Организация замкнутых круговоротов вещества в ИЭС

Калорийность питания человека при нахождении внутри замкнутой системы жизнеобеспечения (СЖО) должна составлять 2 500 ккал/сут. Пища человека, кроме энергетической ценности, так же должна содержать порядка 600 соединений – углеводов, белков, жиров и микроэлементов, в том числе 13 витаминов, 4 витаминоподобных вещества и 21 аминокислоту.
Для обеспечения организма человека аминокислотами мясной рацион обязателен. Десять аминокислот являются незаменимыми: аргинин; валин; гистидин; изолейцин; лейцин; лизин; метионин; треонин; триптофан; фенилаланин – они не вырабатываются организмом самостоятельно, а поступают исключительно с белковой пищей животного происхождения.
Примерный мясной рацион при этом может составить 50 г. тушеной говядины (калорийность говядины варёной, сублимационной сушки составляет 450 ккал на 100 г. продукта) – всего: 225 ккал; 55 г. заранее заготовленной или выращенной рыбы лососевых пород (калорийность свежей, слабосолёной сёмги 187,6 ккал на 100 г.) – всего: 103,18 ккал в сутки на человека; 50 г. свиного сала (калорийность шпика копчёного 816 ккал на 100 г) – всего 408 ккал.
Всего мясо, шпик и рыба позволяют получить калорийность 736,18 ккал/сут. Выращиваемый растительный рацион будет покрывать 2 500 – 736,18 = 1 763,82 ккал/сут. Учитывая, что 1 ккал = 4,19 кДж, получим, что энергетические потребности человека, покрываемые растительным рационом составляют: (1 763,82 × 4 190)/(24 × 60 × 60) = 7 390 405,8 / 86 400 = 85,54 Вт.

Выращивание высших растений в фитотроне методом разновозрастного конвейера
Выращиваемая растительная пища
Пшеница яровая
Лук - перо
Салат листовой
Томаты
Перец сладкий
Чуфа
Так же в рацион входят: консервированное мясо, рыба, свиное сало и съедобные растения-солеросы, культивируемые на минерализованной воде.
Производство растительного питания

WЭЛ = 85,54/(0,95 × 0,01) = 85,54 / 0,0095 = 9 004,21 Вт на 1 чел.
Активность фотосинтетических процессов
ФАР – фотосинтетически активная радиация, это красный и синий участки спектра. Поэтому обычно используют красные и синие свнтодиоды.

Для наземного автономного обитаемого модуля проблема экономии энергии, массы и объёма неактуальна, поэтому вполне целесообразно использовать источники белого света, которые так же позволяют создать световую среду, благоприятную не только для зрения, но и для психики человека.
Для создания постоянного светового потока внутри фитотрона жилого модуля возьмём светодиодную матрицу белого света производства Bridgelux LED США.
Характеристики: потребляемая мощность: 200 Вт; рабочее напряжение постоянного тока: от 44 до 50 В; световой поток: 22 000 лм; гарантийный срок службы: 3 года.

Назначение части растительного рациона, имеющего самую низкую калорийность, заключается в обеспечении организма человека необходимыми витаминами и микроэлементами. Так, содержание аскорбиновой кислоты (витамина С) составляет: салат «Мизуна» – 117,4 мг/100 г, томаты «Минибел» – 33,8 мг/100 г, перец красный 250 мг/100 г. Таким образом, каждый человек в модуле будет получать ежесуточно 117,4 + 33,8 + 92,5 = 243,7 мг аскорбиновой кислоты. Это соответствует медицинским рекомендациям для людей, пребывающих в экстремальных условиях: 250 мг в день.
Расчёт продуктивности фитотрона для обеспечения растительным питанием
1 чел/сут.

