Проект «Устойчивость и управляемость экспериментальных замкнутых экологических систем жизнеобеспечения человека: анализ данных и математическое моделирование»

Соглашение № 23-44-00059 между Российским научным фондом, руководителем проекта и организацией о предоставлении гранта на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований(в рамках конкурса 2023 года на получение грантов Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами»)

Организация партнер: Пекинский университет авиации и космонавтики (BeihangUniversity), г. Пекин, Китай

Освоение ближнего, а затем и дальнего космоса может стать значимым для страны уже в обозримом будущем. Поэтому планы построения баз на Луне и Марсе обсуждаются в различных источниках и упоминаются в заявлениях ряда стран, а недавно подписано Российско-Китайское соглашение о совместном освоении Луны.

Но построение внеземной базы невозможно без надежного обеспечения ее автономности, минимальной зависимости от внешних поставок. Требованию автономности может удовлетворять только замкнутая экологическая система жизнеобеспечения (ЗЭСЖО), в которой воспроизводится ключевое, по В.И. Вернадскому, свойство земной биосферы –замкнутость круговорота вещества по трофическим цепям.

В настоящее время у Российской и Китайской сторон накоплен значительный объем экспериментальных данных по обеспечению жизни человека в замкнутых по круговороту вещества условиях. Впервые в мире пионерная система БИОС-3 была создана в Институте биофизики СО РАН в 1972 году. Главным результатом многомесячных уникальных экспериментов было доказательство осуществимости длительного поддержания жизни в условиях автономности и высокозамкнутого круговорота веществ. Подробно изучив методологию и российский опыт проведения экспериментов китайские ученые Пекинского

Аэрокосмического университета в 2014 году смогли провести первый в Китае 105 суточный эксперимент с экипажем из 3-х человек. ЗЭСЖО, которая получила название Лунный дворец 1 (Lunarpalace 1).

В результате вышеперечисленных экспериментов был получен огромный объем данных, содержащий в скрытом виде информацию о внутрисистемных взаимодействиях, определяющих динамику системы и ее реакцию на внешние воздействия. Часть этой информации представлена в соответствующих публикациях, однако для выявления общих закономерностей и построения унифицированного описания внутрисистемных взаимодействий нужна тщательный статистический и математический анализ первичных материалов исследования.

ЦЕЛЬ ПРОЕКТА:

Создание адекватного математического описания ЗЭСЖО, позволяющего делать надежный прогноз поведения системы в новых, ранее не исследованных, условиях.

ЗАДАЧА ПРОЕКТА:

Разработка унифицированного теоретического описания ЗЭСЖО (базы данных и основанной на ней математической модели), организующего результаты различных прошлых экспериментов в обобщенную форму, позволяющую теоретически рассчитывать стабильность и управляемость систем БИОС-3 и Лунный дворец-1, сравнить результаты расчетов с данными прошлых экспериментов и прогнозировать свойства и динамику будущих проектируемых высокозамкнутых систем.

НОВОСТИ

В период с 26 августа по 01 сентября 2024 г. ФИЦ КНЦ СО РАН посетили профессор ЛюХун, доцент Фу Юймин, доцент Ху Давэй, аспирант У Цзычжоу – сотрудники Пекинского университета авиации и космонавтики, исполнители совместного проекта № 23-44-00059 «Устойчивость и управляемость экспериментальных замкнутых экологических систем жизнеобеспечения человека: анализ данных и математическое моделирование».

