Замкнутый круг:
и в космосе, и в науке

Об этой удивительной истории регулярно вспоминают журналисты. Наша газета 8 лет назад тоже рассказывала и о проекте, которому уже более полувека, и о проблемах, которые решал Международный центр замкнутых экологических систем, на тот момент — наследник проекта БИОС. Сегодня вновь наш собеседник — Александр ТИХОМИРОВ, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН. Прошлый раз он удивлялся тому, что даже государственные мужи порой не понимают значения фундаментальной науки для космоса: «Зачем нам исследовать космическое пространство, когда у нас на Земле проблем полно?». С тех пор, вроде бы, внимание к космосу вновь появилось, даже снимаются фильмы о подвигах космонавтов, о космической программе. А изменилось ли что-то для фундаментальной науки?

— Александр Аполлинарьевич, расскажите тем нашим читателям, кто, может быть, никогда не слышал об отечественных разработках по замкнутым системам жизнеобеспечения, что это такое и для чего нужно?

— На входе в такую систему поступают определённые вещества. Например, кислород, который в первую очередь необходим человеку, углекислый газ, он нужен для растений. А также пищевые компоненты, вода — то, чем питается человек. Всё это попадает в систему, и там происходят определённые преобразования.

Так, за счёт фотосинтеза происходит синтез растительной биомассы — рост растений. Учёным Института биофизики удалось вырастить в такой системе пшеницу, из которой потом получали хлеб, основные овощные культуры — свёклу, морковь, редис, огурец. И даже пряные травы — для создания вкусовых качеств пищи.

Поддержание жизнедеятельности человека в замкнутой системе происходит за счёт того, что он потребляет различную пищу. Она усваивается в организме человека с выделением энергии, синтезом различных биохимических и других веществ, которые продолжают участвовать в различных процессах. Эти вещества подвергаются целому комплексу преобразований при воздействии химических, биохимических, микробиологических и других процессов.

Но самое главное: система будет замкнута, только если все вещества преобразуются в ней так, что «на выходе» получаются те же вещества, что были изначально «на входе». А потом они снова могут быть потреблены этой системой. Так получается замкнутый цикл. Простой пример. Углекислый газ попадает в систему, там его поглощают растения, которые выделяют кислород. Человек потребляет этот кислород и выделяет углекислый газ. Получается замкнутый газообмен. Такой процесс можно назвать замкнутым круговоротным процессом.

После ряда более сложных преобразований такие же изменения могут произойти со всеми другими веществами. Так, растения потребляют химические вещества — минеральные соли. А в эти соли за счёт процесса минерализации можно преобразовать различные продукты выделения человека — и жидкие, и твёрдые. За счёт того, что в промежуточных реакциях они будут минерализованы, потом могут быть использованы растениями для синтеза растительной биомассы, которую употребляет человек. Так что и здесь можно добиться определённого замыкания.

Чем лучше реализована такая идея, чем ближе к ста процентам замыкание (то есть чем меньше веществ выпадает из круговорота в виде отходов), тем выше степень замыкания этой системы. Но добиться полного замыкания пока не удаётся. Современные системы достигают коэффициента замыкания не более 95 процентов.

— Где могут быть использованы такие системы?

— Замыкание — дорогой процесс. Он требует поддержания ряда технологий, для которых необходимо соответствующее материально-техническое, приборное обеспечение. Использование такой системы приобретает смысл, например, в космосе, когда нужно, чтобы человек долгое время ничего не брал извне и ничего не отдавал за пределы системы. Теоретически он может жить бесконечно долго в такой системе, если её замыкание будет полным.

— Такая система может быть полезной и на земле — например, в арктических зонах?

— Да, может. Но в данном случае есть смысл не полного, а частичного замыкания. Зачем делать замыкание по кислороду, когда, образно говоря, можно просто открыть форточку. А вот то, что касается твёрдых отходов человека — их можно замкнуть, потому что в арктических зонах эти вещества плохо преобразуются в природном цикле, из-за долгих минусовых температур.

Так что здесь уместно частичное замыкание системы, чтобы пускать в круговоротный процесс те отходы жизнедеятельности человека, которые загрязняют окружающую среду. Например, пищевые отходы могут быть преобразованы в минеральные соли. А их, напомню, можно использовать для получения растительной биомассы. То есть продуктов питания для человека.

— Эти технологии уже используются на практике?