Пищевая ценность ежедневного питания человека в модуле
Проведённый расчёт показывает, что соотношение белки / жиры / углеводы в рационе составляет 1,3 / 1 / 3,7 что очень близко к рекомендуемому оптимальному балансу питания человека 1 / 1 / 4

Продукция фитотрона идёт в пищу человеку, а образующиеся отходы используются для выращивания аквакультуры. Разработанная компанией «GrowUp» технология позволяет создать систему, в которой отходы жизнедеятельности рыб используются для создания питательной среды для растений и наоборот, отходы пищевых растений служат кормом для рыбы. Общий вид «городской фермы» GrowUp Box и резервуара для разведения рыбы представлены на фото.
Для питания рыбы так же используется фитопланктон – то есть выращенные в культиваторах микроводоросли и отходы от производства пшеничной муки и масла из масличных культур.
Переработка отходов

Формирование ППС
Принципиальная схема экспериментальной установки «Экотрон»
1 – блок «Педотрон», 2 – блок «Фитотрон», 3 - направление воздушного потока, 4 - штуцер отбора лизиметрических вод, образующихся при распаде органики, 5 - осветитель, 6 - терморегулирующий контур, 7 - воздушный компрессор, 8 - буферная ёмкость, 9 - электромагнитный клапан, 10 - pH-метр, 11 - инфракрасный анализатор СО2, 12 – манометр.
«Педотрон» представляет собой стеклянный сосуд диаметром 25 см и высотой 50 см с насыпным почвенным профилем, общей толщиной 35 см, без участия высших растений. Исходным горизонтом (А0) «почвы» является специально вносимый органический опад толщиной 10 см. Материнская порода (С) - покровный суглинок.
Для создания биоты на поверхность профиля была внесена суспензия естественной серой лесной почвы и культура дождевых червей.

В результате жизнедеятельности почвенной микрофлоры и фауны в «Педотроне» осуществлялась минерализация органической массы до простых солей, поступающих в жидкую и твердую фазы, и газов, в основном СО2, поступающих в газовую фазу. В газовую фазу также переходила часть НСО3, содержащейся в материнской породе. Большая же часть органического опада подверглась деструкции и трансформации, формируя гумусовый горизонт почвы - В.

Режим функционирования «Педотрона» соответствовал условиям субтропического или влажного степного климата. За время эксперимента, продолжавшегося непрерывно один год, в исследуемой толще почвы произошли существенные изменения морфологического строения. За время экспозиции произошли изменения в составе органического вещества опада как на поверхности «Педотрона» так и на глубине в смеси с суглинком. Вся масса приобрела темную углеподобную окраску, уменьшилась в объеме, уплотнилась. Под микроскопом встречались отдельные участки коричневатой однородной массы, напоминающие по консистенции частицы естественного почвенного профиля. Результаты эксперимента в какой-то степени противоречат общепринятым представлениям о скорости формирования почвенных новообразований. В почвоведении принято считать, что образование структуры почвы является результатом тысячелетних процессов геологического масштаба. Эксперимент «ЭКОТРОН» показал, что прото- почва или почвоподобный субстрат (ППС) может сформироваться в течение одного года.
Вертикальное строение почв:
А0 – «войлочный» подгоризонт
А1 – перегнойно-аккумулятивный подгоризонт
А2 – Элювиальный (подгоризонт вымывания)
В – Иллювиальный (минеральный) горизонт
С – Материнская порода
В установке «Экотрон» за год сформировались все горизонты почвы. Причём горизонт В состоял из 3-х подгороизонтов В1, В2 и ВС.

Для выращивания грибов на ППС нужно 2 помещения, т.к. созревание грибных блоков (их затягивание мицелием) происходит неравномерно. Если держать все блоки в одном помещении, то может возникнуть следующая ситуация: часть блоков будет готова к плодоношению. Соответственно, для таких блоков необходимо изменить температурный режим. В одном помещении это сделать не удастся.
Поэтому необходимо отдельное вырастное помещение, где набитые субстратом блоки прорастают. Температура в нем должна быть примерно 25 градусов. Блоки находятся в данном помещении 2-3 недели, при постоянной температуре и темноте. При зарастании мицелием блоки ощутимо нагреваются. Поэтому, необходимо ставить блоки так, чтобы они не касались друг друга, иначе, мицелий от большой температуры может погибнуть.

