Аквасфера - Координационный научно

Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Демонстрация формирования и развития замкнутой
экологической микросистемы в условиях космического полёта»
(шифр: «Аквасфера»)
1 Сущность исследуемых проблем
Проект космического эксперимента «Аквасфера» разрабатывается
учеными
и
специалистами
ГНЦ РФ-ИМБП РАН,
РКК «Энергия»,
преподавателями и учащимися Московского Центра образования №1682
совместно с Московским городским дворцом детского (юношеского)
творчества. В качестве участника КЭ в части подготовки образовательных
материалов,
учебно-методических
пособий
по
результатам
КЭ
и
распространения в системе образования учебно-методических пособий,
созданных на основе результатов КЭ, привлекается АНО МУНЦ «Космос».
Проблемы, исследуемые в научно-образовательном космическом
эксперименте «Аквасфера», относятся к разделам курсов экологии и
биологии, входящим в программу обучения в сфере среднего и высшего
образования.
В
данном
космическом
эксперименте
предполагается
продемонстрировать учащимся процесс формирования и организации
симбиоза различных водных животных организмов и растений в условиях
космического полета и изучение их развития в замкнутой экологической
микросистеме, а также провести сравнительный анализ с наземными
условиями.
Исследуемая проблема
Важным разделом научной деятельности в космосе является изучение
жизнедеятельности растений и животных, их развитие и особенности,
1
которые появляются вследствие воздействия факторов космического полета.
Одной из целей многих космических экспедиций было выращивание на
орбитальной станции растений тех или иных видов и различных животных.
Вызывает интерес не только возможность выращивания в космосе живых
организмов, но и влияние факторов космического полета на их развитие,
качественные и количественные характеристики, а также возникновение и
формирование различных симбиозов растений и животных.
Гравитация
является
важным
фактором,
влияющим
на
жизнедеятельность организма, процессы формирования клеток, метаболизм,
физические условия химических реакций, которые являются основой
физиологических процессов. Известно, что в водной среде, где плотность
мелких водных животных и растений незначительно отличается от плотности
самой среды, такие биообъекты, находясь в жидкой иммерсионной
(поддерживающей) среде, и на Земле находятся в условиях «относительной
невесомости». Однако в условиях невесомости космического полета в
жидкости отсутствуют такие явления, как конвективное перемешивание
среды, седиментация и плавучесть частиц, существенно изменяющие
динамику
и
эффективность
массообменных
процессов
животных
и
растительных биообъектов. Именно этот фактор на первый взгляд является
одним
из
основных,
способных
повлиять на
процесс
организации
устойчивого симбиоза водных животных организмов и растений в условиях
космического
полета
в
водной
среде
замкнутой
экологической
микросистемы.
В данном эксперименте рассматривается процесс адаптации различных
водных животных организмов и растений как к условиям воздействия
факторов космического полета, так и друг к другу в изолированной водно воздушной среде. В процессе развития и возможного размножения
животных
организмов
и
растений
в
условиях
микрогравитации
и
непосредственного «соседства» друг с другом могут возникать отклонения от
типичного развития их в земных условиях – изменения в поведении,
2
устойчивости к физико-химическим характеристикам окружающей среды и
видам
питания,
внешнем
виде,
появиться
другие
приоритеты
для
направления развития.
2 Краткая история и состояние вопроса
Использование ресурсов и возможностей пилотируемых космических
станций и кораблей в целях образования становится одним из важнейших
направлений зарубежных и отечественных космических программ. В
российской программе НПИ на РС МКС образовательные эксперименты
занимают приоритетное место и выделены в отдельное направление.
22 июня 2005 года было принято решение Координационного научнотехнического совета Федерального космического агентства по развитию
научно-образовательных экспериментов на РС МКС.
28 июня 2005 года утвержден план мероприятий по участию
Федерального космического агентства в образовательной деятельности
предприятий космической отрасли. На РС МКС к настоящему времени
выполнен ряд оригинальных космических экспериментов по различным
разделам школьного и высшего образования.
Ранее образовательный эксперимент с наименованием «Экосфера»
проводился американскими студентами на станции «Мир», в котором в
герметичном сосуде в озерной пресной воде в течение двух месяцев
инкубировались мелкие водные животные (креветки, циклопы) и несколько
водных растений. По наблюдениям экипажа станции «Мир» в первую
неделю эксперимента отмечалось помутнение среды в гермососуде с
последующим
восстановлением
установлении
нового
ее
состояния
прозрачности,
экосистемы.
что
Однако
говорило
об
результатами
эксперимента являлись только периодические видеозаписи с наблюдением
состояния среды в гермососуде. (Поскольку эксперимент проводился на
коммерческой
основе,
постановщика
КЭ).
По
его
результаты
условиям
3
являлись
эксперимента
собственностью
после
истечения
двухмесячного инкубирования гермососуд с экосистемой не возвращался на
Землю и был утилизирован.
На РС МКС должно быть выполнено не менее одного сеанса
планируемого КЭ «Аквасфера» продолжительностью от 100 до 200 суток с
последующим возвращением на Землю не только фото и видеозаписей, а
также гермососуда с установившейся экосистемой.
Космический научно – образовательный эксперимент «Аквасфера»
относится к курсу биологии и экологии в рамках учебного процесса
учащихся средней и высшей школы и является проектом с новой
постановкой задач для реализации на борту Международной космической
станции по направлению научно-образовательных экспериментов.
