Наука и технологии о растениях и микробах как краеугольный камень биорегенеративных систем жизнеобеспечения в космосе

Jul 29, 2023

npj Микрогравитация, том 9, Артикульный номер: 69 (2023) Цитировать эту статью

315 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Долгосрочные миссии по освоению космоса требуют контроля окружающей среды и закрытых систем жизнеобеспечения (LSS), способных производить и перерабатывать ресурсы, удовлетворяя тем самым все основные метаболические потребности человека для выживания в суровых космических условиях, как во время путешествий, так и на орбитальных/планетарных станциях. Это будет становиться все более необходимым по мере того, как миссии будут продвигаться все дальше от Земли, тем самым ограничивая техническую и экономическую осуществимость пополнения запасов ресурсов с Земли. Дальнейшее включение биологических элементов в современные (в основном абиотические) СЖО, ведущие к биорегенеративным СЖП (БЛСС), необходимо для дополнительных решений по восстановлению ресурсов, производству продуктов питания и переработке отходов, а также для обеспечения более самодостаточных миссий. на Луну и Марс. Существует целый набор функций, имеющих решающее значение для поддержания присутствия человека на низкой околоземной орбите (НОО) и успешного расселения на Луне или Марсе, таких как контроль окружающей среды, регенерация воздуха, утилизация отходов, водоснабжение, производство продуктов питания, повышение давления в кабине/среде обитания, радиационная защита. , энергоснабжение, средства транспорта, связи и отдыха. В этой статье мы сосредоточимся на производстве воздуха, воды и продуктов питания, а также на управлении отходами, а также рассмотрим некоторые аспекты радиационной защиты и отдыха. Мы кратко обсуждаем существующие знания, подчеркиваем открытые пробелы и предлагаем возможные будущие эксперименты в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективе для достижения целей пилотируемого исследования космоса, которые также приведут к возможным выгодам на Земле.

Концепция биорегенеративных систем жизнеобеспечения (BLSS), также называемых закрытыми (или контролируемыми) экологическими системами жизнеобеспечения (CELSS), изучалась с начала эры освоения человеком космоса в 1960-х годах1. BLSS с замкнутым и полузамкнутым циклом основан на концепции экологических сетей, в которых несколько уровней трофических связей гарантируют круговорот биомассы в пищевых сетях. Таким образом, BLSS состоит из нескольких взаимосвязанных компартментов, основанных на организмах, отходы которых представляют собой жизненно важные ресурсы для других компартментов (рис. 1). Эти системы состоят из трех основных типов отсеков: биологические «производители» (например, растения, микроводоросли, фотосинтезирующие бактерии), «потребители» (т.е. экипаж) и «переработчики и переработчики» отходов (например, ферментирующие и нитрифицирующие бактерии). За прошедшие годы было предложено несколько альтернативных биологических элементов2. Например, предполагается, что части животных (например, насекомые, рыбы) обеспечивают дополнительные белки3. Несколько крупномасштабных наземных демонстрантов протестировали BLSS с замкнутым контуром с участием людей, такие как БИОС-1, 2, 3 и 3 М в России, Биосфера 2 в США, Закрытый экологический экспериментальный центр (CEEF). в Японии и Лунный дворец 1 в Китае. Другие объекты в Антарктиде протестировали независимые функции BLSS, такие как переработка сточных вод на станции Конкордия или производство продуктов питания на мобильном испытательном стенде EDEN ISS (Международная космическая станция) на станции Ноймайер III. Кроме того, в рамках проекта НАСА по испытаниям системы жизнеобеспечения Луна-Марс, камера выращивания способствовала оживлению воздуха и удовлетворению потребностей экипажа из четырех человек в пище в течение 91 дня4. Другие объекты позволяют использовать аналоговые испытательные отсеки или их части с различными уровнями сложности, такие как MARS500 и SIRIUS в России, HERA и LMLSTP в АО НАСА, Палата по производству биомассы KSC, MDRS в Юте и HI-SEAS на Гавайях, США4, 5,6. Эти наземные демонстраторы использовались для тестирования конкретных технологий для контролируемых камер выращивания, систем производства продуктов питания и управления биологическими отходами. Некоторые из этих испытательных объектов также использовались для оценки воздействия изоляции на изолированные экипажи с точки зрения физиологических и психологических проблем, а также для оценки возможного смягчающего эффекта присутствия растений (например, доступ к свежим продуктам питания, садоводство для выращивания растений). отдых)7,8.