И на Марсе будут яблони цвести
Как разработки Росатома помогают создавать арктические и космические огороды
Текст: Ирина Проровская
Производство еды в нетрадиционных условиях — тренд последних лет. Пока городские энтузиасты развивают сити-фермерство, ученые придумывают, как выращивать зелень, овощи и ягоды там, где без помощи человека они расти не могут — в условиях пустынь, полярных широт и даже в космосе. В двух подобных проектах участвуют и научные институты госкорпорации «Росатом» — ВНИИХТ и ВНИИНМ имени академика А. А. Бочвара.
Арктический урожай
Снабжение населения Крайнего Севера свежими растительными продуктами всегда было сложной задачей. Их туда, как правило, завозят, что не лучшим образом отражается на стоимости, качестве и ассортименте — не всякий продукт хорошо переносит долгую транспортировку и хранение. Местные жители приноровились выращивать некоторые виды овощей и ягод на собственных огородах, но частные хозяйства — не решение проблемы. Свежая растительная пища нужна не только местному населению, но и персоналу расположенных в Заполярье портов, буровых, промышленных предприятий, исследовательских станций и других объектов, в том числе находящихся вблизи побережья. И с освоением Арктики, когда их число будет увеличиваться, эта потребность будет только расти.
С декабря 2019 года собственный урожай овощей и зелени стали собирать на Новопортовском нефтегазоконденсатном месторождении. Нынешней зимой температура там опускалась до -50 градусов. Выращивание растений в подобных условиях стало возможным благодаря использованию автономного вегетационного комплекса «ВМ Спектр 2.0», разработанного Ведущим научно-исследовательским институтом химической технологии госкорпорации «Росатом» (ВНИИХТ). В 2019 году институт поставил на ямальское предприятие «Газпромнефти» четыре таких комплекса, с которых и собрали арктический урожай томатов, перца, зеленого лука, петрушки и руколы. Эксперимент был признан успешным и сейчас в планах ВНИИХТ поставка на Ямал еще 15 вегетационных модулей вместе со зданием контейнерного типа для их размещения.
Концентраты для салата
Автономный вегетационный комплекс (АВК) представляет собой конструкцию стеллажного типа, в которую устанавливается лоток из пищевого пластика площадью 2 м2 для посадки агрокультур. Используется система вертикального светоотражения, регулируемого по высоте расположения светильников. Особенности технологии позволяют сажать семена плотнее, чем обычно, и, соответственно, собирать больший урожай.
Семена сажают в нейтральный субстрат. В отличие от торфа или обработанного грунта, которые используются в традиционной гидропонике, он не требует замены после каждого вегетационного цикла — его просто промывают и возвращают в лотки. Срок эксплуатации — 5 лет. Питательная среда для растений создается за счет подачи в грунт специального раствора, состоящего из подготовленной воды и смеси макро- и микроэлементов. Никакие химические удобрения при этом не используются, как и препараты для защиты растений от вредителей — в этом нет необходимости. Выращенный в таких условиях урожай экологически чистый.
«Состав для приготовления питательного концентрата подбирается индивидуально для каждой агрокультуры, — рассказывает Алексей Доронов, главный специалист коммерческого отдела АО «ВНИИХТ». — Специально разрабатывается технологическая карта, где указано, в каких пропорциях и с какой периодичностью подавать растению питательный раствор. Подача раствора, включение и выключение ламп контролируется автоматической системой — у каждого растения свое «ночное» время, когда оно не фотосинтезирует, и дневное, когда происходит активный рост». Установки оснащены натриевыми лампами, в отличие от светодиодных, по словам Доронова, они дают более подходящий для вегетации растений световой спектр.
Справка
С одного вегетационного модуля, разработанного ВНИИХТ, можно получить 5 урожаев томатов — порядка 100–120 кг продукта в год. Годовая урожайность огурцов при использовании такой технологии — около 120 кг (5–7 урожаев). Срезку свежей зелени (руколы, листового и кресс-салата, укропа, петрушки) с одного модуля можно проводить не менее 12–14 раз в год. Для сравнения: в традиционных теплицах можно вырастить не более 3 урожаев овощей и 7–12 — зелени.
Двухэтажный огород
Разработанные ВНИИХТ вегетационные модули можно устанавливать практически везде — в ангарах, шахтах, подвалах, контейнерах на борту морского судна, в том числе подводного, в подсобных помещениях любой площади и пр. Даже на космодромах — институт планирует сотрудничество с Роскосмосом, в частности, ведутся переговоры по оснащению АВК космодрома «Восточный».
