Бытовой мусор в условиях космического полета переработает специальный прибор, внутри которого поселят колонию микроорганизмов. Его прототип создан учеными из Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН). Бактерии также будут вырабатывать электричество, которым космонавты смогут питать различные устройства на МКС. Уже сейчас этот биотопливный элемент может функционировать автономно до 400 часов. Причем одним космосом сфера его применения не ограничится: технология микробиологической утилизации органических отходов сегодня чрезвычайно востребована и на Земле.
Микробный генератор
Работа над биотопливным элементом уже началась, пояснила «Известиям» главный научный сотрудник Центра компетенций Национальной технологической инициативы ИПХФ РАН Екатерина Золотухина.
— В космосе отходы девать некуда: приходится возвращать их на землю или, что крайне нежелательно, сбрасывать в космос. Поэтому создание такого устройства крайне важно, — рассказала она. — Хотелось бы, чтобы отходы уничтожались сами и это еще и приносило пользу. Мы предлагаем использовать контейнер, в котором живут микробы.
Предполагается, что космонавты могут складывать туда бытовые отходы — например, целлюлозные салфетки. Таким мусором и станут питаться микроорганизмы. Одновременно к контейнеру подключат установку с двумя электродами, а роль накопителя сыграет аккумулятор — использовать произведенную при утилизации электроэнергию можно будет для питания различных устройств корабля.
Энергия из мусора
Прибор весом около 2 кг представляет собой относительно небольшую коробку, в которой с двух концов размещены электроды — анод и катод. Сама коробка разделена на две части с помощью мембраны. Бактерии выступают катализатором электрохимической реакции — в пространстве вокруг анода они «едят» топливо, которым служит бытовой мусор.
В результате переработки, в частности, целлюлозы, вырабатываются свободные электроны. Они по цепи движутся к катоду, где вступают во взаимодействие с окислителем, которым может выступать любое известное вещество, например кислород. В результате реакции окисления, сопряженной с реакцией восстановления окислителя, вырабатывается электроэнергия.
Топливом могут служить не только салфетки, но и любые другие биоразлагаемые отходы, как твердые, так и жидкие. А вырабатываемое при их окислении электричество космонавты смогут запасать в стационарных аккумуляторах, конденсаторах или редокс-батареях для дальнейшего использования.
Ученые отмечают, что созданный прототип биотопливного элемента способен работать автономно от 100 до 400 часов в зависимости от типа топлива. Когда прибор отработает 400 или более часов, его заполнят новыми бактериями. Цикл может повторяться многократно.
При этом 400 часов — далеко не предел, прибор в дальнейшем будет усовершенствован, подчеркивают исследователи. Для этого потребуется организовать группу ученых и инженеров из смежных отраслей - микробиологии, генетики и электрохимии.
Бактерии для космоса
— Главная проблема в том, что бактерии, как и все живые организмы, умирают. Живут они совсем недолго, бывают капризны в плане условий обитания, — отметила Екатерина Золотухина. — Это касается не только единичных особей, но и целых колоний. Сейчас мы подбираем некий симбиоз микроорганизмов, которые бы жили своей маленькой экосистемой. Такие системы хороши тем, что они автономны и работают сами по себе. Однако мощность, которая вырабатывается, пока мала. Наша задача — понять, за счет чего ее можно увеличить.
Чтобы подобрать оптимальный состав колоний микроорганизмов, которые смогут в будущем полететь в космос, ученые из ИПФХ РАН начали совместную работу с ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов». Ранее там уже занимались разработкой биотопливных элементов на основе Shewanella — анаэробных бактерий, которые активны в инертной атмосфере, а на воздухе гибнут. Группа исследователей планирует экспериментировать как с существующими микробами, так и создавать генно-модифицированные бактерии с заданными свойствами.
— Наш коллектив уже начал сотрудничать с институтом генетики, — отметил руководитель Центра компетенций Национальной технологической инициативы, созданном в ИПХФ РАН, Юрий Добровольский. — С бактериями Shewanella сложно проводить эксперименты на Земле, они умирают во время перенесения из пробирки в пробирку, их сложно рассмотреть под микроскопом. А вот в космосе они могли бы проявить себя, было бы интересно изучить их возможности за пределами МКС.
Завкафедрой органической и экологической химии ТюмГУ Гульнара Шигабаева сообщила «Известиям», что метод получения электроэнергии в результате жизнедеятельности микроорганизмов сам по себе не является новым, однако в космосе такую технологию еще никто не применял.
— В условиях космоса целесообразно использовать именно анаэробные бактерии. А в качестве электродов желательны углеродные нити. Как нанопроводники они повысят эффективность сбора избыточных электронов, образующихся в результате метаболизма микробов, — объяснила она.
Микробиологическое разложение органической части отходов сегодня чрезвычайно востребовано и на Земле, подчеркнул руководитель УМЦ «Утилизация и обезвреживание отходов» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Михаил Востриков. Например, при обезвреживании углеводородосодержащих отходов — нефтешламов, нефтезагрязненных грунтов и т.д.
Исследования в этой области, по словам эксперта, идут по всему миру. Основная проблема известна — низкая живучесть бактерий. Что же касается возможности создания в будущем стандартного биотопливного элемента, то, по мнению Михаила Вострикова, эта идея достойна всяческого продолжения научных исследований.