Контроль содержания аэрозолей в воздушной среде герметичного помещения в четы-рехмесячном изоляционном эксперименте SIRIUS-19

        Особенностью этой группы помещений является то, что, с одной стороны, при отсутствии человека система воздухоподготовки обеспечивает степень очистки воздуха на уровне классов ИСО 7 – ИСО 9, но, с другой стороны, присутствие людей и их деятельность приводят к быстрому накоплению в воздухе загрязнений вплоть до опасного для здоровья уровня (в отличие от чистых производственных помещений, где загрязнения угрожают, прежде всего, производимой в помещении продукции). Впрочем, контроль за динамикой накопления загрязнений, в частности, частиц аэрозолей, важен как с точки зрения гигиены и охраны здоровья находящихся в помещении людей, так и с точки зрения отслеживания роста концентрации частиц техногенного происхождения, так как такое явление служит индикатором нештатной ситуации вплоть до аварийной [4-5].

 

Рис. 1. Эмблема международного четырехмесячного изоляционного эксперимента SIRIUS-19 (Scientific International Research in Unique Terrestrial Station)

 

Четырехмесячный изоляционный эксперимент SIRIUS-19

        В 2019 г. Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН) начал серию наземных экспериментов SIRIUS с длительной изоляцией экспериментальных экипажей в макетах, имитирующих пребывание на МКС, а также нацеленных на перспективные длительные космические полеты.

        Эксперимент SIRIUS (Scientific International Research In Uniqueterrestrial Station) проводится совместно ИМБП РАН и национальным аэрокосмическим агентством НАСА (США). Первый этап - 120-ти суточный изоляционный эксперимент SIRIUS-19 состоялся 19.03–19.07.2019 г. в наземном экспериментальном комплексе ИМБП и воспроизводил основные временные характеристики реального космического полета на Луну: перелет до спутника с последующим облетом для поиска места приземления, приземление четырех членов экипажа для проведения операций на поверхности, возвращение на Землю.

        Команда (экипаж) эксперимента SIRIUS-19 состояла из 6 человек – трех мужчин и трех женщин, изолированных от внешнего мира в наземном экспериментальном комплексе ИМБП в течение 120 дней. Главной целью эксперимента SIRIUS-19 являлось изучение механизмов адаптации организма человека к условиям 120-суточной изоляции в герметичном объекте с искусственной средой обитания, имитирующей космический полёт. Во время эксперимента даже использовалась пятиминутная задержка связи с экипажем, аналогичная задержке при реальном полете на Луну.

        Научная программа эксперимента включала 78 подпрограмм исследований по физиологии, психологии, микробиологии, а также по технологическим аспектам пребывания в герметичном пространстве. Одна из подпрограмм была разработана НИЦ «Курчатовский институт» совместно с биологическим факультетом МГУ и направлена на исследование динамики накопления аэрозолей в воздушной среде герметичных обитаемых объектов в условиях длительной изоляции. Целью подпрограммы являлось применение к замкнутой воздушной среде герметичных объектов отработанных в технологии чистых производственных помещений методов оценки уровня аэрозольного загрязнения воздуха с помощью счетчиков частиц аэрозолей.

 

Рис. 2. Рейнхолд Повилаитис во время измерений аэрозолей в помещении оранжереи НЭК

 

Методика проведения измерений

        В ходе эксперимента экипаж выполнял задачи ежедневного медицинского контроля и углубленной оценки состояния здоровья, контроля двигательной активности и проведения регулярных физических тренировок экипажа. Проведение научных экспериментов было распределено между членами экипажа.

        Проведение измерений по динамике накопления аэрозолей было поручено Рейнхолду Повилаитису (Reinhold Povilaitis, США). Рейнхолд Повилаитис – аналитик исследований и операций на лунном разведывательном орбитальном аппарате. Он окончил Университет штата Аризона со степенью магистра в области материаловедения и сертификатом выпускника в области атомной энергетики.

