БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ BINOM ДЛЯ НАНОСПУТНИКОВ СЕМЕЙСТВА SAMSAT - ЗАХАРОВ В.П., КОНЮХОВ В.Н., БАХТИНОВ П.И., ПОПОВ А.И. САМАРА 2017 - VOLGASPACE.RU

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 на
группировке 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

• 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.

                                                                          3

Экспериментальный стенд
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
                                                              Герметичный модуль и
состояния биообъекта .                                        измерительно-управляющий
8. Сформирована концепция демонстрационного эксперимента в    блок стенда

космосе.
                                                                            4

Структура модуля BiNOM. Герметичный корпус

      Биомодуль состоит из:
      - герметичного корпуса;
      - камеры биологического объекта;
      - системы управления и контроля.

                                             5

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

 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

                                                                      8

Биологические исследования
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.
.

                                                                    9

Биологические исследования

                             10

Биологические исследования
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 генов
Панспермия и выход жизни в космос
Космическая этика

3) Снятие показателей объекта и среды

4) Активация объекта

5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –
среда».

6) Экспериментальное воздействие.

7) Деактивация системы
.
                                                                      11

Биологические исследования
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 живого
Биосенсоры
Триггеры качественных переходов биосистемы
Хронические эксперименты по эволюции в условиях микрогравитации
и экстремальных значений ряда факторов среды

4) Активация объекта

5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –
среда».

6) Экспериментальное воздействие.

7) Деактивация системы.
.
                                                                   12

Биологические исследования
1) Получение объекта (выделение из природных условий или
    приобретение культуры)
2) Деактивация объекта (введение в состояние гипобиоза)
3) Снятие показателей объекта и среды
4) Активация объекта

Экспрессия генов в условиях космического полета
Стимулирующее действие различных доз «негативных» факторов
Перспективы 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.
.

                                                                   13

Биологические исследования
…
4) Активация объекта
5) Развитие, самоорганизация и активное взаимодействие «объект –
среда».
Самоорганизация искусственных систем с биологическими элементами
Технологические циклы в условиях природных и искусственных
космических тел
Восстановление среды
Биологические мембраны в космосе
Процессы 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 полета
Наномембраны для искусственной стратификации микросообществ,
оптимизации работы биологических топливных элементов и
электрогенераторов.

6) Экспериментальное воздействие
…..
                                                                   14

Биологические исследования
….
6) Экспериментальное воздействие.

Отработка нештатных ситуаций на спутниках и космических станциях
Действие ядов, лекарств, патогенов
Защитные механизмы биологических и биотехнических объектов
Циркадные ритмы и управление ими.
Оперативное управление живой (биогенной) составляющей (выяснение
возможностей и границ применимости тех или иных методов
управления)
Самосборка наносенсоров
Дистанционная биоинженерия (умеренные вирусы и др. мобильные
генетические элементы) и ее эффективность
Авторепарация биотехнических систем
 Внутренние резервы биотехнических систем
Радиопротекторы, антиоксиданты и другие способы защиты
Передача информации в биотехнических системах, искусственные
нейронные сети
Тестирование генетически модифицированных организмов и
искусственных фотосинтетических систем.
.
                                                                 15

Биологические исследования
….
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 системе
Устойчивость биотехнических систем (с разным набором компонентов)
и отдельных компонентов
Автоматическая и искусственная индукция процессов смерти (апоптоз,
распад системы) в биологических объектах
Прогнозирование «черных овец» - элементов, склонных выходить из-
под контроля

                                                                 16

Стенд. Эксперименты с биобъектами
                                        Высшие растения

Осмотр и сортировка семян перед тестом на всхожесть Совместная культивация всходов очитка и цианобактерий

 Очиток белый в возрасте трех месяцев рядом с       Молодое растение клоповника в условиях ограниченного
             монетой 50 копеек.                              пространства для корневой системы
                                                                                                     17

Стенд. Эксперименты с биобъектами
                           Споровые растения

  Воздушно сухие части таллома мха, посев на стерильную среду , активация и рост

Воздушно сухие геммы печеночного мха, посев на стерильную среду , активация и рост

                                                                                     18

Стенд. Эксперименты с биобъектами
                           Цианобактерии и водоросли

           Сложные воздушные колонии цианобактерий, общий вид и структура тяжей

Увлажненный бактериальный мат, после 10           Насыщенная каротиноидами зеленая водоросль,
     циклов высушивания при 50 °C                              покоящаяся стадия
                                                                                            19

Стенд. Эксперименты с биобъектами

                                                   Изменение концентрации углекислого газа и
Высшие растения (клоповник обыкновенный + горох)   кислорода. А- освещение включено, Б-
                                                   освещение выключено

                Водоросли                            Изменение концентрации углекислого газа и
                                                     кислорода
                                                                                                 20

Изменение параметров среды обитания

                                      21

Технические характеристики модуля BiNOM

-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.

                                                                            22

БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ

              10