Разработка модуля космической оранжереи

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Разработка модуля космической оранжереи

Шамсутдинова С.М. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Королёв Московской области "Гимназия №5"
Моливер Е.С. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Королёв Московской области "Гимназия №5"
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Аннотация.

С самого детства я интересовалась космосом и биологией. Мне всегда хотелось создать какой-нибудь модуль станции. Так как я интересуюсь биологией, я решила создать модуль оранжереи.

Однажды, на встрече с космонавтом Антоном Шкаплеровым (День открытых дверей ИКИ РАН), я задала вопрос о биологических экспериментах с организмами и микроорганизмами, которые проходили во время его миссий в космосе. И он мне ответил: «… мы выращиваем растения, смотрим, какие из них более-менее хорошо растут в космосе, какие не могут расти. Это нужно для длительных будущих космических полётов, чтобы мы смогли выращивать и потреблять их в пищу. Рацион наш очень разнообразный… Но всё это, конечно, не свежее: либо в консервах, либо восстановленное. Через месяц-два это всё приедается и толком ничего есть не хочешь, аппетита нет как такового… ешь просто потому, что надо есть».

Это не просто грустно — из-за недостатка аппетита космонавты часто теряют в весе, происходит нарушение условных пищевых рефлексов. А это неизбежно ведет к дисбалансу в работе пищеварительных желез, формирует предпосылки заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Также в 2024 году я принимала участие в летней космической школе при институте космических исследований РАН по направлению «Космическая медицина и биология». Одну из лекций вела Виктория Кириченко-участник изоляционного эксперимента SIRIUS-211, который проходил в наземном экспериментальном комплексе (НЭК), в эксперименте SIRIUS-21 Виктория была медиком, она проводила различные эксперименты, собирала различные, биологические материалы испытателей, например кровь. В НЭКе есть оранжерея, Виктория призналась, что в
ыращивание растений давало ей и большинству экипажа психологическую разгрузку.

Собственные грядки на борту могут давать космонавтам психологическую разгрузку, а также решить проблему с потерей аппетита. И я решила разработать проект космической оранжереи, чтобы в рационе космонавтов всегда присутствовали свежие овощи и витаминная зелень.

1. Цель работы:

Создать модуль оранжереи для выращивания различных культур.

2. Задачи проекта:

  1. Изучить современные методы выращивания различных овощных культур и сравнить их между собой.

  2. Создать макет космической оранжереи.

  3. Создать модель модуля в программе 3D моделирования Fusion 360.

3. Методы исследования:

1.Поисковый.

2.Аналитический.

3.Практический.

4.Наблюдение.

5.Фиксация результатов с помощью фототехники.

  1. Введение.

Размышляя о том, чем мы будем питаться при перелётах на другие планеты, первое, что приходит в голову, это растения. Но для того, чтобы их выращивать нужно определённое помещение. Для этого разрабатываются различные космические оранжереи. В этом проекте мне бы хотелось погрузится в историю выращивания растений в космосе, рассмотреть аналоги оранжерей в космосе, а также попытаться разработать собственную оранжерею

  1. Основное содержание.

1. История выращивания растений в космосе.

Первым растением, которое побывало в космосе была кукуруза. В июле 1946 года на ракете «Фау-2» или V-2, собранной в США семена кукурузы отправились в суборбитальный полет.

Первым растением, зацветшим в космосе, стала резуховидка Таля или Arabidopsis thaliana. Арабидопсис зацвел в 1982 году на советской космической станции «Салют-7», в микрооранжерее «Фитон-3», благодаря усилиям космонавтов Анатолия Березового и Валентина Лебедева.

Впервые в космосе растения прошли цикл от семени до взрослого стебля гороха. Но из 36 зерен взошли и выросли только три.

Первым растением, съеденным в космосе, стал лук. Его вырастили в 1978 году на космической станции «Салют-4» в установке «Оазис» космонавты Владимир Ковалёнок и Александр Иванченков.

Первые растения, облетевшие полностью Луну, стали деревья пяти хвойных и лиственных пород в 1971 году. Среди которых: сосна, секвойя, пихта, платан. Несколько сотен семян этих деревьев отправились в космос в 1971 году на корабле «Аполлон-14». 

Первые растения, вышедшие в открытый космос: горчица, рис, томат, редис, ячмень, арабидопсис и никандра. В 2007—2008 годах семена этих культур провели 13 месяцев в специальном контейнере на внешней обшивке МКС в рамках эксперимента «Биориск».

