Сюжеты

Постнаука. Выпуск #21

Проект «Новой газеты» и сайта postnauka.ru

Фото: «Новая газета»

Этот материал вышел в № 81 от 26 июля 2013
ЧитатьЧитать номер
Общество

— Микробиологическая безопасность космических полетов<br> — Как обезопасить Землю от заражения из космоса — и наоборот<br> — Атомная энергетика спасет человечество<br>


 

Паразиты в космосе

Микробиологическая безопасность космических полетов

Наталья НОВИКОВА
доктор биологических наук, академик Международной академии астронавтики, заведующая лабораторией Микробиологии среды обитания и противомикробной защиты Института медико-биологических проблем РАН

Микроорганизмам присущи беспрецедентная многочисленность видов, удивительно широкие адаптационные способности, повсеместность распространения. Общеизвестна геологическая деятельность микроорганизмов и их роль в круговороте материи.

Микроорганизмам также присуща еще одна удивительная особенность, которую принято называть принципом микробной всеядности: в природе не может существовать никакого вещества, которое при подходящих условиях микроорганизм не мог бы окислить.

Еще на заре космической эры считалось, что в космическом корабле, в связи с тем, что он замкнутый, будет происходить обеднение микрофлоры, упрощение ее, затем наводнение за счет сохранившихся видов, а когда космонавты вернутся на Землю, они испытают микробный шок. Этого не произошло, но вопросы противомикробной защиты от этого не стали менее значимыми. Они и их значение все время растут. Почему это происходит?

Прежде всего давайте рассмотрим, как формируется микрофлора в кабинах космических объектов. Человек содержит очень большое количество микроорганизмов, которые выполняют полезную функцию: и пищеварительную, и иммуностимулирующую, и витаминообразующую. Но вместе с тем в микрофлоре человека есть и условно патогенный компонент, который при снижении иммунитета может провоцировать возникновение оппортунистических инфекций.

Микрофлора человека,  хотя и очень интенсивно выделяется, но не способна, как правило, к длительному существованию вне организма хозяина. Но в космический корабль поступает очень много микрофлоры из окружающей среды, а именно: с полимерными материалами, которые могут заражаться в процессе производства, хранения, транспортировки и т.д.; на старте космического корабля, когда невозможно обеспечить тотальную стерилизацию; занос микроорганизмов в замкнутый объем космического объекта может происходить при осуществлении грузопотоков с Земли транспортными кораблями, при строительстве и эксплуатации космического объекта на околоземной орбите.

PhotoXPressПоэтому, если бы мы с вами рассмотрели видовой состав микроорганизмов, которые присутствуют в космическом корабле, то поняли бы, что большой удельный вес среди этих микроорганизмов занимают обитатели природных резервуаров: различные бациллы и плесневые формы грибов. Причем они поселяются в среде обитания и длительное время живут в ней, обзаводясь потомством. Генетические исследования, которые мы проводили совместно с МГУ, показали, что некоторые микроорганизмы, в частности плесневые формы грибов, могут жить на станции в течение многих лет (мы находили потомков через 7–8 лет). Иногда мы шутим, что настоящий рекорд пребывания в космосе принадлежит именно микроорганизмам, которые являются хозяевами на орбитальной станции, а космонавты только приходят к ним в гости.

Какие же проблемы создают микроорганизмы и почему нужно решать вопросы микробиологической безопасности? То, что связано с человеком, более-менее понятно, при разных стрессах, ослаблении иммунитета может происходить изменение состояния микрофлоры человека, то есть могут возникать дисбактериозы, перекрестные инфекции, когда один человек передает другому условно патогенные микроорганизмы, или, например, возникает аутоинфекция. Но космонавтов все-таки отбирают и стараются такого рода неблагоприятных моментов избежать. Это в целом удается, хотя полной гарантии никогда нет.

