Разработка технологий применения реголита в качестве корнеобитаемой среды для растений в космических оранжереях

Быстрое развитие космических технологий обуславливает актуальность прогнозирования и разработки методов жизнеобеспечения людей в долговременных экспедициях по исследованию и освоению ближайших к Земле космических тел — Луны и Марса. За последние годы в ряде стран утверждены космические программы, где Луна рассматривается в качестве одной из первых опорных локаций для дальнейшего освоения околоземного космического пространства, в т. ч. и для полётов к Марсу [1]. В соответствии с заключённым между правительствами РФ и КНР соглашением о сотрудничестве в области освоения космоса, создание стационарной космической станции на окололунной орбите, а затем и построение лунной базы, планируется завершить к 2035 г. [2]. Активная программа по освоению Луны — «Артемида» (Artemis) — разработана также в NASA [3]. Она реализуется совместно с космическими агентствами, частными компаниями и другими партнёрами из более чем 50 стран. В перспективе программа предусматривает создание биолого-технической системы жизнеобеспечения (БТСЖО), способной осуществлять частичное воспроизводство растительной части рациона экипажа. Эта задача потребует наличия на форпостных базах оранжереи с посадочными площадями в диапазоне

25…50 м2 и более на одного члена экипажа [4, 5]. Существует также национальная программа РФ по созданию обитаемой лунной базы после 2035 г. Наиболее близкой задачей для БТСЖО в этой программе считается создание витаминной оранжереи для улучшения рациона экипажей первых лунных поселений и орбитальных станций [6–8].

Ряд проектов по обустройству оранжерей для планетных баз и наземных моделей космических оранжерей (КО) — Mars–Lunar Greenhouse, EDEN ISS и GHM MELiSSA — описан в работах [4, 9, 10]. В качестве наиболее перспективного подхода к технологии выращивания растений в этих проектах предлагают сочетание аэро-и гидропонного методов. Такой выбор основан на предположении, что при наличии силы тяжести в месте эксплуатации эти технологии позволят минимизировать затраты воды и минеральных удобрений, а также обеспечить высокую производительность КО при надёжном контроле среды в оранжерейном блоке. Одним из затруднений на пути применения гидропоники на Луне является отсутствие данных относительно изменений в газожидкостном распределении и динамике жидкостных и газовых потоков в корнеобитаемой среде (КС) в условиях изменённой гравитации. Более чем полувековой опыт выращивания растений и эксплуатации бортовых оранжерей на околоземной орбите показал, что в условиях отличной от наземной гравитации наиболее надёжным подходом к организации КС является применение капиллярно-пористых КС, обеспечивающих возможность регулирования потоков газа и жидкости в прикорневой зоне растений. Можно предположить, что подобный подход будет оправдан и в случае работы лунной оранжереи, которая будет функционировать в условиях существенно более низкого, чем на Земле, ускорения свободного падения ( g = 1,62 м/с²). Доступным материалом для создания такой КС в условиях как лунной, так и марсианской форпостных баз, может оказаться местный реголит. Возможность регулирования газовых и жидкостных потоков внутри реголитового слоя может быть полезной не только для обеспечения потребностей корневой системы растений, но и для ускорения процессов переработки органических отходов.

Наиболее проработанной технологией разложения органических отходов в БТСЖО и регенерации из этих отходов минеральных веществ для повторного культивирования растений до настоящего времени остаётся их переработка в почвоподобный субстрат (ППС) [11–13]. Эта технология была использована в современных наземных моделях БТСЖО, например в китайском годовом эксперименте с изоляцией экипажа под названием Lunar Palace – 365 [13]. Однако одним из недостатков такой технологии является необходимость применения значительного количества соломы злаковых культур (пшеницы, риса и др.). Учитывая высокую стоимость (например, в терминах эквивалентной массы) систем для выращивания злаковых культур на больших посадочных площадях, использование ППС на основе слоя соломы в сценариях лунных экспедиций ближайших десятилетий можно считать маловероятным. Вследствие этого значительное внимание научного сообщества привлекают способы использования местных ресурсов, в частности реголита, в области переработки растительных и других отходов жизнедеятельности в БТСЖО.

