Большинство проектов всевозможных лунных и космических баз длительного обитания исходят из того, что продовольственные проблемы будут решены легко и просто. Часть проектов космической колонизации делает ставку на доставляемые с Земли запасы заранее произведенного продовольствия, а другая часть делает ставку на замкнутые экологические системы. Родоначальником этого подхода был знаменитый эксперимент «Биосфера-2», проведенный в США в 1991-1994 годах.
Этот эксперимент дал много ценной научной информации, но дал при этом провальные итоговые результаты. Во-первых, сообщество людей, живших внутри изолированного комплекса (8 человек: четверо мужчин и четыре женщины) раскололось на две враждующие группы. Во-вторых, по идее биосфера должна была обеспечить людей внутри необходимым питанием и обеспечивать замкнутый круговорот веществ, основанный на фотосинтезе. Но в действительности, замкнутая биосфера начала распадаться уже через несколько недель. В комплексе стали бурно размножаться микробы и насекомые (особенно тараканы и муравьи), что привело к уничтожению растений и резкому падению содержания кислорода в воздухе. Содержание кислорода падало на 0,5% в месяц, что привело к кислородному голоданию людей. Нехватка растительной пищи привела к недоеданию. Ну да, голод и нехвата кислорода — что еще нужно для возникновения конфликтных ситуаций? Организаторы эксперимента закачивали внутрь «Биосферы-2» кислород и передавали участникам продукты, что равнозначно признани провала эксперимента.
Если уж не удалось сделать на Земле, в тепличных условиях, то, разумеется, и подавно не получится в космосе. Есть много адептов замкнутых биосфер, которые с пеной у рта защищают свои идеи. При всем научном интересе к таким опытам, надо все же признать, что не заработало, да и вряд ли заработает потом. Строить искусственные биосферы — это пока что не при нашем уровне знаний о биологической жизни. К тому же, для искусственной биосферы нужно большое пространство: планета или крупный спутник. На сравнительной небольшой лунной, астероидной космической станции все равно создать замкнутую биосферу, вероятнее всего, не получится, а тем более, сделать ее производящей и обеспечивающей космонавтов продовольствием.
Проблема кажется неразрешимой. Однако, можно предложить решение из разряда перспективных, которое еще потребует изысканий и опытов. Суть решения такова: синтез пищевых веществ из элементарных молекул: водорода, кислорода, углерода (или их соединений в виде угарного газа), азота.
На эту мысль меня навело существование в межзвездном космосе сложных органических молекул. Двухатомные молекулы были открыты еще в 1930-е годы, а в 1962 году изучение радиоспектров привело к открытию первой сложной органической молекулы — формальдегида. Теперь известна целая номенклатура молекул, включающая в себя более 100 видов, включающие, к примеру, ацетон, этиленгликоль, этилформиат, метилацетат, бензол, акрилонитрил, виниловый спирт и так далее — то есть сложные молекулы, более чем в 10 атомов.
Вероятнее всего, такие сложные молекулы образуются из элементарных веществ и простых соединений, таких как водород, кислород, угарный газ, трикарбон (соединение трех атомов углерода), этиниловый радикал (не существует на Земле) и так далее. Чтобы появилась крупная молекула, нужно приложить некоторую энергию, необходимую для преодоления сил межатомного отталкивания. В космосе, как следует из экспериментов, проведенных в Канаде, эти сложные молекулы образуются под воздействием разных видов высокоэнергетического излучения. Исследователям удалось в искусственно воссозданных условиях космоса (глубокий вакуум, температура 22 Кельвина) облучением пучком электронов частиц льда с включением углекислого газа, метана и аммиака получить молекулы аминокислоты — глицина.
Все используемые нами в пищу продукты с химической точки зрения представляют собой смесь сложных углеводородных молекул. Раз такую молекулу можно синтезировать искусственно и целенаправленно, с помощью электронно-лучевой пушки, то в принципе открывается возможность синтезировать из элементарных веществ и простейших соединений любое органическое вещество. Например, жиры — сложные эфиры карбоновых кислот и глицерина. Пищевой продукт, в сущности, смесь ряда сложных органических веществ. Для получения жира нужно синтезировать глицерин и набор карбоновых кислот. Чтобы получить, скажем, свиной жир, нужно 27% пальмитиновой, 14% стеариновой, 45% олеиновой и по 5% линолевой и линоленовой кислот.
