Kiedy w końcu nasze ślady pozostaną na zakurzonych ścieżkach odległych planet? Ludzkość wytrwale przygotowuje odpowiedź na to pytanie, prowadząc szeroko zakrojone badania i tworząc technologie dla rozwoju innych światów.
Słowa Konstantina Ciołkowskiego, powiedziane ponad sto lat temu, „Ludzkość nie pozostanie na zawsze na Ziemi…” właściwie dopiero zaczynają się spełniać. Do tej pory człowiek był w stanie oddalić się od swojej macierzystej planety tylko na odległość orbity księżycowej, ale nawet na niższych orbitach nowoczesne technologie nie są w stanie zapewnić w pełni autonomicznego lotu załogowego trwającego dłużej niż 3-4 miesiące: po tym czasie załoga statku kosmicznego z pewnością będzie potrzebować dostarczonych materiałów eksploatacyjnych z ziemi.
Nadal nie jest możliwe zorganizowanie odpowiedniego odżywiania, zaopatrzenia w wodę, stałego dopływu tlenu i efektywnego usuwania produktów odpadowych w oderwaniu od biosfery Ziemi.
Na tym etapie odpowiedź na pytanie „Jak przetrwać w kosmosie?” brzmi tak: „weź ze sobą” pewną minimalną niezbędną część tej biosfery, „zmuszając” ją do funkcjonowania w warunkach niskiej grawitacji, małych, ciasnych przestrzeni i nadmiaru wysokoenergetycznego promieniowania.
Niestety, wszelkich prób realizacji takiego zamkniętego cyklu, nawet w łagodniejszych warunkach „gruntowych”, nie można nazwać sukcesem. Najbardziej znanym z nich jest niewątpliwie amerykański projekt „Biosphere-2”, realizowany przez Space Biosphere Ventures (finansowany głównie przez miliardera Edwarda Bassa).
Losy „Biosfery”
Latem 1991 r. Na pustynnym obszarze w pobliżu miasta Oracle (Arizona) ukończono budowę wielkoskalowej konstrukcji, która obejmowała ogromną konstrukcję szklano-metalową o powierzchni 1,27 hektara.
Film promocyjny:
Wraz z budynkami pomocniczymi był to system hermetyczny o kubaturze 203 760 m3. W tym tomie zamodelowano szereg biomów: las deszczowy, sawannę, śródziemnomorski krzew, pustynia, bagno słodkowodne i słone (namorzyny), a nawet miniocean z żywą rafą koralową.
MARS-500
Przygotowując się do załogowego lotu na Marsa, rosyjscy specjaliści rozpoczęli eksperyment na dużą skalę „Mars-500”. Głównym celem projektu jest zbadanie cech współistnienia sześciu osób w izolowanym pomieszczeniu przez długi czas w warunkach ograniczonej komunikacji z Ziemią. Kompleks Mars-500 nie był systemem biologicznie zamkniętym, zadanie zbadania możliwości samowystarczalności załogi nie było postawione przez długi czas. Eksperyment trwał 519 dni - od 3 czerwca 2010 do 4 listopada 2011.
To prawda, że ich względna „reprezentacja” bardzo różniła się od rzeczywistej - w szczególności ocean stanowił mniej niż jedną trzecią „biosfery”, podczas gdy na Ziemi przestrzenie wodne zajmują 71% powierzchni. Cała ta bioróżnorodność została „zaludniona” przez prawie cztery tysiące gatunków zwierząt, roślin i mikroorganizmów.
Ich skład gatunkowy został dobrany w taki sposób, aby jak najlepiej symulować biosferyczny obieg substancji, w tym produkcję i rozkład materii organicznej (w tym naturalny rozkład odpadów ludzkich). Gigantyczne sprężarki dostosowywały ciśnienie wewnętrzne do ciśnienia zewnętrznego, minimalizując wycieki powietrza.
26 września 1991 roku osiem osób - czterech mężczyzn i cztery kobiety - weszło w skład sztucznej biosfery. Mieli spędzić dokładnie dwa lata w całkowitej izolacji od świata zewnętrznego (mając jednak możliwość komunikowania się z nim telefonicznie). Musieli wykorzystywać innych mieszkańców „Biosfery-2” jako produkty spożywcze - ryby, krewetki, kozy, kury i świnie, a także warzywa i owoce uprawiane na specjalnie wyznaczonych terenach.
