По мнению советских исследователей, лишь в полетах, длящихся не более 6 месяцев, целесообразно иметь полный запас продуктов, взятых с Земли, причем вес и объем этих продуктов должен быть минимальным.
Для этого придется использовать так называемые лиофилизированные, то есть обезвоженные и спрессованные в определенную форму, продукты. Справедливости ради следует все же признать, что подобная пища не вызывает восторга, но что поделаешь — наука требует жертв…
На орбитальные космические станции, которые будут находиться длительное время в околоземном пространстве, да, пожалуй, и на Луну продукты могут доставить с Земли ракеты-такси. В межпланетных полетах такой способ, естественно, непригоден. Где же выход?
Известно, что, когда человек находится в состоянии покоя — скажем, лежит в постели, для поддержания нормальной жизнедеятельности (работа внутренних органов, сохранение тонуса мышц) ему требуется энергия, равная 1500–1700 больших калорий. Во время работы суточный расход энергии значительно возрастает. Например, при тяжелом физическом труде затрачивается 5–6 тысяч больших калорий. При легкой же работе (а с энергетической точки зрения труд космонавтов в полете можно считать легким, за исключением их действий в скафандре за пределами корабля) расходуется в сутки около 3 тысяч больших калорий.
Сколько же нужно продуктов питания, чтобы возместить такие энергетические затраты? Подсчитано, что один грамм углевода или один грамм белка дают при сгорании в организме 4,1 большой калории. Гораздо ценнее в этом отношении жиры: при окислении в организме одного их грамма выделяется 9,3 большой калории. Казалось бы, чего проще — взять 300 граммов чистого жира, благо упаковать этот продукт можно компактно, и удовлетворение суточной потребности человека обеспечено.
Однако пища ведь не только источник энергии, но и строительный материал, необходимый для непрерывного самообновления организма. А для такого строительства нужны прежде всего белки.
Наука довольно точно установила наиболее рациональное соотношение различных веществ в меню. Рацион считается хорошим, если в нем углеводов — четыре части, белка — одна часть и жира — тоже одна. В сутки человек, выполняющий легкую физическую работу, должен получать 400 граммов углеводов, 100 граммов белков и 100 граммов жира, то есть всего 600 граммов (не считая воды). Нетрудно представить, сколько потребуется продуктов экспедиции, отправляющейся, например, к Марсу. Ведь путь туда и обратно займет несколько лет. Килограмм даже сублимированных продуктов, доставленных на поверхность этой планеты, будет стоить дороже, чем килограммовый слиток чистого золота!
Ясно, что нужно искать иной выход. Известно, что материя не исчезает. Организм использует главным образом не само вещество пищи, а энергию, заключенную в нем. Сложные органические соединения — белки, жиры, углеводы, — высвободив энергию, удаляются из организма, но уже в виде простых веществ: азота, углерода, водорода, кальция, фосфора и др. Казалось бы, логично из этих простых веществ вновь синтезировать сложные, которые смог бы опять употреблять человек. Если бы это удалось в космическом полете, потребовалось бы всего несколько килограммов этих веществ на каждого члена экипажа. К сожалению, пока еще, на нынешнем уровне науки и техники, такой синтез трудно осуществим, хотя в принципе и возможен.
На помощь приходит опять-таки оранжерея Циолковского. Как уже говорилось, наземные эксперименты уже позволили «замкнуть кольцо» в экологически замкнутой системе в отношении газообмена и кругооборота воды. Теперь остается рассмотреть последнее звено в этом цикле — использование шлаков организма для получения продуктов питания.
Идею Циолковского о кругообороте веществ на борту ракеты благодаря использованию зеленых растений впервые воплотил в жизнь его последователь — известный советский ученый Ф. А. Цандер. «В 1926 году, — писал он, — мною были выращены растения в стакане с водой, удобренной в отношении 1 : 200 отбросами». Принимая во внимание невесомость, Цандер полагал, что в космическом полете можно будет перейти от выращивания растений в воде к простому обрызгиванию корней растений питательной жидкостью, то есть прибегнуть к аэрации.
