Межпланетное сообщение и физиология
Инж. А. Я. Штернфельд. Лауреат Международной поощрительной премии по астронавтике
Вопрос минимального веса жизненных припасов, необходимых человеку для нормального существования, представляет интерес всюду, где эти припасы приходится перемещать вместе с человеком, который должен их потребить.
То же самое будет иметь место и в кабине будущего космического корабля, но здесь дело осложняется еще вопросом о снабжения водой. Если взять с собой нужное количество воды, то это слишком отяготит космический корабль. Поэтому необходимо будет постоянно возобновлять запасы воды, извлекая ее из воздуха и выделений организма.
Если принять во внимание, что полет к ближайшим планетам и обратно будет длиться не менее года, то понятным становится огромное значение рационального снабжения путешественников кислородом и продуктами питания. Если нельзя захватить с собой слишком мало этих необходимых организму веществ, то, с другой стороны, нет возможности запасаться большими количествами съестных продуктов и кислорода. Даже минимальное увеличение полезного груза космической ракеты связано с большими трудностями.
Разные исследователи межпланетных путешествий рассчитывают, что снабжение на человека в сутки будет весить от 4 до 10 кг. Это неверно: научный подход к данному вопросу показывает, что упомянутую величину можно уменьшить примерно до 1,3 кг. Теоретики космонавтики не заметили и того очень важного факта, что человеческий организм постоянно производит воду.
Подойдем же ближе к разбору этих существенных вопросов.
Вопросы дыхания и искусственной атмосферы
Человек может нормально существовать только в соответствующей атмосфере. Помимо доставления кислорода, необходимого для дыхания, эта атмосфера должна оказывать на тело определенное давление для сохранения в равновесии содержащихся в нем газообразных веществ, а также препятствовать быстрому испарению влаги, содержащейся в клетках.
Потребление кислорода зависит прежде всего от выполняемой человеком работы и от его веса; оно колеблется в очень широких пределах. Из тщательно проведенных Леви в 1910 г. опытов следует, что человек в состоянии покоя потребляет в минуту около 179 мг кислорода и выделяет 180 мг углекислого газа. Иогансон установил, что при неполном покое потребление кислорода увеличивается примерно на 25%, при интенсивной же работе оно возрастает в 10 раз. В среднем, но данным Тигирштедта, оно составляет 9 мг в минуту на 1 кг веса человека.
Но следует ли из сказанного, что, например, годичные запасы кислорода для человека, находящегося в состоянии полного покоя, исчерпались бы уже в 0,1 года при чрезвычайно интенсивной работе? — Конечно, нет, ибо во время сна и отдыха, потребность в которых тем больше, чем интенсивнее труд, человек поглощает небольшое количество кислорода. Ввиду этого отношение минимальных суточных запасов кислорода к максимальным будет равно примерно 1:2,2.
Вопрос о поддержании нужного давления в кабине также имеет большое значение. Чем меньше это давление, тем меньше опасность утечки воздуха в мировое пространство, тем проще конструкция кабины и скафандров.
В земной атмосфере недостаток кислорода обычно дает себя чувствовать при давлении в 430 мм ртутного столба. Опытами Бехага, Гарсо и Ришэ установлено, что при уменьшении давления вдыхаемого воздуха парциальное давление кислорода в нем должно увеличиваться, во избежание удушья. Так, в одном из опытов испытуемый выдержал (с легкими признаками недомогания) давление вдыхаемой смеси в 100 мм при содержании кислорода в 75—60%. Эти же исследователи, основываясь на опытах над кроликами, пришли к выводу, что человеческий организм способен выдержать понижение внешнего давления до 65 мм при условии, что содержание кислорода равно 90%. Эти выводы имеют чисто теоретический интерес, так как для нормального функционирования различных органов необходимо гораздо более высокое давление. Заметим, что при низком давлении очень понижается работа органа слуха.
Если с точки зрения облегчения конструкции кабины желательно минимальное давление, то для достижения наименьшей испаряемости с поверхности тела требуется как раз повышение этого давления. Решение вопроса о наиболее целесообразном выборе давления должно быть найдено опытным путем.
Воздух, находящийся в кабине, может постоянно очищаться путем охлаждения его в специальном конденсаторе до температуры сжижения углекислого газа, т. е. до -78°. При этом сначала будет осаждаться вода, а затем и жидкий углекислый газ. К очищенному газу должен быть прибавлен в необходимом количестве кислород, а если нужно, то и водяные пары, после чего смесь необходимо подогреть до нормальной температуры.
Необходимый для дыхания запас кислорода должен быть взят с собой в жидком виде. В этом случае вес и объем резервуаров будут самые малые. Конструкция баков для сжиженного кислорода может быть выполнена по принципу сосудов Дьюара, обеспечивающих довольно длительное сохранение сжиженных газов.
Если удастся получить жидкий озон в устойчивом виде, было бы целесообразно располагать в пути определенным запасом его. Газ этот, обладающий сильным окислительным и обеззараживающим действием, хорошо освежает воздух, что особенно важно для герметически закрытой кабины. Кроме того, удельный вес озона примерно в 1,5 раза больше, чем у кислорода (отсюда меньший вес баков), а при разложении озона на кислород выделяется определенное количество тепла (700 б. калорий на 1 кг).