Поскольку стоимость транспортных расходов по доставке ресурсов с Земли на Луну за последние 10 лет остаётся всё ещё весьма значительной [14], в научной литературе появилась концепция максимально возможного использования местных ресурсов ( In-Situ Resource Utilization — ISRU ) при обустройстве форпостных баз. Помимо предложений по использованию реголита в качестве КС для растений, в рамках этой концепции разрабатываются различные пути применения реголита: в качестве строительного материала [15], источника получения воды, кислорода и других химических элементов [16, 17], средства для производства и запасания энергии [18]. Эти и другие направления применения реголита исследуются специалистами в наземных лабораториях, как правило, с использованием аналогов лунного (АЛР) или марсианского (АМР) реголи-тов, изготовленных на основе наземных минеральных комплексов, повторяющих целевые свойства природного реголита [19–21]. Результаты исследований во многом зависят от состава и свойств грунтов-аналогов, часто по-разному моделирующих различные особенности реголита для конкретных задач [22, 23]. Данный обзор посвящён анализу путей применения реголита для различных технологий выращивания растений и переработки растительных отходов на форпостных базах Луны и Марса.

Основные свойства лунного и марсианского реголитов

В сравнении с марсианским реголитом (МР), лунный реголит (ЛР) изучен значительно подробнее, поскольку он был доставлен на Землю в ходе реализации трёх групп космических миссий к Луне (табл. 1) и исследован с использованием всех современных лабораторных методов. Марсианский же грунт пока исследуется лишь дистанционно.

Лунный реголит является рыхлым осадочным продуктом постоянного физического измельчения лунных пород, частично фрагментированных метеоритными ударами и термическим выветриванием [24]. Бóльшая часть материала реголита поступает из коренных пород лунной коры, которые преимущественно состоят из анортозитов и базальтов, а также, в меньшей степени, из габброидов с высоким содержанием оливина и пироксена и гранитоидов. Лунный реголит не содержит органического вещества и воды в свободной форме. Из-за постоянных микрометеоритных бомбардировок и резких перепадов температур, многие частицы реголита частично плавятся и закаляются, образуя стекловидные оболочки и агглютинаты — спёкшиеся частицы лунного грунта, образовавшиеся при ударах микрометеоритов, содержащие стекло, обломки минералов и наноразмерное железо. Острая пыль ЛР абразивна и электростатически заряжена, что значительно затрудняет работу с этим материалом [25].

Таблица 1

Этапы доставки образцов лунного реголита на Землю

Cтрана	Название миссии	Годы реализации	Общая масса доставленных образцов лунного грунта, кг
США	Apollo- 11 – Apollo- 17 (рис. 1)	1969–1972	382
Советский Союз	Луна-16, Луна-24 (рис. 2)	1970, 1976	0,27
Китай	Chang’E -5 (рис. 3)	2020	1,70

Рис. 1. Астронавт Харрисон Х. Шмитт, пилот лунного модуля, работает на поверхности Луны рядом с лунным вездеходом (LRV) во время третьего выхода в открытый космос из посадочного аппарата Apollo-17 в долине Таурус-Литтроу [26]

Рис. 2. Модель автоматической межпланетной станции «Луна-16», доставившей первые образцы лунного грунта в автоматическом режиме [27]

Рис. 3. Фрагмент панорамы посадочной площадки Chang’ E-5 в Океане Бурь, 1 декабря 2020 г. [28]

