RU2657630C1 - Space crafts life support system based on solar bio-panels - Google Patents
Space crafts life support system based on solar bio-panels Download PDFInfo
- Publication number
- RU2657630C1 RU2657630C1 RU2016149810A RU2016149810A RU2657630C1 RU 2657630 C1 RU2657630 C1 RU 2657630C1 RU 2016149810 A RU2016149810 A RU 2016149810A RU 2016149810 A RU2016149810 A RU 2016149810A RU 2657630 C1 RU2657630 C1 RU 2657630C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- panels
- reactor
- suspension
- photo
- bio
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/60—Crew or passenger accommodations
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам - биологическим реакторам для культивирования фотосинтезирующих микроводорослей. Такие биологические фотореакторы могут рассматриваться как элемент системы жизнеобеспечения (СЖО) космического аппарата (КА).The invention relates to devices - biological reactors for the cultivation of photosynthetic microalgae. Such biological photoreactors can be considered as an element of the life support system (LSS) of a spacecraft (SC).
Известно, что существующие системы жизнеобеспечения обитаемых КА на околоземных орбитах являются частично замкнутыми и основаны как на запасах основных веществ (кислорода и воды), так и на их регенерации. Пополнение запаса основных веществ осуществляется периодически грузовыми кораблями, что, конечно, не очень удобно. А при полетах к другим планетам придется брать большое количество законсервированной еды, воды и кислорода. Для трехлетней экспедиции на Марс количество этих невозобновляемых запасов для экипажа из шести человек составит около 30 тонн ("Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы". М.: РКК "Энергия", 2011 г., с. 316).It is known that the existing life support systems of inhabited spacecraft in near-earth orbits are partially closed and are based both on the reserves of basic substances (oxygen and water) and on their regeneration. The replenishment of the main substances is carried out periodically by cargo ships, which, of course, is not very convenient. And when flying to other planets, you will have to take a large amount of canned food, water and oxygen. For a three-year expedition to Mars, the amount of these non-renewable reserves for a crew of six will be about 30 tons (“The Moon is a step towards the development of the Solar System.” M .: RSC Energia, 2011, p. 316).
Предлагаемые максимально замкнутые СЖО на основе физико-химических регенерационных процессов очень сложны, что плохо само по себе на предмет возможной аварийной поломки. Так, предлагаемая Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) регенерационная система состоит из 14 блоков, а извлекаемый углекислый газ удаляется за борт или в оранжерею (Климарев С.И., Синяк Ю.Е., Гаврилов Л.И. Регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата. / Патент РФ RU 2500590 С1). И сама по себе она не способна производить еду.The proposed maximally closed LSSs based on physicochemical regeneration processes are very complex, which is bad in itself for a possible emergency breakdown. So, the regeneration system proposed by the Institute of Biomedical Problems (IMBP) consists of 14 blocks, and the extracted carbon dioxide is removed overboard or into the greenhouse (Klimarev S.I., Sinyak Yu.E., Gavrilov L.I. Regeneration crew life support system spacecraft. / RF Patent RU 2500590 C1). And in itself, it is not capable of producing food.
По инициативе Королева С.П. с 1962 г. в СССР было проведено огромное количество экспериментов по созданию СЖО замкнутого типа на основе водорослевых фотореакторов. В экспериментах Института Биофизики и ИМБП было доказано, что водоросли могут успешно регенерировать кислород и воду в замкнутых гермокабинах, и потенциально производить еду. Уже в 1966 году в Институте физиологии растений был сконструирован высокоинтенсивный прямоточный фотореактор с плоскопараллельными стенками, который показал возможность регенерации кислорода с использованием водной суспензии хлореллы. При концентрации культуры 6*108 кл/мл и толщине суспензии 5 мм при освещенности 800 ватт/м2 реактор поглощал углекислый газ с интенсивностью 80 л/сутки*м2 при скромном КПД фотосинтеза 5% (Иерусалимский Н.Д., Ковров Б.Г. (ред.) Управляемый биосинтез. М.: "Наука" 1966 г. С. 82). Для снабжения кислородом экипажа из двух человек такой реактор имел бы массу 80-100 кг и площадь 15 м2. Что сопоставимо с габаритами солнечных батарей кораблей «Союз ТМ».At the initiative of Korolev S.P. Since 1962, a huge number of experiments have been conducted in the USSR to create a closed-type coolant system based on algal photoreactors. In experiments of the Institute of Biophysics and IBMP, it was proved that algae can successfully regenerate oxygen and water in closed pressurized cabins, and potentially produce food. Already in 1966, a high-intensity direct-flow photoreactor with plane-parallel walls was constructed at the Institute of Plant Physiology, which showed the possibility of oxygen regeneration using an aqueous suspension of chlorella. At a culture concentration of 6 * 10 8 cells / ml and a suspension thickness of 5 mm at an illuminance of 800 watts / m 2, the reactor absorbed carbon dioxide with an intensity of 80 l / day * m 2 with a modest efficiency of photosynthesis of 5% (Jerusalem N.D., Kovrov B .G. (Ed.) Guided Biosynthesis. M.: “Science” 1966, p. 82). To supply the crew of two people with oxygen, such a reactor would have a mass of 80-100 kg and an area of 15 m 2 . Which is comparable with the dimensions of the solar panels of Soyuz TM ships.
