När äntligen kommer våra spår att förbli på de dammiga banorna från avlägsna planeter? Mänskligheten förbereder kontinuerligt ett svar på denna fråga, bedriver storskalig forskning och skapar teknik för utveckling av andra världar.
Konstantin Tsiolkovskys ord, sade för mer än hundra år sedan, "Mänskligheten kommer inte att stanna för evigt på jorden …" börjar faktiskt bara gå i uppfyllelse. Hittills har en person kunnat flytta sig bort från sin hemmaplanet endast på avstånd från lunarbanan, men även i lägre banor kan modern teknik inte tillhandahålla en helt autonom bemannad flygning som varar mer än 3-4 månader: efter denna tid kommer besättningen på rymdskeppet definitivt att behöva levereras förbrukningsmaterial från jorden.
Det är fortfarande inte möjligt att organisera tillräcklig näring, vattenförsörjning, konstant syreförsörjning och effektiv bortskaffande av avfallsprodukter isolerat från jordens biosfär.
I detta skede är svaret på frågan "Hur man överlever i djupa rymden?" låter så här: "ta med dig" en viss minsta nödvändig del av denna biosfär, "tvinga" den att fungera under förhållanden med låg vikt, små trånga utrymmen och ett överskott av strålning med hög energi.
Tyvärr kan alla försök att genomföra en sådan stängd cykel, även under mildare "mark", inte kallas framgångsrika. Det mest kända av dessa är utan tvekan det amerikanska projektet "Biosphere-2", genomfört av Space Biosphere Ventures (främst finansierat av miljardären Edward Bass).
Öde "Biosphere"
Sommaren 1991, i ett ökenområde nära staden Oracle (Arizona), slutfördes konstruktionen av en storskalig struktur, som inkluderade en enorm glasmetallstruktur som täckte ett område på 1,27 hektar.
Kampanjvideo:
Tillsammans med hjälpbyggnaderna var det ett hermetiskt system med en volym på 203 760 m3. En mängd biomer har modellerats i denna volym: regnskog, savann, medelhavsstiv buske, öken, sötvatten och salt (mangrove) träsk, och till och med ett mini-hav med ett levande korallrev.
MARS-500
Som förberedelse för en bemannad flygning till Mars lanserade ryska specialister ett storskaligt experiment "Mars-500". Projektets huvudsakliga mål är att studera funktionerna i samexistensen av sex personer i ett isolerat rum under lång tid under förhållanden med begränsad kommunikation med jorden. Mars-500-komplexet var inte ett biologiskt slutet system, uppgiften att studera möjligheten att besättningen var självförsörjande ställdes inte på länge. Experimentet varade i 519 dagar - från 3 juni 2010 till 4 november 2011.
Visst var deras relativa "representation" mycket annorlunda än den verkliga - i synnerhet var havet mindre än en tredjedel av "Biosfären", medan vatten på ytan upptar 71% av ytan på jorden. All denna biologiska mångfald har "befolkats" med nästan fyra tusen djurarter, växter och mikroorganismer.
Deras artsammansättning valdes på ett sådant sätt att den biosfäriska cirkulationen av ämnen bäst simuleras, inklusive produktion och nedbrytning av organiskt material (inklusive naturlig nedbrytning av mänskligt avfall). De gigantiska kompressorerna justerade det inre trycket för att matcha det yttre trycket, vilket minimerar luftläckage.
Den 26 september 1991 blev åtta personer - fyra män och fyra kvinnor - en del av den konstgjorda biosfären. De skulle tillbringa exakt två år i fullständig isolering från omvärlden (ha dock möjlighet att kommunicera med honom i telefon). De var tvungna att använda andra invånare i "Biosphere-2" som livsmedelsprodukter - fisk, räkor, getter, kycklingar och grisar, såväl som grönsaker och frukter som odlas på särskilt utsedda områden.
Det antogs att komplexet skulle fungera autonomt, eftersom det hade alla förutsättningar för normal cirkulation av ämnen. Solljus, enligt forskarnas beräkningar, borde ha varit tillräckligt för reproduktion av syre av växter som ett resultat av fotosyntes, maskar och mikroorganismer som avfallshantering, insekter - pollinering av växter, etc. Cirkulationen och rening av vatten utfördes tack vare driften av persienner som reglerar solbelysningen, vilket orsakade konvektionsströmmar av varm luft, vilket bidrog till förångning från ytan av "havet".
