Научно-техническое обоснование

Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Установление в реальном масштабе времени аэродисперсного
статуса, включая дисперсную фазу биологического происхождения,
обитаемых отсеков Международной космической станции»
(шифр: Потенциал)
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Эксперимент состоит в исследовании компонентного состава аэрозольных загрязнений, в
том числе биологических, и создании средства оперативного контроля уровня
запыленности и биологической контаминации газовой среды РС МКС.
Аэрозоли – дисперсные системы, состоящие из мелких твердых или жидких частиц,
взвешенных в газовой среде. В качестве дисперсной фазы в герметизируемых обитаемых
отсеках могут быть живые и нежизнеспособные (погибшие) микроорганизмы, продукты
их деградации в виде крупных молекул и другие производные, относящиеся к аэрозолю
биологического происхождения. Кроме того, в процессе деятельности экипажа, работы
аппаратуры и с доставляемым грузом в газовой среде накапливается аэрозоль, дисперсная
фаза которого представлена твердыми частицами химической природы (пыль). Учитывая
малую вязкость газовой дисперсионной среды и отсутствие гравитации концентрация
аэрозольных частиц может достигать определенной величины – аэрозольного статуса.
В настоящее время контроль аэрозольного статуса как по составу, так и концентрации на
борту РС МКС не проводится из-за отсутствия соответствующих технических средств.
Периодический контроль микробиологического состояния выполняется на РС МКС с
использованием аппаратуры медицинского обеспечения, а также на Земле при анализе
доставленных проб штатными методами согласно требованиям ГОСТ Р 50804-95.
Практически любые технологические процессы и процессы жизнедеятельности
сопровождаются генерацией и выбросом частиц материалов различного происхождения.
При этом частицы могут представлять опасность для человека и окружающей среды из-за
своей патогенности, токсичности или аллергенности. Исходя из этого, крайне важно
иметь средства контроля за окружающей средой и воздухом рабочей и жилой зоны.
Имеющиеся средства контроля (пылемеры, счетчики частиц, основанные на
использовании светорассеяния, электронные микроскопы различной модификации и т.д.)
не всегда могут оперативно решить задачи данного контроля, особенно в режиме
реального времени с получением информации о химическом составе частицы. При этом в
настоящее время не полностью решены вопросы оперативного отбора и анализа проб
различных пылевидных загрязнений на поверхностях различной природы
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в
составе РС МКС.
В настоящее время на РС МКС отсутствуют средства оперативного контроля в
отношении патогенных, токсичных или аллергенных аэродисперсных компонентов
атмосферы и внутренних поверхностей. В такой ситуации целесообразно создать
российскую систему определения вредных аэрозольных примесей в газовой среде РС
МКС. Актуальность проведения эксперимента на борту состоит в исследовании
возможности создания такой системы для регистрации, в том числе вредных,
биологических аэрозольных примесей респирабельной фракции в режиме реального
времени с целью получения оперативной информации о состоянии систем
жизнедеятельности станции.
3. Описание КЭ
3.1.
Порядок проведения КЭ
Этап 1 КЭ проводится с использованием наземной НА, выполненной в виде НОК
постановщика КЭ, и включает проведение следующих работ:
разработка и изготовление НОК для оценки возможности создания комплексной
технологии системы технических средств отбора, обнаружения и идентификации частиц в
воздухе и на поверхностях;
разработка методов отбора, обнаружения и идентификации частиц, включая создание ПО
и ПМО для НОК;
экспериментальное подтверждение разрабатываемых методов отбора, обнаружения и
идентификации частиц;
разработка проекта и реализация экспериментальной системы технических средств
обнаружения и идентификации частиц с использованием данных, полученных при
помощи НОК;
2
выдача рекомендаций по использованию разработанной системы для создания средства
оперативного контроля аэрозольных компонентов на РС МКС.
3.2.
Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
На этапе 1 КЭ выполняются ЛОИ и др. наземные исследования совместно с ФГОУ
ВПО «МГУ им. М.В.Ломоносова» (биологический факультет) на образцах пыли,
полученных с РС МКС.
3.3.
Технические особенности НА
Критерием реализуемости КЭ является создание технических средств обнаружения и
идентификации частиц в газовой среде с использованием данных, полученных при
помощи НОК на образцах пыли, отобранной в газовой среде РС МКС, с возможностью
обнаружения и идентификации единичных биологических аэрозольных частиц
респирабельной фракции в литре воздуха за время не более 1 мин с частотой получения
информации 2-4 с при возможности получения (накопления) данных в течение 1 ч и
более.
4. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными
отечественными и зарубежными исследованиями
Принципиальная новизна заключается в создании технологии, позволяющей
регистрировать сигналы от каждой частицы аэрозоля в реальном режиме времени при
воздействии на частицу излучением ультрафиолетового, видимого и инфракрасного
спектра света в специально организованном потоке воздуха, позволяющего выстраивать
частицы в виде последовательности внутри регистрирующего устройства (ПОК). При
этом, возможно получение сигнала не только светорассеяния, как в обычных счетчиках
частиц и пылемерах, но и люминесценции в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном
диапазоне спектра, что значительно расширяет возможности по обнаружению и
идентификации различных частиц при соответствующем обучении датчиковой
аппаратуры с использованием метода распознавания образов и построением областей
признаков (величины интенсивности сигналов светорассеяния и люминесценции в Nмерном пространстве, где N- величины интенсивности сигналов), по которым реализуется
данная технология. Постановщик КЭ имеет опыт разработки и серийного выпуска
проточно-оптической аппаратуры с 1975 года, обладает экспериментальной базой для
постановки аэрозольных экспериментов и владеет современными методами и средствами
контроля.
3
В Российской Федерации, кроме постановщика эксперимента, отсутствуют разработчики
подобной аппаратуры. За рубежом имеются фирмы, осуществляющие исследования в
данном направлении (фирма TSI, США). Однако и они используют только
ультрафиолетовый и видимый диапазоны света для разработки датчиковой аппаратуры.
Филиалы и дочерние предприятия имеются в Англии, Германии, Финляндии, Израиле и
других странах. Все они имеют опыт в создании изделий для контроля биологического
загрязнения воздуха, которые не предназначены для обнаружения и идентификации
аэрозолей химического и техногенного происхождения.
5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1.
Основными результатами КЭ будут следующие:
5.1.1. Создание
штатного
средства
оперативного
контроля
аэрозольного
загрязнения газовой среды РС МКС.
5.1.2. Разработка рекомендаций по использованию разработанной системы для создания
средства оперативного контроля аэрозольных загрязнителей в период длительных
космических экспедиций.
5.1.3. Оценка аэродисперсного статуса РС МКС, включая дисперсную фазу
биологического происхождения, при осуществлении экипажем различных видов
деятельности.
5.2.
Результаты предполагается использовать:
5.2.1. Для оснащения РС МКС штатным средством оперативного контроля
аэрозольного загрязнения газовой среды РС МКС.
5.2.2. Применение подобной системы позволит уменьшить финансовые затраты на
отбор проб пыли, доставку на Землю и анализ традиционными методами.
6. Обоснование
технической
возможности
создания
НА
с
заданными
характеристиками
Постановщики КЭ имеют опыт разработки и серийного выпуска проточно-оптической
аппаратуры с заданными в ТЗ характеристиками, обладают экспериментальной базой для
постановки аэрозольных экспериментов и владеет современными методами и средствами
контроля, а также музеем культур для обеспечения эксперимента.
4
7. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
Проведение данного эксперимента не создаст дискомфорта и дополнительных рисков для
экипажа МКС. Эксперимент направлен на уменьшение рисков воздействия на экипаж
аэродисперсных компонентов атмосферы и поверхностей станции путем получения
оперативной информации о появлении вредных аэрозольных примесей в воздухе РС
МКС.
Ссылки на публикации, имеющие отношение к КЭ
1. Храмов Е.Н., Калинин Ю.Т., Воробьев С.А., Воробьева Е.А., Кузнецов А.П.,
Киселев О.С. Применение лазерного проточно-флюоресцентного счетчика частиц
аэрозолей для оценки счетной и массовой концентрации микроорганизмов в приземном
слое воздуха в условиях высокой запыленности. УДК 614.77. - Вестник РАМН, 2000.- №
10.- С. 16-19.
2. Храмов Е.Н., Зоря В.В., Петров А.И. Дистанционные методы контроля
аэродисперсных систем биологического происхождения. Вестник РАМН, 2004.- № 1.- С.
11-14.
3. Храмов Е.Н., Супрун И.П. Дистанционный анализ газов, паров и аэрозолей
химических веществ. М.: Черноголовка, Редакционно-издательский отдел ИПХФ, 2004.136 с.
4. Храмов Е.Н., Воробьев С.А., Кузнецов А.П., Бурчилин В.Г., Токмаков
В.И.Киселев О.С., Кривопалова О.П. Сравнительные исследования индивидуальных
частиц различных аэрозолей биологической и органической природы по спектральнолюминесцентным и рассеивающим свойствам и изучение механизмов воздействия на них
факторов окружающей среды. Отчет ФГУП «ГосНИИБП», 2000, Рег. ВНТИЦ № 01.20.00
06207, 20 с.
5. Храмов Е.Н., Зоря В.В., Петров А.И. Создание способа определения массовой
концентрации аэрозолей биологической природы в масштабе реального времени методом
проточно-оптического анализа. Отчет ФГУП «ГосНИИБП», 2002, Рег. ВНТИЦ № 01.20.0
107961, 23 с.
5
6. Храмов Е.Н., Петров А.И. Сравнительные исследования индивидуальных частиц
различных аэрозолей-аллергенов биологической и химической природы по спектральнолюминесцентным и рассеивающим свойствам и изучение механизмов воздействия на них
факторов окружающей среды. Отчет ФГУП «ГосНИИБП», 2002, Рег. ВНТИЦ №
01.20.0107956, 28 с.
7. Храмов Е.Н., Левчук М.Н., Сосновский Д.И., Зоря В.В. Патент на изобретение №
2330070 Проточно-аэрозольно-цитохимический способ условной групповой индикации
биологических контаминантов. Приоритет от 27.07. 2008 г.