Вопросы питания
Количество потребленного кислорода тесно связано с количеством ассимилированной пищи и с ее родом.
Пища человека состоит из трех основных компонентов: углеводов, белков и жиров. В среднем можно считать, что 1 г углеводов, сгорая с 1,185 г кислорода, выделяет 4,18 б. кал.; при сгорании 1 г жира с 2,89 г кислорода выделяется 9,46 б. кал. (по данным Магнус-Леви); наконец, 1 г белка с 1,05 г кислорода дает 4,1 б. кал. (согласно Рубнеру).
В результате большого числа опытов установлено, что человек, находящийся в состоянии полного покоя, тепло одетый, выделяет при температуре наружного воздуха в 15° около 1680 б. кал. (колебание для отдельных людей равно примерно 8%) в обычных условиях; при выполнении очень легких работ — 2350 б. кал.; при очень же интенсивной работе (около 100 000 килограммометров) — 3656 б. кал.
При определении расхода продуктов питания и кислорода для дыхания мы будем исходить из двух последних случаев, предполагая, что вес пассажира космического корабля остается неизменным. В этом случае суточный рацион, потребный для поддержания организма в состоянии равновесия, зависит только от выделяемого телом тепла. Последнее же как мы видели, зависит в спою очередь от выполняемой человеком работы.
Современные лаборатории по рациональному питанию занимаются, главным образом, вопросами, касающимися пищи, так как кислород может в неограниченном количестве черпаться из земной атмосферы. Для космических же полетов, происходящих в безвоздушном пространстве, вопрос минимального веса запасов кислорода не уступает по своей важности аналогичному вопросу о пище. Здесь качество жизненных припасов определяется не количеством тепла, доставляемого телу единицей массы пищи, а единицей массы состава пища-кислород.
Итак, из сказанного выше мы знаем, что 2,185 г состава углевод-кислород доставляют телу 4,18 б. кал., 3,89 г состава жир-кислород — 9,46 б. кал., а 2,05 г состава белок-кислород — 4,1 б. кал. Таким образом, на 1 г продуктов углевод-кислород приходится 1,91 б. кал., на 1 г жир-кислород — 2,43 б. кал. и на 1 г белок-кислород — 2 б. кал. Отсюда следует, что белок, который в обычных земных условия уступает углеводам, в закрытой камере выделяет несколько больше тепла, чем углеводы, и всего на 18% меньше, чем жир. Жир дающий в 2,36 (9,46 : 4) больше тепловой энергии, чем белок, доставляет в сочетании с кислородом всего в 1,22 (2,43 : 2) больше тепла, чем белок-кислород. Все-таки, для возможного уменьшения потребного запаса продуктов питания и кислорода необходимо, чтобы жиры составляли возможно бо’льшую долю в пищевом рационе.
Исследования процессов обмена веществ показали, что действительно углеводы могут быть исключены из пищи без особого вреда для организма. Что касается белка, то определенное его количество необходимо для поддержания жизни клеток. Фойт определяет это количество в 118 г в день для взрослого человека весом в 70 кг, работающего 8—10 час. в сутки. Согласно новейшим исследованиям эта цифра даже несколько преувеличена. Если все же принять указанный рацион белков и взять остальное количество пищи в виде жиров, то для двух указанных выше случаев расхода тепла телом (т. е. при выполнении очень легкой и очень интенсивной работы) получим соответственно: 0,32 кг продуктов питания с 0,7 кг кислорода в сутки и 0,45 кг пищи с 1,1 кг кислорода. В таблице указаны исходные данные.
При установлении рациона пищевых продуктов мы брали за основу сорта среднего качества. Заметим однако, что в высокосортных продуктах питания углеводы и, в особенности, белок не уступают в отношении теплотворной способности жирам, благодаря чему пассажиры смогут иметь чрезвычайно разнообразное меню. Итак, можно будет уменьшить указанные выше порционы жира, включая углеводы и увеличивая количество белка.
Пища должна содержать необходимые организму минеральные соли и витамины или же быть витаминизирована.
Суточное потребление воды по весу значительно больше (примерло 2,5 кг), чем сухих продуктов и кислорода, вместе взятых. Однако нужно иметь в виду то важное обстоятельство, что человеческий организм выделяет различными путями (в выдыхаемом воздухе, при потении и т. д.) значительно большее количество воды, чем он поглощает в виде питья, в твердых продуктах и в парах вдыхаемого воздуха. Это проиходится вследствие соединения водорода, содержащегося в продуктах питания, с кислородом, Содержащимся как в самих продуктах, так и во вдыхаемом воздухе. По данным Лапика и Ришэ количество выделяемой таким образом воды составляет в среднем 0,4 кг в сутки.
Это обстоятельство позволит обойтись без каких-либо запасов воды, ибо с помощью простейшей аппаратуры можно навлечь 90% воды из воздуха и отбросов.
В итоге мы видим, что снабжение путешественников кислородом и продуктами питания в герметически закрытой кабине не представляет затруднений уже в настоящее время. Количество же воды в совершенно изолированной системе будет даже постоянно увеличиваться за счет потребленных сухих продуктов питания.
Читайте в любое время