16 января 2016 года, в космической оранжерее Veggie на американском блоке МКС зацвела цинния (популярные декоративные красивоцветущие растения). 7 декабря 2020 г. у астронавтов, работающих на борту МКС получилось вырастить редис.

Также на орбите россияне вывели уникальный «космический хлопчатник».  Ранее самым ценным и дорогим считался египетский хлопок, длина волокна которого достигала 7 см. На «Салюте-7» вывели сорт, длина волокна которого – 20 см. Элитный вид хлопка в наши дни выращивают в Узбекистане.

2.Современные методы выращивания.

В невесомости растения могут расти двумя способами: они либо цепляются за поверхность и вьются вдоль неё, либо начинают тянуться к свету — всё зависит от их типа. Выращивают растения обычно на гидропонике (способ выращивания на искусственных средах без почвы). В закреплённые на горизонтальной поверхности ёмкости с искусственным субстратом сеют семена и создают условия, чтобы через капсулу или оранжерею прогонялся воздух. Для полива используют воду или другую питательную жидкость. Обычно она подаётся автоматически, хотя в европейском модуле МКС астронавты поливают растения вручную: из небольшого шприца они выдавливают воду через специальную трубочку прямо в субстрат.

3.Проблема выращивания растений в космосе.

1.Генетика растений.

з 36 зерен взошли и выросли только 3 семени гороха, которые прошли цикл от семени до взрослого стебля  гороха. Предположительно проблема возникла из-за генетически заложенной ориентации направления роста, т.е. проросток должен тянуться к свету, а корень в противоположную сторону.

2.Полив растений.

Невозможно поливать обитателей космического огорода, шарики воды разлетаются в разные стороны. Бортовые оранжереи оснащают системой дозированного полуавтоматического полива.

3.Радиация.

Космическая радиация, ведущая к мутации и повреждению ДНК. Теперь растения высаживают в специальных боксах, защищенных от радиационного воздействия.

4.Космические оранжереи.

Первые оранжереи в космосе появились на орбитальной станции «Салют» в 1971 году. Туда были отправлены замкнутые установки «Вазон» и «Оазис», где и проводились опыты. 

  1. Замкнутая установка «Оазис»

На орбитальной станции «Салют-4», запущенной в 1974 году, была установка «Оазис» для культивирования растений в невесомости. Данная установка была гидропоническая, земли не было, горошины должны были прорастать в пропитанной марле.

  1. Автоматическая оранжерея «Свет».

На станции «Мир» была установлена первая в мире автоматическая оранжерея под названием «Свет». Российские космонавты в 1990-2000-х годах провели в этой оранжерее 6 экспериментов. В оранжереи растили салаты, редис и пшеницу. В оранжерее «Свет» ориентирующим стимулом для побегов растений служил градиент светового поля, а для корневой системы были созданы адекватные режимы водообеспечения и минерального питания.

  1. Оранжерея «Лада».

Оранжерея «Лада» — модульная система, позволяющая формировать комплексы разной производительности. Один модуль состоит из нескольких основных блоков:

  • Блок управления;

  • блок освещения;

  • листовая камера;

  • корневой модуль;

  • канистра для воды.

  1. Оранжерея «Veggie»

Оранжерея «Veggie» - так называется космическая оранжерея-сад, установленная в начале 2014 года на борту МКС и принятая во всем мире как беспрецедентная новинка, вызвавшая большой энтузиазм и породившая важные ожидания на будущее. Проект стартовал в апреле 2014 года, когда прототип теплицы Veg-01 был отправлен на МКС в капсуле Dragon.

  1. The Advanced Plant Habitat (APH)

TheAdvancedPlantHabitat (APH)- крупнейший полностью автоматизированный исследовательский центр по выращиванию растений, который используется для проведения биологических исследований растений на Международной космической станции (МКС).

Ниже приведены основные характеристики некоторых оранжерей.

IV.Практическая часть.

1 этап. Сбор научной литературы.

Выше была приведена информация о растениях, которые выращивали на орбите, также я рассмотрела некоторые космические оранжереи, в которых выращивали эти растения. Сложнее всего было найти информацию об оранжереях.

2 этап. Создать блоки рассадки растений.

1 Шаг. Сначала я создала модель блоков рассадки из трёх пластиковых боксов (2 маленьких и одного большого), системы опрыскивания (дождевание2 и гидропоника3), фито лампы.

2 Шаг. У меня были семена микро-зелени и коврики, я намочила коврики и положила на них семена.

3 Шаг. Я поставила семена микро-зелени на прорастание, в тёмное тёплое место.

