Наукоёмкая теплица для опробования технологий выращивания растений в Антарктиде

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 3(9) 2016

Сценарий культивации свежих продуктов в отдалённых местах не притянут за уши. Кроме того, любое длительное человеческое присутствие в космосе потребует разработки новых технологий для поддержания экологического контроля, управления отходами, обеспечения водой, кислородом и продуктами питания, чтобы обеспечить жизнеспособность и психологическую поддержку членов экипажа.

Биорегенеративные системы жизнеобеспечения, в частности выращивание высших растений, в этом отношении имеют преимущество благодаря возможности своего применения не только для производства продуктов питания, но и для снижения уровня углекислого газа, производства кислорода, рециркуляции воды и утилизации отходов. Свежие культуры будут приносить пользу для здоровья с физиологической точки зрения и способствовать психологически здоровому образу жизни экипажей долговременных космических полётов. Одно из таких начинаний в настоящее время проходит стадию реализации в рамках немецкого проекта EDEN МКС.

Консорциум EDEN МКС будет разрабатывать и тестировать принципиально важные технологии выращивания сельскохозяйственных культур или животных в контролируемых условиях (CEA), с использованием устройства возделывания культур в системе международной унифицированной стойки для размещения полезной нагрузки (ISPR) для предполагаемого тестирования на борту Международной космической станции (МКС). Кроме того, теплица для будущего освоения космического пространства (FEG) разработана с учётом перспективы внедрения в планетарные биорегенеративные системы жизнеобеспечения.

Испытания технологии пройдут в лабораторных условиях, в том числе в высшей степени изолированной антарктической станции Ноймайер III, работой которой заведует Институт Альфреда Вегенера. Совокупная система, называемая подвижный опытный комплекс (MTF) EDEN МКС, будет построена с целью обеспечить реальное соотношение массового расхода для демонстратора ISPR и FEG. Помимо разработки технологии и контроля готовности, планируется разработка процедур пищевой безопасности и обслуживания установки. Они представляют важные аспекты взаимодействия экипажа и растений в условиях замкнутой окружающей среды.

Проект EDEN МКС является проектом Европейского Союза Horizon 2020 стоимостью 4,5 миллиона евро (справочный номер 636501) при содействии подпрограммы COMPET-07-2014 – освоение космического пространства – системы жизнеобеспечения. Официальный запуск проекта состоялся в марте 2015 года и будет продолжаться до завершения годичной антарктической фазы развёртывания, в рамках которой будет смонтирована система EDEN ISS и эксплуатироваться в непосредственной близости от антарктической станции Ноймайер III. Консорциум EDEN МКС состоит из ведущих европейских экспертов (помимо Канады) в области пилотируемых полётов в космическое пространство и CEA. Недавно к консорциуму также присоединился партнёр из США. Научно-консультативный совет EDEN МКС состоит из ведущих учёных в области СЕА из России, США, Японии, Италии и Германии.

Цели

Консорциум EDEN МКС выделяет шесть целевых направлений в связи с необходимостью отработки основных технологий для космических оранжерей в среде, соответствующей условиям космического полёта и показательными массовыми потоками:

1.   Изготовление космического аналога подвижного опытного комплекса.

2.   Интеграция и испытания устройства возделывания культур в системе международной унифицированной стойки для размещения полезной нагрузки (ISPR) в рамках будущего тестирования на борту Международной космической станции (МКС) и теплицы в перспективе освоения космического пространства для планетарных сред обитания.

3.   Адаптация, интеграция, доводка и демонстрация основных технологий

4.   Разработка и демонстрация методов эксплуатации и процессов для выращивания высших растений с целью обеспечения безопасными и высококачественными продуктами питания.

5.   Изучение поведения микроорганизмов и разработка мер противодействия в камерах выращивания растений.

6.   Активное совершенствование знаний, связанных с пилотируемыми космическими полётами и трансформация результатов исследований в наземные приложения.

Готовность технологии и продвижение оперативных процедур, в первую очередь, ориентированы на устройство для демонстрации системы роста растений на МКС, системы доставки питательных элементов, светодиодные системы освещения, системы обнаружения биологических веществ и очистки от загрязнений, качество продуктов питания и процедуры обеспечения безопасности для безопасного производства пищевых продуктов.