3 Необходимость проведения эксперимента в космосе
Основными целями российской научно-образовательной программы
космических экспериментов являются:
1) использование возможностей российского сегмента Международной
космической станции для реализации демонстрационных, исследовательских
и познавательных учебных проектов.
2) создание условий для привлечения молодежи к самостоятельной
научно-исследовательской
деятельности
под
руководством
ведущих
специалистов предприятий и организаций космической отрасли;
3) развитие у молодежи интереса к научно-техническому творчеству,
исследованию
космоса,
изучению
истории
и
перспектив
развития
космонавтики и ракетной техники;
5) совершенствование
учебных
программ,
учебно-методических
пособий и расширение экспериментальной базы педагогической науки.
Поскольку
космический
эксперимент
«Аквасфера»
должен
продемонстрировать процесс формирования и организации симбиоза
различных водных животных организмов и растений в условиях
космического полета, для его проведения необходимо обеспечить
длительное, в течение нескольких месяцев, состояние невесомости, что
4
возможно осуществить на космической станции.
Таким образом, эксперимент «Аквасфера» полноценно может быть
выполнен только на борту Российского сегмента Международной
космической станции, где условия относительной невесомости существует
постоянно.
4 Описание космического эксперимента «Аквасфера»
Устройство для проведения эксперимента представляет собой
герметичный сосуд, наполненный водой с небольшим количеством воздуха,
куда помещаются различные семейства живых организмов и водных
растений, адаптировавшиеся к взаимному существованию в замкнутой
водной питательной среде. Учитывая относительную простоту конструкции,
техническая возможность создания НА с заданными свойствами не является
проблематичной. При этом, конструктивное исполнение гермососуда (с
соблюдением требований безопасности) обеспечит отсутствие рисков и
дискомфорта для экипажа, но будет способствовать созданию благоприятной
психологической обстановки в экипаже.
Сеанс эксперимента заключается в размещении сосуда на рабочем
месте в обитаемом отсеке РС МКС, в котором имеются наименьшие
перепады температур, а герметичность экспериментального сосуда будет
обеспечивать постоянное внутреннее давление в жидкой среде. Затем
производится установка вспомогательного средства освещения содержимого
сосуда и настройка циклограммы его работы для создания светотеневой
обстановки в среде сосуда «Аквасфера» с развивающимися животными и
растениями. Светотеневая обстановка в сосуде «Аквасфера» должна
обеспечиваться функциями циклического автоматического включения и
отключения освещения осветителя. В качестве вспомогательной
осветительной аппаратуры предусматривается использование из состава НА
«Система локального освещения» устройств «Светодиодный осветитель» и
«Преобразователь питания».
В ходе сеанса - инкубирования микросистемы в течение от 100 до 200
суток - необходимо начать наблюдение за поведением экологического
состояния микросистемы в несвойственных ей условиях, периодически
производить фото - и видеосъемку сосуда и изменений, происходящих в
водной среде экологической микросистемы, отмечая изменения в развитии и
5
общее состояние микросистемы. В условиях невесомости живые организмы,
находящиеся в сосуде, начнут адаптироваться к изменившимся внешним
условиям, друг к другу, и возможно с появлением нового «космического»
потомства биообъектов. После завершения сеанса эксперимента гермососуд
с экосистемой, фото и видеоматериалы возвращаются на Землю для анализа.
5 Новизна и качественный уровень
В
эксперименте
«Аквасфера»
предполагается
не
только
продемонстрировать, а также исследовать процесс адаптации живых
организмов и изменения в экосистеме вследствие воздействия космических
факторов, но и дать возможность учащимся провести их сравнительный
анализ с состоянием экосистемы в наземных условиях с использованием
фотоснимков, видеоматериалов и образцов возвращенных из космоса
биообъектов.
Новизна эксперимента заключается в том, что прежде в космических
условиях
не
демонстрирующие
проводились
эксперименты,
многомесячное
исследующие
инкубирование
водных
или
живых
организмов в их среде обитания с возвращением на Землю для лабораторных
исследований «космических долгожителей» или их потомства.
С этой точки зрения эксперимент «Аквасфера» отличается от
предыдущих образовательных космических экспериментов новизной и
высоким экспериментальным уровнем.
6 Ожидаемые результаты и их использование
В эксперименте ожидается получение информации о наглядном
наблюдении в различные этапы времени процесса изменений экологического
состояния микросистемы в водно - воздушной среде в космических условиях.
Также будут получены данные сравнительного анализа характеристик
состояния микросистемы, находившейся в невесомости и содержащейся в
земных условиях.
Предполагается
получить
также
6
информацию
о
биологических
особенностях формирования и сохранения водной экосистемы в условиях
космического полета.
В эксперименте «Аквасфера» помимо регистрации качественной
картины визуальных изменений развития и симбиоза внутри экосистемы в
условиях невесомости, предполагается получить также информацию для
понимания вопросов об адаптации, как водных растений, так и водных
животных
к
изменению
условиям
невесомости,
жизнеспособности
в
их
условиях
взаимодействию,
длительного
развитию,
воздействия
невесомости.
По результатам эксперимента предусматривается выпуск научно –
образовательного методического пособия для учащихся и презентационного
материала по теме «Демонстрация формирования и организации симбиоза
различных
водных
животных
организмов
и
растений
в
условиях
космического полета и изучение их развития в замкнутой экологической
микросистеме». Полученный экспериментальный материал с результатами
эксперимента предполагается использовать в научно - образовательных
целях курсов экологии и биологии в учебном процессе учащихся средней и
высшей школы.
7