ПОДБОР РАСТЕНИЙ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЁТА С ЦЕЛЬЮ ОБОГАЩЕНИЯ РАЦИОНА ПИТАНИЯ КОСМОНАВТОВ

SELECTION OF PLANTS FOR CULTIVATION IN SPACE FLIGHT CONDITIONS IN ORDER TO ENRICH THE DIET OF ASTRONAUTS

Taisiia Dodul

Student, Department of ''Rocket Science'', Baltic State Technical University "VOENMEH" D.F. Ustinova,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Настоящая статья посвящена подбору растений, которые по своим характеристикам являются наиболее подходящими для выращивания в бортовых оранжереях в условиях космического полёта. На данный момент эта тема является особенно актуальной: в связи с освоением космического пространства и планированием длительных космических полётов возникает необходимость обеспечения космонавтов соответствующим питанием. Оно должно удовлетворять суточной потребности человека в энергии и количестве нутриентов (биологически значимых веществ, из которых макронутриенты – белки, жиры, углеводы, микронутриенты: витамины и минеральные вещества), а также, насколько это возможно, не зависеть от ресурсов Земли, то есть пополняться обособленно. Это может быть достигнуто при использовании бортовой космической оранжереи, в которой будет возможно выращивание различных агрокультур.

ABSTRACT

This article is devoted to the selection of plants that, according to their characteristics, are the most suitable for growing in onboard greenhouses in space flight conditions. At the moment, this topic is particularly relevant: due to the exploration of outer space and the planning of long-term space flights, it is necessary to provide astronauts with appropriate nutrition. It should satisfy the daily human needs for energy and the amount of nutrients (biologically significant substances, of which macronutrients are proteins, fats, carbohydrates, micronutrients: vitamins and minerals), and also, as far as possible, not depend on the resources of the Earth, in other words, be replenished separately. This can be achieved by using an onboard space greenhouse, where it will be possible to grow various agricultural crops.

Ключевые слова: растения, минералы, пищевая ценность, витамины, нутриенты, рацион, питание космонавтов, космическая оранжерея, условия космического полёта, ионизирующая радиация, радиопротекторные свойства.

Key words: plants, minerals, nutritional value, vitamins, nutrients, diet, nutrition of astronauts, space greenhouse, space flight conditions, ionizing radiation, radioprotective properties.

Введение

Стремительное развитие космической отрасли и деятельность в освоении космического пространства требуют решения множества разноплановых научных и технических задач. Одной из таких задач является организация питания космонавтов с учётом специфики уклада жизни и трудовой деятельности на борту космического корабля. С увеличением продолжительности космических полётов (от Земли до Луны, Марса и иных более далёких объектов) актуальность этой проблемы будет лишь расти в связи с ограничением или даже невозможностью пополнения ресурсов с Земли.

На данный момент Международная космическая станция (МКС) является реально существующим примером планирования питания людей в условиях космического полёта в течение определённого срока. Используемые на сегодняшний день рационы бортовых инженеров удовлетворяют физиологическим нормам и достаточны для жизнедеятельности во время космических экспедиций [1]. И всё же множество консервированных разнообразными методами продуктов и недостаток свежей растительной пищи оставляют нерешённой проблему обеспечения космического экипажа продуктами, которые естественным образом содержат соответствующие питательные вещества, витамины и минералы.

В настоящее время наиболее подходящим решением данного вопроса считается космическая оранжерея, представляющая собой совокупность систем, предназначенных для выращивания растений на борту корабля в условиях космического полёта.

Подобную идею первым среди учёных высказал Константин Эдуардович Циолковский ещё в 1929 году (задолго до появления человека в космическом пространстве). С 1960-х годов советские учёные приступили к созданию прототипов космических теплиц, а уже с 1980-х установки начали отправлять на орбиту (оранжереи "Светоблок", "Вазон", "Фитон", "Оазис" [2]).

По итогам проводимых на орбитальной станции "Мир" опытов было доказано, что высшие растения при выращивании их в условиях космического полёта проходят идентичный цикл онтогенеза (индивидуального развития организма), что и на Земле, и в целом не отличаются по своим показателям биометрии и морфологии от образцов, полученных в земных оранжереях [3]. Это позволяет сделать вывод о том, что и в космической оранжерее высшие растения способны на нормальные рост, развитие, репродукцию, а также обмен веществ и энергии. Благодаря чему допускается возможность применять свежевыращенные продукты в рационе бортового экипажа.