Но есть еще один риск — технологический. Он связан с тем, что микроорганизмы могут резидентно заселять различные конструкционные материалы, развиваться на них и вызывать биоповреждения полимеров и биокоррозию металлов. В принципе, вопрос этот не новый и, по разным литературным данным, приблизительно от 4 до 8% всей промышленной продукции так или иначе повреждается микроорганизмами, но в космическом корабле это представляет особую опасность.

Еще когда летал «Салют-7», по окончании экспедиции космонавты имели возможность вырезать и привезти нам на Землю конструкционные материалы, которые, с их точки зрения, были повреждены микроорганизмами. И действительно, на материале интерьера, на искусственной коже, на изоляционной ленте мы видели обширный рост плесневых грибов, вплоть до сквозных отверстий. При эксплуатации орбитальной станции «Мир» неоднократно выходила из строя аппаратура. Это началось с иллюминатора космического спускаемого аппарата, который был пристыкован к станции в течение полугода с отключенными системами жизнеобеспечения, когда имелся градиент температур между самой станцией и этим аппаратом, и на поверхности иллюминатора спускаемого аппарата образовывался конденсат.

Наглядным примером микробиологического повреждения оборудования на орбитальной станции «Мир» является ситуация с выходом из строя блока управления прибора связи, доставленного на Землю при возвращении членов 24-й экспедиции (сентябрь 2010 г.). При его визуальном осмотре были обнаружены множественные дефекты: видимый рост плесневых грибов на металлическом корпусе с внутренней и внешней стороны, многочисленные наросты синего цвета на изоляционных трубках в местах повреждения изоляции, на изоляционных трубках, на изоляционных трубках контактных колодок.

В период эксплуатации МКС вышел из строя сигнализатор дыма (противопожарного датчика). Когда он был доставлен на Землю, то внутри корпуса был обнаружен видимый рост грибов, а на металлической игле, куда подается электрический ток, — рост мицелия гриба и коррозия самой иглы.

Для того чтобы купировать микробиологические риски, возникающие в процессе эксплуатации орбитальных космических станций, разработана целая система мероприятий, которая охватывает и период предполетной подготовки, и период в полете. Эта система связана с обеспечением требований биологической чистоты на стадии подготовки изделий, с проведением дезинфекционных мероприятий на старте, а в процессе полета — с использованием установки «Поток 150МК», очищающей воздух от аэрозольных частиц и микроорганизмов, установки, которая успешно работала на «Мире», а сейчас — на МКС. Это также фильтрация, пастеризация и обогащение (ионами серебра) воды, которая регенерируется из конденсата атмосферной влаги, и многое другое.

Еще мы очень много работаем над вопросами, связанными с приданием материалам антимикробных свойств, что тоже является перспективным, особенно для будущих межпланетных космических полетов.

И космонавты проходят период изоляции и очень глубокого микробиологического обследования.

Этого было бы, конечно, недостаточно, если бы не проводился постоянный микробиологический мониторинг состояния среды обитания — воздуха, поверхности интерьера, оборудования, воды. И в тех случаях, когда мы обнаруживаем в пробах (которые  отбирают космонавты) превышение нормативных показателей, используются специальные средства для обработки этих поверхностей.

Это тоже делают космонавты. И добиваются снижения уровня микробной обсемененности до безопасных показателей.

postnauka.ru/video/10786

 

 

Планетарный карантин

Как обезопасить Землю от заражения из космоса — и наоборот

PhotoXPressПериод изучения планет Солнечной системы с помощью беспилотных космических кораблей насчитывает уже десятки лет. Основной целью выполнения этих программ является получение ответов на целый ряд вопросов. Прежде всего — как возникла жизнь во Вселенной? Существует ли она вне Земли, есть ли предпосылки для ее возникновения на планетах, спутниках и т.д. Парадоксально, но само развитие космонавтики может поставить под угрозу все эти дорогостоящие программы исследований из-за возможных необратимых изменений естественного эволюционного развития небесных тел, если не предусмотреть целый ряд мер по предотвращению загрязнения космоса земными формами жизни.

