Для чего на космическом корабле выращивают зеленые водоросли
Космонавты будут использовать водоросли в качестве пищи и источника кислорода
Во время длительных космических миссий членам экипажей космических кораблей придется самостоятельно выращивать пищу, потому что доставка из Земли будет невозможна. При этом им будет важно разнообразить рацион, поскольку питаться одной картошкой, как персонаж Мэтта Деймона из фильма «Марсианин», вряд ли кто-то захочет. Исследователи из Международной космической станции начали эксперимент, в ходе которого выяснят, смогут ли они выращивать, питаться и получать кислород из водорослей. Кажется, это вполне возможно.
Для выращивания водорослей они будут использовать фотобиореактор, который был доставлен на станцию 6 мая внутри грузового корабля SpaceX Dragon. Считается, что при помощи него космонавты получат не только питательную биомассу, которая может составить 30% рациона будущих космических миссий, но и дополнительный источник чистого кислорода. Для этих целей, кстати, отлично подходят водоросли Chlorella vulgaris, которые и будут выращиваться внутри биологического реактора.
Предполагается, что устройство будет работать совместно с физико-химической системой рециркуляции воздуха и технологией ACLS для переработки углекислого газа в кислород. В основном кислород на МКС добывается путем электролиза доставляемой на грузовых кораблях воды — образующийся водород впоследствии сбрасывается в космическое пространство. Благодаря водорослям и другим технологиям образования кислорода, агенства смогут доставлять на 400 литров меньше воды, или использовать этот объем в других целях.
Если эксперимент пройдет успешно и устройство докажет свою эффективность, технология будет широко применяться при пилотируемых исследованиях Луны и колонизации Марса. Во время этих миссий доставка продуктов из Земли будет невозможна, и дело не только в большом расстоянии, но и в увеличенном объеме груза. Именно поэтому исследователи так активно занимаются созданием замкнутой системы жизнеобеспечения, где доставка пищи и воды попросту не нужна.
Примечательно, что в грузовом корабле SpaceX Dragon также были доставлены материалы для замедления окислительных процессов в клетках космонавтов. Считается, что когда-нибудь они лягут на основу лекарств, устраняющих последствия длительного пребывания в условиях невесомости. Подробнее об этом можно почитать в нашем материале.
Обсудить эту и другие новости науки и технологий можно в нашем Telegram-чате.
Использование водорослей в космосе.
На для питания полноценной пищей космонавты используют другую простейшую водоросль спирулину.
Биомасса спирулины содержит абсолютно все вещества, которые необходимы человеку для нормальной жизнедеятельности.
Всего в состав спирулины входит около 2000 витаминов, минералов, аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот и ферментов.
Белки. Содержание белка в спирулине достигает 70%.Это в десятки, сотни раз превышает наличие белка (легко усвояемого) в мясе.
Усвояемость белка 87%.
Коэффициент усвояемости 95%.
В составе спирулины:
нормализует сон, сердечный ритм, устраняет одышку.
— спирулина содержит фикоцианин, не найденный больше ни в одном продукте!
Спирулина, она необходима в тяжелых и экстремальных состояниях, и условиях.
Витамины, минеральные вещества: важнейшие витамины, практически весь набор необходимых организму человека минеральных веществ находится в спирулине.
Но кроме дыхания и питания водоросли выполняют и другие возложенные на них задачи, такие как изучение биохимических и физиологических реакций в невесомости и неблагоприятных условиях внешней среды. Ведь в невесомости можно проводить такие реакции, которые на Земле невозможны из-за факторов внешней среды, которых в космосе нет.
Также на водорослях проводятся и эксперименты по генной инженерии. Где с помощью изменений в генетическом материале можно «научить» водоросли перерабатывать мусор или синтезировать новые органические вещества: аминокислоты, углеводы, жиры. Но эта отрасль находиться в состоянии разработки. Эксперименты, которые сейчас проходят в космических лабораториях на околоземных орбитах.
Но сфера применения водорослей не ограничивается стенами космических станций. Человек планирует поселиться и на других планетах и одна из этих планет станет Марс. И здесь человек не может обойтись без простейших водорослей.
По сообщению Имре Фридмана из Института астробиологических исследований при НАСА, среди них:
С помощью генетических манипуляций можно заранее, еще при подготовке к полету, изменить ДНК этих микроорганизмов, приспособив их к марсианскому образу жизни. Со временем, когда климат на Марсе удастся изменить, а бактерии взрыхлят его почву и насытят ее питательными веществами, можно будет выселять на Марс высшие растения. Постепенно атмосфера планеты заполнится кислородом.
Роль водорослей в освоении космоса
Реферат выполнил студент IV курса 5 группы Данилишин Андрей.
Одесский национальный университет имени И. И. Мечникова.
