Введение к работе
Актуальность. За последние 25 лет в России и за рубежом было выполнено большое число экспериментов с высшими растениями на борту космических летательных аппаратов. С использованием различных оранжерейных устройств проводились исследования фундаментальных вопросов космической биологии и решались биотехнические задачи по отработке режимов и технических средств для культивирования растений в условиях микрогравитации.
Существуют различные методы выращивания растений, которые отличаются между собой видом корнеобитаемых сред (КС), способом подачи жидкости (воды или питательного раствора) в корнеобитаемую среду КС, а также конструктивными решениями отдельных элементов культивационных устройств. С точки зрения газожидкостного обеспечения КС, различными разработчиками для условий микрогравитации предлагаются две системы подачи жидкости к корням растений. Первая - путем принудительной дозированной подачи жидкости и воздуха в КС через распределительные перфорированные трубки по сигналу с датчика влагосодержания КС. Вторая - путем подачи жидкости в КС с последующим формированием заданного влагосодержания или стока жидкости за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента, выполненного в виде пластины или грубки. В случае отсутствия КС предлагаются различные конструкции для распыления в вегетационном сосуде питательного раствора, который в последующем удаляется за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента (аэропоника). Первая и вторая системы подачи жидкости к корням растений применялись в космических экспериментах. Отличительной особенностью первой системы является ее длительная и надежная их эксплуатация в условиях микрогравитации. Общее время применения данной :истсмы в космических экспериментах в настоящее время составляет 520 суток Использование данной системы в космических экспериментах позволило исследовать толный цикл онтогенеза растений, получить в условиях микрогравитации семена (пшеница, тастовая горчица) и вырастить второе поколение растений в условиях микрогравитации. Система с принудительной подачей жидкости в КС в условиях микрогравитации показала ;ебя эффективной и надежной системой, способной обеспечить потребности растений Эдним из недостатков системы первого типа при отсутствии гравитационного механизма тередвижения жидкости является возможность возникновения неограниченного объема сапиллярно-подвешепной влаги в КС и образование изолированных объемов защемленного юздуха, которые могут быть равны порозности аэрации, но они не способны обмениваться азами с атмосферой. Системы второго типа не имели столь длительной эксплуатации в условиях микрогравитации. В этих системах устойчивые режимы переноса жидкости могут
4 обеспечиваться лишь в ограниченном слое КС. Кроме того, неизбежное изменение характерного порового пространства КС при развитии корневой системы, засоление, активное развитие микроорганизмов и засорение капиллярно-пористого управляющего элемента ставит под сомнение персисктивность длительной непрерывной эксплуатации таких систем.
Все оранжерейные устройства, которые использовались при проведении космических эксперименте, имели ограниченные возможности как в способности обеспечигь оптимальные условия при выращивании растений в условиях микрогравитации, так и в возможности получения информации в процессе проведения космического эксперимента. Серьезный недостаток экспериментов с растениями в космических полетах заключается не только в отсутствии полной информации об изменениях параметров окружающей среды, но и в непонимании того, какие изменения необходимо регистрировать и что фактически регистрируется в условиях микрогравитации. В экофизиологии растений существуют понятия о микроклимате - условиях в данном ареале обитания, о биоклимате - условиях среды в зоне, непосредственно окружающей растения, и об interface-климате - условиях около конкретного органа (листа, корпя и др.). В космических исследованиях в лучшем случае регистрировались только изменения микроклимата, то есть параметры среды внутри космического аппарата. Вследствие пуганицы в понятиях о климатах часто условия, являющиеся в высшей степени нестабильными, описывались как стабильные. Тем самым неточности, относящиеся к сфере экологии, вызывали неправильную интерпретацию физиологических явлений. В такой ситуации изменения в биологических структурах и их функциях, которые будучи следствием реальных, но не зарегистрированных, флуктуации среды, относились за счет влияния микрогравитации. Вот почему остаются актуальными исследования по разработке метода и оборудования для контроля и реіулировапия влажности КС с целью понимания interface-климата в условиях микрогравитации.
