В Курчатовском институте разработали фотобиореактор, который может стать частью системы жизнеобеспечения длительных космических экспедиций. Результаты работы исследователей опубликованы в очередном номере журнала Nanobiotechnology Reports.
Для продолжительных космических полетов и освоения других планет нужны системы жизнеобеспечения с замкнутым циклом, которые могли бы заменить регулярные поставки ресурсов (кислорода, воды и пищи) с Земли. Идея автономной системы, основанной на воссоздании круговорота элементов земной биосферы, появилась почти вместе с самой космонавтикой.
Одним из элементов такой системы вполне может стать фотобиореактор — устройство для выращивания фототрофных микроорганизмов, например зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris. Эта одноклеточная водоросль поглощает углекислый газ и производит кислород в процессе фотосинтеза. В автономной системе она "работает" эффективнее высших растений: у них в выработке кислорода участвуют только листья, а у Chlorella — каждая клетка. А кроме того, биомасса этой водоросли — ценный возобновляемый пищевой ресурс.
Сегодня в исследовательских лабораториях мира создают и тестируют разные типы фотобиореакторов для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. В Курчатовском институте разработали тонкослойный трубчатый фотобиореактор с оптоволоконной системой освещения. "Уникальная конструкция установки позволяет полностью освещать весь слой культуры, обеспечивая светом каждую клетку даже при высоких концентрациях биомассы на поздних стадиях роста. Кроме того, она обеспечивает интенсивное перемешивание, даже в условиях невесомости. Тем самым повышается скорость роста микроводоросли. Также не стоит забывать и о чисто практическом удобстве применения фотобиореакторов подобной конструкции: трубкам можно придавать практически любую форму — это предоставляет большую гибкость при установке", — рассказал Даниил Сухинов, лаборант-исследователь отдела прикладной биоэнергетики Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий.
Ученые позаботились также об энергоэффективности установки, поскольку в условиях космической миссии электроэнергия — дефицитный ресурс. В качестве источника света исследователи использовали в том числе светодиоды красного и синего цвета свечения. Это существенно повышает эффективность освещения: спектр поглощения клеток Chlorella содержит два максимума — именно в синей и красной областях видимого света.
Результаты культивирования микроводоросли в созданной установке оказались впечатляющими. Скорость роста Chlorella в ней значительно превысила контрольный образец, а количество биомассы, полученной благодаря новому фотобиореактору, по окончании эксперимента оказалось выше в 4 раза.
Ученые рассчитали объем культуры микроводорослей, необходимый для поддержания штатной работы системы жизнеобеспечения в автономном режиме. "Человек в среднем потребляет 816 грамм кислорода в день. Таким образом, для обеспечения команды из восьми человек с помощью подобного фотобиореактора потребуется примерно 62 километра трубки и 35 километров оптоволокна. Как организовать такую установку в пространстве — это уже следующая, инженерная задача. Учитывая полученные результаты, в том числе данные биохимического анализа биомассы, мы считаем нашу установку перспективной основой для создания замкнутой системы жизнеобеспечения для пилотируемых космических аппаратов или поселения на поверхности другой планеты или спутника", — комментирует Даниил Сухинов.
По словам авторов исследования, впоследствии установку было бы целесообразно протестировать в большем масштабе, а также в условиях космического полета (например, на Международной космической станции).
