Биологический модуль BiNOM для наноспутников
семейства SAMSAT
Захаров В.П., Конюхов В.Н., Бахтинов П.И., Попов А.И.
Самара 2017
БИОМОДУЛЬ
BiNOM - biology nano orbital module
Цель – Разработка модуля для проведения биологических экспериментов в космосе нагруппировке спутников Самарского университета:
Фундаментальные и прикладные проблемы:
- исследования выживаемости микроорганизмов, спор и других биообъектов в условиях открытого космоса;- исследования изменения активности бактерий под действием факторов космического полета; - изучения взаимодействия лекарственных препаратов и микроорганизмов, подвергшихся действию факторов космического полета;- изучение структурных и функциональных изменений биообъектов под действием микрогравитации;- исследования особенностей размножения биообъектов в условиях микрогравитации;- исследование биопленок в условиях микрогравитации;-исследования генетических изменений под действием факторов космической среды.
-Результат: создание универсальной модульной системы, адаптированной к платформе SAMSAT и платформе МКА «АИСТ-1»
2
Биологические исследования
3
• предварительный отбор биологических объектов, способных функционировать в условиях наноспутника.
• изучение устойчивости активных и покоящихся стадий организмов к изменению факторов среды обитания.
• изучение характеристик метаболизма, жизненного цикла, поведения и реакции на экстремальные показатели факторов среды, факторы скорости роста, темпы истощения ресурсов среды.
Основные критерии:- размер, т.е. организмы должны свободно, без физической деформации и нарушений в развитии, помещаться и функционировать в заданном объеме, а покоящиеся фазы должны занимать минимальное пространство;- устойчивость покоящейся и активной фазы; легко контролируемый рост, развитие и репродукция;- устойчивость к отрицательным и положительным температурам, ионизирующему и ультрафиолетовому излучению, значительному изменению водного баланса;- поддержание гомеостаза или «квазигомеостаза»;- универсальность метаболизма, т.е. возможности развития на различных по составу и консистенции средах.
Экспериментальный стенд
4
Герметичный модуль иизмерительно-управляющий блок стенда
1. Разработан и изготовлен стенд для экспериментальных исследований биологических объектов в автоматическом режиме.
2. Проведены эксперименты с рядом биообъектов для выяснения динамики газового обмена в замкнутой среде в зависимости от различных параметров.
3. Выбраны и исследованы биологические объекты для проведения демонстрационного эксперимента в космосе.
4. Выбраны методы и средства инструментального контроля состояния био-объектов.
5. Разработаны алгоритмы обработки измерительной информации.
6. Разработана структура биологического модуля.
7. Разработаны структуры систем жизнеобеспечения и контроля состояния биообъекта .
8. Сформирована концепция демонстрационного эксперимента в космосе.
Структура модуля BiNOM. Герметичный корпус
5
Биомодуль состоит из:- герметичного корпуса;- камеры биологического объекта;- системы управления и контроля.
Испытания биомодуля BiNOM
• Испытания биомодуля в условиях вакуума проводились в термовакуумной
камере УП-125ТХД Центра испытаний и комплексной отработки
наноспутников (ЦИОН).
Графики изменения давления и температуры внутри корпуса биомодуля
6
Испытания биомодуля BiNOM
Давление в термовакуумной камере за время активной фазы испытаний
Полученная в результате проведенных экспериментальных
исследований оценка вероятной утечки газовой среды во
время нахождения биомодуля в вакууме не более 0,043% в
сутки позволяет рассчитывать на потерю в течение
полугодового полета менее 10% начального объема воздуха,
что обеспечивает выполнение научных задач полета.
7
Биологические объекты
8
Отобранные объекты:• мелкие животные (тихоходки, коловратки, акариформные клещи) и простейшие
(инфузории и др.)• высшие растения из семейств: толстянковые, капустные и др.• споровые растения (мхи, печеночники)• одноклеточные, колониальные и многоклеточные водоросли • грибы (плесневые и дрожжевые) • бактерии (цианобактерии, лактобактерии, актиномицеты, пурпурные бактерии
и др.). • археи (галоархеи и др.)
Исследование штаммов микроорганизмов Спектральные исследования
Биологические исследования
9
1) Получение объекта (выделение из природных условий или приобретение культуры)
далее многократные циклы в различных условиях
2) Деактивация объекта (введение в состояние гипобиоза)
3) Снятие показателей объекта и среды (далее параллельно со всеми последующими этапами)
4) Активация объекта
5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –среда».
6) Экспериментальное воздействие.
7) Деактивация системы, ее естественная смерть или переход в стационарную фазу развития..
Биологические исследования
11
1) Получение объекта (выделение из природных условий или приобретение культуры)
2) Деактивация объекта (введение в состояние гипобиоза)
Хранение биоматериалов в экстремальных условиях (в т. ч. в космосе)Механизмы анабиоза (гипобиоза)Естественный и искусственный (биоинженерия) перенос геновПанспермия и выход жизни в космосКосмическая этика
3) Снятие показателей объекта и среды
4) Активация объекта
5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –среда».
6) Экспериментальное воздействие.
7) Деактивация системы.