КС - такая капиллярно-пористая система, которая существенно отличается от модельных дисперсных сред, рассматриваемых классической теорией фильтрации. В ненасыщенной КС или в так называемой зоне аэрации происходит наиболее разносторонняя трансформация одних категорий форм и состояний влаги в другие. Поведение влаги в этой зоне наиболее сложно и практически не исследовано для условий микрогравитации. Кроме физических факторов, относительно легко учитываемых и контролируемых, значительное влияние на поведение влаги в этой зоне оказывают факторы биологические, учитывать и контролировать которые намного труднее. Кроме того, ненасыщенной зоне свойственна значительная по амплитуде, а часто и по быстроте, изменчивость параметров, определяющих поведение влаги (влажность, температура, влагопроницаемость, объем свободных открытых
5 пор, интенсивность испарения, характерный размер пор), вследствие чего ненасыщенную зону КС нельзя трактовать просто как "пористую среду". Если математическая трактовка поведения влаги даже в обычных устойчивых пористых средах в условиях микрогравитации сложна и несовершенна, то для реальных КС, используемых в настоящее время, такая трактовка во много раз сложнее.
Следует также отметить, что классификация статического состояния воды для условий микрогравитации должна быть пересмотрена. Здесь исчезают такие понятия, как гравитационная влага, предельная мощность слоя с насыщенной капиллярно-подвешенной влагой, грунтовый слой, капиллярная кайма и др. В сущности, неограниченное количество воды может находиться в капиллярно-подвешенном состоянии. Её дальнейшая судьба определяется процессами испарения и капиллярными силами, приводящими её в движение.
Исследования по теме выполнялись автором в рамках плановых НИР и ОКР, предусмотренных постановлениями Правительства в соответствии с Концепцией Российской космической программы.
Цель исследований. Цель представленной работы состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований водно-воздушного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации и разработке метода и оборудования для регулирования водно-воздушного режима капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) в оранжерейных устройствах.
Задачи работы:
1. Обосновать математическую модель влагопереноса в корнсобигаемой среде,
разработать устройство для исследования массообменных характеристик капиллярно-
пористых систем для условий микрогравитации.
2. Разработать и испытать теплоимпульсный метод измерения влажности
корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации.
3. Обосновать структуру корнеобитаемой среды, обеспечивающую благоприятные
водно-воздушные режимы в корнеобитаемой среде для условий микрогравитации.
Задачи данной работы условно разделены на три группы. Первая группа - задачи, связанные с исследованием объекта регулирования - КС, в том числе в условиях микрогравитации. Вторая группа - задачи, решение которых необходимо при разработке метода измерения и регулирования влажности КС для условий микрогравитации. Третья группа - задачи, связанные с разработкой требований к поровому пространству КС и системе
водообеспечения КС. Решение этих задач позволит обеспечить благоприятные водно-воздушные условия вблизи корней растений в условиях микрогравитации.
Концептуальная часть нацелена на построение модели оптимального водно-воздушного обеспечения КС для условий микрогравитации.
Методологическая часть включает разработку теоретических моделей, экспериментального оборудования, эксплуатирующегося в условиях микрогравитации и проведение исследований в условиях микрогравитации.
Методы исследований.
При решении поставленных в работе задач использовались: термодинамический метод оценки межфазных взаимодействий в КС; теплофизические методы определения влагосодержаиия КС; разработанные нами специальные методы с использованием экспериментального оборудования для исследования физических свойств дисперсных систем на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" и комплекса оборудования на базе космической оранжерейной установки, эксплуатировавшегося на орбитальной станции "МИР" по программе фундаментальных биологических исследований, методы теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы.
Научная новизна определяется тем, что впервые выполнен расчетно-теоретический анализ процесса распределения влаги в специальных вегетационных устройствах с КС и проведены экспериментальные исследования особенностей влагопереноса в этих КС в условиях микрогравитации. Обоснована и разработана методология экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации. Это позволило подойти к постановке и решению задачи создания КС, обеспечивающей благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.
