Система жизнеобеспечения космических кораблей на основе солнечных биопанелей Российский патент 2018 года по МПК B64G1/60 

Изобретение относится к устройствам - биологическим реакторам для культивирования фотосинтезирующих микроводорослей. Такие биологические фотореакторы могут рассматриваться как элемент системы жизнеобеспечения (СЖО) космического аппарата (КА).

Известно, что существующие системы жизнеобеспечения обитаемых КА на околоземных орбитах являются частично замкнутыми и основаны как на запасах основных веществ (кислорода и воды), так и на их регенерации. Пополнение запаса основных веществ осуществляется периодически грузовыми кораблями, что, конечно, не очень удобно. А при полетах к другим планетам придется брать большое количество законсервированной еды, воды и кислорода. Для трехлетней экспедиции на Марс количество этих невозобновляемых запасов для экипажа из шести человек составит около 30 тонн ("Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы". М.: РКК "Энергия", 2011 г., с. 316).

Предлагаемые максимально замкнутые СЖО на основе физико-химических регенерационных процессов очень сложны, что плохо само по себе на предмет возможной аварийной поломки. Так, предлагаемая Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) регенерационная система состоит из 14 блоков, а извлекаемый углекислый газ удаляется за борт или в оранжерею (Климарев С.И., Синяк Ю.Е., Гаврилов Л.И. Регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата. / Патент РФ RU 2500590 С1). И сама по себе она не способна производить еду.

По инициативе Королева С.П. с 1962 г. в СССР было проведено огромное количество экспериментов по созданию СЖО замкнутого типа на основе водорослевых фотореакторов. В экспериментах Института Биофизики и ИМБП было доказано, что водоросли могут успешно регенерировать кислород и воду в замкнутых гермокабинах, и потенциально производить еду. Уже в 1966 году в Институте физиологии растений был сконструирован высокоинтенсивный прямоточный фотореактор с плоскопараллельными стенками, который показал возможность регенерации кислорода с использованием водной суспензии хлореллы. При концентрации культуры 6*10⁸ кл/мл и толщине суспензии 5 мм при освещенности 800 ватт/м² реактор поглощал углекислый газ с интенсивностью 80 л/сутки*м² при скромном КПД фотосинтеза 5% (Иерусалимский Н.Д., Ковров Б.Г. (ред.) Управляемый биосинтез. М.: "Наука" 1966 г. С. 82). Для снабжения кислородом экипажа из двух человек такой реактор имел бы массу 80-100 кг и площадь 15 м². Что сопоставимо с габаритами солнечных батарей кораблей «Союз ТМ».

Можно выделить недостатки водорослевых фотореакторов как возможного элемента СЖО КА.

1. Они, конечно, громоздки и при любой конструкции будут занимать много места в рабочем отсеке. Фотореактор с плоскопараллельными стенками имеет большие габариты. При высокой концентрации суспензии 10⁹ кл/мл ее оптимальная толщина водорослевой суспензии составит 0,25 мм. Необходимость использовать тонкие слои связана с сильным поглощением света в суспензии (Лисовский Г.М. (ред.) Управляемое культивирование микроводорослей. М.: "Наука" 1964 г. С. 13). При этом эффективность фотосинтеза в фотореакторе возрастает в 3-4 раза, но возрастает и площадь самого фотореактора (Лисовский Г.М. (ред.) Управляемое культивирование микроводорослей. М.: "Наука" 1964 г. С. 82).

2. Другой недостаток исследованных фотореакторов заключается в том, что для получения большей продуктивности исследователи были вынуждены облучать высококонцентрированнные суспензии хлореллы светом большой интенсивности: 400-800 ватт/м². При этом снижается КПД фотосинтеза, максимум которого 15-20% достигается при интенсивности освещения в диапазоне 50-150 ватт/м² (Рожнов В.Ф. Космические системы жизнеобеспечения. М.: "МАИ", С. 143) Снижение освещенности до оптимального уровня может поднять КПД фотосинтеза до 20%, а эффективность фотореактора с тонким слоем водорослевой суспензии в 15-20 раз (Владимирова М.Г., Семененко В.Е., Ничипорович А.А. Сравнительное изучение продуктивности различных форм одноклеточных водорослей, с. 314-326. В кн. «Проблемы космической биологии» под ред. Н.М. Сисакяна и В.И. Яздовского. АН СССР, Москва). При высокой освещенности также повышается склонность суспензии к образованию комков, которые оседают на поверхности реактора. Проблема «избыточного света» обычно решается распределением (рассеиванием) интенсивного света внутри водорослевой суспензии с помощью клиновидных световодов (Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Биотехнология микроводорослей. М.: "Научный Мир", 2012. С. 143).

