Гидропоника в космосе

Осваивая космические просторы, параллельно человечество решает и вопрос возделывания различных культур в условиях невесомости. На околоземной орбите продолжаются эксперименты по культивированию растений, что обусловлено необходимостью найти постоянный источник витаминов для космонавтов во время долгосрочных автономных полетов, длящихся 2-3 года. 

История растениеводства в космосе

Идея получать свежие культуры на борту МКС впервые была выдвинута К. Э. Циолковским.Цель такого культивирования заключалась в:

Внимание российского ученого привлек тот факт, что представители флоры, являющиеся автотрофами (организмами, использующими энергию света для синтеза биомассы из углекислого газа и воды), и все остальные существа на Земле, выступающие гетеротрофами (потребляющими в пищу выращенную автотрофами биомассу), находятся в симбиозе. Так, растения используют солнечный свет для синтеза биомассы и выделяют кислород. Человек же:

В результате стало ясно, что выращенные вне Земли культуры являются дорогими по нескольким причинам:

1. Кроме углекислого газа и воды при их выращивании требовался ряд других веществ.
2. Культивировать растения в условиях невесомости можно было только при помощи специального оборудования.

Перед научными деятелями стоял острый вопрос — организация роста и развития растений без однонаправленной силы тяжести, существующей на нашей планете. Многие сомневались, что это вообще было возможно. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть эти сомнения, на Земле проводились опыты, которые заключались в выращивании растений в перевернутом виде. Местом проведения испытаний стали следующие установки:

Опыты были направлены на определение:

• параметров гравитационной чувствительности культур;
• возможности переориентировать их на ситуации постоянного вращения и изменения положения.

Как итог, исследователи выяснили, что в таких условиях культуры загибали побеги против направления ускорения свободного падения. 

Впоследствии деятели науки из СССР разработали несколько небольших космических оранжерей. На искусственные спутники Земли были отправлены следующие из них:

Одной из самых сложных оказалась задача обеспечения представителей флоры корневым питанием. Когда человек растит что-либо на Земле традиционным способом или методом гидропоники, в этом ему помогает сила тяжести. Она ориентирует направление, в котором должны расти корни. Гравитационный сток отвечает за обеспечение их питательными веществами. Но он отсутствует в условиях орбитального полета, потому как нет однонаправленной силы тяжести. На начальных этапах эта проблема решалась разными способами:

• использование гелеобразной питательной среды на агаре;
• применение комбинации гидрофобных и гидрофильных нитей.

Задачи, которые нужно решить для организации растениеводства в космосе

Вырастить культуру вне нашей планеты можно, создав для нее систему жизнеобеспечения.Для этого требуется:

Газовый состав

Одна из главных проблем - газовый состав на орбитальных станциях.В практике космического культивирования имел место интересный случай.

На одном космическом аппарате одновременно работали 3 установки, предназначенные для выращивания культур. Они отличались:

• способом подачи воды и питательных веществ;
• температурой;
• светом. 

В один из дней погибли все растения в каждой из трех этих установок. Предполагаемой причиной стали газовые загрязнители в кабине. 

Для прояснения ситуации начались опыты, которые позволили выяснить, что растения в большей степени чем человек чувствительны к токсическому воздействию газовых загрязнителей. В небольшом объеме орбитальной станции содержание некоторых загрязнителей может колебаться. Известно до сотни веществ, попадавших в атмосферу космического судна. 

Кроме этого, растения сами выделяют огромное количество загрязняющих веществ. Ситуация усложняется еще и тем, что они не способны жить без транспирации, под которой понимается испарение воды с поверхности листьев. За счет нее температура листа остается неизменной при изменении температурных показателей окружающей среды. 

Механизм транспирации серьезно меняет газовую среду в условиях замкнутого пространства. 

Свою роль играет и потребность растений в углекислом газе для фотосинтеза. В открытых установках его источником выступает человек. Однако в замкнутых устройствах требуется дополнительный источник CO2. 

Решением задачи газового состава атмосферы космического аппарата вполне становится создание сложных замкнутых оранжерей. 

Чем заменить землю?

Отправлять грунт на борт космического корабля нерационально и невыгодно.Кроме этого, здесь у него проявляются неприятные свойства, незаметные на Земле.

 К примеру, большое количество органики. Там, где она присутствует, есть и микрофлора, а также происходит переработка веществ, сопровождаемая выделением газов. Кроме этого, имеет место изменение капиллярно-пористых свойств. С течением времени эти характеристики изменяются, и система становится нестабильной. 

Также в почве могут оказаться микроорганизмы и вещества, токсичные не только для растений, но и человека. 

Первое время обычная земля в орбитальном пространстве заменялась ионитной почвой. Речь идет о гранульном субстрате, который по своей сути является синтетическими смолами-цеолитами, включающими положительные и отрицательные ионы.

Позже от гранул перешли к почвозаменителям в виде войлока. Материал получали так:

1. Плавили ионообменные смолы.
2. Пропускали их через фильеры.
3. Полученные волокна насыщали удобрениями.
4. Из этих волокон на ткацких станках делали войлок. 

Как наполнять почвозаменитель питательными веществами?

Из любых субстратов, заменяющих землю, со временем уходят полезные элементы.Это подтолкнуло ученых на разработку системы обогащения истощенных субстратов солями минералов.