Можно выделить недостатки водорослевых фотореакторов как возможного элемента СЖО КА.We can highlight the disadvantages of algal photoreactors as a possible element of the SCL of the spacecraft.
1. Они, конечно, громоздки и при любой конструкции будут занимать много места в рабочем отсеке. Фотореактор с плоскопараллельными стенками имеет большие габариты. При высокой концентрации суспензии 109 кл/мл ее оптимальная толщина водорослевой суспензии составит 0,25 мм. Необходимость использовать тонкие слои связана с сильным поглощением света в суспензии (Лисовский Г.М. (ред.) Управляемое культивирование микроводорослей. М.: "Наука" 1964 г. С. 13). При этом эффективность фотосинтеза в фотореакторе возрастает в 3-4 раза, но возрастает и площадь самого фотореактора (Лисовский Г.М. (ред.) Управляемое культивирование микроводорослей. М.: "Наука" 1964 г. С. 82).1. They are, of course, bulky and with any design will occupy a lot of space in the working compartment. The photoreactor with plane-parallel walls has large dimensions. With a high concentration of suspension of 10 9 cells / ml, its optimal thickness of the algal suspension will be 0.25 mm . The need to use thin layers is associated with strong absorption of light in suspension (Lisovsky G.M. (ed.) Guided cultivation of microalgae. M.: “Science” 1964, p. 13). At the same time, the efficiency of photosynthesis in the photoreactor increases 3-4 times, but the area of the photoreactor itself also increases (Lisovsky G.M. (ed.) Guided cultivation of microalgae. M.: Nauka 1964, p. 82).
2. Другой недостаток исследованных фотореакторов заключается в том, что для получения большей продуктивности исследователи были вынуждены облучать высококонцентрированнные суспензии хлореллы светом большой интенсивности: 400-800 ватт/м2. При этом снижается КПД фотосинтеза, максимум которого 15-20% достигается при интенсивности освещения в диапазоне 50-150 ватт/м2 (Рожнов В.Ф. Космические системы жизнеобеспечения. М.: "МАИ", С. 143) Снижение освещенности до оптимального уровня может поднять КПД фотосинтеза до 20%, а эффективность фотореактора с тонким слоем водорослевой суспензии в 15-20 раз (Владимирова М.Г., Семененко В.Е., Ничипорович А.А. Сравнительное изучение продуктивности различных форм одноклеточных водорослей, с. 314-326. В кн. «Проблемы космической биологии» под ред. Н.М. Сисакяна и В.И. Яздовского. АН СССР, Москва). При высокой освещенности также повышается склонность суспензии к образованию комков, которые оседают на поверхности реактора. Проблема «избыточного света» обычно решается распределением (рассеиванием) интенсивного света внутри водорослевой суспензии с помощью клиновидных световодов (Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Биотехнология микроводорослей. М.: "Научный Мир", 2012. С. 143).2. Another disadvantage of the studied photoreactors is that in order to obtain greater productivity, the researchers were forced to irradiate highly concentrated chlorella suspensions with high-intensity light: 400-800 watts / m 2 . This reduces the efficiency of photosynthesis, the maximum of which is 15-20%, achieved when the illumination intensity is in the range of 50-150 watts / m 2 (Rozhnov VF Space life support systems. M.: MAI, p. 143) Reducing light to the optimum level can increase the efficiency of photosynthesis to 20%, and the efficiency of a photoreactor with a thin layer of algal suspension is 15-20 times (Vladimirova MG, Semenenko V.E., Nichiporovich A.A. Comparative study of the productivity of various forms of unicellular algae, p. 314-326. In the book "Problems of Space Biology" edited by N. M. Sissakian and V.I. Yazdovsky, Academy of Sciences of the USSR, Moscow). At high illumination, the tendency of the suspension to form lumps that settle on the surface of the reactor also increases. The problem of "excess light" is usually solved by the distribution (scattering) of intense light inside the algal suspension using wedge-shaped optical fibers (Tsoglin L.N., Pronina N.A. Biotechnology of microalgae. M .: "Scientific World", 2012. P. 143).
