Вся электронная библиотека >>>

 Спасение экипажей >>>

 

 

Системы обеспечения жизнедеятельности и спасения экипажей летательных аппаратов


Раздел: Учебники

 

Глава IV МЕТОДЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ КАБИН ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ §

§ 4.3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

 

 

При выполнении длительных (месяцы и годы) космических полетов перспективной является биологическая система, основанная на фотосинтезе зеленых растений.

В биоэнергетике, сложившейся в процессе эволюции жизни на Земле, наблюдается два процесса—фотосинтез и обратный ему процесс биологического окисления или дыхания. Растения (автотрофы) и живые существа (гетеротрофы) в процессе дыхания поглощают кислород и выделяют углекислый газ. В то же время в процессе фотосинтеза растения, поглощая световую энергию Солнца и углекислый газ, выделяют молекулярный кислород и образуют органическое вещество.

Основная роль в процессе фотосинтеза принадлежит хлорофиллу—сложному органическому веществу зеленого цвета, по своей структуре сходному с красным пигментом крови — гемоглобином. Хлорофилл находится в цитоплазме растительных клеток в особых молекулярных структурах — хлоропластах, являющихся специальными аппаратами приема солнечной энергии.

При фотосинтезе квантовая энергия видимого солнечного излучения переводит молекулы хлорофилла на более высокий энергетический уровень. При этом в идеализированной схеме фотосинтеза 6 грамм-молекул Н2О и 6 грамм-молекул СО2, проходя через цепь промежуточных реакций, образуют одну молекулу сахара—глюкозы Сб(Н20)6. Таким образом, поглощенная солнечная энергия не рассеивается, а преобразуется в потенциальную энергию химических связей глюкозы, которая для одной грамм-молекулы (180 г) глюкозы составляет величину 2900 кДж (для покрытия в течение суток половины энергозатрат человека необходимо около 2 грамм-молекул глюкозы) .

Побочным процессом при фотосинтезе является фотолиз— разложение воды и выделение кислорода в количестве 6 грамм- молекул, т. е. около 0,2 кг на 180 г глюкозы. К.п.д. фотосинтеза для различных растений изменяется в пределах 0,01—0,15. К.п.д. фотосинтеза можно определить как разность между полной энергией Еп во всем спектре падающего излучения на единицу фотосинтезирующей поверхности и тепловой энергией Ег, непосредственно выделяемой при фотосинтезе, отнесенную к полной энергии:

 Особенностью фотосинтеза является и то, что кислород отщепляется не от углекислоты, а от молекул воды, хотя еще недавно считали, что при фотосинтезе растения расщепляют углекислоту. Продуктом первичных реакций фотосинтеза является водород, который, в отличие от кислорода, не выделяется в газообразном виде, а идет на синтез биомассы.

Энергетически обратный процесс дыхания начинается с расщепления молекул и заканчивается инфракрасным излучением. Дыхание, т. е. окисление пищевых веществ, происходит в специальном энергетическом аппарате гетеротрофов-мито- хондриях и начинается, в противоположность фотосинтезу, с расщепления молекул глюкозы и освобождения запасенной в ней энергии. Эта энергия через цепь окислительных реакций в митохондриях тканей организма человека (животных) после выполнения в них определенной работы сначала переходит в энергию возбужденных молекул, а потом излучается в виде квантов невидимого инфракрасного излучения с длиной волны ~ 10 мк.

Растительные клетки также постоянно дышат, но количество кислорода, выделяющегося растительной клеткой в процессе фотосинтеза, в 20—30 раз больше, чем поглощение его в одновременно идущем процессе дыхания. Поэтому днем, когда растения и дышат и фотосинтезируют, 0ни обогащают воздух кислородом, а ночью выделяют углекислоту, образующуюся в процессе дыхания.

Кроме клеток зеленых растений, автотрофами являются также некоторые виды бактерий, способных использовать химическую энергию окисления неорганических веществ и водорода. У клеток этих бактерий нет хлорофилла и способ, с помощью которого они мобилизуют энергию для реакций синтеза, принципиально иной, нежели у растительных клеток. В этих клетках происходит так называемый хемосинтез, а сами бактерии являются хемоавтотрофами.

Биоэнергетика хемоавтотрофов является по существу неполным повторением цикла механизма биоэнергетики в фотоав- тотрофах, так как эти организмы не могут усваивать солнечную энергию и нуждаются в источниках химической энергии. Наиболее типичным представителем хемосинтетиков являются водородные бактерии, которые из газообразного водорода, углекислоты, кислорода и минеральных солей осуществляют синтез биомассы по реакции

Хемосинтетики можно применять тогда, когда нет возможности использовать солнечный свет (для полетов за пределами солнечной системы). В этом случае фотолиз воды в схеме биоэнергетики фотоявтотрофов можно заменить электролизом воды с выделением избыточного кислорода.

