестве первого звена пищевой цепи, можно культивировать рачков или креветок в промышленных масштабах, получая дешевые белковые продукты. Креветочную пасту, которая может служить недорогим и качественным пищевым продуктом и белковые концентраты, которые можно использовать как корм для животных.
Используя принцип пищевых цепей и сухую растительную биомассу в качестве субстрата, можно получать продукты более привычные для традиционного фермерства. За счет комплекса из технологий культивации грибов и последующей на том же субстрате культивации дождевых червей, служащих в свою очередь кормом для птиц, можно с высокой эффективностью использовать сухие растительные остатки, получая три полезных продукта, грибы, птицу и «Биогумус» — качественное органическое удобрение.

Комплексный метод культивации пищевых организмов на основе природного органического субстрата — «Компоста», может повысить производительность традиционного сельского хозяйства. Используя в качестве сырья изобильные побочные растительные продукты, солому, лузгу и  т. п. Давая высокопроизводительный, почти замкнутый цикл, почва, растения, грибы, животные, биогумус, почва, с изъятием только полезных продуктов и практически без отходов.
Используя «Компостную технологию» как основу, можно развивать фермерское хозяйство независимо от традиционной культивации земли, на ресурсах естественного происхождения, тростник, быстрорастущие кустарники, лесной опад, древесные отходы, и т д. Что дает возможность эксплуатации природных ресурсов без уничтожения естественной экосистемы.

Концепция культивации пищевых организмов на химическом субстрате, через пищевые цепи, один из примеров того, как идеи, рождаемые в процессе развития космонавтики, могут вести к качественному развитию технологической среды человечества.

Николай Агапов.
Источник: www.openkosmos.ru/component/k2/item/116-pishevie-inkubatori-dlia-kosmicheskih-ekspidicii.html