435nm. Жить за пределами Земли!

14 декабря в 19:00

SMART-библиотека имени Анны Ахматовой.

Представьте, что вы строите базу на Луне или проектируете экспедицию к Марсу. Среди множества проблем вам нужно решить вопрос с кислородом, питьевой водой и пропитанием для экипажа.

Решение — фотобиореактор на микроскопических зелёных водорослях. Кроме того, микроводоросли используются на Земле для самых разных и неожиданных целей.

Об их космических и наземных применениях, о фотобиореакторе, о том, насколько далеко продвинулись разработки и какие проблемы ещё предстоит решить, расскажет на лекции Александр Шаенко.

Лектор — Александр Шаенко — инженер, более 20 лет работающий в космической отрасли, руководитель проекта 435nm. Кандидат технических наук, преподавал в МГТУ им. Баумана.

Регистрация: https://your-sector-of-space.timepad.ru/event/2695916/

«Жить за пределами Земли» — лекция Александра Шаенко

16 мая в 19:00
Cosmic latte (м. Киевская)

Полёты в дальний космос — одна из целей мировой космонавтики на ближайшие десятилетия. Но перед тем как отправить экипаж к другой планете, учёным нужно решить много проблем. Одна из них — ограниченность в ресурсах: кислороде, питьевой воде, пище.

В этой области самое перспективное решение — создавать на межпланетном корабле или планетарной базе замкнутую биосферу на основе микроскопических зеленых водорослей, поглощающих углекислый газ и выделяющих кислород, растущих на отходах жизнедеятельности человека, очищающих воду и дающих пищу.

Что общего между Илоном Маском и коровой? Им обоим нужен фотобиореактор! А что такое фотобиореактор — узнаете на лекции.

Лектор Александр Шаенко — инженер, более 20 лет работающий в космической отрасли, руководитель проекта 435nm. Кандидат технических наук, преподавал в МГТУ им. Баумана.

Регистрация: https://your-sector-of-space.timepad.ru/event/2417263/

Всем привет!

Важная веха в нашем проекте.

Первый этап создания установки для дыхания человека с помощью микроводорослей завершен. Мы сделали установку из серийных кислородных концентраторов, позволяющую выделять из газовой смеси углекислый газ, выдыхаемый человеком. На следующем этапе углекислый газ будет поступать в фотобиореактор с микроводорослями, которые будут перерабатывать его в кислород.

Более формальное описание того, что мы делали, и несколько фотографий ниже, а пока напомню, что больше информации в чате проекта https://t.me/chat_435nm.

Описание эксперимента с шестью кислородными концентраторами

Экспериментальная установка состоит из:

• Кислородных концентраторов DEDAKJ с низким уровнем шума, 2-9 л, 6 штук.
• Коллекторов на вход и на выдох, в которые выходили трубки от входов концентраторов и их кислородных выходов,
• Дыхательных мешков объемом 10 л каждый на вдох и на выдох,
• Гофротрубок от мешков к дыхательной маске,
• Дыхательной маски ППМ-88,
• Испытателя, дышащего в маске,
• Датчиков объемной концентрации CO2 и O2, располагающихся в коллекторе на вдох,
• Контроллера Arduino, опрашивающего датчики с частотой 1 Гц,
• Ноутбука с запущенным терминалом Putty для регистрации показаний датчиков.

Схема установки представлена на рисунке ниже.

Установка работает следующим образом:

1. Испытатель выдыхает газовую смесь, содержащую примерно 16% O2 и 50 000 ppm CO2.
2. Газовая смесь силой легких испытателя наполняет дыхательный мешок на выдох и поступает оттуда в коллектор.
3. Пять кислородных концентраторов забирают газовую смесь из коллектора по пяти отдельным трубкам, которые подают ее на входы каждого концентратора.
4. Шестой концентратор забирает воздух из атмосферы, имитирующей в данном случае газовую полость фотобиореактора.
5. В каждом концентраторе с помощью процесса короткоцикловой адсорбции входящий газовый поток разделяется на два: обогащенный по CO2 и обогащенный по O2, которые подаются на выходы CO2 и O2 соответственно.
6. Газовая смесь из выхода CO2 поступает в атмосферу.
7. Газовая смесь из выхода O2 по шести отдельным трубкам поступает в коллектор дыхательного мешка на вдох.
8. Из дыхательного мешка на вдох газовая смесь, обогащенная по кислороду и обеденная по углекислому газу, поступает для дыхания испытателю.