Описание конструкции

Подвижный опытный комплекс (MTF) EDEN МКС разрабатывается для обеспечения свежими продуктами экипажа во время зимовки на антарктической станции Ноймайер III, вместе с тем одновременно, чтобы усовершенствовать ряд ключевых технологий для выращивания растений во время космического полёта. Между тем MTF послужит в качестве инструмента для разработки оперативных процедур и выбора научных направлений, связанных с дистанционным растениеводством. Комплекс MTF состоит из двух 20-футовых высоких кубических контейнеров, которые будут размещены на верхней части внешней платформы, расположенной примерно в 400 метрах южнее станции Ноймайер III.

Фактически комплекс MTF можно разделить на три отдельные секции:

• Холодный крытый вход / воздушный шлюз: небольшое помещение для хранения и небольшая воздушная подушка, чтобы ограничить проникновение холодного воздуха, когда используется главная дверь доступа к объекту.
• Служебный отсек секции: включает первичный контроль, управление воздушными потоками, тепловизионный контроль, системы доставки питательных веществ в MTF, а также полное устройство для демонстрации роста растений в системе международной унифицированной стойки для размещения полезной нагрузки (ISPR).
• Теплица в перспективе освоения космического пространства (FEG): основная зона выращивания растений комплекса (MTF), включая многоуровневые стеллажи для выращивания растений, функционирующие в прецизионно-контролируемой окружающей среде.

В служебном отсеке находится большинство компонентов подсистемы комплекса MTF, а также система выращивания растений ISPR. Кроме того, в служебном отсеке есть рабочее пространство для экипажа, там будут располагаться кабельные и трубопроводные интерфейсы к внешней стороне комплекса MTF. Северные и южные стены служебного отсека используются для размещения подсистем и другого оборудования. Широкий коридор, примерно в один метр, проходит вдоль по центру служебного отсека.

Северная часть служебного отсека с мониторами, верстаками, хранением инструмента и раковиной отводится для деятельности экипажа. Кроме того, в этой части располагаются компьютеры для команды и для обработки данных и шкаф управления генерированием и распределением мощности. Большое окно, приблизительно 1600 х 600 мм, располагается над фиксированным верстаком и обеспечивает обзорный вид на станцию Ноймайер III. Верстак возле холодного крытого входа монтируется на стену, его можно свернуть в направлении стены, чтобы увеличить пространство, доступное для эксплуатации и поддержания системы выращивания растений ISPR. Под рабочими скамейками экипаж имеет возможность разместить резервуары для отходов и временного хранения расходных материалов или запасных частей.

Основные задачи демонстрации системы выращивания растений ISPR и на базе лаборатории, и в Антарктиде заключаются в продвижении уровня готовности технологий обеспечения роста растений, а также для подтверждения выбранной архитектуры и планируемой логистики в рамках запланированного на ближайшее время эксперимента на МКС. Объект представляет собой концепцию приращений в отношении текущих и прошлых возможностей космического полёта, в основном со следующей точки зрения:

• более высокая доступная поверхность для выращивания растений (0.5-1.0 m² в диапазоне);
• более продолжительный производственный цикл за счёт полного перемешивания раствора питательных веществ и циркуляции (и не только поливки субстрата с медленным высвобождением удобрений);
• надёжное, безопасное производство высококачественных продуктов питания (в качестве следующего шага к великим достижениям НАСА в существующей системе Veggie, то есть увеличение функциональных возможностей управления и контроля загрязнения микроорганизмами).

Для реализации запланированной программы эксплуатации на МКС система разрабатывается как полезная нагрузка European Drawer Rack (EDR) II. EDR II является выдвижной стойкой, способный вместить до трёх экспериментальных закладных (EIs). Система выращивания растений ISPR EDEN МКС будет модульного типа, способной функционировать либо:

• в качестве единой закладной (EI), четверти стойки, чтобы проверить критические мкг (µg) чувствительных подсистем – ключевые компоненты системы доставки питательных элементов;
• в качестве единой закладной (EI), половины стойки, чтобы испытать полную систему с одной камерой роста – пошаговые сложности;
• в качестве множественных закладных (EI), трёх четвертей или полной стойки в количестве до трёх – автономно управляемые камеры роста.