Биологические исследования
12
1) Получение объекта (выделение из природных условий или приобретение культуры)
2) Деактивация объекта (введение в состояние гипобиоза)3) Снятие показателей объекта и среды
Границы существования живогоБиосенсорыТриггеры качественных переходов биосистемыХронические эксперименты по эволюции в условиях микрогравитациии экстремальных значений ряда факторов среды
4) Активация объекта
5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –среда».
6) Экспериментальное воздействие.
7) Деактивация системы..
Биологические исследования
13
1) Получение объекта (выделение из природных условий или приобретение культуры)
2) Деактивация объекта (введение в состояние гипобиоза)3) Снятие показателей объекта и среды4) Активация объекта
Экспрессия генов в условиях космического полетаСтимулирующее действие различных доз «негативных» факторовПерспективы производства продуктов питания и лекарств в условиях космоса
5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –среда».
6) Экспериментальное воздействие.
7) Деактивация системы, ее естественная смерть или переход в стационарную фазу развития..
Биологические исследования
14
…4) Активация объекта5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –среда».
Самоорганизация искусственных систем с биологическими элементами Технологические циклы в условиях природных и искусственных космических телВосстановление средыБиологические мембраны в космосеПроцессы старения организма, колонии, культуры«Сукцессии» (смены группировок в микроэкосистеме) в биологических системах в условиях космоса Биотопливо (водород, жиры и пр.) и его производство в условиях космического полетаНаномембраны для искусственной стратификации микросообществ, оптимизации работы биологических топливных элементов и электрогенераторов.
6) Экспериментальное воздействие…..
Биологические исследования
15
….6) Экспериментальное воздействие.
Отработка нештатных ситуаций на спутниках и космических станцияхДействие ядов, лекарств, патогенов Защитные механизмы биологических и биотехнических объектовЦиркадные ритмы и управление ими. Оперативное управление живой (биогенной) составляющей (выяснение возможностей и границ применимости тех или иных методов управления)Самосборка наносенсоровДистанционная биоинженерия (умеренные вирусы и др. мобильные генетические элементы) и ее эффективностьАвторепарация биотехнических системВнутренние резервы биотехнических систем
Радиопротекторы, антиоксиданты и другие способы защиты Передача информации в биотехнических системах, искусственные нейронные сетиТестирование генетически модифицированных организмов и искусственных фотосинтетических систем..
Биологические исследования
16
….6) Экспериментальное воздействие.7) Деактивация системы, ее естественная смерть или переход в стационарную фазу развития.
Надежность мероприятий по дезинфекции«Расползание жизни», ее самостоятельное и опосредованное человеческой деятельностью распространение в Солнечной системеУстойчивость биотехнических систем (с разным набором компонентов) и отдельных компонентовАвтоматическая и искусственная индукция процессов смерти (апоптоз, распад системы) в биологических объектахПрогнозирование «черных овец» - элементов, склонных выходить из-под контроля
Стенд. Эксперименты с биобъектамиВысшие растения
17
Очиток белый в возрасте трех месяцев рядом с монетой 50 копеек.
Совместная культивация всходов очитка и цианобактерийОсмотр и сортировка семян перед тестом на всхожесть
Молодое растение клоповника в условиях ограниченного пространства для корневой системы
Стенд. Эксперименты с биобъектамиСпоровые растения
18
Воздушно сухие части таллома мха, посев на стерильную среду , активация и рост
Воздушно сухие геммы печеночного мха, посев на стерильную среду , активация и рост
Стенд. Эксперименты с биобъектамиЦианобактерии и водоросли
19
Увлажненный бактериальный мат, после 10 циклов высушивания при 50 °C
Сложные воздушные колонии цианобактерий, общий вид и структура тяжей
Насыщенная каротиноидами зеленая водоросль, покоящаяся стадия
Стенд. Эксперименты с биобъектами
20
Высшие растения (клоповник обыкновенный + горох)
Водоросли
Изменение концентрации углекислого газа и кислорода. А- освещение включено, Б-освещение выключено
Изменение концентрации углекислого газа и кислорода
Технические характеристики модуля BiNOM
22
-напряжения питания биомодуля: 5 В;
-потребляемый ток в пиковом режиме по шине питания 5 В: не более 1 А;
-средняя потребляемая мощность на виток: не более 1.6 Вт;
-командная и информационная шины: UART;
-объем передаваемой информации от модуля к БЦВМ SAMSAT 3U: не более 1
Мбайт/сут;
-габаритные размеры 180х95х95;
-масса пустого биомодуля: не более 2.0 кг;
-масса в снаряженном состоянии: не более 3.5 кг;
-срок активного существования: не менее 180 суток.
-диапазон измерения температуры: -10–+850С;
-диапазон измерения давления: 20-400 кПа;
-диапазон измерения влажности: 10-95%;
-диапазон измерения концентрации кислорода: 0-30%;
-диапазон измерения концентрации углекислого газа: 0-5%;
-тип фотоприемника: матричный монохромный;
-разрешение матрицы видеокамеры: не менее 640х480;
-спектральный диапазон матрицы фотоприемника: 350-950 нм;
-тип подсветки фотоприемника: RGB и не менее одного ультрафиолетового светодиода
в диапазоне 365-405 нм.