С этой целью в космических оранжереях устанавливаются обогатительные патроны. Через них при необходимости пропускается вода для полива. Эта необходимость возникает при снижении уровня электропроводности раствора. 

Утилизация и переработка отходов 

Со временем корни выращиваемых культур засоряют субстраты.Поэтому встает вопрос об их утилизации.

Решить вопрос утилизации поможет и ферментер. Установка с анаэробным брожением биомассы растений и отходов человеческой жизнедеятельности превращает их в перегной, из которого выделяется большое количество метана с примесями аммиака и углекислого газа. 

Электроэнергия 

Пока реально отправить в космос только небольшую витаминную оранжерею.Это связано с тем, что на ее работу предоставляется около 0,5 киловатта электроэнергии.

Энергетическая установка, функционирующая на МКС, вырабатывает энергию в объеме, которого достаточно для плановых экспериментов и минимальных нужд экипажа. На то, чтобы выращивать культуры отводится очень мало энергоресурсов.

Рост растений в условиях низкой гравитации

Низкая гравитация - неплохая среда для отдыха или же работы космонавтов.Но для культур она несет исключительно стресс.

В наземной среде представители флоры развиваются под воздействием земного притяжения. Влияние микрогравитации во время космического полета меняют генетику некоторых культур, например, арабидопсиса, ранее выращиваемого на космической станции. Речь не идет о мутации. Скорее уместно говорить о том, что представители флоры изменяют свою ДНК, для того чтобы повлиять на экспрессию генов. При этом процессе ген стимулируется или включается в клетке, чтобы производить РНК или другие белки.  

Возможности организации оранжереи на борту МКС

Организовать оранжерею на борту МКС можно.Для этого необходимо соблюсти ряд условий, чтобы преодолеть следующие факторы:

Какие растения можно выращивать в космосе?

Ученые выяснили, что для длительных космических полетов нужны одни растения.Для коротких же подходят другие.

Есть ранжировка сельскохозяйственных культур, которые пригодны для культивирования вне Земли. Первое место в ней занимают листовые овощи, которые:

• имеют небольшие габариты;
• богаты витаминами из расчета на единицу биомассы;
• отличаются сравнительно коротким сроком вегетации (примерно 24 дня). 

Коэффициент хозяйственной полезности также высок у:

Кроме этого, в космические оранжереи следует внедрить:

Эти растения высокопродуктивны. 

Гидро- и аэропоника в космосе 

Необходимость применять глину или почву для грядок - это недостаток в условиях космоса.Оба материала много весят, а также есть риск, что их частицы попадут в вентиляцию.

Именно поэтому гидропоника и аэропоника, основанная на воде, выступает отличной альтернативой традиционному растениеводству в почве. 

Огород, выращиваемый на жидком питательном растворе, позволяет получить богатый урожай без почвы. В условиях космоса можно организовать гидропонные грядки, на которых корни растений будут всегда находиться в воде. Кроме этого, можно прибегать к методике прилива-отлива и использовать субстраты, удерживающие жидкость и ценные элементы в нужном количестве. 

Аэропоника еще более перспективна в условиях галактического пространства. Она предполагает, что корни растений свободно висят в воздухе. Установленные распылители время от времени обволакивают их туманом из мельчайших капель питательного раствора. В этом случае культуры получают в достаточном объеме и кислород, и питание.  

Антропоника 

Интересный вариант для замкнутых систем жизнеобеспечения.Предполагает, что источником воды и удобрений для гидропонных систем выступают отходы жизнедеятельности человека.

Моча вполне может стать основой азотных удобрений. Ученые уже провели соответствующие опыты на Земле. Однако в условиях космоса перейти на эту технологию непросто. 

Установки и системы выращивания овощей для космоса 

Адаптировать привычное для Земли культивирование садовых и огородных растений к условиям космоса сложно.Поэтому ученые разработали специально предназначенные для этого системы.

С их помощью астронавты могут выращивать свежие и полезные овощи, фрукты и зелень на борту космического корабля во время продолжительных полетов. Основе эти системы описаны ниже. 

Система производства овощей Veggie

Развернутая установка для производства культур салатного типа.За освещение отвечают красные, зеленые и синие светодиоды.

Окружающая среда кабины применяется как источник углекислого газа и с целью контроля температуры. 

В этой системе корни растений находятся в пакетах с субстратом, которые прикреплены к каркасу. Полив производится путем прямого орошения посредством системы капилляров.

Advanced Plant Habitat (APH)

Полностью автоматическая мини-теплица.В ней можно регулировать:

Кроме этого, в Advanced Plant Habitat есть возможность измерять температуру отдельных листьев растений.  

Влияние растений на атмосферу внутри космического аппарата

Прежде всего они обогащают кислородом окружающую среду.Это положительно влияет на атмосферу внутри корабля и состояние космонавтов.

В ходе исследований удалось также выяснить, что выделение растениями кислорода и водяных паров увеличивает количество отрицательных аэроионов в окружающей газовой среде. Они также позитивно воздействуют на человека. 

Заключение

На МКС не только можно, но и нужно сажать растения.Космическая оранжерея будет:

• поглощать CO2;
• вырабатывать кислород;
• выступать источником жидкого ракетного топлива и биогаза;
• улучшать психоэмоциональное и физическое состояние экипажа;
• производить техническую воду и расходную массу для ионного двигателя. 

Интересное видео по теме:

Вопрос-ответ