В наш технически развитый век когда исследованы буквально все уголки нашей Земли человечество стремится покорить ранее не изученные участки окружающего нас мира. Одним из таких участков является безгранично интересная область под названием космос. И как не парадоксально но человек не смог бы проникнуть на современный уровень развития и не сможет в дальнейшем без примитивных форм жизни, таких как водоросли. Ведь они умеют расти и размножаться в совершенно неблагоприятных условиях. И тем самым имея положительные и отрицательные стороны своих свойств.
С первым проникновением человека в космос вместе с ним проникли и некоторые простейшие водоросли. Которые и на сегодняшний день также присутствуют и на современных космических кораблях, и наверняка будут присутствовать в кораблях будущего.
Использование водорослей в космосе.
Одну из задач которую выполняют водоросли на космических кораблях это снабжение экипажа кислородом. Для этих целей используют простейшую водоросль – хлореллу. Которая интенсивно делится, обладает высокой активностью фотосинтеза. Суспензия водорослей хлореллы массой 25-35 кг способна полностью снабдить одного человека кислородом в космическом полёте. Кроме того, процесс выращивания водорослей можно полностью автоматизировать для повышения продуктивности фотосинтеза. Эта водоросль способна увеличить свою массу в течение суток более чем в 6 раз, а это можно использовать при длительных полётах для кормления животных и людей.
На для питания полноценной пищей космонавты используют другую простейшую водоросль спирулину.
Биомасса спирулины содержит абсолютно все вещества, которые необходимы человеку для нормальной жизнедеятельности.
Всего в состав спирулины входит около 2000 витаминов, минералов, аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот и ферментов.
Белки. Содержание белка в спирулине достигает 70%.Это в десятки, сотни раз превышает наличие белка (легко усвояемого) в мясе.
Усвояемость белка 87%.
Коэффициент усвояемости 95%.
В составе спирулины:
нормализует сон, сердечный ритм, устраняет одышку.
— спирулина содержит фикоцианин, не найденный больше ни в одном продукте!
Спирулина, она необходима в тяжелых и экстремальных состояниях, и условиях.
Витамины, минеральные вещества: важнейшие витамины, практически весь набор необходимых организму человека минеральных веществ находится в спирулине.
Но кроме дыхания и питания водоросли выполняют и другие возложенные на них задачи, такие как изучение биохимических и физиологических реакций в невесомости и неблагоприятных условиях внешней среды. Ведь в невесомости можно проводить такие реакции, которые на Земле невозможны из-за факторов внешней среды, которых в космосе нет.
Также на водорослях проводятся и эксперименты по генной инженерии. Где с помощью изменений в генетическом материале можно «научить» водоросли перерабатывать мусор или синтезировать новые органические вещества: аминокислоты, углеводы, жиры. Но эта отрасль находиться в состоянии разработки. Эксперименты, которые сейчас проходят в космических лабораториях на околоземных орбитах.
Но сфера применения водорослей не ограничивается стенами космических станций. Человек планирует поселиться и на других планетах и одна из этих планет станет Марс. И здесь человек не может обойтись без простейших водорослей.
Покорение Марса — как же! — немыслимо без подспорья микробов. Без них не озеленить Марс. Имена будущих астронавтов, быть может, пока на устах лишь их матерей, ведь НАСА планирует запуск пилотируемого корабля на Марс лишь на 20 июля 2019 года, к полувековому юбилею высадки человека на Луну. Имена же бактерий, отправляемых на Красную планету, известны уже сейчас.
По сообщению Имре Фридмана из Института астробиологических исследований при НАСА, среди них:
Matteia specifica — синезеленая водоросль, или цианобактерия, то есть бактерия со свойствами растений; она может превращать солнечный свет в энергию. Она питается минералами, выделяя азот; может подолгу существовать в условиях крайне низкой влажности.
Chroococcidiopsis specifica — еще одна цианобактерия, которая прекрасно чувствует себя в сухой и соленой, жаркой и холодной среде.
С помощью генетических манипуляций можно заранее, еще при подготовке к полету, изменить ДНК этих микроорганизмов, приспособив их к марсианскому образу жизни. Со временем, когда климат на Марсе удастся изменить, а бактерии взрыхлят его почву и насытят ее питательными веществами, можно будет выселять на Марс высшие растения. Постепенно атмосфера планеты заполнится кислородом.
Но это уже — тема других разговоров, окрашенных только в радужные тона. Переделав на чужой страх и риск Землю, технократы готовы начать «перестройку» Марса. Так, пустившись по следам неприметных бактерий, мы неожиданно перебрались из одной крайности в другую, словно доказывая, что этим микробам, в самом деле, подвластно все.
Но мы рассмотрели только положительные стороны применения водорослей. Но это только вершина айсберга, существует другая противоположная сторона сожительства человека с водорослями.