4 Шаг. Через 2 дня, когда семена проросли я положила их в модель блоков для рассадки.

5 Шаг. Через неделю блок рассадки выглядел так:

3 этап. Создание оранжереи в программе Fusion 3604.

Перед началом создания оранжереи хотелось бы сказать, что оранжерею я делала во время проведения Космического чемпионата в рамках международного аэрокосмического фестиваля5.

1 Шаг. Для начала я решила воссоздать блоки в программе Fusion 360, и вот, что у меня вышло:

2 Шаг. Следующим шагом я «размножила» блоки рассадки:

3 Шаг. Сделать крепежи к основе модуля:

4 Шаг. Сделать внешнюю часть модуля:

5 Шаг. Обозначить части модуля:

4 этап. Продумать какие растения будут расти в оранжереи.

Изучив информацию, о растениях, которые уже выращивали в космосе, я пришла к выводу, что в моей оранжереи будут расти следующие растения:

  • Японская капуста (Мизуна (Brassica rapa subsp. nipposinica var. laciniata)) принадлежит к семейству Капустные и по ботаническим характеристиками она ближайшая родственница капусты пекинской и китайской. Кочан не образует, а урожай отдает в виде пышной розетки зеленых или фиолетовых листьев, которая может достигать высоты 40-50 см. Мизуну называют японской капустой за ее азиатское происхождение. Польза японской капусты:микрозелень мизуны богата антиоксидантами, поэтому она эффективна при малокровии, является отличным средством профилактики раковых заболеваний, а также повышает уровень иммунитета.

  • Хлопок-волокно растительного происхождения, покрывающее семена хлопчатника; важнейшее и наиболее дешёвое из распространённых растительных волокон.

  • Редис-однолетние или двулетние растения из рода Редька семейства Капустные. По современной классификации в отдельный ботанический таксон не выделяется, но представляет собой сортогруппу в составе подвида Редька дикая подвид посевная (лат. Raphanus raphanistrum subsp. sativus).  Профилактика авитаминоза. Позволяет держать под контролем давление. Содержание витамина PP, калия и магния делает редис полезным для укрепления сосудов, снижения артериального давления.Нормализует работу желудочно-кишечного тракта. Полезен для нервной системы. 

  • Перцы-название ряда различных растений, а также распространённых пряностей, получаемых из их плодов. Он укрепляет стенки сосудов, обеспечивая профилактику атеросклероза, оказывает антиоксидантное действие. 

  • Морковь-род растений семейства Зонтичные (Apiaceae), двулетнее растение (редко одно- или многолетнее), в первый год жизни образует розетку листьев и корнеплод, во второй год жизни — семенной куст и семена. Содержит большое количество витаминов и микроэлементов. Помогает снизить уровень холестерина. Улучшает работу пищеварительной системы.

  • Картофель- вид многолетних клубненосных травянистых растений из рода Паслён (Solanum) семейства Паслёновые (Solanaceae). Клубни картофеля являются важным пищевым продуктом.Источник сложных углеводов, которые обеспечивают организм энергией. Калий участвует в поддержании здоровья сердечно-сосудистой системы (борется с гипертонией). Железо, фосфор, кальций, магний и цинк помогают росту и укреплению костей. Белки обеспечивают организм 14 из 12 необходимых аминокислот.

  • Томаты-однолетнее или многолетнее травянистое растение, вид рода Паслён (Solanum) семейства Паслёновые (Solanaceae).  Хороший источник клетчатки, в них содержится около 1,5 г на плод среднего размера. При этом в них мало углеводов, которые состоят в основном из простых сахаров и нерастворимых волокон. Томат обогащает организм витамином С (28% от суточной нормы), который улучшает работу иммунной системы, здоровье кожи и считается природным антиоксидантом.

  • Базилик-род однолетних и многолетних трав и кустарников семейства Яснотковые (Lamiaceae).Базилик помогает в очистке крови, создавая и укрепляя иммунную систему для борьбы с инфекциями и болезнями.

  • Салат руккола-однолетнее травянистое растение рода Индау (Eruca) семейства Капустные (Brassicaceae).Руккола – это настоящее растение-мультивитамин, содержащее множество полезных веществ:
    бета-каротин; витамины Е, С, К и группы В; микроэлементы: железо, цинк, селен, марганнец макроэлементы: магний, натрий, фосфор, калий, кальций.

5 этап создать эмблему.

Эмблему я рисовала сама, на ней изображён модуль оранжереи, планета Земля.


6 этап. Продумать дальнейшую реализацию проекта.