Не меньшую опасность представляет возможность заражения Земли внеземными формами жизни. К тому же нужно учитывать и следующее обстоятельство: полностью стерилизовать космический корабль, который полетит на другую планету, мы не можем, и обязательно какое-то количество земных микроорганизмов на нем останется. И при его возвращении мы не можем прогнозировать, каким образом изменятся те земные микроорганизмы, которые сохранились в условиях другой планеты, как они мутировали.

Еще в прошлом веке ряд стран подписал соглашение о том, что при освоении планет Солнечной системы необходимо предотвращать заражение других планет и их спутников земными формами жизни. А созданный в 1958 году Комитет по космическим исследованиям (КОСПАР) разработал концепцию планетарного карантина (1964), которая нашла наиболее полное отражение в последней резолюции (2002). Вкратце эта концепция сводится к следующему: все космические полеты ранжируются на пять категорий в зависимости от биологического интереса к планете-мишени и типа экспедиции: пролетная это экспедиция или орбитальная, без посадки на небесное тело, или это экспедиция с посадкой, или же не только с посадкой, но и с возвращением внеземного вещества.

Нужно прежде всего понимать, могут ли земные микроорганизмы, неизбежно контаминирующие космическую технику, оставаться жизнеспособными в условиях космического пространства в течение времени, необходимого для полета на другую планету и возвращения на Землю. И в аспекте данной проблемы в Институте медико-биологических проблем была создана программа и аппаратура космического эксперимента под названием «Биориск».

Впервые этот эксперимент был начат в 2005 году. Аппаратура состояла из платформы с тремя закрепленными контейнерами, которая располагалась на внешней стороне российского сегмента МКС. В контейнеры помещались чашки Петри (лабораторная посуда в виде плоского цилиндра с крышкой. — Прим. ред.), герметично запакованные, но имеющие на крышках отверстия, закрытые фильтрами. Через этот фильтр мог проходить воздух, но не могли выходить микроорганизмы. На Земле внутрь этой чашки помещался образец материала, из которого изготовлена внешняя сторона космических аппаратов. На эти материалы наносились ассоциации или отдельные культуры спор, бактерий и микроскопических грибов. Затем помещали в контейнеры, контейнеры тоже закрывали крышкой и транспортировали на МКС. А при внекорабельной деятельности космонавты размещали эти контейнеры на платформе и открывали крышки.

Почему я на этом фиксирую ваше внимание? Потому что между космическим пространством и спорами микроорганизмов оставался только фильтр, который был на чашке. И каждые полгода предусматривалось, что по одному контейнеру после закрытия крышкой будет вноситься внутрь МКС, а затем спускаться на Землю. Так приблизительно и произошло. Через 7 месяцев, через 12 и через 18 мы получили по одному контейнеру.

Какой результат мы получили? Споры трех микроскопических грибов сохраняли свою жизнеспособность в течение 12 месяцев, а в течение 18 — только один. А споры всех четырех видов бацилл — это спорообразующие бактерии — сохранялись в течение 18 месяцев. То есть попадая потом в благоприятные условия, они прорастали и формировали колонии. Появились деформации в ультраструктуре, были изменения, например, образование множественности септ — органов деления у бацилл, утолщение слоя вегетативного мицелия у грибов, появление устойчивости к антимикробным препаратам. То есть эти изменения были направлены на то, чтобы выжить, использовать до конца свой адаптационно-приспособительный потенциал.

Когда мы получили такие результаты, у нас возникла новая мысль: не только микроорганизмы могут находиться в состоянии покоя, то есть образовывать споры, которые помогают им переживать неприятные воздействия, причем в течение многих-многих лет. (Находили жизнеспособные споры, которые были в таком виде десять тысяч лет.) Есть же и другие организмы, находящиеся на более высокой ступени развития, которые тем не менее также могут быть в состоянии покоя за счет диапаузы или криптобиоза. Самый простой пример, который всем понятен, — это семена растений, которые могут лежать несколько лет, а затем, попадая в почву, прорастать.