С целью формирования космического питания с учётом использования продуктов, полученных в прототипах космических оранжерей, регулярно проводится большое количество исследований. Например, в 2008 году по результатам подобной разработки рационов питания Институтом физики АН РФ, НИИ ПП и СПТ было подтверждено, что наличие свежих овощей в рационе удовлетворяло бы потребности космонавтов в количестве витаминов и минералов, установленном как ежедневная норма. Более того испытуемые отметили, что сочетание в пище как сублимированных, так и свежих продуктов положительно сказывалось на их трудоспособности и существенно влияло на разнообразие рациона. [4]

Многолетние эксперименты и исследования подтверждают необходимость внедрения свежей растительной пищи в рацион космонавтов с точки зрения как технического, так и медицинского аспектов. Одним из значительных этапов реализации данной задачи можно по праву считать подбор растений, наиболее подходящих для выращивания в космической оранжерее. В настоящей статье на тему этого этапа и будет проведено исследование.

Подбор растений

Выполнение задачи полноценного подбора агрокультур для выращивания в условиях космического полёта в реальности представляет собой многоэтапный и довольно длительный процесс. Трудно определить точное количество показателей для данного отбора, так как их огромное множество. Таким образом, решение этого вопроса сводится к выбору наиболее существенных критериев, а уже на их основании – выбору наиболее подходящих под эти критерии растений.

Ключевые требования к отбираемым растениям:

1. высокая пищевая ценность;
2. размер, подходящий под конкретную космическую оранжерею;
3. минимум обработки перед непосредственным употреблением;
4. неприхотливость;
5. высокая урожайность.

Следует рассмотреть каждое из требований в отдельности.

Высокая пищевая ценность. Как говорилось ранее, цель космической оранжереи – дополнить рацион космонавтов естественными питательными веществами. Подбор растений по пищевой ценности базируется на трёх характеристиках:

• калорийность (энергетическая ценность);
• количество белков, жиров, углеводов, клетчатки;
• количество витаминов, минеральных веществ (макро- и микроэлементов).

Чем выше удельные (например, на 100 грамм) значения этих характеристик у растений, тем они предпочтительнее для выращивания.

Условия космического полёта являются экстремальными для организма, так как подвергают его влиянию ряда неблагоприятных воздействий. В связи с этим при составлении питания космонавтов необходимо обратить внимание на следующие моменты [5; 6; 7]:

• пектин, содержащийся в достаточном количестве в овощах (свёкла, морковь, редис) и фруктах (яблоки, абрикосы, груши, сливы), помимо обладания антиоксидантными свойствами, способствует нормальной деятельности пищеварительной системы и выведению из организма солей тяжёлых металлов, желчи, радионуклидов;
• соединения магния и калия регулируют работу сердечно-сосудистой системы (содержатся в таких культурах, как кресс-салат, укроп, шпинат, базилик, брюссельская капуста, рукола);
• продукты, содержащие медь, марганец, кремний (рукола, ананас, укроп, латук посевной, кресс-салат, базилик) проявляют антиоксидантные свойства, способствуют нормальной работе сердечно-сосудистой системы, а также повышают иммунитет;
• за нормализацию деятельности нервной системы, подверженную риску в экстремальных для организма условиях космического полёта, отвечает витамин В6 (перец болгарский, кресс-салат, цветная капуста);
• водно-солевой обмен поддерживается соединениями натрия (свёкла, сельдерей, горох).

Одним из наиболее негативных воздействий на организм во время пребывания человека на борту космического корабля является ионизирующая радиация (вызываемая радиационными поясами Земли, галактическим космическим излучением – ГКИ – и солнечным космическим излучением – СКИ), величина которой достигает значительно больших значений, в сравнении со значениями на Земле; это происходит по причине того, что магнитное поле Земли защищает все находящиеся на планете организмы от данной радиации [8]. Вследствие этого, необходимо составлять рацион космонавтов так, чтобы он обладал радиопротекторными свойствами [1; 5; 6; 9]:

• включать продукты с повышенным содержанием бета-каротина (морковь, тыква, петрушка, капуста кале, дыня, персик, манго);
• сохранять растительные и животные белки в рационе в равном соотношении (богаты растительным белком бобовые, брюссельская капуста, петрушка, базилик, шпинат, брокколи), а растительные и животные жиры – в соотношении 1:3 (богаты растительными жирами авокадо, орехи, семена, бобовые);
• для нормального функционирования щитовидной железы, отвечающей за метаболизм и теплорегуляцию, обогащать рацион продуктами, содержащими йод (брокколи, виноград, шпинат, картофель);
• включать витамины группы В, отвечающие за работу мозга, мышц, нервной, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем (фасоль, кресс-салат, брокколи, брюссельская капуста, картофель, болгарский перец, банан, груша, гранат);
• вводить продукты с содержанием солей калия и кальция, которые препятствуют связыванию радионуклидов с тканями и способствуют выведению радионуклидов из организма (базилик, шпинат, укроп, петрушка, рукола);
• содержание в рационе космонавтов витамина Е должно превышать в 3 раза, а витаминов А, С и бета-каротина – в 2 раза среднюю суточной норму на Земле (витамин Е – укроп, шпинат, горох; витамин А – петрушка, морковь, латук, тыква, абрикос; витамин С – перец болгарский, фасоль, брюссельская капуста, капуста кале, укроп).