Самое простое из пищевых веществ — это углеводы, например глюкоза, содержащая в своей молекуле 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода.Молекула жирной кислоты, например, олеиновой, посложнее и содержит 18 атомов углерода, 34 атома водорода и два атома кислорода. Белки еще сложнее. Один из простейших пищевых белков — казеин, содержит 81 атом углерода, 125 атомов водорода, 22 атома азота, 39 атомов кислорода и атом фосфора.
Выглядит сложно, но все поддается изучению и промышленному освоению. Принципиально можно производить пищевые продукты в космосе, опираясь, к примеру, на астероиды. Этот процесс можно в общих чертах описать так. Первая стадия производства: выделение и накопление элементарных веществ и производство простейших соединений - «заготовок» для сложных молекул. Вторая стадия: «сшивка» электронным лучом сложных молекул из «заготовок». Третья стадия: смешивание произведенных сложных молекул в определенной пропорции для получения пищевого продукта, годного к употреблению.
На Земле такой фокус сделать в больших масштабах не получится, поскольку получение нужных условий — глубокого вакуума и очень низких температур — требует сложного и очень дорогостоящего оборудования, вместе с большими затратами энергии. В дальнем космосе же глубокий вакуум и низкие температуры даровые, так сказать, за счет мироздания. Потому там можно сравнительно легко и свободно производить такие операции, синтезируя самые разнообразные органические вещества.
Это все описано буквально в двух словах. Понятно, что потребуется еще большая исследовательская и опытно-конструкторская работа, прежде чем будет освоено в больших масштабах синтезирование сложных органических веществ и прежде чем из них будет создан первый полностью искусственный пищевой продукт. Однако, на мой взгляд, это рано или поздно будет сделано.
Что из этого следует?
Во-первых, появляется возможность обеспечения продовольствием любых типов космических баз, станций, кораблей. Комплект оборудования для получения пищевых продуктов путем прямого синтеза не должен получиться грандиозным по размерам и энергопотреблению. Такие технологии стоит развивать в сторону универсальности и возможности производства всех видов пищевых продуктов на одной установке.
Во-вторых, становятся интересными и ценными с космическо-хозяйственной точки зрения астероиды с содержанием органических веществ, различные облака газов и распыленных органических веществ, космическая пыль и тому подобные источники как элементарных веществ, так и их соединений, простейших и сложных, образовавшихся в естественных условиях.
С опорой на эти сырьевые ресурсы уже можно будет создавать отдаленные от Земли обитаемые базы, которые не будут иметь с Землей постоянной экономической связи (то есть, проще говоря, не будут зависимы от поставок с Земли продуктов жизнеобеспечения: воздуха, воды и продовольствия; с этой точки зрения МКС зависима от Земли по продуктам жизнеобеспечения). Иными словами, люди смогут улетать с Земли и жить на космических базах долго, десятилетиями, возможно, всю жизнь, питаясь искусственно синтезированными пищевыми продуктами. Это возможность предсказанного К.Э. Циолковским расселения в космосе.
С этой точки зрения синтез пищевых продуктов из элементарных веществ — это краегоульный камень дальнейшей космической экспансии. Именно это, а вовсе не какие-то новейшие двигатели, обеспечит рывок в дальний космос.
Есть и еще одна возможность, о которой стоит упомянуть. Эта космическая технология прямого синтеза пищевых веществ, которая на Земле воспроизводима с очень большим трудом, может стать новым источником продовольствия для земного населения. Если, к примеру, разместить за орбитой Луны на круговой орбите перерабатывающий комплекс, подтягивать к нему сырье в виде разного рода астероидов, то вполне можно перейти к производству концентрированных пищевых веществ. Они в дальнейшем перебрасываются на низкую околоземную орбиту и оттуда сбрасываются на Землю в специальных спускаемых аппаратах. На Земле они вовлекаются уже в окончательную переработку в готовые пищевые продукты.
Все это, конечно, очень отдаленные перспективы. Но они очень важны для понимания дальнейшего развития космонавтики и всех сопутствующей ей научно-технических направлений. Опыты по искусственному синтезу сложных углеводоров уже делаются. Отлично! Теперь нужно добиться: а) наработки синтезированных веществ в достаточном количестве и номенклатуре, чтобы получить готовый пищевой продукт; б) создать и запустит космический аппарат, который проделает эти же операции в космосе, то есть в наиболее благоприятных для этого условиях. И того, и другого, думается, можно добиться уже в обозримом будущем.