По словам космонавта А. Сереброва (один из последних космонавтов побывавший на станции «Мир»). Его поразила колония водорослей. Словно лента, мелькнувшая из кармана иллюзиониста, эта омерзительная тварь длилась и длилась, растянувшись на восемь метров. За несколько недель она превратилась в нечто чужое, готовое занять весь корабль и, может быть, вернуться на Землю. В тот момент я подумал, что мы, сами того не подозревая, вот уже сорок лет запускаем в космос корабли, чтобы только вывести какую-то невероятно плодовитую породу водорослей, плесневых грибов или микробов.
Мы посылаем туда экипаж за экипажем только ради того — сами об этой цели мы не догадываемся, — чтобы под действием космической радиации некий микроб из тех, что во множестве населяют корабль, стал смертельно опасен для человечества. И будучи доставлен тем же «Шаттлом» на Землю, как греки чревом Троянского коня в Илион, истребил весь род людской.
Но ведь, в самом деле, космические полеты совершают не только командиры, бортинженеры и — с недавних пор — туристы, но и мириады незримых организмов — микробы. Что ожидать от них? Можем ли мы оценить опасность, грозящую нам?
Вот впечатления космонавтов, бывавших на станции «Мир» в последние годы: мутный свет, влажный, жаркий воздух, запах плесени, металла и резины. На стенках станции виднелись огромные — размером с тарелку — пузыри: это конденсировались воздух, выдыхаемый космонавтами, и испарения их тел. Здешний климат напоминал тропический. Зеленая плесень ковром покрывала установку для электролиза. Металлическая обшивка была испятнана следами ржавчины. Окно люка затянула студенистая слизь. Все эти беды натворили нежеланные спутники космонавтов — микроорганизмы.
Многие аварии, из-за которых злопыхатели ругали российскую космонавтику, на самом деле были вызваны проблемой, которую пока не могут решить ни создатели Международной космической станции (МКС), ни руководители НАСА, планирующие экспедицию на Марс, которая продлится более двух лет. Эта проблема — микробы.
Всего на станции «Мир» проживало более 230 видов микроорганизмов, в том числе 63 вида водорослей. Одни попали на борт станции еще во время ее монтажа, другие — вместе с космонавтами, прибывавшими туда.
В основе всех неприятных явлений, перечисленных нами выше, а также целого ряда поломок, например выхода из строя радио- и видеоаппаратуры, систем снабжения водой и воздухом, лежат два процесса: биокоррозия и образование биопленок.
В первом случае виной всему — вещества, выделяемые водорослями: органические (щавелевая, лимонная, фумаровая) и неорганические кислоты (азотная и серная), а также ферменты и биогенные окислители.
«Бороться с микроорганизмами на борту корабля очень трудно, — признает эксперт НАСА Монси Роман, — поскольку они чувствительны к космической радиации и под действием ее быстро мутируют и размножаются». Действительно, уровень радиации там примерно в сто раз выше, чем на Земле. Это ведет к жесткой селекции среди водорослей: слабые гибнут. Зато те, кто выживает, оказываются более стойкими и агрессивными, чем исходные формы. Вот такими они могут вернуться на Землю — микробы, воспитанные Космосом.
По наблюдению ученых, у многих водорослей и грибов в космосе увеличивается толщина клеточных стенок; причиной этого является, очевидно, пребывание их в невесомости. Вирулентность, (ядовитость), бактерий растет. В свою очередь, иммунная система человека во время пребывания в космосе слабеет. Ей все труднее справиться с микробами. «У некоторых космонавтов в организме появляются кишечные палочки, которые не удается идентифицировать, — вспоминал в том же интервью А. Серебров. — В космосе очень опасная, враждебная человеку среда… Случайно или намеренно мы сотворим вирус, который уничтожит нас».
Понятно, что будущих участников экспедиций надо обезопасить от незваных врагов. В целом ряде стран ведутся работы по защите МКС от микроорганизмов. В НАСА разрабатывают узкопористые фильтры, а также аппарат «Catalytic Oxidator» для обработки воды: ее нагревают до 130оС под давлением, при этом большая часть микробов гибнет. По словам Монси Романа, «вода на МКС будет намного чище той, что мы пьем обычно дома»
В московском Институте биомедицинских проблем используют иную тактику борьбы с водорослями. Как известно, в неблагоприятных условиях те впадают в анабиоз. У них исчезают все видимые проявления жизни. Российским ученым удалось с помощью особых бензольных дериватов вызывать это состояние у микроорганизмов. После обработки помещений подобными химикатами все водоросли в них будут на какое-то время парализованы.
Мир растений. В 7 т. / Редкол. А. Л. Тахтаджян (гл.ред.) и др. Т.3. Водоросли. / Под ред. М. В. Горленко. – М.: Просвещение, 1991. – 475с.,
Бологiя: Навч. посiбник /А. О.Слюсарев, О. В. Самсонов, В. М. Мухiн та iн.; За ред. Та пер.з рос. В. О. Мотузного. – 2-ге вид., випр. – К.: Вища шк., 1997. – 607с.: iл.