3. Несомненно, иметь на борту КА источник света для водорослевого фотореактора - это дополнительная техническая проблема. Тем более, что КПД преобразования электричества в свет обычно не превышает 30%. Это влечет за собой повышенный расход дефицитной электроэнергии, выделение тепла в фотореакторе, которое как-то нужно выводить в Космос.3. Undoubtedly, having a light source for an algal photoreactor on board a spacecraft is an additional technical problem. Moreover, the efficiency of converting electricity to light usually does not exceed 30%. This entails an increased consumption of scarce electricity, the release of heat in the photoreactor, which somehow needs to be removed to the cosmos.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в конструировании легкого и эффективного водорослевого плоского фотореактора, который как элемент СЖО КА образует его внешнюю биопанель и был бы свободен от вышеперечисленных недостатков. Подразумевается, что биопанель может также включать некие устройства для обслуживания фотореактора. Например, для его термостатирования.The problem to which the present invention is directed is to design a lightweight and efficient algal flat photoreactor, which, as an element of the SCF KA, forms its external biopanel and would be free from the above disadvantages. It is understood that the biopanel may also include some devices for servicing the photoreactor. For example, for temperature control.
Задача решается тем, чтоThe problem is solved by the fact that
1. для фотосинтеза берется проточный фотореактор с плоскопараллельными стенками и с максимально возможной плотностью суспензии водорослей и минимальной толщиной самой суспензии. Это обеспечивает наиболее полное проникновение света в суспензию, а большая плотность суспензии обеспечивает большую производительность фотореактора. Сепарация газов в невесомости от водорослевой суспензии 1 достигается введением в реактор с прозрачным окном 2 силиконовой мембраны 3 с высокой газопроницаемостью (Рис. 1, Рис. 2). Очищаемый воздух 4 проходит над мембраной 3, отдавая углекислый газ 6 в суспензию 1. Можно также вращать дискообразный реактора вместе с суспензией 1 (Рис. 3). Очищаемый воздух 4 здесь подается через отверстия на периферии его окружности (на рисунке не указаны). Обогащенный кислородом воздух 5 вытесняется к центру реактора под действием центробежных сил. Избыток суспензии сливается через сливное отверстие 7, и обогащенный кислородом воздух 5 удаляется через газоотвод 8.1. For photosynthesis, a flow-through photoreactor with plane-parallel walls and with the maximum possible density of a suspension of algae and the minimum thickness of the suspension itself is taken . This ensures the most complete penetration of light into the suspension, and the high density of the suspension provides greater productivity of the photoreactor. The separation of gases in zero gravity from the
2. в рабочем состоянии сам фотореактор 9 располагается вне гермокабины КА 10, образуя таким образом внешнюю биопанель КА 2 (Рис. 4). Этим решается экономия рабочего объема КА, и одновременно проблема источника света, так как его освещение будет происходить непосредственно от Солнца, что исключает необходимость преобразования солнечного света в электричество и обратно электричества в свет для освещения фотореактора. В нерабочем состоянии (при запуске КА) тонкая биопанель находится в сложенном состоянии и занимает мало места. Отработанный воздух, вода для регенерации, углекислый газ и питательные вещества подаются в фотореактор через герметичные соединения, которыми биопанель крепится к корпусу КА. Обогащенный кислородом воздух, очищенная вода и излишки суспензии водоросли (биомасса) выводятся обратно в гермокабину для дальнейшей переработки и потребления;2. In working condition, the
3. ввиду того, что солнечная постоянная в околоземном пространстве (1400 ватт/м2) на порядок больше интенсивности освещения для максимального КПД фотосинтеза (около 140 ватт/м2 для хлореллы), фотореактор-биопанель 2 (Рис. 4) или стенки фотореактора в биопанели 2 (Рис. 5) располагаются под углом к падающему свету 11. При этом падающий на поверхность биопанели избыточный свет рассеивается в толще суспензии, и интенсивность ее освещения уменьшается.3. due to the fact that the solar constant in near-Earth space (1400 watts / m 2 ) is an order of magnitude greater than the light intensity for maximum photosynthesis efficiency (about 140 watts / m 2 for chlorella), the photoreactor-biopanel 2 (Fig. 4) or the walls of the photoreactor in biopanel 2 (Fig. 5) are located at an angle to the