27 и 28 августа 2024 года в зале совещаний ФИЦ КНЦ СО РАН проведён семинар по теме проекта, на котором были заслушаны следующие доклады:

Dawei Hu "Closed-loop control strategies applied for design and operation of Lunar Palace 1"

S.I. Bartsev "Stoichiometric model of CES on the example of BIOS-3 system";

M.Yu. Saltykov "Module-based approach to closed life-support system modeling";

N.S. Manukovsky, V.S Kovalev, S.V. Trifonov, A.G. Degermendzhi "A stoichiometric model of human metabolism";

Yuming Fu"Study on the Characteristics of Microbial Communities in the Ground-Based Bioregenerative Life Support System: A Case Study of the Lunar Palace 365 Experiment"

Yu.V. Barkhatov "Modeling of higher plants (crops) in the Bios-3 facility (1973, 1977, 1983)";

Zizhou Wu "Synergistic effect between green light and nitrogen concentration on nitrate primary metabolism in lettuce"

S.V. Trifonov "Assessment of the efficiency of “wet” combustion and the problems of its inclusion in the mathematical model of the CES"

В ходе визита состоялось обсуждение с руководителем проекта РНФ академиком А.Г. Дегерменджи, в ходе которого были обозначены основные проблемы при создании замкнутых экологических систем в Институте биофизики СО РАН и в мире, перспективы сотрудничества с научными и образовательными организациями Китая. Подписан протокол по итогам встречи, касающийся планов работ по проекту РНФ до 2025 года, а также возможных целей и задач будущего проекта.

Организована ознакомительная экскурсия по Институту биофизики СО РАН с посещением лабораторий управления биосинтезом фототрофов, проблем создания круговоротных процессов искусственных экосистем, аналитической.

29 и 30 августа для зарубежных гостей было организовано посещение смотровой площадки на Николаевской сопке, фан-парка «Бобровый лог», Национального парка «Красноярские Столбы», Национального центра Виктора Астафьева в селе Овсянка, набережной г. Дивногорска.

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА

Аннотация полученных результатов в 2023 году

ИСПОЛНИТЕЛИ ПРОЕКТА:

Дегерменджи Андрей Георгиевич - руководитель проекта российского коллектива, академик РАН, д.ф.-.м.н.

Основные исполнители:

Барцев Сергей Игоревич, д.ф.-м.н., г.н.с.

Бархатов Юрий Валерьевич, к.ф.-.м.н., с.н.с.

Трифонов Сергей Викторович, к.б.н., зав. лабораторией

Yuming Fu – руководитель проекта китайского коллектива, associateprofessor

Основные исполнители:

Hong Liu, professor.

Dawei Hu, associate professor.

Jiajie Feng, associate professor.

ПУБЛИКАЦИИ:

Статьи в научных изданиях:

1. 1. Bartsev S., Degermendzhi A. (2023) The Evolutionary Mechanism of Formation of Biosphere Closure. Mathematics, 11(14), 3218. (ISSN 2227-7390, Scopus Q2);

2. 2. Degermendzhi A., Abakumov A. (2023) Control Factors for the Equilibrium Composition of Microbial Communities in Open Systems: Theory and Experiments. Mathematics, 11 (14), 3183. (ISSN 2227-7390, Scopus Q2);

3. 3. Барцев С.И., Дегерменджи А.Г. (2023) Замкнутые экологические системы: от биосферы к системам жизнеобеспечения и обратно. Вестник Российской академии наук. Т. 93, №9, с. 876-885. DOI: 10.31857/S0869587323090049, EDN: BAELSS (ISSN 0869-5873, ВАК)

4. 4. Семёнов Д.А., Дегерменджи А.Г. (2023) Математическая модель системы жизнеобеспечения на основе водорослей, замкнутая по кислороду и углекислому газу. Вавиловский журнал генетики и селекции. ;27(7): 878-883. (ISSN 2500-0462, ScopusQ3);

5. 5. Бархатов Ю.В., Ушакова С.А., Тихомиров А.А., Дегерменджи А.Г. (2023) Анализ динамики замкнутости массообменных процессов в экспериментальной модели биологической системы жизнеобеспечения // Журн. Сиб. федер. ун-та. Биология. 16(4): 522-535.EDN: YCIIZS (ISSN 1997-1389, Scopus Q4).

Статьи в научно-популярных изданиях:

«Завелся таракан, его оберегали… чуть ли не на руках носили — а его кто-то раздавил!» Журнал "Коммерсантъ Наука" №7 от 26.04.2023, стр. 53