Założono, że kompleks będzie funkcjonował autonomicznie, ponieważ spełnia wszystkie warunki normalnego krążenia substancji. Światło słoneczne, według obliczeń naukowców, powinno być wystarczające do rozmnażania tlenu przez rośliny w wyniku fotosyntezy, robaków i mikroorganizmów poddanych obróbce odpadów, owadów - zapylania roślin itp. Cyrkulacja i oczyszczanie wody odbywały się dzięki działaniu żaluzji regulujących oświetlenie słoneczne, co powodowało prądy konwekcyjne ciepłego powietrza, co przyczyniło się do parowania z powierzchni „oceanu”.
Kondensująca wilgoć opadła w postaci deszczu nad „lasem tropikalnym”. Stamtąd przedostał się do „bagien” i ponownie przedostał się do „oceanu” przez filtry glebowe. W procesie fotosyntezy został zaabsorbowany dwutlenek węgla uwolniony podczas oddychania i teoretycznie należało utrzymać wymaganą zawartość tlenu w powietrzu. Jednak zarówno bezpośredni uczestnicy eksperymentu, jak i jego prowadzący „z zewnątrz” mogli w pewnym stopniu ingerować w działanie systemów podtrzymywania życia.
Wszystkie produkty przemiany materii zostały rozłożone metodami biologicznymi, zapewniając pożywienie roślinom, z których część z kolei służyła jako pokarm dla ludzi, ryb i zwierząt domowych. Całkowicie wykluczono stosowanie toksycznych chemikaliów (insektycydów i pestycydów). Zwalczanie szkodników odbywało się „naturalnymi” metodami - zbierano je i niszczono ręcznie lub hodowano ich naturalnych wrogów.
Niedozwolone było również korzystanie ze źródeł energii zanieczyszczających środowisko, takich jak otwarte płomienie. Panele słoneczne dostarczały energii do gotowania, oświetlenia i zasilania sprzętu.
Wydawało się, że brano pod uwagę wszystko i zbudowano idealny świat … jednak problemy nie trwały długo. Biosphere-2 okazała się przeludniona. Ludziom brakowało wysokokalorycznego pożywienia - musieli posadzić w „dżungli” banany i papaję, zagęścić zasadzenie zbóż bez powiększania powierzchni i wprowadzić dystrybucję żywności.
Nad „pustynią” na szklanym dachu rano skraplała się woda i padał deszcz. Nie dało się go wyeliminować, więc pustynia stopniowo „zamieniała się” w step. Kilka miesięcy później korony wielu drzew zaczęły pękać pod własnym ciężarem: okazało się, że do normalnego formowania się drewna tak pozornie nieistotny czynnik jak wiatr jest niezwykle potrzebny.
Ukraiński ogród warzywny na orbicie
Pierwszy kosmonauta niepodległej Ukrainy Leonid Kadenyuk podczas lotu promem Columbia prowadził badania z zakresu biologii kosmicznej. W szczególności obejmowały one eksperymenty dotyczące sztucznego zapylania kiełków soi i rzepaku w celu uzyskania nasion w stanie nieważkości. Badania te miały praktyczny cel: załogi międzyplanetarnych statków kosmicznych lecących na odległe planety z pewnością będą potrzebować „kosmicznych ogrodów”, które zapewnią astronautom żywność i tlen.
Szybkie niekontrolowane rozmnażanie się owadów i mikroorganizmów, aktywnie absorbujących tlen, rozpoczęło się bardzo szybko. Jego zawartość w powietrzu spadła do 14% (przy normie 21%) - odpowiada to ciśnieniu parcjalnemu na wysokości 4080 m npm. W efekcie pogorszył się stan zdrowia mieszkańców „Biosfery-2”, a ich zdolność do pracy wyraźnie spadła. Jedna z kobiet odcięła sobie palec podczas pracy przy sprzęcie rolniczym. Nie dało się go uszyć samodzielnie, a ofiarę trzeba było ewakuować „na wielki świat”.
Później „czystość eksperymentu” została całkowicie naruszona: z powodu nadmiernie aktywowanego zjawiska klimatycznego „El Niño” niebo nad Arizoną było znacznie częściej zasłaniane chmurami niż oczekiwano, a światło słoneczne nie wystarczało do wytworzenia tlenu podczas fotosyntezy.
Aby uniknąć poważnych konsekwencji, Edward Base postanowił zacząć pompować ten gaz pod kopułę z zewnątrz. W sumie trzeba było przepompować ponad 20 ton. Tymczasem „eksperymentalni” oprócz swoich głównych zajęć mozolnie wytępiali nadmiernie rozmnożone karaluchy i mrówki (głównie po prostu naciskali - tych owadów nie mogli znaleźć wśród mieszkańców „Biosfery”).