— Существуют производства замкнутого цикла, на которых пытаются «замкнуть» отдельные виды отходов. Например, за счёт отстаивания в специальных резервуарах. Есть и другие способы, но широкомасштабно все эти процессы до сих пор не внедрены.

То, о чём мы с вами говорим, всё ещё находится в стадии научных разработок. И, к сожалению, сегодня научные исследования удаётся проводить, только если какая-то научная группа или коллектив получат грант или государственный проект. Тогда появляются какие-то средства.

Но если за время гранта завершить разработку не получается, снова возникает вопрос финансовой поддержки. Приходится подавать заявку на новый грант, и не факт, что его получится выиграть, поскольку конкуренция велика. Поэтому многие исследования остаются не доведёнными
до конца.

— Неужели такие исследования не интересны, например, крупным предприятиям?

— Напротив, все говорят, что это важно и нужно. Но искать финансирование для научных
исследований всё равно приходится. Трижды мы получали гранты на эти работы от Российского фонда науки. Мы выполнили некоторый цикл работ, показали определённые закономерности, кое-что удалось смоделировать экспериментально. А дальше надо снова искать деньги. Некоторые научные результаты мы довели до стадии их дальнейшей проверки в промышленных условиях.

Многие организации, предприятия заинтересованы в этих исследованиях, они бы с удовольствием использовали их на практике, если это — готовая технология. Но чтобы её создать, мы должны знать специфику конкретного предприятия, специально для него доработать отдельные нюансы. Когда мы объясняем необходимость проведения таких работ, представители организаций говорят: адаптируйте для наших условий и приходите с готовой технологией. А для этого нам опять-таки требуются средства.

Раньше в бюджеты многих предприятий закладывали государственные деньги, которые целевым образом нужно было использовать на сотрудничество с научными организациями. Заключались хоздоговоры, на эти средства учёные могли вести исследовательскую работу. А сейчас получается так: все признают, что наша работа интересная и важная, но внедрить её результаты на предприятии очень непросто.

— Но ведь БИОС-3 — уникальный проект, аналогов которого не существует?

— Да, это так. Пока аналоги нашей системы есть только в Китае, они повторяют основную структуру БИОС-3.

Наши разработки интересны многим государствам. В начале 2000-х годов (это время можно считать периодом оттепели в отношениях с другими странами) мы заключали контракты с зарубежными партнёрами, работали вместе с ними. Они помогали в финансовом плане, мы делали задел для себя, делились с ними известными научной общественности результатами. Был взаимный интерес. Сейчас из-за международной обстановки таких контактов практически нет, хотя научные и человеческие отношения сохранились.

Вообще, над созданием замкнутых систем жизнеобеспечения красноярские учёные работают уже много десятилетий. Организатором этих работ в нашем институте был академик Леонид Васильевич КИРЕНСКИЙ, а научными руководителями — академики Иван Александрович ТЕРСКОВ и Иосиф Исаевич ГИТЕЛЬЗОН.

Новейшая история этих исследований, начиная с нулевых годов, связана с тем, что нам удалось наладить сотрудничество с Европейским космическим агентством. Были хорошие контакты, плодотворные договоры. Мы выигрывали
международные гранты, последний действовал до 2013 года. Продолжали бы эти отношения и дальше, но совместные научные работы прекратились из-за международной обстановки.

— Сотрудничать с Роскосмосом не пытались?

— Коллеги пробовали, но получали такой ответ: если у вас есть разработка, которую надо поставить на борт и испытать, мы поможем — доведём до постановки, профинансируем. Но если она ещё находится в стадии фундаментального научного исследования, это не к нам, а в фонд науки.

Получается, что у нас есть два варианта продолжения исследований. Первый — работать в большой системе жизнеобеспечения, такой как БИОС-3. В своё время, когда электроэнергия и вода стоили недорого, институт мог профинансировать такие работы. И они велись, наш БИОС известен всему миру. К нам приезжали представители ведущих космических агентств.

Но когда ресурсы подорожали, проводить широкомасштабные исследования без крупной поддержки не представлялось возможным. Сегодня затраты на электричество и воду для проведения такого эксперимента равны почти десяти годовым бюджетам нашего института.

Чтобы не выпасть из обоймы научных исследований, не потерять коллег, мы вынуждены были перейти на малые экосистемы. Это как раз тот самый второй вариант. Стоит отметить, что есть и другая сторона: работа с малыми экосистемами — интересное и перспективное направление.