        Медико-технологический наземный экспериментальный комплекс ИМБП, имитирующий космический корабль, представляет собой три жилых цилиндрических модуля, разбитых, в свою очередь, на несколько помещений - комната отдыха («гостиная»), кухня-столовая, тренажерный зал, оранжерея, личные каюты, склад. Для регулярного контроля уровня запыленности были выбраны три помещения основной деятельности экипажа - комната отдыха, тренажерный зал и оранжерея, замеры в которых проводились поочередно.

        Измерения выполнялись с помощью ручного счетчика аэрозолей Handheld 3016 IAQ, производства Lighthouse (США) (рис. 2) в течение всего эксперимента, точнее с 23.03 по 14.07, с небольшим техническим перерывом в апреле (14-18.04), связанным с заменой кабеля связи прибора и компьютера.

        Счетчик программировался один раз в сутки таким образом, чтобы замеры проводились каждые 15 минут круглые сутки. При каждом измерении длительностью 1 минута отбиралась проба в 2,8 л. При этом проба разбавлялась в 10 раз чистым воздухом, пришедшим через «абсолютный» (мембранный) воздушный фильтр.

        Измерялась счетная концентрация частиц размером 0,3 / 0,5 / 1 / 2,5 / 5 / 10 мкм. По результатом измерений прибор также вычислял значения РМ 0,5 / РМ 1 / РМ 2,5 / РМ 5 / РМ 10 / ТРМ. Одновременно со счетной концентрацией частиц измерялась температура и относительная влажность воздуха.

 

Рис. 3. Медико-технологический наземный экспериментальный комплекс ИМБП

 

Краткое изложение результатов измерений

        На протяжении всего эксперимента отчетливо фиксировалась связь концентрации частиц и активности членов экипажа. Менее четко эта связь прослеживается при мониторинге комнаты отдыха, поскольку в ней часто находилось от одного до шести человек, и колебания концентрации при изменении численности в значительной степени сглаживались. В целом же концентрация частиц в комнате отдыха менялась в течение дня в широких пределах – от несоответствия гигиеническим нормам ВОЗ (см. ниже) до классов ИСО 7 и ИСО 8 (в ночные часы).

        В тренажерном зале резкое повышение концентрации частиц во всех размерных диапазонах фиксировалось очень четко (рис. 4), тем более что пребывание членов экипажа (но не более двух одновременно) в этом помещении всегда сопровождалось активными физическими действиями. Также следует отметить, что в отсутствие людей чистота воздуха в тренажерном зале соответствовала классу ИСО 7.

 

Рис. 4. Пример результатов измерений, проведенных в тренажерном зале в течение суток, - зависимость от времени счетной концентрации частиц различного диаметра в течение 1 июня 2019 г. По оси абсцисс отложено текущее время, по оси ординат (слева) – число частиц, справа – температура (в градусах Цельсия) и величина относительной влажности (в процентах). Соответствие размера частиц (в мкм) и цвета графика указано внизу; там же указан цвет графиков относительной влажности (h) и температуры воздуха (t).

 

 

Рис. 5. Пример результатов измерений, проведенных в оранжерее в течение суток, - зависимость от времени счетной концентрации частиц различного диаметра в течение 14 мая 2019 г. По оси абсцисс отложено текущее время, по оси ординат (слева) – число частиц, справа – температура (в градусах Цельсия) и величина относительной влажности (в процентах). Соответствие размера частиц (в мкм) и цвета графика указано внизу; там же указан цвет графиков относительной влажности (h) и температуры воздуха (t).

 

        Не менее отчетливо по резкому (на порядок и более) повышению концентрации частиц во всех размерных диапазонах регистрировалось появление членов экипажа в оранжерее (рис. 5), где в отсутствии людей концентрации частиц были невысоки (соответствовали классу ИСО 7).

