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

10

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

Изменение параметров среды обитания

21

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.

10

БЛАГОДАРЮ

ЗА ВНИМАНИЕ