Самым распространённым химическим элементом в материале ЛР является кислород (до 45%), второй по распространённости — кремний (16–17%), третий — алюминий, на долю которого приходится ~10% на материках и ~4,5% в тонких слоях морских базальтов, покрывающих 20% приповерхностного слоя Луны. Кальций и магний распространены примерно одинаково, на долю каждого из них приходится ~5%. На долю железа приходится ~2,5% на континентах и 6% — в морских базальтах. В составе лунного грунта этот элемент присутствует в форме атомарного железа или иона Fe2+ [23]. Атомы Ti и Na в сумме составляют оставшиеся проценты, причём содержание TiO2 в морских базальтах выше, чем в материковых анортозитах [25]. Калий, основной элемент многих пород земной коры, в составе лунных пород относят к микроэлементам (<0,1%). Химический состав ЛР меняется в зависимости от его фракционного состава. Фракция <10 мкм обогащена

Al2O3, CaO, Na2O, K2O, лёгкими редкоземельными элементами, но обеднены MgO, FeO, MnO. Грунты-аналоги, созданные в научных лабораториях, как правило, имеют схожий элементный состав с преобладанием Si, Al, Ca, Mg, Fe и Ti, но существенно более высокие концентрации Na и K, обусловленные высоким содержанием этих элементов в наземных минералах, использованных для изготовления грунтов-аналогов.

В отличие от ЛР, в процессах формирования МР значительную роль сыграли процессы химического выветривания. МР более тонкий и пылевидный, но не такой острый, как ЛР. Состав МР более разнообразен. Помимо базальтовых минералов МР имеет признаки присутствия глинистых минералов, содержит сульфаты и карбонаты, а также следовые количества азота и фосфора, что может указывать на гидрологические процессы на поверхности Марса в прошлом. Характерной особенностью марсианского грунта является обилие железа и перхлоратов — солей с выраженными окислительными свойствами, вызывающими защелачивание грунта. Как и в ЛР, органическое вещество в МР либо отсутствует, либо обнаруживается в следовых количествах. Однако содержание воды в МР на один-два порядка выше, чем в ЛР, а в полярных районах Марса обнаружено присутствие залежей льда в грунте [29].

Результаты экспериментов по наземному выращиванию растений на реголите

По совокупности имеющихся в литературе характеристик лунный грунт и его аналоги оказались менее приспособленными для роста высших растений, чем марсианский грунт и его аналоги [30]. Эксперименты показали, что ни один из доступных на данный момент образцов ЛР и АЛР не может обеспечить полноценную КС для растений без внесения дополнительных источников минерального питания и коррекции рН в корнеобитаемой зоне [31]. Десять различных растительных культур было протестировано в работе [32] на предмет возможности их выращивания на АЛР JSC1-1A. Несмотря на использование питательного раствора и дополнительное внесение в корнеобитаемую зону растительных остатков, только три из десяти видов растений (редис, рожь и кресс-салат) смогли пройти полный цикл вегетации и образовать семена на АЛР. Группе итальянских учёных удалось вырастить растения салата и картофеля исключительно на АЛР LHS-1 при поливе водой осмотической очистки [31]. При этом биомасса листьев и корней растений была более чем в десять раз снижена по сравнению с растениями, выращенными на композитных смесях с АЛР. В недавних экспериментах с использованием тестовых растений короткого жизненного цикла — резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) — были изучены их физиологические и транскрипционные реакции на культивирование в АЛР LHS-2 и АМР MGS-1 [33]. Выращенные на имитаторах реголита растения имели укороченные корни, низкие значения биомассы и содержания хлорофилла, а также повышенное содержание антоцианов.

По мнению некоторых учёных, реальная лунная почва ещё более бесплодна, чем применяемые в лабораториях аналоги реголита [34]. Используя образцы ЛР из миссий Apollo , учёные смогли вырастить резуховидку Таля ( Arabidopsis thaliana ) (рис. 4) [31]. Растения, выращенные на ЛР, имели замедленное развитие, искажённую морфологию, признаки оксидативного и осмотического стресса, аналогичные реакциям на соли и тяжёлые металлы в почве. Степень стресса зависела от происхождения реголита: образцы из миссии Apollo - 11 вызывали наибольший стресс, а из миссии Apollo - 17 — наименьший.