Kondenserande fukt tappade i form av regn över den "tropiska skogen". Därifrån sipprade det in i "träskarna" och kom igen in i "havet" genom jordfilter. Vid fotosyntesprocessen absorberades koldioxid frigjord under andning och i teorin borde det erforderliga syreinnehållet i luften ha bibehållits. Både de direkta deltagarna i experimentet och dess ledare "utanför" kan emellertid interferera till viss del i driften av livssystem.
Alla avfallsprodukter sönderdelades med biologiska metoder och gav näring till växter, varav vissa i sin tur tjänade som mat för människor, fisk och husdjur. Användningen av giftiga kemikalier (insektsmedel och bekämpningsmedel) utesluts helt. Skadedjursbekämpning utfördes med "naturliga" metoder - de samlades in och förstördes för hand eller uppfödde sina naturliga fiender.
Användning av energikällor som förorenar miljön, såsom öppna lågor, var också förbjudet. Solpaneler gav energi för matlagning, belysning och strömförsörjning av utrustningen.
Det verkade som om allt beaktades och att en idealvärld byggdes … problemen var dock inte långt framme. Biosphere-2 visade sig vara överbefolkat. Människor hade inte tillräckligt med kalorimat - de var tvungna att plantera bananer och papaya i "djungeln", kompaktera planteringen av spannmål utan att öka området och införa matfördelning.
Över "öknen" på glasstaket på morgonen kondenserade vatten och regn föll. Det var omöjligt att eliminera det, så att öknen gradvis "förvandlades" till en stäpp. Några månader senare började många träd av kronor bryta under sin egen vikt: det visade sig att för den normala träbildningen är en så till synes obetydlig faktor som vind extremt nödvändig.
Ukrainsk grönsaksträdgård i omloppsbana
Den första kosmonauten av den oberoende Ukraina Leonid Kadenyuk var engagerad i forskning inom rymdbiologi under sin flygning på Columbia-skytteln. De inkluderade särskilt experiment på konstgjord pollinering av sojabönor och rapsfröer för att få frön i nollvikt. Dessa studier hade ett praktiskt syfte: besättningarna på interplanetära rymdfarkoster som flyger till avlägsna planeter kommer definitivt att behöva "rymdträdgårdar" som kommer att förse astronauterna med mat och syre.
Snabb okontrollerad reproduktion av insekter och mikroorganismer, aktivt absorberande syre, började mycket snabbt. Innehållet i luften sjönk till 14% (vid normen 21%) - detta motsvarar deltrycket i en höjd av 4080 m över havet. Som ett resultat har hälsotillståndet för invånarna i "Biosphere-2" försämrats och deras arbetsförmåga har märkbart minskat. En av kvinnorna klippte av fingret när hon arbetade med jordbruksutrustning. Det var inte möjligt att sy den på egen hand, och offret måste evakueras "till den stora världen."
Senare överträddes "experimentets renhet" fullständigt: på grund av det alltför aktiverade klimatfenomenet "El Niño" täcktes himlen över Arizona med moln mycket oftare än förväntat, och det fanns inte tillräckligt med solljus för att reproducera syre under fotosyntesen.
För att undvika allvarliga konsekvenser beslutade Edward Base att börja pumpa denna gas under kupolen från utsidan. Totalt måste mer än 20 ton av det pumpas. Under tiden utrotade de "experimentella", utöver sina huvudsakliga yrken, på ett kraftigt sätt spridande kackerlackor och myror (främst pressade de helt enkelt - de kunde inte hitta dessa insekter bland invånarna i "Biosfären").
Ganska snabbt delade teamet upp i två motsatta grupper, varav den ena krävde omedelbart avslutande av experimentet, och den andra insisterade på att det var nödvändigt att "hålla fast vid slutet." Eftersom önskan att "hålla ut" också delades av projektledningen tvingades båda grupperna att samexistera under ett tak tills 26 september 1993, då sju utmattade och utmattade invånare i det "jordiska paradiset" slutligen lämnade det. Men även 20 år senare undviker företrädare för olika grupper flitigt möten och annan kommunikation.