        Характерно, что, как это иллюстрируют рис. 4-5, появление в помещении членов экипажа и (или) их физическая активность сопровождаются ростом счетной концентрации частиц во всех размерных диапазонах, включая крупные (диаметром более 1 мкм) частицы. Очевидно, что это фундаментальное отличие обычного («бытового») роста концентрации частиц от роста концентрации частиц из-за возникновения какой-либо нештатной или аварийной ситуации, для которых, как правило, характерно образование частиц в каком-либо отдельном размерной диапазоне. Отметим, что моделирование аварийных или предаварийных ситуаций не входило в программу экспериментов SIRIUS-19.

        Следует отметить очень высокую влажность практически в течение всего эксперимента, причем величина влажности нарастала со временем. Это относится именно к жилым помещениям (к комнате отдыха и тренажерному залу; для оранжереи повышенная влажность является нормой).

        Так, в марте влажность в помещениях росла с 40-45 % до 60 %, в апреле держалась около 60 %, в мае выросла до 70-80 %, снизившись до 50-60 % лишь к концу мая. В июне относительная влажность колебалась в районе 60 % (в оранжерее 85-87 %), а в июле отмечены очень высокие значения влажности как в комнате отдыха и тренажерном зале (85-90 %), так и в оранжерее (до 100 %).

        Другими словами, значения относительной влажности в помещениях почти всегда превышали как рекомендации ГОСТ Р 30494-96 для теплого времени года (30 – 45 %, max 60 %), так и значения физиологической нормы (40 – 60 %).

Рис. 6. Графики значений относительной влажности (верхняя кривая) и температуры (нижняя кривая) в помещениях комнаты отдыха (а), тренажерного зала (б) и оранжереи (в) на протяжении всего эксперимента. По оси абсцисс отложено текущее время, по оси ординат– температура (в градусах Цельсия) и величина относительной влажности (в процентах).

 

Рис. 7. Графики значений относительной влажности (верхняя кривая красного цвета), температуры (нижняя кривая светло-зеленого цвета) и значения РМ 2,5 (ломаная кривая бирюзового цвета) в комнате отдыха в период с 23.03 по 05.04.2019 г. По оси абсцисс отложено текущее время, по оси ординат– численные значения для температуры (в градусах Цельсия), величины относительной влажности (в процентах) и для РМ 2,5 (в мкг/м³).

 

Рис. 8. Графики значений относительной влажности (верхняя кривая красного цвета), температуры (светло-зеленого цвета) и значения РМ 2,5 (ломаная кривая бирюзового цвета) в помещении тренажерного зала в период с 26.03 по 02.04.2019 г.. По оси абсцисс отложено текущее время, по оси ординат – численные значения для температуры (в градусах Цельсия), величины относительной влажности (в процентах) и для РМ 2,5 (в мкг/м³).

 

        В целом уровень запыленности в изолированном герметичном модуле во время эксперимента SIRIUS-19 следует характеризовать как значительный.

        Счетчик аэрозольных частиц Handheld 3016 IAQ не только измеряет количество частиц в шести размерных диапазонах, но и рассчитывает значение массовой концентрации частиц PM0,5 / РМ 1 / РМ 2,5 / РМ 5 и РМ 10 (РМ Х – particulate matter- масса всех частиц с размером менее Х мкм).

        Особое внимание при анализе чистоты воздуха в последнее время вызывают значения показателя РМ 2,5, поскольку эта величина соответствует размерам аэрозольных частиц, способных преодолеть т.н. аэрогематический барьер, т.е. попадать в кровь. Величина РМ 2,5 в воздухе регламентируется национальными законодательными актами, а также Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).

        В счетчике Handheld 3016 IAQ величина PM 2,5 оценивается на основании полученных данных о счетной концентрации по формуле:

где

М — массовая концентрация частиц (мкг/м³);

N — концентрация частиц (1/л);

d — размер частиц (мкм);

p — плотность (мкг/мл).

 

        Нетрудно видеть, что PM 2.5 = М (масса всех частиц в диапазоне 0,3-0,5 мкм) + M (0,5-1) + M (1-2,5).