Большая экосистема неудобна, прежде всего, тем, что есть риски для человека. Когда вы начинаете проводить эксперимент с участием людей, а технология ещё не обкатана, велика вероятность его прерывания. Например, если человеку стало плохо. Второй негативный момент — высокая стоимость таких исследований.

Поэтому, прежде чем проводить большие эксперименты, лучше сначала заняться малыми — на экспериментальных моделях. Чтобы обкатать все процессы, которые потом будут в большой системе, быть уверенными, что они не токсичны для человека.

Как раз таким разработкам были посвящены наши гранты, полученные от Российского научного фонда. Мы создали действующую малую экосистему, которая в миниатюре повторяла все основные элементы круговоротного процесса — как в большой экосистеме. А человек в ней присутствовал виртуально. То есть он там периодически «дышал», все его отходы жизнедеятельности поступали в эту систему.

Считаю, что такие работы с малыми экосистемами — это важно, перспективно и экономично. А потом логично перейти в большую систему и в ней проводить уже полномасштабные эксперименты с участием экипажа из нескольких человек. Сейчас мы как раз занимаемся усовершенствованием отдельных технологических процессов, которые могут быть использованы в большой замкнутой системе.

Например, есть физико-химическая технология глубокой переработки отходов бытового назначения. В нашей системе жизнеобеспечения остаются, допустим, разная ветошь, материалы. Их надо как-то утилизировать, перерабатывать, чтобы также включать в круговорот. У нас есть специальная установка, которая позволяет это сделать.

Мы провели исследования, получили успешные результаты на отдельных типах отходов: получали минерализованные соединения, которые потом растворяли и использовали для поливки растений.

— То есть получились удобрения?

— Совершенно верно. В современном мире экологические вопросы и, в частности, проблема утилизации мусора стоят очень остро. Мы планируем заинтересовать крупные предприятия, предложить им использовать нашу технологию. Тогда они смогут минерализовать определённые виды отходов, а потом, к примеру, поливать полученными на их основе составами городские насаждения. Получается: перерабатываешь мусор, используешь его для удобрения кустарников, деревьев.

— Дорого проводить такую переработку отходов?

— Всё зависит от масштабов технологического процесса. Если объёмы эксклюзивные, небольшие, то дорого. Чем масштабнее, тем дешевле.

— Насколько для учёного важно, чтобы его разработка использовалась на практике? Или при фундаментальных исследованиях это не является самоцелью?

— Во времена Советского Союза был определённый цикл движения научного продукта от фундаментальных исследований к прикладным. Далее следовала опытно-конструкторская разработка, и уже затем её результаты использовались на производстве. Группа научных институтов занималась использованием фундаментальных исследований для различных отраслей народного хозяйства. У каждого министерства была своя сеть научно-исследовательских организаций.

Таким институтам была поставлена задача — использование достижений науки для их внедрения в ту или иную отрасль. И на эти цели выделялись средства. В свою очередь, НИИ заключали договоры с академическими институтами на предмет создания таких разработок.

В годы перестройки прикладные институты разрушили, людей оставили без работы. И ситуация повисла: фундаментальная наука осталась, но где использовать её результаты? Нам предлагают: договаривайтесь с предприятиями напрямую. А как? У завода ведь другие задачи. Он должен выпускать продукцию, а не заниматься научными исследованиями. Переходный процесс от фундаментальных исследований к прикладным так и не восстановлен, а прямые контакты с предприятиями реализуются тяжело. Вот и получился заколдованный круг: технологии надо внедрять, а цепочка взаимодействия разрушена.

— Как вы считаете, у модернизации БИОС-3 есть будущее?

— Конечно, есть. Но обидно то, что сначала мы вырвались вперёд на несколько десятков лет, а теперь этот разрыв сократился до минимума. Некоторые страны уже вышли на технологии, которые сравнялись с нашими. Тот же Китай.

Наверное, как это часто у нас бывает, только когда национальные интересы страны будут затронуты, тогда наши исследования получат достойную финансовую поддержку.

— Молодые ребята сегодня хотят заниматься наукой?

— Конечно. Лет двадцать назад была проблема с молодёжью. Но когда мы начали реализацию успешных контрактов с зарубежными партнёрами, стали получать гранты, к нам стали приходить молодые ребята. Сейчас в нашей лаборатории практически две трети сотрудников молодого и среднего возраста. В основном это выпускники Сибирского федерального университета, ранее — КГУ. Они работают с интересом, мечтают, чтобы БИОС-3 развивался.

Софья АНДРЕЕВА