КЭ Массоперенос

Исследование массообменных свойств капиллярно-пористых тел
(корнеобитаемых сред) в условиях космического полета (Массоперенос)
Постановщик(-и): В.Н. Сычёв, д.б.н., Учреждение Российской академии наук
Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических
проблем РАН (ГНЦ РФ – ИМБП РАН).
Экспедиция МКС-2, эксперимент завершён
Область исследования Космическая биология
Целью эксперимента «Массоперенос» является изучение особенностей влагопереноса в
капиллярно-пористых телах – заменителях почвы в условиях микрогравитации.
В эксперименте исследовалось движение жидкости при частичном заполнении пор и,
следовательно, при активном участии капиллярных сил, так как условия микрогравитации
проявляются, прежде всего, там, где начинают превалировать капиллярные силы.
В ходе эксперимента «Массоперенос» определяется динамика капиллярной пропитки
корнеобитаемой среды в условиях микрогравитации, а также проводится
экспериментальное определение коэффициентов капиллярной диффузии влаги в
условиях микрогравитации для корнеобитаемой среды при ограниченном капиллярном
насыщении.
Для проведения эксперимента на станцию доставили:
комплект "Кювета экспериментальная", состоящий из устройства «Кювета
экспериментальная», гидроаккумулятора, кронштейна кюветы и пакета;
видеокассету.
Рисунок 1 – Комплект «Кювета экспериментальная»
1
Эксперимент «Массоперенос» выполнялся в устройстве «Кювета экспериментальная»,
которое подсоединялось к бортовой системе подачи воды. С помощью
гидроаккумулятора подавалась доза жидкости, которая определялась в зависимости от
конкретно решаемой задачи. Для визуализации положения фронта капиллярной
пропитки в гидроаккумулятор экспериментального устройства добавлялся краситель. В
условиях космического полета проводилась видеосъемка динамики капиллярной
пропитки корнеобитаемой среды (КС) штатной видеокамерой в течение 15 минут при
первичном увлажнение капиллярно-пористого тела с помощью гидроаккумулятора и в
течение 2 минут через 24 часа после начала эксперимента.
После завершения эксперимента на Землю вернули кювету экспериментальную и
видеокассету.
Рисунок 2 – Компоновка оборудования при
проведении эксперимента «Массоперенос»
Рисунок 3 – Устройство «Кювета экспериментальная»
после выполнения эксперимента «Массоперенос» и
возвращения в лабораторию
Космонавт Усачев Ю.В. выполнял эксперимент на борту МКС 26-27 июня 2001 года.
Использование результатов эксперимента на Земле
В ходе эксперимента «Массоперенос» исследуется влияние условий космического
пространства на процесс влагопереноса в капиллярно-пористых телах.
Использование результатов эксперимента для освоения космоса
В эксперименте «Массоперенос» проводится отработка одного из звеньев будущей
биолого-технической системы жизнеобеспечения космонавтов.
Результаты настоящего исследования будут использованы при проектировании
космических оранжерей (типа «ЛАДА»), которые предполагается использовать на
орбитальных станциях вблизи Земли. Также все выявленные особенности важны для
проектирования модуля исследования субстратов и для различных космических
технологий, использующих пористые тела.
2
Результаты
Результаты научного эксперимента показали, что гравитационный фактор играет
важнейшую роль в формировании иного уровня влагосодержания в корнеобитаемых
средах при выращивании растений.
Впервые выполнено определение динамики капиллярной пропитки корнеобитаемой
среды в условиях микрогравитации и экспериментально определен коэффициент
капиллярной диффузии влаги в условиях микрогравитации для корнеобитаемой среды
при ограниченном капиллярном насыщении. С целью исследования особенностей
миграции влаги в КС для условий космического полета было выполнено сравнение
гидрофизической характеристики на этапе осушения корнеобитаемой среды.