Замкнутость по дыханию
Обеспечивается разведением низших микроводорослей хлореллы в культиваторах и высших растений в фитотроне.
Полостной гладкостенный фотобиореактор
с механическим перемешиванием (ФБР)
Хлорелла обыкновенная
Культиватор
маточной
культуры хлореллы
(КМК)
Фитотрон

Обеспечение равновесного газообмена:
учет ассимиляционного и дыхательного коэффициентов
При работе над программой «Биос» в Красноярске было установлено, что у масличных растений А намного меньше D человека потому, что при фотосинтезе жиров выделяется большее количество молекул О2, чем при синтезе белков и углеводов. Для синтеза жирных кислот, на примере пальмитиновой кислоты:
16 СО2 + 16 Н2О = СН3(СН2)14СООН + 23 О2.
Видно, что молекул кислорода образуется больше, чем потребляется молекул углекислого газа. Избыточные атомы кислорода берутся при этом из воды. Для указанной реакции А = 16/23 = 0,7. Таким образом, присоединив к посадкам пшеницы и овощей в надлежащей пропорции масличную культуру, можно сделать ассимиляционный коэффициент фототрофного звена ИЭС равным дыхательному коэффициенту человека. В установке «Биос-3» для этой цели использовалось среднеазиатское масличное растение «чуфа». При этом из чуфы так же можно получать растительное масло, содержащее незаменимые для питания человека жиры.
Ассимиляция: A = NCO2/ NO2 – для растений (потреб./выдел.)
Дыхание: D = NCO2/ NO2 – для человека (выдел./потреб.)
Условие равновесного газообмена: А ≤ D
Пшеница: А = 0,94 Человек: D = 0,83
Поэтому человек и большинство высших растений не могут находиться в равновесном газообмене

Замкнутость по водообороту
Bacteroides производят гидролиз органических соединений
Clostridium выделяет уксусную кислоту, СО2, Н2
Helicobacter выделяет уксусную кислоту при окислении Н2
Methanosaeta преобразует CO2 и Н2 в СН4
Methanosphaera превращает уксусную кислоту в СН4 и CO2

В первой фазе (кислое, или водородное брожение) из сложных органических веществ – белковоподобных, углеводоподобных и жироподобных – с участием воды образуются органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная, масляная, пропионовая и др.), спирты (метиловый, этиловый, пропиловый, бутиловый и др.), газы (диоксид углерода, водород, сероводород, аммиак), аминокислоты, нитраты, глицерин и проч. Этот распад осуществляют обычные сапрофитные анаэробы, которые широко распространены в природе, в том числе, содержатся в выделениях человека. Они быстро размножаются и проявляют свою жизнедеятельность при pH среды 4,5 – 7.
Образовывать метан способны не все анаэробные бактерии, а только особая группа, называющаяся археобактерии или археи (т.е. «древнейшие»). Археи представляют собой одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, а также мембранных структур. Характерно, что вся энергия их обмена веществ направлена на образование метана в качестве главного конечного продукта метаболизма. Они не только осуществляют химическое превращение энергии, но и перерабатывают создаваемый всеми отмершими бактериями субстрат. Биохимическим путем метан образуется из относительно простых органических веществ – углекислого газа, кислот и спиртов, которые являются производными низших представителей ряда непредельных углеводородов.
Собственно метаногенез осуществляют около 50 известных к настоящему времени видов бактерий, относящихся к 13 родам, в том числе Methanobacterium, Methanogenium, Methanobrevibacter, Methanosphaera, Methanothermus, Methanococcus, Methanocorpusculum, Methanoculleus, Methanofollis, Methanopyrus, Methanoregula, Methanosaeta, Methanosarcina, Methanolobus, Methanospirillium, Methanothrix и многие другие.
Микроорганизмы – метаногены делятся на две группы: Первая группа производит восстановление СО2, метанола, муравьиной кислоты и других органических соединений водородом:
I. CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O.
Метановые бактерии первой группы являются единственными на Земле организмами, способными утилизировать диоксид углерода без хлорофилла и поглощения солнечной энергии. Вторая группа метанобактерий производит расщепление уксусной кислоты:
II. CH3COOH = CH4+CO2.
При нормальном режиме работы метантенка, по первому механизму образуется 72% метана, а по второму – 28%. Метан в составе биогаза может использоваться в качестве топлива МТУ.