а)

б)                в)              г)

Рис. 4. Фотографии резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) на 16-е сутки вегетации на аналоге лунного грунта JSC-1A (а), а также на лунном грунте, доставленном на Землю в ходе миссий Apollo-11(б), Apollo-12(в) и Apollo-17(г) [34]. Буквой P обозначен номер образца

Обобщая полученные результаты, можно назвать две основные причины столь низкой продуктивности растений, выращиваемых на реголите и его аналогах: нехватка/дисбаланс элементов минерального питания [35] и отсутствие благоприятной для развития корней структуры грунта [36]. При этом нельзя забывать, что одновременное действие нескольких стрессовых факторов нелинейно снижает продуктивность растений, оставляя им всё меньше возможностей для адаптации к неблагоприятной среде обитания [37].

Применение реголита в качестве источника элементов минерального питания растений

Вне зависимости от типа КС, в непосредственный контакт с корневой системой растений вступает минеральный раствор, полученный в результате взаимодействия твёрдой, жидкой и газообразных фаз КС. Основные требования к составу раствора были сформулированы ранее при разработке искусственных КС для растений [38].

В число таких требований входят следующие:

• •    наличие всех ионов, необходимых растениям. Девять из них (микроэлементы) требуются в очень малых количествах (Fe, Mn, Cu, Mo, Zn, B, Cl, Ni, Co). Три катиона (К⁺, Са²⁺, Mg²⁺), а также азот, серу и фосфор, входящие в состав анионов (NO₃^–, SO₄^2–, Н₂РО₄^–), относят к макроэлементам, потребность в которых на порядок выше;

• •    общее содержание солей в питательном минеральном растворе должно находиться в пределах концентрации клеточного сока (2…3 г/л), а соотношения концентраций основных элементов питания должны быть физиологически уравновешенными, т. е. не выходить за установленные для выбранной культуры пределы;

• •    значение показателя pH должно находиться в пределах 4,5…6,8, в зависимости от вида растений.

Как было отмечено выше, минеральные элементы в составе реголита в основном находятся в прочно связанном состоянии в составе кристаллической решётки. В работе [39] показано, что концентрация биогенных лабильных ионов, т. е. ионов, доступных для поглощения корнями растений, в АЛР разных типов на один-два порядка ниже, чем в бедных песчаных почвах Земли. Таким образом, минеральный раствор, который может быть получен в результате взаимодействия твёрдой фазы реголита и воды, по своему составу не сможет удовлетворить потребностей растений в питании.

Отдельно стоит упомянуть о перспективах получения воды из реголита. В составе ЛР практически нет свободной воды. В результате воздействия солнечного ветра в ЛР образуются следовые количества гидроксильных групп (–OH), но извлечение воды из этих соединений требует сложных и энергозатратных процессов. В 2024 г. китайские учёные впервые добыли воду из лунного грунта. При нагревании выше 1 000 °C лунный грунт начинает плавиться, а образующаяся при этом вода выделяется в форме пара. После проведения многочисленных экспериментов учёные установили, что из 1 г расплавленного лунного грунта можно получить 51…76 мг воды. Таким образом, из 1 т грунта можно произвести 51…76 кг воды, что может обеспечить водой 50 человек на целый день [40]. В то же время, в полярных кратерах Луны, почти никогда не освещаемых Солнцем, обнаружены залежи водяного льда, который рассматривается в качестве основного источника потенциально доступной воды на Луне. Согласно данным американской космической миссии LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite), массовая доля льда в реголите южного полюса Луны может составлять 2,7…8,5% [41]

В образцах МР обнаружена химически связанная и адсорбированная вода. Согласно данным, полученным марсоходом Curiosity в кратере Гейл, содержание воды в марсианском грунте может составлять ~20–30 г/кг грунта. В районах, близких к полюсам, лёд может находиться прямо под поверхностью, иногда в пределах 1–2 м.