Предложен, обоснован и реализован теплоимпульсный метод мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред для условий микрогравитации. Создан комплекс оборудования для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС для условий микрогравитации. Оперативные данные по влагосодержанию КС, полученные с этого комплекса во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАСА, впервые в пилотируемой космонавтике позволили анализировать направление
7 миграции влаги в КС, обеспечить влагорегулирование и определить скорость миграции влаги в условиях космического полета.
Теоретическое и практическое значение работы.
Теоретическое значение работы заключается в том, что установленные в ней факты и сформулированные на их основе выводы существенно дополняют современные знания и представления о массообменпых свойствах капиллярно-пористых систем - КС в условиях микрогравитации, о методах экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации.
Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть положены в основу проектирования вегетационных сосудов оранжерей различного назначения для условий микрогравитации, а комплекс оборудования может быть использован для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС в условиях микрогравитации (патент № 4951842, 1991).
Разработанные автором методы экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации могут оказаться полезными при разработке и совершенствовании физико-химических СЖО. Метод измерения влажности КС для условий микрогравитации может эффективно использоваться для мониторинга влажности капиллярно-пористых тел.
Реализация и внедрение результатов исследования.
На основе разработанных теорепгческих основ и практических методов созданы:
-
Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. С использованием этого оборудования автором в 1986-1993гг на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" проведена серия экспериментов но исследованию особенностей миграции влаги в капиллярно-пористых телах в условиях микрогравитации;
-
Комплекс оборудования для мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации. Комплекс эксплуатировался во время проведения экспериментов по программе фуїздаментальньк биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАСА в 1995-1998гг на орбитальной станции «МИР".
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты экспериментальных исследований миграции влаги в корнеобитаемой среде в условиях микрогравитации, выявившие существенные особенности
миграции влаги (возможность создания локализованных слабо рассасывающихс* зон влаги).
-
Метод и устройство для исследований массообменных характеристик (динамикг капиллярной пропитки, коэффициент капиллярной диффузии влаги upv ненасыщенной гидравлической проводимости) капиллярно-пористых тел дон условий микрогравитации.
-
Теплоимлульсный метод и устройство для регулирования влагосодержанш корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации.
-
Данные исследований особенностей жидкостного обеспечения корнеобитаемьи сред при культивировании растений в условиях микрогравитации выявившие существенные особенности миграции влаги (отсутствие устойчивого фронтг капиллярной пропитки, возможность создания локализованных слабе рассасывающихся зон влаги, образование капиллярно-защемленного воздуха ї корнеобитаемой среде).
-
Характеристики норового пространства корнеобитаемых сред для условии микрогравитации (открытые водоудерживающие поры и каналы аэрации, имеющие два характерных диаметра; при этом характерный диаметр каналої аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор; причем характерный диаметр каналов аэрации составляет 1,8 - 2,6 мм).
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертации обсуждались на:
2 -ом Микросимпозиуме "Свет-90", 1990, София;
Международном симпозиуме по гидромеханике и тепломассообмену в условиях микрогравитации, 1991, Пермь;
29, 32й научной ассамблее COSPAR, 1992, 1996, США;
48-ом Международном астронавтическом конгрессе, 1997, Италия;
- 24 - 26-ой Международной конференции по системам жизнеобеспечения, 1995, 1996,
1997, США;
-2-ом Аэрокосмическом конгрессе, 1997, Москва;
- Х-ХІ конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, 1994,
1998, Москва.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе в официальных описаниях к 1 авторскому свидетельству на изобретение и патенту.
9 Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, триложения. Объем основного текста диссертации составляет 145 страниц машинописного гекста, включая 53 рисунка и 13 таблиц, список литературы из 107 наименований, в том шсле 46 иностранных, объем приложения - 6 страниц.