Для перетекания жидкости за счет капиллярных сил в капиллярах КС (процесс сушки) в
условиях космического полета требуется больший потенциал, чем в условиях гравитации
(ориентировочно до 10 раз выше для влажностей 70-60%), таким образом, величина
реона существенно выше в условиях космического полета, чем в условиях гравитации. Эти
данные совпадают с ранее полученными данными о возможности создания
локализованных слабо рассасывающихся зон влаги в КС для условий космического
полета.
Разброс показаний гидрофизических характеристик, полученных в условиях космического
полета, свидетельствует о неоднородном характере сушки КС, что не наблюдается в
условиях гравитации. Различие влажностей при потенциале -60мм воды может достигать
17% (62,58% и 45,87%).
В результате проведения эксперимента «Массоперенос» показана возможность
использования предлагаемого метода для изучения динамики капиллярной пропитки
корнеобитаемой среды в условиях микрогравитации и экспериментального определения
коэффициента капиллярной диффузии влаги в условиях микрогравитации для
корнеобитаемой среды при ограниченном капиллярном насыщении.
Публикации
1
Подольский И.Г., Машинский А.Л., Высочанский А.Ф. Доллежаль В.В., Нечитайло
Г.С. Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем.
А.С.№ 4703849125 от 12.06.89г.
2
Подольский И.Г., Сычев В.Н., Левинских М.А., Стругов О.М., Бингхем Г.Е. Некоторые
особенности жидкостного обеспечения корнеобитаемой среды при культивировании
растений в условиях микрогравитации. Авиакосмическая и экологическая медицина.
1998, Т.32, № 2, с.36-43.
3
Jones, Scott B., Robert Heinse, Dani Or, Darwin H. Poritz, T. Shane Topham, Igor G.
Podolskiy and Gail E. Bingham. 2007. Oxygen diffusion measurements in partially saturated
porous media aboard the International Space Station. Agronomy Abstracts, ASA, Madison, WI.
4
Heinse, R., S.B. Jones, D. Or, T.S. Topham, I.G. Podolskiy and G.E. Bingham, 2007. An
Automated Oxygen Diffusion and Water Retention Measurement System for Microgravity.
Agronomy Abstracts, ASA, Madison, WI.
5
Подольский И.Г., Сычев В.Н., Левинских М.А., Кожаринов В.И., Стругов О.М.,
Бингхем Г.Е. Исследование технологий культивирования высших растений в космической
3
оранжереи ЛАДА на на международной космической станции. Проблемы обитаемости в
гермообъектах. - Мат. Рос. Конф., Москва, 4-8 июня 2001 г. – М., Слово. с.156-157.
6
Подольский И.Г. , Бингхем Г.Е. Гидрофизические характеристики корнеобитаемой
среды оранжереи (режим осушения) в условиях космического полета. Материалы XIII
конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, Москва, 13-16
июня 2006 г., с.241-242.
7
И.Г. Подольский, А.А. Норох, Г.Е. Бингхем. Оценка погрешности теплоимпульсного
метода измерения влагосодержания корнеобитаемых сред для космических оранжерей.
Авиакосмическая и экологическая медицина. 2002, т. 36, № 1, с. 55-60.
8
Kenneth A. Souza, Eguene A. Ilyin, Vladimir N. Sychev, Gary C. Jahns. Biological Research
in Space. Space biology and medicine - U.S. and Russian cooperation in space biology and
medicine. Joint U.S.-Russian Publication. AIAA, Reston, Virginia. 2009. Chapter 1, рр. 1-43.
9
А.И.Григорьев, В.Н.Сычев. Создание систем жизнеобеспечения космонавтов на
основе Биосферных механизмов. // Вестник РАН. 2004. т. 74. № 8. с. 675-681.
10
В.Н.Сычев, М.А.Левинских, Т.С.Гурьева, И.Г.Подольский. Биологические системы
жизнеобеспечения человека для космических экипажей, некоторые итоги и перспективы.
// Авиакосмическая и экологическая медицина. 2008. т. 42. № 6. с. 92-97.
4