Dość szybko zespół podzielił się na dwie przeciwstawne grupy, z których jedna zażądała natychmiastowego przerwania eksperymentu, a druga nalegała, aby „trzymać się do końca”. Ponieważ chęć „wytrwania” podzielała również kierownictwo projektu, obie grupy były zmuszone współistnieć pod jednym dachem do 26 września 1993 r., Kiedy to ostatecznie opuściło go siedmiu wychudzonych i wyczerpanych mieszkańców „ziemskiego raju”. Ale nawet 20 lat później przedstawiciele różnych grup pilnie unikają spotkań i jakiejkolwiek innej komunikacji.
Naukowcy nie chcieli rezygnować z unikalnego kompleksu, dlatego już pod koniec 1993 roku przystąpiono do jego odbudowy: w ciągu dwóch lat eksperymentów projekt „Biosfery-2” i wiele jej systemów uległo poważnemu zużyciu. 6 marca 1994 r. Kopuła otrzymała siedmiu nowych „rezydentów”, w tym jedną kobietę. Biorąc pod uwagę doświadczenia swoich poprzedników, pięciu z nich było w stanie spędzić sześć miesięcy w systemie zamkniętym - do 6 września (choć pierwotnie zapowiadano dziesięciomiesięczny eksperyment) - i udało im się zorganizować samowystarczalność w pożywieniu, ale problemów z niekontrolowanym rozmnażaniem się drobnoustrojów i owadów nie udało się rozwiązać.
5 kwietnia 1994 r. Abigail Elling i Mark Van Thillo, dwaj uczestnicy pierwszego eksperymentu, zdołali otworzyć jedną śluzę i trzy drzwi ewakuacyjne, łamiąc szczelność kompleksu na kwadrans. Rozbiło też pięć szklanych paneli dachowych. Elling wyjaśniła swoje działanie tym, że chciała dać ludziom w środku wybór między wolnością a „więzieniem”.
1 czerwca 1994 firma Space Biospheres Ventures oficjalnie przestała istnieć, przekazując całą działalność (łącznie z drugim eksperymentem) tymczasowemu zespołowi zarządzającemu zatrudnionemu przez Decisions Investment Co.
W połowie 1996 roku, po przeniesieniu kierownictwa „Biosfery” na Uniwersytet Columbia (Nowy Jork), naukowcy rozpoczęli w niej nowy eksperyment, tym razem bez udziału ludzi. Mieli sprawdzić, czy wydajność rzeczywiście rośnie wraz ze wzrostem procentu dwutlenku węgla (i do jakiego limitu), co dzieje się z nadmiarem dwutlenku węgla i gdzie się gromadzi, a także czy możliwy jest katastrofalny proces odwrotny przy niekontrolowanym wzroście zawartości CO2 w atmosferze. Na żadne z tych pytań nie udało się uzyskać jasnych odpowiedzi.
Kompleks naukowy przez długi czas służył do praktyk studenckich, aw 2005 roku został wystawiony na sprzedaż. Kupca został znaleziony dopiero latem 2007 roku. To Ranching & Development zamierzało w pobliżu wybudować kompleks hotelowo-edukacyjny, a sama Biosphere-2 miała stać się ogólnodostępną atrakcją turystyczną. 26 lipca 2007 r. Unikalne laboratorium zostało przekazane do dyspozycji University of Arizona.
… Na jednej z wewnętrznych ścian „Biosfery” jest jeszcze kilka linijek napisanych przez jednego z uczestników pierwszej misji: „Dopiero tutaj poczuliśmy, jak bardzo jesteśmy uzależnieni od otaczającej przyrody. Jeśli nie ma drzew, nie będziemy mieli czym oddychać; jeśli woda będzie zanieczyszczona, nie będziemy mieli co pić. Ta z trudem zdobyta mądrość jest prawdopodobnie najważniejszym wynikiem ambitnego eksperymentu.
Projekt BIOS
Badania nad możliwością stworzenia stabilnych biofizycznych systemów ciągłej biosyntezy rozpoczęto wkrótce po pierwszych załogowych lotach kosmicznych. Jedną z najciekawszych i najbardziej udanych prac w tym kierunku był projekt BIOS, który został uruchomiony przez pracowników Instytutu Biofizyki w Krasnojarsku (ZSRR, obecnie Federacja Rosyjska). Tam opracowano systemy podtrzymywania życia służące do pobytu ludzi w kosmosie, w ekstremalnych warunkach polarnych szerokości geograficznych, pustyń, wyżyn, pod wodą.