В течение ограниченного времени возможна работа установки в полностью автономном режиме, когда шестой концентратор питается не от атмосферы, а от дыхательного мешка на выдох. Однако в этом режиме объем газовой смеси в системе непрерывно уменьшается из-за того, что в процессе дыхания испытателя происходит необратимое преобразование кислорода в углекислый газ, который затем удаляется из газового объема установки кислородными концентраторами.

Работа одного из концентраторов на воздухе, поступающем из атмосферы, позволяет восполнять кислород в газовом объеме установки. Такое восполнение будет происходить в процессе работы кислородных концентраторов совместно с фотобиореактором. Углекислый газ, выдыхаемый испытателем, и отделенный от кислорода, будет подаваться в газовый объем фотобиореактора. Газ в цикле фотобиореактора после прохождения через емкость с фотосинтезирующими микроводорослями будет обогащаться по кислороду. Эта смесь будет подаваться в кислородный концентратор, который будет выделять из нее кислород и подавать его в газовый объем установки с кислородными концентраторами, и, в конечном итоге, испытателю для дыхания.

Также следует отметить, что в режиме работы шестого концентратора на воздухе из атмосферы, из газового объема установки постепенно будет удаляться в атмосферу не только углекислый газ, но и азот, что приведет к тому, что в дыхательный мешок на вдох будет поступать смесь из кислорода и остаточных количеств углекислого газа, аргона и азота.

Последовательность запуска установки:

1. В начальный момент кислородные концентраторы выключены, газовый цикл разомкнут и заблокирован: удалена заглушка в коллекторе на выдох, подача газа в дыхательную маску заблокирована, пережат гофрошланг на вдох.
2. Запускаются все шесть кислородных концентраторов, начинает наполняться дыхательный мешок на вдох.
3. Дыхательный мешок наполняется полностью.
4. Испытатель надевает маску, плотно фиксирует ее на лице.
5. Испытатель делает порядка десяти вдохов, убеждаясь, что дыхание происходит нормально.
6. Устанавливается заглушка в коллектор на вдох, газовый цикл замыкается.
7. Установка работает в стационарном режиме.

Результаты эксперимента

Зависимости концентраций углекислого газа и кислорода приведены на рисунке ниже.

На рисунке видно, что в течение всего эксперимента, не менее 20 минут, концентрация углекислого газа в дыхательном мешке на вдох не превышала 200 ppm, а концентрация кислорода составляла порядка 80%.

Испытатель сообщал о возможности дышать в полный объем легких.

Выводы по результатам эксперимента

На основании:

• стабилизации параметров газовой смеси в ходе эксперимента,
• поддержания газовой смеси пригодной для дыхания испытателя,
• хорошего самочувствия испытателя в ходе эксперимента,

можно сделать вывод, что создание установки с маской и адсорбером завершено.

Следующий большой этап работы по созданию установки, позволяющей дышать человеку с помощью микроводорослей - создание фотобиореактора подходящего объема, который будет перерабатывать весь выдыхаемый человеком углекислый газ в кислород. На текущем уровне представления - объем такого фотобиореактора составит 33 литра.

Всем привет!

С вами Александр Шаенко, у меня важные новости по нашему проекту.

У меня появилось стойкое ощущение, что наша команда в текущих реалиях не способна найти финансирование на коммерческие или космические применения технологии культивации микроводорослей, которую мы разрабатываем.

Если кому-то интересны подробности наших инвестиционных приключений, то пишите, я постараюсь ответить, но лично я больше эти заниматься не планирую. Что делать с созданным нами ООО "Ви Кэн Флай", я пока не решил, но пока это и не особо актуально.

Тем не менее, биологические системы жизнеобеспечения – это все-таки ключевой элемент освоения дальнего космоса. К тому же, лично у меня есть обещание перед всеми вами провести испытания фотобиореактора на себе, и я хочу это обещание исполнить.

Поэтому:

1. Я предложил ребятам из команды не стесняться говорить о том, что на таких условиях они не хотят дальше заниматься проектом.

2. Те кто хочет, будут участвовать и дальше и деньгами, и/или временем.

Пока же мы со старыми друзьями начали проектировать установку для дыхания в маске, которую я назвал просто и незамысловато 403.

Первые результаты работы уже можно посмотреть. Это рабочий вариант пневмогидросхемы всей установки 403 и черновой эскиз адсорбера.

Создание установки 403 легко и полезно делится на два этапа:

1. Маска + цеолитные адсорбер.