В литературе обсуждается вопрос о перспективах адаптации реголита к потребностям растений за счёт так называемого «биологического выветривания» породы, т. е. разрушения её кристаллической решётки в результате деятельности различных живых организмов, включая сами растения и их корневые выделения, а также бактерии [42], микроводоросли [18] и др. Например, в недавнем исследовании бактерии Bacillus mucilaginosus, Bacillus megaterium и Pseudomonas fluorescens в процессе колонизации АЛР CAS -1 смогли частично перевести в растворимую форму неорганический фосфор из состава реголита за счёт выделения органических кислот [43]. Как бактерии, так и микроводоросли, демонстрируют способность к биологическому выветриванию ЛР, не оказывая при этом значимого негативного воздействия на растения. Однако наблюдаемая скорость биодеградации реголита остаётся недостаточной для практического применения, а количество высвобождаемых при этом биогенных элементов существенно ниже физиологических потребностей высших растений [44, 45].

Применение реголита в качестве капиллярнопористой матрицы корнеобитаемой среды

Помимо минерального питания, КС должна в процессе вегетации обеспечивать стабилизацию водного потенциала в допустимом для растений диапазоне в порах, соприкасающихся с корнями, а также достаточный для дыхания корней воздухообмен с атмосферой. Баланс между двумя этими процессами во многом зависит от организации порового пространства КС. Микропоры (диаметром менее 20 Å) являются зоной действия адсорбционных сил и накопления недоступной для растений плёночной влаги. Эта зона соответствует низким значениям водного потенциала. Кроме того, различают поры переходных размеров, а также поры инфильтрации (20…200 Å), в которых действуют, в основном, капиллярные силы. Такие поры могут содержать капиллярно-гравитационную воду или воздух [46]. Именно в таких порах содержится практически вся доступная растениям влага в почве. В присутствии достаточного количества влаги и при наличии гравитационных сил макропоры диаметром более 20 Å легко освобождаются от влаги за счёт гравитационного стока и тем самым превращаются в поры аэрации. Экспериментальное исследование влияния объёма пор аэрации на рост и развитие растений показало, что доля пор аэрации должна составлять не менее 10% от общего объёма порового пространства [47].

Для насыпного минерального грунта соотношение крупных и мелких пор зависит от гранулометрического состава и внутренней пористости самих агрегатов. Все доставленные на Землю образцы ЛР содержат до 60% агглютинатов и лунного стекла, которым свойственна низкая пористость [48]. Вследствие этого пористость КС из насыпного ЛР определяется только соотношением фракций ЛР различного диаметра.

Согласно недавним исследованиям образцов ЛР CE-5, полученных во время китайской миссии на аппарате Chang’E-5, 95% ЛР в массовом соотношении составляют частицы диаметром 4,84…432,27 мкм [49]. Поскольку в нативном ЛР преобладают мелкие фракции, формирование пригодной для жизнедеятельности растений капиллярно-пористой матрицы потребует предварительного отсеивания ЛР для увеличения доли крупных фракций. В работе [50] для улучшения гидрофизических свойств ЛР предложено отсеивать фракции ЛР размером 2…5 мм. В работе [51] для тех же целей предложено увеличить долю фракций размером 0,5…1,0 мм. В то же время эти эксперименты пока не учитывали изменённый уровень гравитационного притяжения на Луне. Оптимальный гранулометрический состав насыпных КС для КО для лунных условий, а также для условий микрогравитации, до сих пор остаётся дискуссионным. В различных модификациях посадочных подушек в американской КО Veggie на МКС используются или частицы коммерческого керамического почвозаменителя TurfaceTM диаметром 0,6 мм, или смесь частиц диаметром 0,6 и 1,0…2,0 мм в соотношении 1:1 [52]. В тестовых экспериментах в другой КО Advanced plant habitat (APH) на американском сегменте МКС использовали частицы КС диаметром 1,0…2,0 мм. Разнородные результаты вегетационных опытов на борту МКС [53] подталкивают учёных к дальнейшему поиску оптимального фракционного состава и структуры порового пространства и насыпных КС для условий микрогравитации. В то же время, накопленный опыт эксплуатации КО в условиях микрогравитации [54] выявил интересные закономерности перераспределения жидкости в капиллярно-пористых КС. В отсутствие однонаправленных гравитационных сил вода в пористой среде перераспределяется преимущественно за счёт действия капиллярных сил, образуя концентрические области повышенной влажности вокруг водоподводящих элементов, что хорошо иллюстрирует рис. 5 [46].