Тогда мы взяли целый ряд биологических объектов — не только бактерии и грибы, но также и покоящиеся формы высших растений, насекомых, низших ракообразных и позвоночных животных и повторили эксперимент. Этот эксперимент продлился в общей сложности 31 месяц. Тем не менее достаточно много биологических объектов выжило.

Погибла икра рыб, но зато выжила личинка комара, некоторые семена, бактерии и грибы и, естественно, некоторые ракообразные.

Полученные данные имеют не только общенаучный интерес, но и неоценимое практическое значение в аспекте мероприятий планетарного карантина. Такого рода мероприятия предусмотрены решениями КОСПАР, и в соответствии с этими решениями все страны, которые запускают космические корабли на другие планеты, должны обязательно эти правила соблюдать. В частности, если предусматривается посадка на планету, то необходимо добиваться биологической чистоты корабля при его сборке и т.д. уровня порядка трехсот спор на квадратный метр. Здесь предусматриваются и чистые помещения, и особо чистая сборка и т.д. и т.п. И мы имеем опыт такого рода работ, в частности, планировались запуски «Марс-94», «Марс-96», запуск корабля «Фобос-Грунт», где отрабатывалось очень много моментов, связанных с планетарным карантином.

Есть много версий о происхождении жизни на Земле. В том числе существует теория панспермии, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате распространения из космоса так называемых спор жизни, которые могли попасть на нашу планету с кометами, метеоритами и т.д. И косвенно, конечно,  результаты наших биологических экспериментов, которые мы получили, подтверждают эту теорию, поскольку они показали, что в длительных космических перелетах микроорганизмы (и не только они, и более высокоорганизованные организмы) могут выживать.

Наталья НОВИКОВА

postnauka.ru/video/9690

 

 

И мир взорвется аплодисментами…

Атомная энергетика спасет человечество

Виктор МУРОГОВ
доктор технических наук, профессор НИЯУ (МИФИ-ИАТЭ), главный научный сотрудник НИЦ КИ, член Международной ядерной академии

Сегодня уже не только физики-ядерщики поняли, что ядерная энергия — источник энергии, который открывает принципиально новые возможности развития человечества.

Более 60 лет назад в своем докладе Конгрессу США Энрико Ферми писал, что ядерная энергетика — это новый источник, который, если использовать его правильно, на основе реакторов-бридеров на быстрых нейтронах (БР), то есть реакторов, которые производят топлива больше, чем сжигают (неслучайно французы называют их «Фениксами»), позволит создать практически чистый и неограниченный по масштабам развития источник энергии. Например, одна 1000-мегаваттная угольная станция требует в день 7 эшелонов угля, такой же 1000-мегаваттный реактор требует в год один вагон. Вагон и эти эшелоны, миллионы тонн, — это и есть отходы. Все отходы атомных станций, которые сейчас есть в мире, можно собрать на одном стадионе — это будет куб 50x50x50 м.

Природные запасы урана и тория — сырья для ядерного топлива бридеров — достаточны для энергетического развития нашей планеты на сотни лет.

Но оказывается, эти плюсы сопровождаются минусами. Можно собрать все радиоактивные отходы атомных станций в одном месте, но никто не хочет предоставлять территорию для захоронения. Единственные две страны, которые определились, что они под морским дном в гранитном поясе делают вечное хранилище, — это Швеция и Финляндия. Эти страны выбрали путь вечного хранилища, хотя с самого начала атомщики открыли, что можно перерабатывать топливо, выделять вторичный элемент, который и является смыслом развития атомной энергетики. Дело в том, что в природном уране только 0,7% урана-235, делящегося элемента, который может служить и для бомб, и запалом для реактора. Остальные 99,3% — это сырьевой уран-238. На нем нельзя создать критический реактор или сделать бомбу, но если в нем поглощается нейтрон, образуется плутоний, еще более перспективный изотоп (и для бомбы, и для энергетики).