Использование модулей никак не зависит от климата, рельефа местности, состава воздуха, розы ветров и других внешних условий, которые принципиально важны для выращивания растений не только в открытом грунте, но и в теплицах. Их можно устанавливать как в один ряд, так и в два, используя имеющуюся площадь максимально эффективно. Принципиальное значение имеет лишь оснащение помещения, где смонтированы модули.
«Помещение должно быть неостекленным, поскольку нет необходимости в освещении растений естественным светом, и отапливаемым — в нем нужно поддерживать температуру +18…+22 градуса, — объясняет нюансы Алексей Доронов. — Должна быть установлена система кондиционирования, так как требуется постоянный воздухообмен и приток свежего воздуха. Кроме того, помещение должно быть чистым — очищенным от грибков, возможных насекомых и пр. Чтобы избежать заражения растений вредителями, работники получают доступ в зону вегетации только после соответствующей обработки. Для этого должно быть предусмотрено лабораторное помещение с раковиной, дезсредствами и возможностью для персонала сменить одежду. При соблюдении технических требований работы с АВК попадание вредоносных организмов к растениям исключено».
ВНИИХТ может поставлять не только автономные вегетационные комплексы (и, кстати, изготавливать их индивидуально под параметры заказчика), но и контейнеры для их установки. Первые четыре модуля были установлены в уже имеющееся у ямальского филиала «Газпромнефти» помещение. Перед монтажом оно было обследовано специалистами института, которые выяснили, что помещение соответствует всем требованиям. Кроме того, институт проводит обучение персонала, обслуживающего модули, оказывает услуги по поставке субстрата для посадки растений и концентратов для питательного раствора, а при необходимости может подобрать заказчику и семена тех культур, которые он хочет выращивать.
Автономный вегетационный комплекс «ВМ Спектр 2.0» в цифрах
о 1,1 КВТ — электрическая мощность, потребляемая одним модулем
+18–22 Сº должно быть в помещении, где находится зона вегетации растений
0,18–0,25 м3 составляет расход воды на один вегетационный цикл
4,8 литра питательного раствора нужно на один цикл выращивания растений в одном модуле
25–40 растений на 1 м2 составляет плотность посадки
25 модулей может обслуживать один человек
15 лет составляет срок эксплуатации модуля
Плоды с опережением
Технология позволяет выращивать в АВК одновременно несколько видов растений, что практически невозможно в теплицах. На сегодняшний день технология полностью отработана для томатов, огурцов, редиса, клубники, перца, руколы, листового салата и разных видов пряных трав — зеленого лука, петрушки, базилика. Но выращивать в модулях можно практически все: цветы, лекарственные и экзотические растения и даже деревья! Сейчас ВНИИХТ ведет работы по установке 20 конструкций на ОХТЗ — Опытном химико-технологическом заводе института, где будут проводиться экспериментальные работы по выращиванию новых культур, в том числе хвойных деревьев. А недавно институт заключил договор с ООО «Городские инвестиции» на поставку первой партии модулей, которые заказчик планирует перевезти в Крым. Там их предполагается использовать для выращивания оливковых деревьев с последующей высадкой в грунт. Местный климат позволяет выращивать оливы и даже получать урожай, но лишь на юге полуострова. Однако саженцы не всегда приживаются. По словам Алексея Доронова, технология выращивания в автономных вегетационных комплексах, разработанных ВНИИХТ, позволяет растению получить хорошую «закалку» — лучшую устойчивость к вредителям и выживаемость в открытом грунте. «Растение быстрее растет и гораздо раньше начинает плодоносить — деревья примерно на год опережают привычные сроки. В АВК можно подращивать, например, виноградную лозу, и после пересадки в грунт это будет более здоровое растение. Сейчас мы активно ведем эксперименты с виноградом и надеемся получить лозу, которая так же даст раньше срока хороший устойчивый урожай», — рассказывает он.
Заявленная годовая потребность в свежих томатах и огурцах, например, для обеспечения персонала космодрома «Восточный» составляет порядка 17 тонн по каждой из культур. Учитывая, что урожайность одного АВК по данным овощам составляет в среднем 100 кг в год, потребуется порядка 140 установок на каждую культуру.