Немаловажно также то, что обогащение рациона овощами и фруктами в целом увеличивает количество потребляемых пищевых волокон, что очень важно для улучшения перистальтики кишечника и выведения радионуклидов из организма.

Размер, подходящий под конкретную космическую оранжерею. Данный фактор неизбежно требует соблюдения, так как в противном случае рассмотрение конкретной агрокультуры по остальным факторам оказывается абсолютно бесполезным. Иными словами, нет смысла анализировать растения, не помещающиеся в пространство космической оранжереи в силу занимаемого ими объёма. По этой причине из процесса подбора были исключены агрокультуры большого размера, такие, как грейпфрут, груша, авокадо и прочие.

Минимум обработки перед непосредственным употреблением. Если рассматривать космические оранжереи в далёкой перспективе, когда будет возможна различного рода обработка выращиваемых растений (механическая, термическая, химическая), этот критерий, несомненно, не будет таким весомым. Однако сейчас, на начальном этапе развития космических оранжерей, этот фактор весьма желателен для учёта. Вследствие этого из рассмотрения выведены такие культуры, как тыква, батат, капуста кольраби и другие.

Неприхотливость. Для выращивания растений в условиях космического полёта необходимо выбирать наиболее неприхотливые виды, то есть те, которые просты в уходе. В этом случае вероятность, что культуры смогут вырасти, а их плоды созреть, максимальна.

Высокая урожайность. В связи с тем, что размер космической оранжереи ограничен, высокая урожайность выращиваемых растений обязательна. При большом количестве собираемой с единицы площади полезной продукции экипаж будет достаточно обеспечен свежими овощами и фруктами, даже при небольшом объёме теплицы.

Если подводить итог по всем критериям, то цель исследования – отбор для космической оранжереи таких агрокультур, которые при наименьших затратах (места, энергии, времени и прочего) на выращивание дают максимальную урожайность и пользу экипажу.

Выбор наиболее подходящих овощей и фруктов можно рассмотреть на примере кресс-салата.

Кресс-сала́т (лат. Lepidium sativum) – съедобное однолетнее или двулетнее травянистое растение. Зелень неприхотливая, нуждается в минимальном уходе. Основная задача – обеспечить зелени высокую влажность и оптимальную температуру. Рекомендуется осуществлять сбор зелени по достижении ею высоты 8-10 см. Побеги высотой более 13 см теряют вкусовые качества – появляется горечь. Урожайность: 0,3-0,5 кг/м².

Пользу кресс-салата отмечают ещё со времён Гиппократа, ведь это растение – кладезь полезных веществ. Кресс-салат обладает следующими характеристиками в расчёте на 100 грамм [5]:

• калорийность: 32 ккал
• белки: 2,6 г
• жиры: 0,7 г
• углеводы: 4,4 г
• клетчатка: 1,1 г
• вода: 89 г

Наиболее существенные витамины и минералы [5] (в расчёте на 100 г) представлены в таблице 1:

Таблица 1.

Витамины и минералы

*РСП – рекомендуемая суточная норма потребления.

При этом кресс-салат не содержит холестерина и трансжиров.

Исходя из данных, можно сказать о влиянии кресс-салата на организм человека:

• Витамин А – повышение устойчивости к инфекциям, радиации.
• Витамины группы В – работа нервной системы, кроветворение, радиопротекторный эффект.
• Витамин С – антиоксидантные свойства, защита клеток от действия свободных радикалов и радиации.
• Витамин К – свёртываемость крови, минерализация костной ткани.
• Калий – поддержание сердечно-сосудистой системы.
• Магний – снижение возбудимости центральной нервной системы.
• Марганец – активация ряда ферментов, образование костной и соединительной тканей.
• Медь – кроветворение.
• Кальций – нормальная работа мышц и нервной системы.
• Фосфор – построение клеток организма.

Таким образом, кресс-салат, выращиваемый в условиях космического полёта и употребляемый в пищу космонавтами, стал бы незаменимым продуктом, идеально дополняющим рацион экипажа.

С учётом всех рассмотренных выше отобранных ключевых показателей можно подобрать наиболее подходящие под эти критерии растения*:

Таблица 2.

Растения (классификация)

* все представленные растения относятся к отделу цветковые, к классу двудольные.

В таблице 3 для соответствующих агрокультур представлены калорийность, белки, жиры, углеводы (КБЖУ) и пищевые волокна в расчёте на 100 грамм:

Таблица 3.