“Водоросли. Справочник.” Вассер и др. Киев. Наукова думка. 1998.
«Без космических водорослей на Марс лететь нельзя»
Неприхотливые водоросли должны стать основой для целого ряда систем жизнеобеспечения космических кораблей: они вырабатывают кислород, годятся в пищу, защитят от радиации. Поэтому прежде, чем лететь на Марс, надо научиться выращивать их в космосе.
При подготовке длительных космических перелетов, например, на Марс, необходимо обеспечить астронавтов всем необходимым — пищей, водой, кислородом и системой удаления отходов. И это крайне сложная задача, ведь объем груза, который можно взять с собой на борт, ограничен.
По мнению многих экспертов, ключом к решению проблемы могут стать водоросли, сообщает Wired. В земных экосистемах они производят 50-80% всего кислорода, а на космическом корабле позволили бы обеспечить большинство нужд астронавтов. Поселить их можно в жидкостной системе отведения тепла, аналогичной той, что сейчас используется на МКС,
В советском эксперименте 1964 года человеку удалось прожить 30 дней в комнате объемом 4,5 кубических метра, используя только кислород, выработанный водорослями.
Это значит, что у них есть потенциал в качестве системы очистки воздуха для космических перелетов.
Водоросли также могут стать основой космического рациона — или, по крайней мере, важной добавкой к нему. Необходимо лишь учесть питательную ценность различных видов и скомбинировать из них полноценное меню.
Есть и еще одно применение: некоторые масла из водорослей можно использовать не только для питания, но и при производстве пластмасс непосредственно в космосе.
Если мы научимся выращивать водоросли внутри реакторов на поверхности космического корабля, они обеспечат астронавтам дополнительный щит от радиации.
Как вырастить: первые шаги
Однако прежде чем все эти идеи станут реальностью, необходимо научиться культивировать водоросли в космосе. С февраля по август прошлого года NASA провело на МКС эксперимент с целью определить, как на рост водорослей влияет микрогравитация.
Ученые выявили гены, обеспечивающие отдельным штаммам успешное выживание за пределами Земли.
Также специалистам предстоит оценить риски того, что система выйдет из строя. Например, если выработанный водорослями кислород будет удаляться недостаточно быстро, их рост замедлится. Другие негативные сценарии — химическое или бактериальное загрязнение биореакторов.
В покорении Марса космонавтам помогут водоросли
Эти одноклеточные зеленые водоросли, поглощающие углекислый газ и выделяющие кислород. Хлорелла очень эффективна поскольку, в отличие от высших растений есть корни, листья и стебли, которые не участвуют в непосредственной выработке кислорода, а у хлореллы его вырабатывает каждая клетка.
Как отмечают эксперты, идея создания автономной биосистемы появилась с началом самой космонавтики. Свет для роста водорослей испускают специальные диоды определенного спектра, а температура для растений поддерживается на уровне 36 градусов.
Как объясняют инженеры, хлореллу можно будет выращивать в качестве пищи для других организмов — например, рыб, которыми смогут питаться уже сами пилоты. Устройство будет протестировано на орбите, что даст исследователям
Напомним, над разработкой программ по колонизации Красной планеты разрабатывают многие страны. Наиболее активно в этом направлении работает американское НАСА, которое уже несколько лет вынашивает проект пилотируемого полета на Красную планету. В агентстве считают, что такой полет может состояться в 2030 году. Для того, чтобы успешно реализовать этот проект агентство тщательно продумывает все аспекты жизни будущих колонистов.
Ранее космическое агентство представило проект дома для жизни на Марсе. Размеры конструкции составляют шесть на три метра, а вес равен шести тоннам. Из-за большого веса для перемещения жилища потребуется использование специального транспорта.
Не менее животрепещущими являются вопросы получения воды и кислорода. Возможно, решить проблему с кислородом поможет установка MOXIE, которая позволит превращать углекислый газ в кислород.
Решать проблему с водой изначально предлагалось путем перегонки мочи. Впрочем, возможно это и не потребуется. В конце прошлого года геофизики обнаружили огромное море из замороженной воды, скрытое под поверхностью Марса. Запасы жидкости в нем по предварительным оценкам составляют 14,3 тысячи куб. км.
Впрочем, исследователи признают, что полет к Марсу – это путешествие в один конец. Впрочем, отсутствие возможности вернуться на Землю, не единственная проблема будущих колонистов. Как ранее заявили американские ученые, первые люди на Марсе проживут немногим более двух месяцев. Помимо проблем с водой и кислородом назывались мутации, причиной которых станет излучение.