Однако все работающие сейчас энергетические реакторы АЭС являются реакторами на «тепловых» нейтронах. Более 85% этих реакторов — т.н. водо-водяные реакторы (типа ВВЭР, PWR, BWR) — наследники реакторов, созданных для оборонных целей, для атомных подводных лодок (всего было построено в США и СССР около 1000 таких реакторов). Как и реакторы-наработчики плутония (прототипы РБМК и т.п.), они являются наследниками военных «Атомных проектов».

Единственный реактор на быстрых нейтронах на сегодняшний день в России работает на Белоярской станции. Строится еще один. Но к сожалению, они — на урановом топливе. В 90-е годы работа по их разработке и строительству была приостановлена. Сейчас мы возвращаемся к реализации этой программы, как, например, и Индия, которая в конце 2013 года должна пустить быстрый реактор-бридер на плутонии и начинает строить серию таких же реакторов.

Есть и другая сторона этой проблемы: если ядерная страна захочет сказать «я больше не использую ядерную энергетику», то это принципиально невозможно. Нельзя подойти к атомной станции, закрыть ее на ключ и сказать: «ее больше нет». У нее есть, во-первых, остаточное тепловыделение, которое надо снимать; есть ОЯТ — отработанное ядерное топливо, содержащее радиоактивные отходы; есть плутоний, который надо хранить миллионы лет, если у вас нет реактора (ну, или сжигать как самое привлекательное топливо в реакторе на быстрых нейтронах). Новые ядерные технологии — единственная реальная возможность избавиться в будущем от долгоживущего радиоактивного наследства ее развития (в том числе наследства оборонного).

Если мы остаемся на реакторах существующего поколения, то у нас запасов урана-235 меньше, чем нефти, в 2–3 раза. Если мы строим реакторы на быстрых нейтронах, то это неограниченный источник энергии. Но кроме быстрого реактора нужно еще замкнуть топливный цикл, топливо, выгружаемое из реактора, надо перерабатывать и повторно использовать. Такие технологии применяются во Франции. (Сейчас, после вывода из эксплуатации своих первых реакторов на быстрых нейтронах PHENIX и SUPER-PHENIX они продолжают использовать плутоний только в виде уран-плутониевого топлива в реакторах на тепловых нейтронах. Это малоэффективно.)

Соединенные Штаты были пионерами в этой области, уже в 1946 году у них работал первый быстрый реактор, в 1951 году они получили первое «ядерное» электричество на быстром реакторе EBR-1 и продемонстрировали возможность накопить плутония больше, чем сжечь.

На реакторе EBR-2 в 1968 году они продемонстрировали замкнутый ядерный топливный цикл. Но потом администрация США решила, что БР — это слишком опасный источник плутония «оружейного» качества для распространения, и программа БР в США была закрыта. Сейчас, через 30 лет, когда мы столкнулись с проблемой ресурсов в ядерной энергетике, международное сообщество организовало международный проект GIF (Generation IV International Forum) для выработки типов реакторов, которые спасут ядерную энергетику, вернутся к ее истокам и воплотят идеи пионеров. Международным сообществом были отобраны шесть лучших типов реакторов, четыре из них — реакторы на быстрых нейтронах, в том числе тот, который работает у нас, — типа БН.

Сегодня специалисты в Соединенных Штатах понимают, что без быстрых реакторов нет будущего у ядерной энергетики, но эта страна утратила научную школу БР. В России это направление исследований сохранилось, и строительство реактора БН-800 — это лучший способ сохранить школу. Китай покупает реакторы у нас, Индия самостоятельно развивается, Франция, после того как она под давлением зеленого правительства остановила свой реактор SUPER-PHENIX, сейчас пытается возобновить разработки. Появляются альтернативные направления.