КБЖУ и содержание пищевых волокон

В таблице 4 содержится информация о нутриентах* выбранных агрокультур:

Таблица 4

Нутриенты

* указаны те витамины, макро- и микроэлементы, которые содержат в 100 граммах более 10% от РСП;

** символом "!" отмечены нутриенты, содержащие в 100 граммах более 100% от РСП;

*** в таблице учтена не увеличенная РСП для витаминов Е, С, А и бета-каротина.

Важно понимать, что конкретный продукт не может содержать полный набор всех необходимых человеку витаминов и минералов, поэтому следует составлять рацион из различных продуктов.

В таблице 5 содержится информация о размере, неприхотливости и урожайности отобранных растений:

Таблица 5

Размер, уход, урожайность

Заключение

Результатами исследования стали растения 12 видов (и 22 сортов): базилик душистый (Красавчик), капуста огородная (брокколи, брюссельская капуста, капуста кале), кресс-салат (посевной Данский, цельнолистный Дукат), латук посевной (Лоло бионда, Гранд рапидс), морковь дикая (посевная), перец стручковый (перец болгарский Колобок, перец болгарский Игрок), петрушка кудрявая (Астра), редька посевная (редис Жара), томат (Балконное чудо, Бонсай), укроп огородный (Амазон, Гренадер, Ришелье), шпинат огородный (жирнолистный, Крепыш), Эрука посевная (рукола Диковина, рукола Спартак). Эти культуры оказались наиболее предпочтительными для выращивания в условиях космического полёта.

Бесспорно, с течением времени полученный перечень растений будет расширяться, так как в перспективе рассматривается увеличение посевных площадей оранжерей, а также выращивание в них не только тех агрокультур, которые не требуют обработки (механической, термической) перед употреблением, но и тех, которые нуждаются в ней (например, тыквы, баклажана, пшеницы, риса и прочих). Последнее станет возможным, когда появятся технологии, позволяющие перемалывать зерно в муку, запекать продукты или варить их, утилизировать несъедобные части растений (кожуру, ботву, семена) без угрозы попадания их в пространство космического корабля. В таком случае современный рацион космонавтов может быть подвергнут существенным изменениям: бóльшая его часть будет основана на продуктах, выращенных в бортовой оранжерее.

Также одним из будущих направлений развития космических оранжерей считается их включение в системы жизнеобеспечения (СЖО) – совокупность устройств, поддерживающих жизнь экипажа во время космических экспедиций – и создание замкнутого цикла (человек – растения – вода – атмосфера – энергия) [10]. Замкнутая СЖО позволит если не полностью избежать отходов (а также дополнительных поступлений извне), то, насколько возможно, минимизировать их. Это в свою очередь позволит человечеству перейти от мечты о длительных космических путешествиях к её осуществлению.

Список литературы:

1. Агуреев А.Н., Белаковский М.С. Вопросы питания в межпланетных космических полётах // Воздушно-космическая сфера I Aerospace Sphere Journal №1(106) 2021. — С. 44—57.
2. Ю.А. Беркович, Н.М. Кривобок, С.О. Смолянина, А.Н. Ерохин. Космические оранжереи: настоящее и будущее. — М.: Фирма «Слово», 2005 — 368 с.
3. М.А. Левинских. Онтогенез, репродукция и метаболизм высших растений в условиях космического полёта: Автореф. дис. канд. биологических наук. — Москва, 2002. — 49 с.
4. Добровольский В.Ф. Перспективы организации питания космических экспедиций // Пищевая промышленность 5/2008. — С. 66—67.
5. Калькулятор и анализатор продуктов / Мой здоровый рацион. URL: https://health-diet.ru/health_diet/app/analizator_produktov.php (дата обращения: 18.01.2023).
6. Добровольский В.Ф., Агуреев А.Н. Медико-технические требования к базовому рациону питания экипажа пилотируемого транспортного корабля нового поколения и продуктам, обладающим радиопротекторными свойствами // Индустрия питания №2 2018. — С. 4—8.
7. Д.Р. Созаева, А.С. Джабоева, Л.Г. Шаова, О.К. Цагоева. Содержание пектинов в различных видах плодовых культур и их физико-химические свойства // Вестник ВГУИТ №2 2016. — С. 170—174.
8. Д.Б. Балкен, М.Р. Нягулов. Исследование характеристик ионизирующего излучения при длительных космических полётах // Актуальные проблемы авиации и космонавтики, том 2 2017. — С. 689—691.
9. Добровольский В.Ф. Использование специально разработанных и промышленных продуктов в питании космонавтов для оптимизации нутриома организма в условиях космического полёта. // Ползуновский вестник №2 2018. — С. 3—7.
10. Формирование наборов высших растений для замкнутой биотехнической системы жизнеобеспечения / Б.А. Березовский, В.Н. Данилов, А.В. Кортнев и др.: обзор, 1977, Главное управление микробиологической промышленности при Совете Министров СССР. — 75 с.