        На фоне высокой влажности четко проявляются эффекты влияния изменения величины влажности на счетную и массовую (РМ 2,5) концентрацию частиц, что иллюстрируется графиками мониторинга РМ 2,5 и влажности на рис. 7 и 8. С ростом влажности концентрация частиц увеличивается, и наоборот, причем колебания счетной концентрации повторяют колебания значений влажности в значительно большем масштабе. По-видимому, это явление связано с укрупнением/разукрупнением частиц в водяных парах.

        В процессе измерений неоднократно фиксировалось значительное (в разы) превышение максимальной разовой концентрации частиц РМ 2,5 (160 мкг/м³). Например, в марте месяце в комнате отдыха в присутствии членов экипажа максимальная разовая концентрация частиц РМ 2,5 была повышена практически всегда, но она ни разу не превышала предел ночью. То же относится и к тренировочному залу.

        Следует отметить, что основной вклад в величину РМ 2,5 давали частицы субмикронного размера (диаметром менее 1 мкм).

        Среднесуточные максимальные значения РМ 2,5 по российским гигиеническим нормативам ГН 2.1.6.1338-03 (35 мкг/м³), как правило, не превышались. Среднесуточные максимальные значения РМ 2,5 по нормативам ВОЗ (25 мкг/м³) в некоторых случаях были превышены.

        Из изложенного выше можно сделать вывод, что система очистки воздуха в изолированном герметичном модуле во время эксперимента SIRIUS-19 не была рассчитана на большое число членов экипажа. Из измерений видно, что система очистки воздуха отлично работала в отсутствии людей, но не справлялась при их появлении. Доработка системы очистки воздуха герметичного модуля является одной из основных рекомендаций для будущих запланированных экспериментов SIRIUS.

        В целом можно констатировать, что поставленные в программе эксперимента задачи выполнены. Следует отметить большую информационную ценность системы мониторинга воздушной среды в герметичных изолированных объектах и рекомендовать обязательное её проектирование и установку как при будущих экспериментах SIRIUS, так и в иных герметичных изолированных объектах.

        Особо следует подчеркнуть, что в результате проведенной работы была выполнена отдельно подчеркнутая в программе цель на данном этапе работ – обоснована целесообразность включения ручного лазерного счетчика аэрозольных частиц в состав комплекта научных приборов на борту космического корабля и экспериментально продемонстрирована высокая информативность получаемых с его помощью данных.

        Оказалась нереализованной лишь задача поиска корреляций между спектром размеров аэрозолей и различными техногенными процессами (например, в момент проведения экипажем различных технических операций) из-за того, что программа работ экипажа таких работ не содержала. Не удалось также проследить уровни запыленности помещений модуля «лунной пылью» после имитации высадки на Луну, так как в последний момент реальная работа на имитаторе лунной поверхности была заменена виртуальной.

        Эти задачи предстоит решать в ходе следующих экспериментов SIRIUS. Планируется дальнейшее развитие программы SIRIUS. Следующим этапом исследований будет восьмимесячный изоляционный эксперимент, а затем - годовое исследование.

 

Работа выполнена при поддержке НИЦ «Курчатовский институт» (приказы № 1502 от 11.09.2017 и № 1807 от 14.08.2019 г.).

 

Список использованной литературы:

1. Чистые помещения. Под ред. И. Хаякавы. М.: «Мир», 1990. 456 с.
2. В. Уайт. Технология чистых помещений. Основы проектирования, испытаний и эксплуатации. М.: Изд. «Клинрум». 2002. 304 с.
3. В.З. Аксель-Рубинштейн. Санитарная химия атмосферы гермообъектов. СПб., 2010.354 с.
4. В.И. Калечиц.Современные направления в контроле аэрозольных микрозагрязнений. «Чистые помещения и технологические среды», 2002, № 1, стр. 16-21.
5. П.А.Александров, В.И.Калечиц, Е.С.Хозяшева, М.Н.Шахов. Мониторинг ультрадисперсных частиц и раннее предупреждение аварийных и предаварийных ситуаций. М.: НИЦ «Курчатовский институт». 2017. 72 с.