3 января 2019 года китайский космический аппарат «Чанъэ-4» совершил посадку на дальнюю сторону Луны и вывел на неё луноход «Юйту». Помимо многочисленных приборов, на борту лунохода находился важный научный эксперимент, известный под названием «биологический инструмент с полезной нагрузкой (БЭП)». В течение следующих восьми дней эта полезная нагрузка проводила жизненно важный эксперимент, в ходе которого была предпринята попытка вырастить первые растения на Луне. В состав полезной нагрузки входили семена хлопчатника, картофеля, арабидопсиса и рапса, яйца мух, дрожжи и 18 мл воды, которая поддерживалась при постоянном атмосферном давлении.

Результаты этого эксперимента помогут разработать будущую биорегенеративную систему жизнеобеспечения (БСЖ), которая окажется жизненно необходимой для обитания за пределами низкой околоземной орбиты и полётов туда. Группа учёных из Китая недавно опубликовала исследование, в котором проанализировала эксперимент, его результаты и потенциальные последствия для будущих полётов на Луну, Марс и в другие районы дальнего космоса. По их мнению, эксперимент показал, что растения могут расти на Луне, несмотря на интенсивное излучение, низкую гравитацию и длительное интенсивное освещение.

В состав группы вошли исследователи из Центра освоения космоса, Колледжа аэрокосмической техники, Ключевой лаборатории биологии и генетической селекции клубневых и корнеплодных культур Чунцинского университета, а также Университета электронной науки и техники Китая и Лаборатории космической биологии Китайской академии сельскохозяйственных наук в Чэнду. Результаты анализа были изложены в двух статьях, опубликованных 20 июня в журнале Microgravity Science and Technology и 17 октября в журнале Acta Astronautica соответственно.

Растения в космосе

Выращивание растений в лунной, марсианской и космической среде обитания необходимо по многим причинам. Помимо того, что растения являются источником питания и снижают потребность в пополнении запасов, они будут удалять углекислый газ и давать свежий кислород, способствовать переработке отходов и улучшать самочувствие экипажа. И если традиционные системы контроля окружающей среды и жизнеобеспечения основаны на механических компонентах, которые со временем выходят из строя и требуют замены, то биорегенеративная система способна самовосстанавливаться с течением времени.

Это делает технологию идеальной для полётов в дальний космос, где возможности пополнения запасов будут весьма ограниченными. На протяжении многих лет астронавты проводят на борту Международной космической станции (МКС) эксперименты, связанные с выращиванием растений и водорослей, такие как система производства овощей (Veggie), пассивная орбитальная система доставки питательных веществ (PONDS), усовершенствованная среда обитания растений (APH) и система управления авионикой среды обитания растений в реальном времени (PHARM). Однако до сих пор неясно, как природная среда внеземных тел повлияет на работу БСЖ.

Ведущий автор работы Се Гэнсинь (Xie Gengxin), профессор экологической инженерии Центра освоения космоса Чунцинского университета, также и главный конструктор БЭП. Как он объяснил по электронной почте, возможность выращивания растений в космосе — необходимый шаг к созданию баз за пределами Земли:

«При создании базы выживания на Луне, Марсе и других внеземных планетах невозможно перевезти с Земли большее количество вещей. Необходимость использования ресурсов на месте для производства кислорода и пищи особенно важна и является первым шагом к созданию базы выживания, поэтому эксперименты по посадке растений очень важны».

Первый биологический эксперимент

Полезная нагрузка БЭП, разработанная в Чунцинском университете, стала первым биологическим экспериментом, проведённым человеком на дальней стороне Луны. Целью эксперимента была оценка влияния условий лунной поверхности (низкая гравитация, интенсивное излучение и интенсивное освещение)на рост и здоровье земных организмов. Масса полезной нагрузки составляла 2,608 кг, размеры — 198 мм в высоту и 173 мм в диаметре, общий объём — 0,82 л и 0,42 л биоактивного пространства. Солнечный свет поступал через направляющую трубку, обеспечивая фотосинтез находящихся в ней растений.