а) б)

Рис. 5. Распределение влажности в вегетационном сосуде космической оранжереи «Свет», заполненном почвозаменителем TurfaceTM, на этапе первичного увлажнения в наземных экспериментах (а) и в условиях микрогравитации в космосе (б). Черные круги — поперечные сечения водоподающих трубопроводов [46]

По мере увеличения содержания воды в КС, вокруг поверхности частиц КС образуется водяная плёнка. При наличии действия гравитационного стока эта плёнка остаётся тонкой вплоть до полного заполнения капилляров и не препятствует газообмену в КС. В отсутствие гравитационного стока толщина водной плёнки на поверхности капилляров может достигать критических для воздухообмена значений даже при низком общем влагосодержании в КС [47]. Исходя из имеющихся в литературе данных, можно предположить, что при распределении влаги в капиллярно-пористой КС в КО на поверхности Луны должен образовываться гравитационный сток. Однако толщина водяных плёнок, формирующихся в капиллярном пространстве КС, может быть больше, а скорость газообмена через водяные плёнки на тонких корнях, соответственно, ниже, чем в наземных условиях. Следует ожидать, что для использования насыпных слоёв ЛР с указанными выше размерами частиц 0,5…1,0 мм в качестве капиллярно-пористой матрицы в КС, обеспечивающей газо- и воздухообмен в прикорневой зоне растений, потребуется применять дополнительную принудительную вентиляцию.

Применение реголита для ускорения трансформации органических отходов

Низкие продукционные качества известных аналогов лунного грунта сместили фокус исследований в сторону разработки смешанных корнеобитаемых сред на основе реголита и органических добавок [30, 31, 32]. В лабораторных исследованиях для этой цели используют ферментированный навоз, компост на основе фекалий и растительных остатков, зелёный компост, сфагновый мох (табл. 2). Внесённое органическое вещество в этом случае выполняет тройную функцию: является основным источником питательных элементов для растений, увеличивает водоудерживающие и влагопроводные свойства КС, создаёт основы для формирования стабильного микробиоценоза КС [55]. Для адекватного минерального питания растений и оптимизации водоудерживающих свойств слоя ЛР необходимо внесение по разным оценкам от 0,5 до 50% сухого органического вещества в расчёте на вес реголита.

Таблица 2

Обзор лабораторных исследований по внесению органического вещества в реголит и его аналоги для повышения продукционных качеств корнеобитаемой среды

Реголит/АЛР/ АМР	Объект выращивания	Состав и соотношение органических добавок и реголита	Литературные источники
JSC, MARS-1	Мангольд	Листовой компост (0:1, 1:3, 1:1, 3:1, 1:1, объёмные %)	[56]
JSC-1A, MARS-1A	Зелёный лук Кресс-салат Лук-порей Горох Киноа Рожь Редис Шпинат Томаты	Измельчённая газонная трава (267 г / 7,5 л АЛР/АМР), стандартный питательный раствор	[32]
LHS-1, MMS-1	Листовой салат	Смесь с зелёным компостом в различных соотношениях	[57]
Apollo-11, Apollo-12, Apollo-17	Резуховидка Таля	Стандартный питательный раствор, 0,125; рН 5,7	[34]
MMS-1	Руккола Листовой салат	Смесь свиного и лошадиного навоза в соотношении (1,0:0,9; 9,0:1,7; 3,5:5,0; 3:1; 1:1, массовые %)	[31]
CUG-1B	Пшеница	Смесь органических отходов, прошедших аэробную ферментацию 7–21 дней	[58]
СI	Листовой салат Редис Перец	Торфяной мох	[59]

С момента запуска работы оранжереи на форпостной базе, переработанные растительные отходы могут стать существенной добавкой к минеральным удобрениям, пригодной для внесения в КС. По данным литературы, более 50% требуемых растениям минеральных веществ могут быть получены за счёт переработки несъедобной части растений предыдущих вегетаций [60].