Для систем обеспечения жизнедеятельности при длительных полетах перспективными являются фотосинтезирующие одноклеточные водоросли типа хлорелла (Chlorella) и хехмосинтези- рующие водородные бактерии (Hydrogenomonas).

Давно установлено, что в прудах в естественных условиях 1 м2 суспензии хлореллы толщиной 10 мм при концентрации 108 клеток в 1 см3 равен по эффективности фотосинтеза аналогичной площади листьев высших растений и содержит около 0,5 г хлорофилла. При достаточном поступлении извне С02 и освещенности порядка 10000 лк хлорелла может выделять около 60 л 02 в сутки.

При большей плотности суспензии клеток и большей освещенности в искусственных условиях эффективность фотосинтеза возрастает настолько, что 1 м2 площади, освещенной Солнцем, может за сутки синтезировать 100—200 г биомассы в сухом виде (или 400—600 г в свежем необезвоженном виде) и выделить 100—200 л кислорода.

Рассмотрим функциональную схему культиватора для выращивания хлореллы ( 4.6). В реакторе Р находится суспензия хлореллы. Реактор может быть выполнен в виде плоскопараллельных кювет из органического стекла. Необходимый для фотосинтеза световой поток создается ксеноновыми лампами Л, Главный насос Н непрерывно прокачивает суспензию через газообменный аппарат ГОА, в котором происходит насыщение суспензии углекислотой и разделение жидкой (суспензия) и газообразной (кислород) фаз. Температура суспензии поддерживается на необходимом оптимальном уровне с помощью системы термостабилизации Т.

Газовая смесь кабины посредством вентилятора В проходит через холодильно-сушильный агрегат ХСА и поглотитель С02 (Псо3К Углекислота подается в ГОА, а кислород, выделяющийся в результате фотосинтеза, подается в кабину.

Насос-дозатор НД осуществляет слив культуры из реактора в блок минерализации БМ и долив минерального питания МП в реактор. Режим работы насоса-дозатора задается датчиком плотности ДП суспензии.

Отношение объема поглощенного С02 к объему выделенного 02 при фотосинтезе водорослей называется коэффициентом ассимиляции. Он изменяется в диапазоне от 0,75 до 1 в зависимости от минерального питания. Меняя состав минерального питания, можно добиться приближения коэффициента ассимиляции водорослей к дыхательному коэффициенту человека.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Системы обеспечения жизнедеятельности и спасения экипажей летательных аппаратов

 




Смотрите также:

    

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА. Поля фильтрации

Нарушение процесса биологической регенерации почвенных структур немедленно приводит к их кольматации и заболачиванию.

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА. Биопруды. Биологические пруды

Вследствие фотосинтеза в дневное время может наблюдаться повышенное содержание ... Биологические пруды-каскады рассчитаны на пребывание сточных вод в течение 30 суток.

 

...эволюции жизни. Переход в эволюции живой материи. КСЕ. Фотосинтез....

Благодаря фотосинтезу в органическом веществе Земли накапливалось все больше и больше энергии солнечного света, что способствовало ускорению биологического круговорота веществ...

 

Аэротенки. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА В АЭРОТЕНКАХ

Биологическая очистка в биофильтрах и аэротенках. ... Регенерация ила призвана восстанавливать окислительные свойства ила при неблагоприятных воздействиях на него.

 

...ресурсов. Современные естественно-научные средства. Фотосинтез...

Фундаментальные проблемы биологических систем все в большей степени переплетаются с ... Фотосинтез – важнейший источник не только продовольственных ресурсов, но и энергии.

Фотосинтез. Пельтье и Каванту открыли хлорофилл. Книги из серии 100...

Тайны живого. Фот

осинтез. Несколько лет французские химики Пельтье (1788-1842) и Каванту (1795— 1877) работали вместе.

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА В БИОФИЛЬТРАХ. Биофильтры....

Биологическая очистка в биофильтрах и аэротенках. § 6.8. Биологические фильтры. Капельные биофильтры.

 

Сооружения для биологической очистки сточных вод в искусственно...

Метод биологической очистки сточных вод основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах...

 

Энергетика экосистем. Растения в процессе фотосинтеза. Живые...

Растения в процессе фотосинтеза связывают лишь небольшую часть солнечной радиации. ... Ясно, однако, что при этом останутся нерешенными многие медико-биологические проблемы...

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД - аэротенки окситенки...

Биологическая очистка производственных сточных вод в аэробных условиях. ... Подача регенерированного ила в аэрационные отделения осуществляется через отверстия 7...