3. Несомненно, иметь на борту КА источник света для водорослевого фотореактора - это дополнительная техническая проблема. Тем более, что КПД преобразования электричества в свет обычно не превышает 30%. Это влечет за собой повышенный расход дефицитной электроэнергии, выделение тепла в фотореакторе, которое как-то нужно выводить в Космос.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в конструировании легкого и эффективного водорослевого плоского фотореактора, который как элемент СЖО КА образует его внешнюю биопанель и был бы свободен от вышеперечисленных недостатков. Подразумевается, что биопанель может также включать некие устройства для обслуживания фотореактора. Например, для его термостатирования.

Задача решается тем, что

1. для фотосинтеза берется проточный фотореактор с плоскопараллельными стенками и с максимально возможной плотностью суспензии водорослей и минимальной толщиной самой суспензии. Это обеспечивает наиболее полное проникновение света в суспензию, а большая плотность суспензии обеспечивает большую производительность фотореактора. Сепарация газов в невесомости от водорослевой суспензии 1 достигается введением в реактор с прозрачным окном 2 силиконовой мембраны 3 с высокой газопроницаемостью (Рис. 1, Рис. 2). Очищаемый воздух 4 проходит над мембраной 3, отдавая углекислый газ 6 в суспензию 1. Можно также вращать дискообразный реактора вместе с суспензией 1 (Рис. 3). Очищаемый воздух 4 здесь подается через отверстия на периферии его окружности (на рисунке не указаны). Обогащенный кислородом воздух 5 вытесняется к центру реактора под действием центробежных сил. Избыток суспензии сливается через сливное отверстие 7, и обогащенный кислородом воздух 5 удаляется через газоотвод 8.

2. в рабочем состоянии сам фотореактор 9 располагается вне гермокабины КА 10, образуя таким образом внешнюю биопанель КА 2 (Рис. 4). Этим решается экономия рабочего объема КА, и одновременно проблема источника света, так как его освещение будет происходить непосредственно от Солнца, что исключает необходимость преобразования солнечного света в электричество и обратно электричества в свет для освещения фотореактора. В нерабочем состоянии (при запуске КА) тонкая биопанель находится в сложенном состоянии и занимает мало места. Отработанный воздух, вода для регенерации, углекислый газ и питательные вещества подаются в фотореактор через герметичные соединения, которыми биопанель крепится к корпусу КА. Обогащенный кислородом воздух, очищенная вода и излишки суспензии водоросли (биомасса) выводятся обратно в гермокабину для дальнейшей переработки и потребления;

3. ввиду того, что солнечная постоянная в околоземном пространстве (1400 ватт/м²) на порядок больше интенсивности освещения для максимального КПД фотосинтеза (около 140 ватт/м² для хлореллы), фотореактор-биопанель 2 (Рис. 4) или стенки фотореактора в биопанели 2 (Рис. 5) располагаются под углом к падающему свету 11. При этом падающий на поверхность биопанели избыточный свет рассеивается в толще суспензии, и интенсивность ее освещения уменьшается.

По предварительным расчетам для обеспечения кислородом и водой экипажа из двух человек, плоский фотореактор с толщиной водорослевой суспензии хлореллы 0,25 мм будет иметь массу 5 кг и общую площадь 20 м². Для снижения интенсивности освещенности, как это было описано ранее, он может быть выполнен в виде гармошки (Рис. 5), что обеспечивает малую площадь собственно внешней биопанели: 2 м². При подборе подходящих водорослей, а также водных микроживотных, которые могут ими питаться, можно получить полностью замкнутую СЖО КА. Это избавит экипажи КА от внешнего снабжения едой, водой и кислородом на околоземной орбите и позволит в будущем осуществлять длительные межпланетные перелеты к Марсу и Юпитеру.

Изобретение относится к биологическим реакторам для культивирования фотосинтезирующих микроводорослей, которые могут служить элементом системы жизнеобеспечения (СЖО) космического аппарата (КА). Проточный фотореактор имеет плоскопараллельные стенки большой площади и малый зазор между стенками и концентрированной водорослевой суспензией. Фотореактор выполнен в виде биопанелей (в частности, в форме диска или «гармошки») и размещен вне герметичного объема КА. Это экономит пространство внутри КА и одновременно решает проблему освещения биопанелей (находящихся под углом к падающему свету) Солнцем. Водная суспензия сепарирована от газовой среды газообменными мембранами (в частности, в виде капилляров) или действием центробежных сил при вращении (дискового) фотореактора. Технический результат состоит в создании эффективного, легкого и компактного водорослевого фотореактора для СЖО КА (ожидается, что биопанели площадью ~ 2 м² и массой ~5 кг смогут снабжать кислородом и водой экипаж КА из двух человек). 5 ил.

Проточный водорослевый фотореактор с плоскопараллельными стенками, содержащий суспензию водорослей с максимально возможной плотностью и минимальной толщиной суспензии, отличающийся тем, что расположен вне обитаемой гермокабины космического аппарата и освещается непосредственно Солнцем, а для снижения интенсивности солнечного излучения плоскость фотореактора или его сегментов наклонена под углом к падающему свету, при этом водная суспензия сепарирована от газовой среды газообменными мембранами или центробежной силой при вращении самого фотореактора.