Сферический метантенк – септик
1 – Резервуар;
2 – Перегородка для разделения зон брожения;
3 – Внешняя камера 1 фазы сбраживания;
4 – Внутренняя камера 2 фазы сбраживания;
5 – Газосборная горловина;
6 – Патрубок, подающий органический раствор;
7 – Система распределения раствора;
8 – Патрубок отвода осадка;
9, 10 – Патрубки для отвода газов;
11 – Опорные стойки;
12 – Основание.
Обессоливание очищенной воды и возврат NaCl в пищевую цепочку человека: растения – солеросы (галофиты). Солерос европейский (Salicornia еuropaea), однолетнее растение семейства амарантовых способен накапливать NaCl в количестве до 50% от сухой массы.

Сооружения модуля
Оборудование модуля размещается внутри купольного сооружения. Купольные сооружения имеют ряд преимуществ перед традиционными постройками:
- купола имеют высокую удельную прочность (т.е. отношение предела прочности к весу конструкции), чем прямоугольные здания, занимающие ту же площадь;
- при одной и той же полезной площади, у прямоугольного дома площадь ограждающих поверхностей больше, чем у купола, а, следовательно, и теплопотери/теплопоступления у прямоугольного здания той же площади будут выше;
- плавно искривленная поверхность стен внутри купола способствует естественной циркуляции воздуха и эффективному воздухообмену в помещении. Натуральные кольцеобразные течения способствуют перемешиванию воздуха, и его температура остается одинаковой по всему подкупольному объему.

Купольное сооружение модуля
Каркас из прямых трубчатых балок
Купол с наружной облицовкой

Конструктивные элементы купольного сооружения
Балки каркаса купола
Коннекторы узлов каркаса купола
Конфигурация коннекторов
Конфигурация граней купола

Облицовочный материал купола
В качестве материала купола будет использоваться пенополиэтилен – прочный и эластичный вспененный многослойный физически сшитый материал с высокой теплоизоляцией. Марка этого материала под названием «Пенолон», выпускается компанией «Руссфом». Форма выпуска: при толщине материала от 5 до 15 мм – рулоны; свыше 15 мм – листы (маты). Соединение листов для большей надёжности облицовки осуществляется путём их спаивания друг с другом термическим способом. При необходимости демонтажа облицовки, пенолон разрезается вдоль граней купола на отдельные листы, которые могут быть вновь спаяны при монтаже купола на новом месте.
Пенолон совместим со всеми конструкционными материалами, устойчив к ультрафиолетовому излучению, масло-, нефте- и бензостоек. Пенолон не гниёт и не выделяет вредных веществ при нагреве. Нетоксичен и не имеет запаха. Для отражения внешнего теплопоступления от солнечного излучения и для лучшего соскальзывания снега с купола, пенолон с внешней стороны может быть покрыт тонким слоем матовой алюминиевой фольги. Внешний вид и параметры мат из пенолона марки ППЭ-Р:
Плотность: 33 кг/м3
Теплопроводность: 0,036 Вт/(м·°С)
Диапазон температур: от -60 до +120°С
Водопоглощение по объёму: < 1 %
Срок службы: 25 лет

Компоновка модуля и схема его размещения на местности
Размещение цилиндрического фитотрона под куполом модуля
а – Прорези;
1 – Полый ствол;
2 – Винтовые лопасти; 3 – Резцы;
Опорная свая для грунтов с вечной мерзлотой

Купол Фуллера на даче

Состав внутреннего оборудования для серии автономных жилых модулей
+ обязательно; +/- желательно; - не требуется.