В фильме «Марсианин» герою нужно было дождаться прилета на Красную планету следующей экспедиции при небольшом запасе воды, еды и воздуха. Американский кинематограф попытался придумать, как это сделать, а советские ученые решили подобную задачу еще до создания книги о выживании на Марсе Энди Вейером.
Полвека назад в красноярском Институте физики СО РАН была создана установка, которая помогла бы космонавту выжить на любой планете без особых проблем и помощи извне. Революционная, не имеющая аналогов в мире система замкнутого обеспечения «БИОС-3» практически полностью обеспечивала людей внутри нее и водой, и кислородом, и едой. Достаточно было взять с собой совсем небольшой запас, и дальше все производилось и очищалось самой системой.
Первые эксперименты по созданию замкнутых автономных систем жизнеобеспечения начались в Красноярске в конце 1960-х, — рассказывает ведущий научный сотрудник, ученый секретарь Института биофизики Сибирского отделения РАН, кандидат биологических наук Егор Задереев. — Ученые установили: чтобы два человека могли прожить год, им нужно около 300 кг кислорода, 2,5 тонны воды и 400 кг пищи. При этом за тот же период они выделят 350 кг углекислого газа и тонну отходов, которую необходимо переработать. Оставалось понять, как обеспечить их всем этим в изолированной от внешнего мира среде.
Специалисты провели эксперименты и подтвердили гипотезу, что потенциал развития живого организма выше, чем реализуемые возможности. Когда одноклеточную водоросль хлореллу поместили в идеальные условия, она стала расти значительно быстрее и производить больше кислорода, чем в естественной среде, а также активнее перерабатывать углекислый газ.
Водорослей в небольшом баке стало хватать для того, чтобы человек мог нормально дышать весь день, поместив лицо в специальное отверстие, не позволяющее поступать воздуху снаружи. Так в 1964 году создали систему с замкнутым циклом воспроизводства кислорода «БИОС-1», которая помогала человеку дышать в безвоздушном пространстве, например, в космосе. Затем ученые смогли увеличить время пребывания в замкнутом помещении с 12 часов до 30 суток. Позднее был замкнут и водообмен, что позволило провести 45-суточный опыт.

Однако водоросли пригодились лишь для того, чтобы обеспечивать человека кислородом и избавлять от углекислого газа. Если в замкнутом пространстве не будет других растений, то и питаться придется тоже водорослями. Может, питательных веществ человеческому организму и хватит, но сохранить психическое здоровье на такой диете будет проблематично.
В 1966 году ученые запустили эксперименты с овощами и злаками и в результате построили установку «БИОС-2». Оказалось, что если той же пшенице создать идеальные условия для роста — без перепадов температуры, смены погоды, сорняков, то она будет давать урожай шесть раз в год, причем в несколько раз больший, чем в естественных условиях. Попутно исследователи установили, какое количество пшеницы необходимо посеять, чтобы прокормить одного человека.
Когда об экспериментах, проводившихся в Институте физики СО РАН, стало известно основоположнику отечественной космонавтики Сергею Королеву, он заинтересовался ими и встретился с создателем и директором красноярского института академиком Леонидом Киренским. По личному распоряжению Королева, которому требовалась автономная система жизнеобеспечения для станции на Луне, были выделены средства на продолжение исследований. Они позволили в рекордно короткий срок, всего за семь лет создать искусственную экосистему «БИОС-3».

Красноярские биофизики получили огромные по тем временам деньги — 1 млн рублей. На эти средства к 1972 году они построили специальный изолированный от внешнего мира бункер со стенами из нержавеющей стали, общий объем которого составлял 315 куб. м, а площадь — 14х9х2,5 м.
Бункер был рассчитан на пребывание в нем трех человек и разделен на четыре части. В одной располагались жилые каюты с кроватями, кухня-столовая, санузел и рабочая зона — мастерская-лаборатория с оборудованием для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы, а также с системами доочистки воды и воздуха. Другие три части предназначались для растений.
В замкнутом пространстве и при искусственном освещении росли водоросли, а также селекционные сорта сои, салата, огурцов, редиса, моркови, свеклы, укропа, капусты, картофеля, лука. Они регенерировали воду и кислород, а также обеспечивали «бионавтов» всеми необходимыми для существования питательными веществами, витаминами и микроэлементами. Там же росла и специально выведенная красноярским селекционером Генрихом Лисовским карликовая пшеница с очень коротким стеблем: несъедобная часть колоса была минимального размера, и отходов было мало. Она давала урожай в 200–300 центнеров с гектара. А среднеазиатская трава чуфа обеспечивала людей растительным маслом.
Чтобы люди внутри «БИОСа» могли общаться с внешним миром, герметичный бункер обеспечили телевизором и телефоном. Была смонтирована система охлаждения и подачи энергии.
В начале 1970-х три добровольца из числа сотрудников впервые прожили в бункере полгода — 180 дней, с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973 года. Весь кислород, которым они дышали, обеспечивали выращиваемые ими растения. Они же перерабатывали углекислый газ. Первоначально имевшийся запас воды перерабатывался и очищался, чтобы использоваться многократно.
Участники эксперимента ели овощи, выращенные ими самими, собирали и мололи пшеницу и пекли из нее хлеб. Так они получали по 300 граммов хлеба и 400 граммов овощей в день. Животным белком «бионавтов» обеспечивали запасы консервов и сублимированного мяса. Постоянно проводившиеся медицинские наблюдения показали, что такой рацион, а также переработанные и очищенные вода и воздух не сказались отрицательно на здоровье добровольцев.

Эксперимент длился всего полгода. Стало ясно, что продолжать его нет смысла: созданная в «БИОСе» замкнутая система жизнеобеспечения работает безукоризненно. Искусственно созданный конвейер по производству воды, кислорода и пищи сбоев не дает. Разумеется, при условии поступления большого количества электроэнергии снаружи, но эта проблема в космосе или на любой из планет легко решается с помощью атомной электростанции или солнечных батарей.
На станции «БИОС-3», имитирующей внеземное поселение, состоялось 10 экспериментов по автономному выживанию. В них принимали участие экипажи составом от одного до трех человек. Дольше остальных «бионавтов» в «БИОС-3» прожил инженер Николай Бугреев — в общей сложности 13 месяцев.
В 1968 году красноярская разработка рассматривалась на XIX конгрессе Международной астронавтической федерации как один из возможных прототипов биологической системы обеспечения жизнедеятельности людей на новом этапе освоения космоса — во время длительных экспедиций. Это стало мировым признанием достижений сибирских биофизиков.
Ученым оставалось решить еще одну принципиальную задачу — как обеспечить людей в замкнутом пространстве не только растительной, но и белковой пищей. Один из создателей «БИОСа-3» академик Иосиф Гительзон выдвинул революционную по тем временам идею — использовать для этого генетически модифицированные растения, которые будут производить нужный животный белок. Не решенными также оставались проблемы естественной утилизации биомассы растений и возвращения во внутрисистемный массообмен выводимой из организма человека соли.
Ученые решили повторить успешный на Земле эксперимент в условиях космоса. Красноярский институт начал готовить первые емкости для выращивания растений в условиях невесомости, но тут грянула перестройка. Из-за полного отсутствия финансирования уникальные, не имевшие на тот момент аналогов в мире исследования пришлось прекратить, а «БИОС-3» — законсервировать.