По предварительным расчетам для обеспечения кислородом и водой экипажа из двух человек, плоский фотореактор с толщиной водорослевой суспензии хлореллы 0,25 мм будет иметь массу 5 кг и общую площадь 20 м 2 . Для снижения интенсивности освещенности, как это было описано ранее, он может быть выполнен в виде гармошки (Рис. 5), что обеспечивает малую площадь собственно внешней биопанели: 2 м 2 . При подборе подходящих водорослей, а также водных микроживотных, которые могут ими питаться, можно получить полностью замкнутую СЖО КА. Это избавит экипажи КА от внешнего снабжения едой, водой и кислородом на околоземной орбите и позволит в будущем осуществлять длительные межпланетные перелеты к Марсу и Юпитеру.According to preliminary calculations, to provide a crew of two people with oxygen and water, a flat photoreactor with a 0.25 mm thick algal suspension of chlorella will have a mass of 5 kg and a total area of 20 m 2 . To reduce the intensity of illumination, as described previously, it can be made in the form of an accordion (Fig. 5), which provides a small area of the actual external biopanel: 2 m 2 . When selecting suitable algae, as well as aquatic micro-animals that can feed on them, it is possible to obtain a fully enclosed SCF SC. This will save the spacecraft crews from the external supply of food, water and oxygen in low Earth orbit and will allow in the future to make long interplanetary flights to Mars and Jupiter.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016149810A RU2657630C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Space crafts life support system based on solar bio-panels |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016149810A RU2657630C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Space crafts life support system based on solar bio-panels |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2657630C1 true RU2657630C1 (en) | 2018-06-14 |
Family
ID=62619910
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016149810A RU2657630C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Space crafts life support system based on solar bio-panels |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2657630C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5005787A (en) * | 1989-07-11 | 1991-04-09 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method and apparatus for bio-regenerative life support system |
RU2007114635A (en) * | 2007-04-18 | 2008-10-27 | Сергей Карпович Саркисов (RU) | SPACE VEHICLE |
RU2453480C2 (en) * | 2010-08-06 | 2012-06-20 | Открытое Акционерное Общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения" (ОАО "НИИхиммаш") | Method of fluid separation from gas-fluid flow in seal object abd device to this end |
US8895279B2 (en) * | 2010-12-02 | 2014-11-25 | Dennis A. Burke | Applications of the rotating photobioreactor |
RU2538552C2 (en) * | 2012-12-04 | 2015-01-10 | Александр Викторович Даукш | Method of operation of power generating system, power generating system and electrochemical current source element for its implementation |
-
2016
- 2016-12-19 RU RU2016149810A patent/RU2657630C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5005787A (en) * | 1989-07-11 | 1991-04-09 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method and apparatus for bio-regenerative life support system |
RU2007114635A (en) * | 2007-04-18 | 2008-10-27 | Сергей Карпович Саркисов (RU) | SPACE VEHICLE |
RU2453480C2 (en) * | 2010-08-06 | 2012-06-20 | Открытое Акционерное Общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения" (ОАО "НИИхиммаш") | Method of fluid separation from gas-fluid flow in seal object abd device to this end |
US8895279B2 (en) * | 2010-12-02 | 2014-11-25 | Dennis A. Burke | Applications of the rotating photobioreactor |
RU2538552C2 (en) * | 2012-12-04 | 2015-01-10 | Александр Викторович Даукш | Method of operation of power generating system, power generating system and electrochemical current source element for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pushparaj et al. | As integrated culture system for outdoor production of microalgae and cyanobacteria | |
Morita et al. | Investigation of photobioreactor design for enhancing the photosynthetic productivity of microalgae | |
US3218758A (en) | Photosynthetic apparatus | |
WO2011069372A1 (en) | Photobioreactor system for high-density culture of microalgae | |
MX2008010770A (en) | Photobioreactor and uses therefor. | |
CN102124093B (en) | For by CO 2be converted into the continuous system of high added value and/or nutritive value product and the energy | |
WO2011086358A2 (en) | Photo-bioreactor and method for cultivating biomass by photosynthesis | |
Cao et al. | Development of the direct solar photocatalytic water splitting system for hydrogen production in Northwest China: Design and evaluation of photoreactor | |
EP3548598A1 (en) | Photo-bioreactor device and methods | |
JP2012519495A (en) | Equipment for photochemical processes | |
US10072239B1 (en) | Microorganism cultivation platform for human life support | |
US20110318804A1 (en) | Photobioreactor | |
Wagner et al. | Photobioreactors in life support systems | |
CN108308013A (en) | A kind of large size calcification seaweed indoor circulation Aquaponic system | |
JP2014221051A (en) | Method and device for photochemical process | |
RU2657630C1 (en) | Space crafts life support system based on solar bio-panels | |
Hisatomi et al. | Overall water splitting: What’s next? | |
Tabernero et al. | Microalgae technology: A patent survey | |
US20120070889A1 (en) | Hybrid bioreactor for reduction of capital costs | |
Sun et al. | Photoautotrophic microalgal cultivation and conversion | |
US20220135919A1 (en) | Integrated bioreactor systems | |
KR101663109B1 (en) | Light Tube With Various Shape Light Collector for Photobioreactor | |
KR101663108B1 (en) | Light Tube for Photo-Bioreactor for Cultivation of Photosynthesis Autotrophic Organisms | |
JP2002272447A (en) | Photobioreactor | |
KR101660963B1 (en) | Light Tube With Flexible Fresnel Lens for Photobioreactor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191220 |