Этим методом, писал Цандер, «можно превращать в 24 часа все отбросы в полезные удобрения. В такой оранжерее, заполненной чистым кислородом с углекислотой, при высоких температурах, которые могут быть получены в межпланетном пространстве, можно ожидать весьма больших урожаев».
Впоследствии, проведя многочисленные эксперименты, ученые пришли к выводу, что в космос наиболее целесообразно брать одноклеточные водоросли. Дело в том, что высшие растения используют всего лишь 1 процент получаемой от Солнца энергии, а некоторые виды водорослей — до 10 процентов! Кроме того, они способны полностью «переработать» выводимые из организма человека и животных шлаки, превращая их в процессе фотосинтеза в жиры, белки, углеводы и витамины. А это как раз то, что надо в организации экологического круговорота.
И снова свои преимущества убедительно продемонстрировала хлорелла. При хорошем солнечном освещении она не только восстанавливает состав атмосферного воздуха, но и способна давать продукты питания. Один литр суспензии хлореллы за сутки дает прирост до 2,45 грамма питательных веществ, содержащих 50 процентов белка, 25 процентов жира, 15 процентов углеводов и 10 процентов минеральных солей, а также витамины А, В и С. Специальная установка, содержащая 250 литров культуры водорослей, может обеспечить человека на долгое время не только кислородом, но и водой и пищей.
Однако в состоянии ли организм выдержать такую пищу? В 1954 году американские исследователи Тинк и Герольд в течение 120 дней кормили крыс водорослями. На подопытных животных это никак не отразилось — росли они точно так же, как и остальные их собратья из контрольной группы. Затем в США и в нашей стране попробовали включить водоросли в рацион человека. Оказалось, что это не прошло незамеченным: люди жаловались на то, что пища была невкусной и неприятно пахла, появились некоторые расстройства. Стало ясно, что ограничиться одними водорослями в межпланетных полетах невозможно.
Эксперименты продолжаются. Биологи пытаются включить в замкнутую экологическую систему, помимо одноклеточных водорослей, высшие растения. В оранжереях космических кораблей могут выращиваться такие овощи, как огурцы, горох, помидоры, капуста, бобы, а из корнеплодов — морковь, брюква, репа. Разумеется, не обходится и без всемогущей картошки.
О своих опытах по выращиванию таких растений в условиях, близких к космическим, Цандер в свое время писал: «Я вырастил в древесном угле, который в 3–4 раза легче обыкновенной почвы, горох, капусту и некоторые другие овощи. Опыты показали, что возможно применять древесный уголь, удобренный соответствующими отбросами».
Вероятно, найдут свое применение и животные. Из низших определенный интерес представляет зоопланктон, а также мелкие ракообразные — дафнии и циклопы. Правда, пока еще неизвестно, как они подействуют на человеческий организм, если их придется долгое время употреблять в пищу. Из группы высших животных больше всего подходят для длительных полетов куры и кролики: они быстро растут и размножаются, а кроме того, им нужно сравнительно мало корма (на килограмм прироста). Пищей для них могут стать одноклеточные водоросли, ботва высших растений и их же собственные отходы — скорлупа яиц, толченые кости.
Итак, ученые работают над идеей создания кругооборота веществ на борту ракеты, высказанной Циолковским. Однако до ее решения предстоит еще громадная работа, возникают, в частности, новые проблемы приготовления пищи в условиях невесомости, борьбы с запахами, которые неизбежны при этом.
Надо полагать, решение этих вопросов не вызовет слишком уж больших затруднений. Гораздо сложнее создать необходимое биологическое равновесие между людьми, животными и растениями, то есть добиться того, чтобы ритм всех жизненных процессов у них находился в точном взаимном соответствии. Для этого требуется единый биохимический уровень дыхания человека и растений, а также строгая взаимосвязь прироста продуктов питания и потребления их космонавтами.