Этот рисунок представляет собой изображение исходной компьютерной (CAD) модели системы выращивания растений ISPR EDEN МКС, точно спроектированной в качестве прототипа полезной нагрузки EDR II для выращивания растений на МКС. Нижняя часть стойки предназначена для интерфейсов (питание, данные и охлаждающая вода) с комплексом MTF. Выше этого отделения располагаются интерфейсы между стойкой и объектом выращивания растений, точно так, как интерфейсные панели для закладных (EI) EDR II. В центральной части системы размещаются следующие выдвижные секции полезной нагрузки:

• модуль питания, управления и обработки данных;
• модуль хранения и распределения питательных элементов;
• модули камер роста (один для низкорослых растений, один для высоких растений), включая системы управления воздушным потоком для каждой камеры, модули для корневой системы и зоны проращивания;
• модули подсветки (один для каждой камеры роста, включая оборудование для формирования изображений).

В верхней части стойки находится панель для ручного контроля и управления некоторыми из ключевых функциональных параметров вместе с выдвижным ящиком для хранения.

В конструкцию опытной теплицы (FEG) включены восемь многоуровневых стоек роста, которые будут использоваться для выращивания культур, выбранных для проекта EDEN МКС. Каждая стойка будет иметь два лотка роста на уровень, вплоть до максимума – восемь лотков роста на стойку. В общей сложности одновременно 40 лотков роста будут размещены в FEG.

Для выращивания в FEG отобрано несколько видов растений. Среди них три высоких сельскохозяйственных культуры: помидоры, огурцы и перец. Кроме того, были выбраны три вида салата, шпинат и мангольд. Множество трав (например, базилик, петрушка, укроп) будут дополнять рацион экипажа. Саженцы клубники также возьмут в Антарктиду, чтобы получить плоды внутри FEG. Земляника, как известно, обладает высокими психологическими преимуществами для изолированных экипажей, кроме того, она содержит ряд ценных питательных веществ.

Статус проекта

Предварительный проект подвижного опытного комплекса (MTF) EDEN МКС был документально оформлен в результате двухнедельного  комплексного проектирования и исследований, проведённых в сотрудничестве со всеми партнёрами проекта в сентябре 2015 года. В марте 2016 года завершился критический обзор проектных решений EDEN МКС. В настоящее время проект вступил в стадию разработки аппаратного обеспечения и фазу тестирования.

Начиная с конца 2016 года, начнётся интеграция подсистем проекта в MTF, затем последует продолжительная кампания комплексных испытаний в немецком аэрокосмическом центре (DLR) в Бремене, Германия. Объект перевезут в Антарктиду на грузовом морском судне в непосредственную близость от станции Ноймайер III, где будет эксплуатироваться в течение 12 месяцев.

Несмотря на то, что члены команды станции Ноймайер III во время зимовки будут работать на объекте, в то же время значительное внимание будет уделяться удалённому мониторингу и операциям. Подробные научные исследования будут проводиться в течение всей экспедиции, и многочисленные образцы вернутся в европейские лаборатории после завершения антарктической кампании.

Авторы материала:

Пол Цабель является членом команды зимовки EDEN МКС, научный сотрудник и кандидат на присуждение степени доктора философии в Германском аэрокосмическом центре (DLR).

Дэниел Шуберт – руководитель проекта EDEN МКС и руководитель рабочей группы в Германском аэрокосмическом центре (DLR).

Д-р Мэтью Бамси является системным инженером проекта EDEN МКС и научным сотрудником Германского аэрокосмического центра (DLR).

Корнад Зейдлер является научным сотрудником Германского аэрокосмического центра (DLR).

Винсент Вреккинг является научным сотрудником Германского аэрокосмического центра (DLR).

Джиорджио Боскери – инженер проекта усовершенствованной системы жизнеобеспечения в Thales Alenia Space Italia в отделении жизнеобеспечения и среды обитания.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Hi-tech greenhouse to test plant cultivation technologies in Antarctica
 журнал ROOM №3 (9) 2016