Но так или иначе остается проблема: быстрый реактор — лучший наработчик оружейного плутония. Замкнутый топливный цикл предусматривает переработку отработанного топлива, чтобы извлечь и то, что является наиболее полезным (плутоний и другие актиноиды), и то, что является наиболее вредным (продукты деления), то есть при существующей технологии переработки это может создать риск распространения. С увеличением масштабов энергетики увеличивается оборот топливного цикла, перевозка, персонал, распространение знаний. Все ли страны имеют право развивать у себя такую технологию?

На АЭС Фукусима-1 произошли тяжелые аварии на четырех реакторах и на трех хранилищах — семь тяжелых аварий одновременно. А мы считали, что после Чернобыля наша ядерная энергетика станет практически безопасна. Более безопасны новые реакторы, которые разрабатываются, но из 440 реакторов, которые работают, 60% построены до Чернобыля. Они усовершенствованы, они улучшены, но это реакторы старого типа.

На любом реакторе возможна авария, и заявления о сверхбезопасных реакторах — блеф. Безопасным является тот реактор, после аварии на котором не будет отрицательных последствий для населения, и такие реакторы сейчас разрабатываются. Для Китая и Индии, где нет необходимых запасов нефти и газа, ядерная энергетика — единственный способ спасения. И Китай делает прорыв: до сих пор там строили только проверенные реакторы, например ВВЭР-1000, теперь они строят реакторы, которые еще нигде не работают, инновационные (АР-1000 (Westinghouse) и EPR  (Areva NP) — это новые реакторы III+ поколения, подготовка к IV поколению).

К шести реакторам будущего (GIF-4) — кроме БР — относятся и сверхвысокотемпературные реакторы, которые позволят нарабатывать искусственное топливо. И водо-водяные реакторы с «закритическими» параметрами (то есть с КПД на уровне современной энергетики на органическом топливе — до 45%).

В сочетании с быстрыми реакторами такая многокомпонентная ядерная энергетика может стать основой нашей энергетической безопасности. Вопрос в том, как реализовать БР и замкнутый ЯТЦ (ядерный топливный цикл), сохранив режим нераспространения.

Решение этой проблемы ищут. Инспекторы МАГАТЭ могут поехать и проверить, что происходит в той или иной стране, взять пробы.

Необходимо технологически и технически разрабатывать методы, не допускающие «утечку чувствительных» материалов (если не будет чистого плутония, а будет плутоний в смеси с изотопами актиноидами, его нельзя использовать для бомбы). Если избавиться от обогащения, а быстрый реактор не требует обогащения, тогда вопрос безопасности (с точки зрения распространения) можно решить.

Пример решения проблемы есть и в нашей истории: Советский Союз организовал региональный ядерный топливный цикл: разрабатывал реакторы, производил топливо, перерабатывал его. Страны Восточной Европы получали атомные станции, но топливным циклом не занимались, все опасные отходы и все плутониевое топливо возвращалось в СССР.

Таким образом, создание международного режима требует создания региональных (международных) центров ядерного топливного цикла. Например, международные центры ядерного обогащения, как и центры переработки ОЯТ и центры БР, должны быть созданы и работать под международным контролем. В одиночку ни одна страна, даже «великая», не сумела до сих пор создать коммерческую АЭС с быстрым реактором-бридером, работающим в замкнутом ЯТЦ.

Но необходимо пройти этот длинный и трудный путь развития международного сотрудничества в области мирного использования ядерных технологий — слишком большое значение имеет ядерная технология для экономики и безопасности стран, ее освоивших.

postnauka.ru/video/13151

Рейтинг@Mail.ru

К сожалению, браузер, которым вы пользуйтесь, устарел и не позволяет корректно отображать сайт. Пожалуйста, установите любой из современных браузеров, например:

Google ChromeFirefoxOpera