Как полить орбитальный огород
Выращивать овощи в скором будущем можно будет не только на наземных объектах, но и на борту космических аппаратов — например, такой «огород» планируется разместить на Международной космической станции. В создании конвейерной оранжереи «Витацикл-Т» принимала участие одна из научных организаций Росатома — Высокотехнологичный научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара. Специалисты ВНИИНМ разработали титановые трубки для контроля за влажностью грунта.
«Это часть системы полива, — объясняет Максим Шевердяев, начальник отдела специальных неядерных материалов и технологий АО «ВНИИНМ». — В условиях невесомости поливать растения традиционным способом невозможно, поэтому вода будет доставляться непосредственно к корням, через капиллярную структуру корневого модуля. Трубка из пористого титана, которую мы создали, — элемент корневого модуля, ее роль в системе заключается во впитывании влаги, поступающей в почвозаменитель, и создании тем самым в системе разрежения. При достижении порогового значения разрежения, измеряемого датчиком давления, компьютер подает сигнал в систему полива о необходимости увлажнения грунта».
«Витацикл-Т» — не первая орбитальная оранжерея, созданная учеными. С 2001 года на российском сегменте МКС функционировала оранжерея «Лада», космонавты выращивали редис, горох, картофель и другие агрокультуры. Орбитальный «огород» приносил свои плоды и на американском сегменте — в 2015 году астронавты даже употребляли урожай в пищу.
Однако «Витацикл-Т» конструктивно отличается от предшественников: это оранжерея конвейерного типа, которая представляет собой барабан с шестью корневыми модулями. Модули засеваются по очереди, с поворотом барабана каждые 4 дня, в итоге через 24 дня первый модуль даст урожай и снова будет засеян. Такая конструкция, по словам разработчиков, позволяет, с одной стороны, повысить производительность, с другой — улучшить условия для растений, в частности освещенность. Эксплуатация оранжереи будет практически непрерывной — предусмотрены лишь короткие технологические паузы, необходимые для плановой замены грунта в модулях.
Над созданием орбитальной оранжереи работают сразу несколько организаций — НИИ космического приборостроения, Институт медико-биологических проблем РАН, РКК «Энергия» имени С. П. Королева и другие. По словам Максима Шевердяева, ВНИИНМ впервые участвует в подобном проекте. «Мы делаем фильтры на основе наноструктурированных пористых металлов, которые используются в самых разных отраслях, а они по техническим характеристикам похожи на то, что требовалось НИИ космического приборостроения. При разработке изделия нужно было совместить прочностные характеристики с пористостью, что стало непростой задачей. Титан был выбран как инертный, легкий и при этом прочный материал. Разработка заняла около полугода. Для сборки модели оранжереи мы поставили заказчику 20 трубок. Для комплекса, который будет создаваться для космических испытаний, потребуется до 100 штук. Наши изделия, кстати, можно использовать повторно, после достаточно простой операции регенерации они полностью восстанавливают свои гидродинамические характеристики и готовы для следующего цикла вегетации растений», — рассказывает Максим Шевердяев.
Сейчас «Витацикл-Т» проходит стадию наземных испытаний. Выращивать в оранжерее планируется листовую зелень, чтобы в перспективе пополнить рацион космонавтов. Кто знает, возможно, это станет первым шагом к мечте Константина Циолковского о космических садах и об освоении человеком дальних планет.
Космический сад Константина Циолковского
В 1896 году основоположник теоретической космонавтики Константин Циолковский написал первые главы научно-фантастической повести «Вне Земли», полностью опубликованной лишь в 1920 году. В ней было подробно описано устройство космической оранжереи, в которой ученые, ставшие первыми покорителями космоса, выращивали самые разные овощи, ягоды и фрукты. Оранжерея дала им возможность не только обходиться без продовольственных запасов, но и стала прекрасным местом для прогулок.
Первый космический сад был построен вне ракеты и представлял собой цилиндрическую трубу «длиною в 500 метров, с поперечником в два метра», имеющую окно из кварца во всю длину. Посещать оранжерею люди могли только в скафандрах. Впоследствии, когда земляне стали заселять «эфирные колонии», одними из первых построенных ими объектов также стали оранжереи, уже пригодные не только для выращивания растений, но и для пребывания людей.
События, описанные Циолковским-фантастом, относятся к 2017 и последующим годам. И хотя колонизация других планет и полностью автономное существование человека в космосе пока остаются мечтами, опыт выращивания растений за пределами Земли у нас уже есть — и весьма успешный.