1. Вес с ракетоносителем (Ангара А5М)-750 тонн

2. Место старта-космодром Восточный

3. Орбита-Полярная6

4. Место утилизации-Точка немо7

V. Вывод. Заключение.

  1. Изучены современные методы выращивания различных овощных культур, отобраны виды культур, соответствующие требованиям выращивания в условиях космоса

  2. Разработан модуль оранжереи, создана модель модуля.

Мне понравилось работать над данным проектом, я усовершенствовала свой опыт работы в программе Fusion 360.

В феврале я была на встрече с космонавтом Сергеем Николаевичем Рыжиковым, который сказал: «Очень мы ждали доставку новой российской оранжереи «Лада-2», но к сожалению из-за аварии ракетоносителя, «Прогресс» не долетел в 2016 году, но надеемся, что в скором времени будет доставлена новая оранжерея и эти эксперименты продолжаться, потому что опыт хороший наработан, как с нашей стороны, так и у наших партнёров, они до сих пор выращивают различные виды растений и овощей, вот числе пробуя их на вкус».

Но как рассказал заместитель директора Института медико-биологических проблем Российской академии наук (ИМБП РАН) Владимир Сычев, создавать аналог установки «Лада-2» не планируется.

Поэтому я надеюсь, что мою задумку в скором времени начнут осуществлять.

VI. Список литературы.

1. https://www.roscosmos.ru/31395/

2. https://www.energia.ru/ktt/archive/2019/02-2019/02-04.pdf

3. https://science.nasa.gov/mission/advanced-plant-habitat/

4. https://cosmos.vdnh.ru/izdoma/kosmicheskie-oranzherei/

5. https://www.roscosmos.ru/33603/https://www.roscosmos.ru/33603/

6. https://aogarden.ru/news/rasteniya-v-kosmose-chto-vyrashchivayut-na-mks/

7. https://habr.com/ru/articles/722804/

Приложение.

1. «SIRIUS-21» — международный научный проект, который проводится совместно институтом медико-биологических проблем Российской академии наук (ИМБП РАН) и NASA.

Его главная цель — изучить психологические и биологические вопросы обеспечения длительных полетов в космос.

2. Дождевание — это один из способов полива растений, при котором вода под напором выбрасывается в воздух, дробится на капли и поступает на поверхность почвы и к растениям в виде искусственного дождя. 

3. Гидропоника — это способ выращивания растений на искусственных средах без почвы. Питание растения получают из питательного раствора, окружающего корни.

4. Fusion 360 — это программный продукт для 3D-моделирования, проектирования и расчетов.

5. Космический чемпионат в рамках международного аэрокосмического фестиваля — в 2023 году чемпионат проходил в Свердловской области. В нём приняли участие 150 ребят из 30 регионов России. Они занимались проектной деятельностью в области аэрокосмических технологий.

Все участники были разделены на четыре конструкторских бюро (Конструкторское бюро им. С.А. Лавочкина, Конструкторское бюро им. С.П. Королева, Конструкторское бюро им. Н.А. Семихатова, Конструкторское бюро им. Н.Э. Баумана). В каждом конструкторском было 7 треков (Трек «Генеральные конструкторы», Трек «Пилотируемая космонавтика», Трек «Космические аппараты», Трек «Космическая робототехника», Трек «Летательные аппараты», Трек «Наука в космосе. Дистанционное зондирование Земли», Трек «Космический туризм»). У каждого КБ был свой куратор — эксперт предприятия ракетно-космической отрасли или ведущего университета, который готовит специалистов для этой сферы.

Попав на чемпионат меня распределили в конструкторское бюро им. С.А. Лавочкина, на трек «Наука в космосе. Дистанционное зондирование Земли». В моём треке я была специалистом по научной деятельности на орбитальной станции, моя работа заключалась в создании научного модуля. Я сделала модуль оранжереи, так как у меня уже была разработка по этому поводу.

Чемпионат длился 6 дней, по итогу чемпионата я стала призёром, а эксперты отметили, что у меня получилась очень красивая оранжерея.

Полярная орбита- орбита, которая перпендикулярна экватору, что видно на рисунках.

7. Точка Немо — это самая удаленная от суши место на Земле, также называемая океаническим полюсом недоступности. Полюс недоступности — это место, которое наиболее сложно достигнуть из-за её удалённости, обычно от береговой линии. Одним словом, идеальное место для захоронения КА и фрагментов станции, например. в данном месте была захоронена советская станция «Мир».

Просмотров работы: 163