Ботва с аджикой в хлорелловом бульоне или чем питаться по дороге к Марсу

Современное состояние ракетных двигателей говорит нам, что дорога к Марсу будет долгой. Перелёт по баллистической траектории без включения двигателей займет примерно два года, а имеющие небольшую тягу электрореактивные двигатели не смогут сильно сократить срок полёта. В таких условиях в списке важных вопросов оказывается организация питания. Еда, к сожалению, имеет вес, который надо разгонять к Марсу, экипаж производит отходы, которые надо выбрасывать или рециркулировать, в целом, различных инженерных вызовов эта проблема создает немало. О них мы и поговорим.

История космической еды

Использующаяся сейчас еда на МКС слабо отличается от обычной земной. Консервы, сублимированные продукты, с грузовым кораблём привозят свежие фрукты. Разве что качество гарантировано и консервы, наверняка, не просроченные. Такая пища, безусловно, вкусная и питательная, она разнообразная, содержит немного деликатесов и хорошо воспринимается с точки зрения психологии. Но она не очень эффективна с точки зрения максимальной экономии веса и объема для длительного полёта. Но для начала давайте посмотрим на её историю, какие изменения она претерпела, и как стала такой какая есть.

Первые эксперименты

Главным фактором, который принимался во внимание разработчиками космической еды по обе стороны океана была невесомость. Еда не должна была крошиться, проливаться или рассыпаться, чтобы не вызвать короткое замыкание. Поэтому и решения, что в СССР, что в США были одинаковые — некрошащийся хлеб (в США его ещё покрывали специальной смесью против крошек), расфасованный в пластик небольшими кусочками и пюре в тюбиках:





Решение оказалось так себе. Во-первых, после знакомства с невесомостью оказалось, что она не такая уж страшная. Про силы поверхностного натяжения разработчики еды, судя по всему, забыли. Потому что именно они гарантируют, что вода не рассыпется на тысячи капель устраивать короткие замыкания, а будет вполне культурно висеть шаром, с которым уже можно управляться. Даже рис можно есть в невесомости, причем даже с ложки, почти как на Земле, если склеить его соусом. Во-вторых, питательность этой еды оказалась недостаточной. Несмотря на расчеты калорий, космонавты жаловались на голод. В-третьих, еда была не особенно вкусной. Жировая оболочка бутербродных кубиков США портила вкус, а пюре были лишены текстуры «нормальной» еды и напоминали соус. Самый длительный полёт на такой еде составил две недели («Джемини-7») и потребовал от астронавтов определенной силы воли.

Сублимация и разведение

Крайне полезной для космоса стала технология сублимации. В физике сублимация — это переход вещества из твердого состояния в газообразное. Если мы заморозим еду и поместим её в вакуумную камеру, то водяной лёд испарится, минуя жидкую фазу. Продукты сохранят свою форму, запах, цвет, и полезные вещества. Высушенную таким образом еду можно поместить в пластик, уже в космосе развести горячей или холодной водой и получить полноценное питание.





В СССР к сублимированным продуктам добавили обычные консервы в банках



Рационы этого типа летали на американских «Аполлонах» и советских «Союзах».

Богатство орбитальных станций

На орбитальных станциях было больше места, можно было повисеть у стола с собственным подносом еды. Рацион же практически остался неизменным. Разве что на станции «Скайлэб» хотели добавить в меню столовое вино, но из-за возмущения общественности, эти планы были отменены:

Шаттлы и МКС

Современная еда построена на тех же принципах. Рацион собран из сублимированных продуктов, обычных консервов (у американцев в пакетах, у нас в банках), хлеба (в США используются некрошащиеся лепёшки, у нас — порционный хлеб), печенья и конфет, а также сухих напитков или пакетиков чая в пластике.



Консервы с термической обработкой в пакетах



Сублимированные продукты



Соусы, печенье, шоколад



Упакованные напитки



Коробка с российским рационом. Отличается консервами в банках вместо пакетов и национальной кухней — у нас наверняка больше чая в напитках.

Результаты

Конечно, не все типы продуктов есть на МКС, и космонавты иногда скучают по пельменям или жареной картошке, но в целом еда не сильно отличается от земной. Но это имеет свою цену — еда много весит, ещё часть веса добавляет упаковка. За 2013 год на МКС отправились 4 «Прогресса», под одному HTV, ATV, Dragon и Cygnus. Т.е. на орбиту было доставлено примерно 4*2500+6000+5500+3300+2000=26800 кг груза. Конечно, не всё это еда, но около 15 тонн еды и воды на МКС привезли. Если же мы летим на Марс на два года, то масса составит порядка 30 тонн. Прямо скажем, цифры неприятные. А есть ли какие-то способы уменьшить этот груз? Ученые со всего света много об этом думали.

Альтернативные диеты

Ещё до первого полёта в космос человека, различные люди и организации разрабатывали программы питания в космических полётах. Таких программ было создано очень много: жидкие диеты (молочные коктейли, эгног-диета), питательные палочки, кубики и шарики, но все их отличало то, что они плохо показывали себя на тестах. Нельзя не сказать о том, что люди, в этих тестах участвующие, проявляли героизм едва ли не больший, чем астронавты, потому что им приходилось питаться этими экспериментальными диетами дольше, чем длились тогдашние космические полёты.
Ничем не сдерживаемая фантазия рисовала всё более экзотические идеи — мышиные фермы как источник мяса, съедобные бумага, одежда и детали космического корабля, но это не дошло даже до стадии эксперимента.