W 1964 r. W systemie BIOS-1 wdrożono dwuprzewodowy system podtrzymywania życia z chlorelli, zamknięty na zasadzie wymiany gazowej. Algi pochłaniały dwutlenek węgla i wytwarzały tlen, ale nie można ich było wykorzystać do pożywienia.
W kompleksie BIOS-2, który zaczął powstawać w 1965 roku, oprócz alg zaangażowane były rośliny wyższe - pszenica, warzywa. W 1968 r. Przeprowadzono pierwsze doświadczenia w układzie trójpierścieniowym „człowiek - mikroalgi - rośliny wyższe”. Osiągnięto 85% ponownego wykorzystania wody. Na podstawie tych eksperymentów powstał BIOS-3 - zamknięty ekologiczny system podtrzymywania ludzkiego życia z autonomicznym sterowaniem.
Schemat wymiany gazu i wody w kompleksie doświadczalnym „Bios-3”. Ścieżki gazowe zaznaczono pomarańczowymi liniami, woda - czarne. Niebieskie strzałki wskazują kierunek jazdy. Litery oznaczają: B - kultywatory glonów chlorella, G - dmuchawa gazu, U - filtr węglowy, C - kolektory ścieków w kuchni i toalecie, Q - kolektor kondensatu w fitotronie, D - zbiornik do gotowania i przechowywania wody użytkowej, M - kolektor mocz, F - jednostka do sorpcyjnego oczyszczania wody pitnej.
Budowę kompleksu BIOS-3 zakończono w 1972 roku. W podziemiach Instytutu Biofizyki w Krasnojarskim Akademgorodku zbudowano szczelne pomieszczenie o wymiarach 14x9x2,5 mi kubaturze około 315 m3. Został podzielony na 4 równe pomieszczenia, z których dwa zajmowały fitotrony do uprawy roślin, jeden hodowle mikroalg, a ostatni blok mieszkalny z kabinami załogi, sprzętem gospodarczym i pomocniczym. Przedziały były połączone szczelnymi drzwiami.
Na podstawie BIOS-Z przeprowadzono 10 eksperymentów z załogami od jednej do trzech osób. Najdłuższy z nich trwał 180 dni (1972-1973). Udało się osiągnąć całkowite „zamknięcie” instalacji na gaz i wodę, zapotrzebowanie załogi na żywność było w 80% zaspokojone kosztem zasobów wewnętrznych. Najdłużej w kompleksie mieszkał inżynier Nikolai Bugreev (łącznie 13 miesięcy).
W szklarniach przy sztucznym oświetleniu uprawiano specjalne odmiany pszenicy, soi, sałaty, chufy (rośliny oleiste z Azji Środkowej), marchewki, rzodkiewki, buraków, ziemniaków, ogórków, szczawiu, kapusty, kopru i cebuli. Pszenica karłowata, wyhodowana przez profesora G. M. Lisovsky'ego, ma skrócone łodygi, co pozwoliło zmniejszyć ilość odpadów. Do żywności używano również konserw z produktami pochodzenia zwierzęcego.
Pod koniec lat 80. eksperymenty w BIOS-Z zostały tymczasowo wstrzymane.
W 1991 r.powołano Międzynarodowe Centrum Zamkniętych Systemów Ekologicznych pod kierownictwem akademika I. I. Gitelzona, które stało się jednostką strukturalną Krasnojarskiego Instytutu Biofizyki Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk. Celem jego badań jest stworzenie prototypów i modeli roboczych zamkniętych ekosystemów do długoterminowego podtrzymywania życia człowieka w ekstremalnych warunkach lądowych i kosmicznych na podstawie badania procesów obiegu substancji w biosferze Ziemi.
Rozwój nowego modelu biosystemu rozpoczął się w Krasnojarsku w 2005 roku przy wsparciu Europejskiej Agencji Kosmicznej. W chwili obecnej w ramach tego projektu prowadzone są badania z zakresu recyklingu odpadów i uprawy roślin w ekosystemach zamkniętych.
NASA projektuje biosystemy
Specjaliści NASA nie mogli oczywiście powstrzymać się od rozwoju zamkniętych biosystemów, które mogłyby później posłużyć do wsparcia załóg stacji kosmicznych i międzyplanetarnych statków kosmicznych. Ich osiągnięcia w tej dziedzinie są znacznie mniejsze, ale mają wymierny sukces komercyjny.