Эти шесть компонентов представляли собой производителей, потребителей и разлагателей — все элементы, необходимые для функционирования экосистемы. Растения должны были вырабатывать кислород и питательные вещества в процессе фотосинтеза и поддерживаться плодовыми мухами. Дрожжи же выступали в роли разлагающего агента, перерабатывая отходы жизнедеятельности мух и отмершие растения, создавая дополнительные питательные вещества для экосистемы. По словам Кси, этот эксперимент был первым в своём роде и должен был снять опасения учёных по поводу лунной среды:

«До начала нашего эксперимента многие учёные опасались, что растения не смогут прорасти в условиях интенсивного освещения и сильной радиации на Луне, поэтому мы намеренно использовали для фотосинтеза естественный солнечный свет на Луне, а не искусственное освещение. В то же время наша биологическая полезная нагрузка не была рассчитана на защиту от радиации, что доказывает возможность роста растений в условиях интенсивной радиации на Луне».

Через несколько часов после выхода аппарата на поверхность температура в биосфере была установлена на уровне 24 °C, а семена политы. 15 января стало известно, что семена хлопчатника, рапса и картофеля проросли, и были опубликованы снимки внутренних помещений БЭП. «В этой полезной нагрузке находятся животные, растения и микроорганизмы, создающие микроэкосистему в замкнутой среде, — заявил тогда Се Гэнсинь. — Мы направляем внутрь контейнера солнечный свет, который гораздо сильнее, чем на Земле. Мы изучим их фотосинтез в условиях сильного солнечного света и сравним его с экспериментом на Земле».

Результаты

На следующий день эксперимент вступил в новую фазу: наступила лунная ночь, внешняя температура упала до -52 °C, и эксперимент не смог поддерживать комфортную температуру. По мере того как температура продолжала падать и в конце концов достигла -190 °C, эксперимент по проверке долговечности БЭП продолжался. В конце концов было обнаружено, что проросшие растения погибли, картофель не пророс, а плодовые мушки не вылупились. Общая продолжительность эксперимента составила 9 дней вместо запланированных 100. Но, как отметил Си, была получена ценная информация. Си сказал:

«Хотя наши растения могут расти в условиях естественного солнечного света и радиации на Луне, безопасность этих растений не была оценена. Вопрос о том, полезны они или нет, требует дальнейших исследований. Наши эксперименты также показывают, насколько сложно выжить на Луне и как пережить лунную ночь. Наши первые биологические эксперименты на Луне для человечества полностью демонстрируют, что на Луне может быть создана регенеративная экосистема для создания человеческой базы».

В перспективе Се и его коллеги планируют провести дальнейшие эксперименты с использованием стабильных лавовых трубок, которые Китай также рассматривает в качестве потенциального места для базы:

«Впервые мы отправили на Луну шесть видов животных с Земли для проведения биологических экспериментов, что стало важной вехой в создании базы для выживания человека на Луне, — сказал он. — Сейчас наша команда проводит исследования по созданию базы для людей и эксперименты по созданию космической фермы с использованием лунных лавовых пещер».

Менее чем через два года НАСА планирует впервые со времён «Аполлона» отправить астронавтов на Луну. Китай надеется сделать то же самое, отправив первых тайконавтов в южную полярную область Луны к 2030 году. Долгосрочные цели этих и других агентств, таких как ЕКА, Роскосмос и Индийская организация космических исследований (ISRO), сводятся к созданию на Луне постоянного человеческого форпоста, который позволит проводить исследования, изучать Луну, осуществлять международное сотрудничество и полёты в дальний космос. Ключевым аспектом этой работы станет использование местных ресурсов для удовлетворения потребностей экипажей.

Одним из лучших способов обеспечить стабильное снабжение пищей, воздухом и здоровье экипажа (физическое и психическое) является строительство мест обитания, в которых можно разместить теплицы и проводить эксперименты с растениями. Одним словом, чтобы жить, работать и процветать во внеземной среде, космонавты должны взять с собой элементы земной биосферы. Уроки этого исследования помогут проложить путь для всех, кто собирается последовать за ними.