8. Алехова Т.А. и др. Микроскопические грибы на российском сегменте
международной космической станции. Микол. и фитопатол., 2009.- Т. 43.- вып. 5.- С. 9-19.
9. Романов С.Ю., Зяблов В.А., Николаев С.Л., Телегин А.А., Хамиц И.И., Щербаков
Э.В., Алехова Т.А., Новожилова Т.Ю. Патент на изобретение № 2308291 Способ оценки
микробиологической обстановки в жилых гермоотсеках космического аппарата.
Приоритет от 07.10. 2005 г.
10. Храмов Е.Н., Левчук М.Н., Алехова Т.А. и др. Некоторые аспекты наземного
эксперимента по определению оптических свойств респирабельной фракции пыли в
пробах, доставленных с пилотируемых космических аппаратов. Тезисы доклада «1
Всероссийская научная школа-конференция по Астробиологии», Пущино 16-19 сентября
2012.
11. C. A. Pope and D. W. Dockery Health Effects of Fine Particulate Air Pollution: Lines
that Connect, J. Air Waste Manage. Assoc. 56, 709-742 (2006).
12. D. W. Griffin, "Atmsospheric Movement of Microorganisms in Clouds of Desert
Dust and Implications for Human Health," Clin. Microbiol. Rev. 20, 459-477 (2007).
13. C. A. Pope, "Respiratory Hospital Admissions Associated with PM10 Pollution in
Utah, Salt Lake, and Cache Valleys," Arch Environ. Health 46, 90-97 (1991).
14. R. G. Pinnick, S. C. Hill, P. Nachman, J. D. Pendleton, G. L. Fernandez, M. W.
Mayo, J. G. Bruno, "Fluorescence Particle Counter for Detecting Airborne Bacteria and other
Biological Particles," Aerosol Sci. Technol. 23, 653-664 (1995).
6
15. P. P. Hairston, J. Ho, and F. R. Quant, “Design of an Instrument for Real-Time
Detection of Bioaerosols using Simultaneous Measurement of Particle Aerodynamic Size and
Intrinsic Fluorescence,” Aerosol Sci. Technol. 28, 471-482 (1997).
16. F. L. Reyes, T. H. Jeys, N. R. Newbury, C. A. Primmerman, G. S. Rowe, A. Sanches,
"Bio-aerosol Fluorescence Sensor," Field Anal. Chem. Technol. 3, 240-248 (1999).
17. R. G. Pinnick, S. C. Hill, Y. L. Pan, R. K. Chang, "Fluorescence Spectra of
Atmospheric Aerosol at Adelphi, Maryland, USA: Measurement and Classifcation of Single
Particles Containing Organic Carbon," Atmos. Environ. 38, 1657-1672 (2004).
18. Y. L. Pan, R. G. Pinnick, S. C. Hill, J. M. Rosen, R. K. Chang, "Single-Particle LaserInduced-Fluorescence Spectra of Biological and Other Organic-Carbon Aerosols in the
Atmosphere: Measurements at New Haven, Connecticut, and Las Cruces, New Mexico," J.
Geophys. Res. 112, D24S19 (2007).
19. S. C. Hill, R. G. Pinnick, S. Niles, Y. L. Pan, S. Holler, R. K. Chang, J. Bottiger, B.
T. Chen, C. S. Orr, G. Feather, "Real-time Measurement of Fluorescence Spectra from Single
Airborne Biological Particles," Field Anal. Chem. Technol. 3, 221–239 (1999).
20. V. Sivaprakasam, A. L. Huston, C. Scotto, J. D. Eversole, "Multiple UV Wavelength
Excitation and Fluorescence of Bioaerosols," Opt. Express 12, 4457-4466 (2004).
21. P. Kaye, W. R. Stanley, E. Hirst, E. V. Foote, K. L. Baxter, and S. J. Barrington,
"Single particle multichannel bio-aerosol fluorescence sensor," Opt. Express 13, 3583-3593
(2005).
22. J. R. Bottiger, P. J. Deluca, E. W. Stuebing, D. R. Vanreenen, "An Ink Jet Aerosol
Generator," J. Aerosol Sci. t 29, S965-S966 (1998).
23. Y. L. Pan, V. Boutou, J. R. Bottiger, S. S. Zhang, J. P. Wolf, R. K. Chang, "A Puff of
Air Sorts Bioaerosols for Pathogen Identification," Aerosol Sci. Technol. 38, 598-602 (2004).
24. J. H. Seinfeld and S. N. Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics: From Air
Pollution to Climate Change, 2nd ed., (Wiley, New York: 2006), Chap. 24, pp. 1054-1091.
7
25. V. Ramanathan, C. Chung, D. Kim, T. Bettge, L. Buja, J. T. Kiehl, W. M.
Washington, Q. Fu, D. R. Sikka, and M. Wild, "Atmospheric brown clouds: Impacts on South
Asian climate and hydrological cycle," Proc. Nat. Acad. Sciences (USA) 102, 5326-5333 (2005).
8