Jest to moduł biologiczny zwany Ecosphere, który jest zamkniętym akwarium z kulą szklaną o średnicy 10–20 cm, wypełnionym wodą morską z małym pęcherzykiem powietrza i „zaludnionym” kilkoma krewetkami Halocaridina rubra, kawałkami koralowca, zielonymi algami i bakteriami rozkładającymi żywność funkcje życiowe krewetek. Na dno akwarium raczej ze względów estetycznych wysypuje się trochę piasku i muszelek.
Według zapewnień producentów cały ten świat miał być absolutnie autonomiczny przez nieograniczony czas - potrzebował tylko światła słonecznego i utrzymywania mniej więcej stałej temperatury. Krewetki rozmnażały się i umierały, nie przekraczając ilości, którą można było „nakarmić” dostępnymi zasobami. Ekosfera od razu stała się niezwykle popularna.
To prawda, szybko okazało się, że jego „wieczność” trwała zaledwie 2-3 lata, po czym równowaga biologiczna wewnątrz akwarium została zachwiana, a jego mieszkańcy umarli. Mimo to akwaria hermetyczne są nadal popularne - w końcu każda cywilizacja ma swój własny „okres przydatności do spożycia”, a nawet dwa lata jak na krewetki nie są takie złe.
„Kosmiczne mrowisko” na Twoim stole
Mrówki to niesamowite stworzenia. Występują w prawie wszystkich strefach naturalnych (z wyjątkiem arktycznych pustyń). Ich starożytni przodkowie, niewiele różniący się od współczesnych przedstawicieli tej rodziny, żyli na Ziemi ponad 100 milionów lat temu, o czym świadczą ich szczątki znalezione w skamieniałym błocie. Jest bardzo prawdopodobne, że nawet wtedy posiadali umiejętności „zbiorowej społeczności” i zostali podzieleni na „kasty” - robotnice, wojownicy, myśliwi itp.
W samych sklasyfikowanych gatunkach mrówek jest ponad 12,5 tys. Łączna liczba tych owadów na Ziemi może osiągnąć biliard (milion miliardów, czyli 1015). Przy średniej masie jednego okazu około 3 mg, ich całkowita biomasa okazuje się być tylko o rząd wielkości mniejsza niż biomasa ludzkości, podczas gdy na osobę przypada około setek tysięcy mrówek. Jest oczywiste, że tak liczna rodzina istot żywych jest jednym z najważniejszych elementów biosfery. Dlatego myrmekolodzy (myrmekologia to dziedzina entomologii zajmująca się badaniem mrówek) aktywnie uczestniczą w większości badań poświęconych tworzeniu zamkniętych ekosystemów.
Główna część życia mrówek toczy się w podziemnych lub innych trudno dostępnych schronieniach, gdzie ich obserwacja jest niezwykle trudna. Naukowcy włożyli wiele wysiłku, aby rozwiązać ten problem. Najprostszą wersję „obserwatorium mrówek” można uznać za sztuczne mrowisko złożone z dwóch przezroczystych szklanych (plastikowych) paneli i wypełniacza piaskowego między nimi. Obserwacje prowadzone są w słabym świetle lub promieniach podczerwonych.
Ponieważ piasek jest nieprzejrzysty, w takim mrowisku widać tylko tunele bezpośrednio przylegające do szklanej ściany. Ponadto struktura ta jest bardzo słabo przenośna - nawet przy niewielkim wstrząsie korytarze ustawione w kolejce przez mrówki rozpadają się i zapadają. Dlatego, aby eksperymentować z nimi na statkach kosmicznych promów kosmicznych, pracownicy NASA musieli zaprojektować siedlisko, w którym mrówki mogłyby żyć i budować tunele, które byłyby w stanie wytrzymać skutki nagłych zmian grawitacji.
Koncepcja projektu Mars One
W tym celu opracowano specjalny wypełniacz przypominający galaretkę, odpowiedni dla mrówek do życia w nim i budowania tuneli. Jest dla nich również źródłem pożywienia. Technologia ta została wykorzystana do zbudowania Antquarium "desktop mrowisko", które zapewnia wszystkim miłośnikom dzikiej przyrody rzadką okazję do obserwowania fascynującego życia tych owadów.
Antquarium nie jest zamkniętym ekosystemem, ale podaż wody i składników odżywczych (innych niż powietrze) jest tam ograniczona. Zminimalizowane jest również prawdopodobieństwo przedostania się tam patogennych bakterii i pasożytów mrówek. Dlatego „przezroczyste mrowisko” może długo utrzymywać życie jego mieszkańców - pod warunkiem przestrzegania określonych w instrukcjach warunków świetlnych i temperaturowych.
Czasopismo „Wszechświat, przestrzeń, czas”, marzec 2014 r