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 № 000 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, 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, 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 научно-технического 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 ее прозрачности, что говорило об установлении нового состояния экосистемы. Однако результатами эксперимента являлись только периодические видеозаписи с наблюдением состояния среды в гермососуде. (Поскольку эксперимент проводился на коммерческой основе, его результаты являлись собственностью постановщика КЭ). По условиям эксперимента 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 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 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 проводились эксперименты, исследующие или демонстрирующие многомесячное инкубирование водных 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 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 условиям невесомости, их взаимодействию, развитию, изменению жизнеспособности в условиях длительного 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.