Замкнутый цикл

Особняком стоит идея использования на корабле замкнутого цикла жизнеобеспечения. Растения/водоросли потребляют углекислый газ и отходы жизнедеятельности экипажа, а выделяют кислород и производят еду. В теории это самый выгодный вариант. Но, конечно же, попытки реального воплощения столкнулись с различными проблемами.

Хлорелла подвела

Ученые и фантасты ставили на трон системы жизнеобеспечения замкнутого цикла одноклеточную водоросль хлореллу. Действительно, неприхотливая, живущая в лужах и канавах водоросль производит кислород и размножается, требуя только воду, свет, углекислоту и немного минералов. Хлорелла теоретически питательней пшеницы, так как содержит 45% белка, 20% жиров и 20% углеводов. Но все эти мечты оказались разбиты тем фактом, что хлорелла человеком не усваивается — слишком плотная клеточная стенка недоступна для расщепления человеческими ферментами. В принципе, современная технология может предложить как минимум три пути решения этой проблемы: расщепление клеточной стенки технологическими методами (термообработка, мелкий помол или что-то ещё), биологическими методами (взять с собой ферменты, расщепляющие стенку и добавлять их в еду) или же вывести ГМО-хлореллу с доступной для расщепления стенкой. К сожалению, в настоящее время какие-то заметные работы с хлореллой ведут только коммерческие фирмы, которые продают её как БАД (статья в Википедии, отредактированная летом 2013 года) или как добавку для животноводства, что достаточно печально с точки зрения обеспечения космических полётов.

Моральная проблема

На форуме «Новостей космонавтики» я как-то читал такой пост сотрудника ЦУП (привожу по памяти): «Тяжелый рабочий день — прибежали фанаты замкнутого цикла жизнеобеспечения, поили всех рециркулированной мочой, к счастью, я смог тихо сбежать». Увы, необходимость пить рециркулированную мочу вызывает психологическое отторжение, что осложнит и так психологически тяжелый длительный полёт. Система, которая регенерировала воду из воды, выдыхаемой с воздухом, и другого конденсата воспринимается нормально, поэтому СРВ-К (система регенерации воды из конденсата) работала с первых орбитальных станций «Салют» и стоит сейчас на МКС. А вот СРВ-У (система регенерации воды из урины) стояла только на станции «Мир», а на МКС рециркулированная вода из урины идёт на электролиз и из неё получают кислород для дыхания.

Успешные эксперименты

В то же время, в СССР были достаточно успешные эксперименты по замкнутым системам: БИОС-2 и БИОС-3. БИОС-3 начал работу в 1972 году и функционирует сегодня (на сайте отчет за 2012 год, новостей о закрытии в Сети нет). Изначально проект имел четыре герметизируемых отсека (два фитотрона для выращивания растений, один культиватор для водорослей — регенерация атмосферы и жилой отсек) общим объемом 315 м^3. В фитотронах выращивался обширный набор специально подобранных растений (пшеница, соя, салат, чуфа, морковь, редис, свёкла, картофель, огурцы, щавель, капуста, укроп, лук) и проводились эксперименты по «автономному полёту» длительностью до полугода. Результаты впечатляют — по воздуху и воде достигнут практически 100% замкнутый цикл, по пище — 50-80%. Комплекс пережил перестройку и кошмар 90-х, и, согласно информации на официальном сайте, модернизируется и принимает участие в международных программах.



Общий вид комплекса



Фитотрон

Выводы

В целом, в части обеспечения едой длительной экспедиции, у человечества достаточно неплохие позиции. Даже на уровне технологий 70-80-х годов эксперимент БИОС-3 вселяет оптимизм, а распространение технологии генной модификации может дать нам ещё более эффективные космические растения. Также постоянно ведутся работы с растениями на МКС.

Дополнительные материалы

Очень интересный фильм «Пути жизнеобеспечения в космосе», рассматриваются и физико-химические (СРВ-К, У) и биологические (БИОС-3) методы


Недавний выпуск передачи «Космонавтика». Стоит отметить положительный эффект работы с растениями на психику и порадоваться за молодое поколение, которое стремится работать по этому направлению в будущем.


«Космическая одиссея, век XXI», вопросы еды с 14 минуты.


Международный центр замкнутых биологических систем, сайт БИОС-3
Системы химической регенерации, НИИхиммаш

Источник фотографий еды NASA, рекомендую посмотреть фотографии в большом размере, видны двуязычные подписи названий продуктов и инструкций по применению.
Ещё фотографии современной еды на МКС
За фото еды из музеев спасибо блогерам, чьи копирайты указаны на фотографиях.

Рекомендую почитать книгу «Обратная сторона космонавтики» Мэри Роуч. Про еду там в самом конце, весьма любопытно.
Говорят, есть ещё книга «Поваренная книга астронавта», но я её не читал, ничего не могу сказать.

Источник: habrahabr.ru/post/223211/