2. Маска + адсорбер + фотобиореактор.

Пока работы ведутся по первому этапу.

Как всегда, можно и нужно задавать вопросы в чат https://t.me/chat_435nm

Мы добились продуктивности установки, позволяющей строить аппарат для дыхания в маске!!!

Наверное, все уже давно забыли, что цель нашего проекта 435nm - это создание установок, позволяющим создавать замкнутые биосферы в космосе и на Земле. Если углубляться в это, то мы создаем технологию культивации микроводорослей, которые смогут очищать воду и воздух, которые можно использовать в пищу и вообще использовать для самых разных других полезных вещей.

Понятно, что хорошая новая технология должна иметь важные преимущества по сравнению с тем, что есть сейчас. Многие микроводоросли растут в лужах, прудах, реках и других водоемах сами по себе, безо всякого участия в этом человека. В некотором случае это приемлемо, но для использования на космическом корабле или в однокомнатной квартире - не очень, не хватит места.

Поэтому в начале проекта мы посчитали своей целью создание технологии для высокоавтоматизированной, компактной и энергоэффективной культивации хлореллы, как одной из самых перспективных микроводорослей.

Высокоавтоматизированная - это означает, что большинство операций, необходимых для проведения культивации, выполняется без участия человека, по заданной программе.

Компактная - это значит, что в единице объема установки будет производиться много хлореллы. Единица измерения “компактности” - г/л/сутки, то есть, сколько грамм сухой биомассы в сутки вырастает в одном литре реактора. Этот параметр еще можно назвать удельной продуктивностью.

Энергоэффективная - это означает, что потребляющая для культивации мало электрической энергии. Единица измерения энергоэффективности в нашем случае - это Вт/л. Сколько нужно Ватт электрической энергии для роста культуры в одном литре установки.

Как с этими параметрами обстоят дела сейчас?

С самого начала наша установка была высокоавтоматизированная, так как проводить с ней дни и ночи для постоянного обслуживания мы просто физически не могли.

Энергоэффективность - это предмет нашей дальнейшей оптимизации, ну а сейчас мы смогли достичь подходящей для наших целей удельной продуктивности.

Какая нам нужна удельная продуктивность?

Известно, что человек в сутки в среднем выдыхает около 1 кг СО2. Для того, чтобы поглотить такое количество углекислого газа, нужно вырастить примерно 0,5 кг сухой биомассы хлореллы.

Таким образом, нам нужно выращивать в сутки 500 грамм сухой биомассы хлореллы.

Если мы выращиваем с удельной продуктивностью 1 г/л/сутки, то нам нужен реактор объемом 500 литров. Это примерно две ванны! Многовато! Если 5 г/л/сутки, то нужно 100 литров. Мы посчитали, что разумно остановиться на производительности, близкой к той, которую достигали коллеги из ИМБП в своем фотобиореакторе “Сирень”. У них было 15 г/л/сутки. Мы посчитали, что нам нужно не менее 10 г/л/сутки. При такой производительности установка для дыхания одного человека получается объемом 50 литров, что соответствует среднему домашнему аквариуму.

И вот сейчас мы с уверенностью можем сказать, что мы достигли удельной продуктивности порядка 12 г/л/сутки, что выше чем наши планы и близко к производительности “Сирени”! Это позволяет создать установку для дыхания человека разумных размеров! Ура!

Надо сказать, что путь к этому был не прост. Казалось бы, бери культуру, заливай в банку, подавай воздух и свет, и все будет ок! Но дьявол как всегда кроется в миллионах деталей.

Расскажу про самую последнюю проблему, которую мы решили в этом октябре. Это был перевод показаний нашего датчика оптической плотности (ОП) из его условных у.е. в г/л концентрации культуры. На пальцах все понятно, чем более “густая” культура, тем меньше она пропускает свет, и тем больше ее оптическая плотность. Из литературы известно, что ОП и концентрация связаны, и нам нужно было найти эту функцию пересчета.

Мы провели несколько серий измерений на наборе культур с различной оптической плотностью, но оказалось, что только культура, растущая в реакторе и взятая в различные моменты времени своего роста, обладает достаточной представительностью для калибровки! Это было неожиданно.

И это только одна из множества самых разнообразных проблем! Сейчас есть уверенность в высокой удельной продуктивности, и мы начинаем проектировать установку-демонстратор, которая делает человека чуть ближе к тому, чтобы неограниченно жить за пределами Земли!