Для условий планетных баз ранее была предложена технология разложения органических отходов и регенерации из них минеральных веществ для роста последующих посевов растений. Она включает в себя предварительную физико-химическую обработку растительных отходов переменными электротоками в среде окислителей [11]. Далее технология почвоподобного субстрата (ППС) предполагает внесение полученного продукта разложения в КО в качестве КС и дополнительное разложение органики гетеротрофными организмами (грибом вешенкой и калифорнийскими червями). После получения первых урожаев в ППС добавляется предобработанная солома злаковых культур. Кроме того, что ППС может служить субстратом для выращивания растений, он может являться средством биологической утилизации отходов жизнедеятельности человека. Принципиальным отличием ППС от обычной почвы является отсутствие твёрдой минеральной матрицы. Первоначально слой ППС загружается в вегетационные сосуды, в которые высаживаются семена растений. В процессе длительной вегетации объём ППС периодически восполняется за счёт новых порций предобработанных растительных отходов и выделений человека.

Несмотря на успешное применение ППС в качестве КС для растений в годовом эксперименте Lunar Palace – 365 [13], разработчики этого метода указывают на необходимость дальнейшей доработки технологии как получения, так и применения ППС, для условий орбитальных станций и планетных баз. В частности, улучшение может быть достигнуто за счёт лучшей аэрации внутри слоя субстрата. Отсутствие твёрдой пористой матрицы и обилие полуразложившегося органического материала затрудняют вентиляцию КС на основе ППС, особенно при отсутствии значительных количеств соломы в её составе [61]. Это является существенным недостатком как для дыхания корней растений, так и для трансформации органических веществ, а следовательно, и для высвобождения элементов минерального питания в гидропонные растворы для последующего выращивания растений.

В качестве одного из возможных методов повышения продуктивности ППС в лабораторных экспериментах было предложено вносить в КС инертный разрыхлитель в виде стеклянных шариков, образующих твёрдую пористую структуру внутри субстрата [61, 62]. В условиях БТСЖО лунной или марсианской базы функцию доступного инертного материала для улучшения структуры ППС может выполнять реголит с заданным гранулометрическим составом. Подобный подход хорошо соответствует концепции ISRU, позволяя наиболее полно использовать местные ресурсы для работы космических оранжерей, тем самым сокращая массу и объём запасов, доставляемых для работы всей БТСЖО.

Заключение

Состав и физико-химические свойства как лунного, так и марсианского реголитов осложняют их непосредственное применение в качестве КС для выращивания растений в КО.

Существует два основных направления для применения реголита в КО: для формирования в КС капиллярно-пористой матрицы с необходимыми для водо- и газообеспечения корневой системы свойствами и в качестве источника элементов минерального питания растений. Последний подход затруднён из-за высоких энергетических затрат и, возможно, станет рентабельным только при обнаружении в грунтах Луны и Марса более доступных источников минеральных удобрений.

Разрыхлитель из реголитов с определённым гранулометрическим составом может оказаться необходимым при реализации циклического процесса разложения и регенерации биогенных элементов растительных отходов, получаемых в процессе работы космической оранжереи.

Оптимизация гранулометрического состава реголита для улучшения аэрации при переработке растительных отходов является актуальной задачей для дальнейших наземных исследований, в частности с применением аналогов лунного и марсианского реголитов, а затем и с применением лунного и марсианского реголитов.

Работа была выполнена при финансировании Госкорпорацией «Роскосмос», а также частично в рамках плановой темы фундаментальных иссле дований, шифр FMFR-2024-0035.