Forskare ville inte överge det unika komplexet, därför, redan i slutet av 1993, startades dess restaurering: i två års experiment var designen av "Biosphere-2" och många av dess system allvarligt slitna. Den 6 mars 1994 fick kupolen sju nya "invånare", inklusive en kvinna. Med hänsyn till erfarenheterna från sina föregångare kunde fem av dem tillbringa sex månader i ett stängt system - fram till 6 september (även om ett tio månaders experiment tillkännagavs ursprungligen) - och lyckades organisera självförsörjning i mat, men problemen med den okontrollerade reproduktionen av mikrober och insekter kunde inte lösas.
Den 5 april 1994 lyckades Abigail Elling och Mark Van Thillo, två deltagare i det första experimentet, öppna ett luftlås och tre nödutgångsdörrar och bryta komplexets täthet under en kvarts timme. De krossade också fem glastakpaneler. Elling förklarade sin handling genom att hon ville ge folket inuti valet mellan frihet och "fängelse".
Den 1 juni 1994 upphörde Space Biospheres Ventures officiellt att existera och överförde all verksamhet (inklusive det andra experimentet) till en tillfällig ledningsteam anlitad av Decisions Investment Co.
I mitten av 1996, efter att hanteringen av "Biosphere" överfördes till Columbia University (New York City), forskare startade ett nytt experiment i den, denna gång utan deltagande av människor. De skulle ta reda på om utbytet verkligen ökar med en ökning av procentandelen koldioxid (och till vilken gräns), vad som händer med överskott av koldioxid och var det ackumuleras, och även om en katastrofal omvänd process är möjlig med en okontrollerad ökning av koldioxidinnehållet i atmosfären. Det var inte möjligt att få tydliga svar på någon av dessa frågor.
Under en lång tid användes det vetenskapliga komplexet för studentpraxis, och 2005 släpptes det till försäljning. En köpare hittades först sommaren 2007. Det var Ranching & Development, som avsåg att bygga ett hotell och ett utbildningskomplex i närheten, och Biosphere-2 självt skulle bli en allmänt tillgänglig turistattraktion. Den 26 juli 2007 överfördes det unika laboratoriet till universitetet i Arizona.
… På en av de inre väggarna i "Biosfären" finns det fortfarande flera rader skrivna av en av deltagarna i det första uppdraget: "Bara här kände vi hur beroende av den omgivande naturen. Om det inte finns några träd, har vi inget att andas; om vattnet är förorenat kommer vi inte ha något att dricka. " Denna svårvunna visdom är kanske det viktigaste resultatet av ett ambitiöst experiment.
BIOS-projekt
Forskning om möjligheten att skapa stabila biofysiska system för kontinuerlig biosyntes började strax efter de första bemannade rymdflygningarna. Ett av de mest intressanta och framgångsrika arbetena i denna riktning var BIOS-projektet, som lanserades av anställda vid Krasnoyarsk Institute of Biophysics (USSR, nu Ryssland). Där utvecklades livsstödssystem för mänsklig vistelse i rymden, under extrema förhållanden med polära breddegrader, öknar, högländer, under vatten.
1964, i BIOS-1-systemet, infördes ett tvålänkat livssystem för mänsklig-klorella, stängt vid gasutbyte. Alger absorberade koldioxid och producerade syre, men de kunde inte användas för mat.
I BIOS-2-komplexet, som började skapas 1965, utöver alger, var högre växter involverade - vete, grönsaker. 1968 genomfördes de första experimenten i det tre-länksystemet "man - mikroalger - högre växter". Nå 85% återanvändning av vatten. Baserat på dessa experiment skapades BIOS-3 - ett slutet ekologiskt stöd för människors liv med autonom kontroll.
Schema för gas- och vattenutbyte i experimentkomplexet "Bios-3". Gasvägar visas med orange linjer, vattensvart. Blå pilar anger körriktningen. Bokstäver indikerar: B - klorellaalgodlare, G - gasblåsare, U - kolfilter, C - avloppsvattensamlare i köket och toaletten, Q - fuktkondensatuppsamlare i fytotronen, D - tank för kokning och lagring av hushållsvatten, M - uppsamlare urin, F - enhet för sorptionsrening av dricksvatten.
Konstruktionen av BIOS-3-komplexet avslutades 1972. I källaren på Institutet för biofysik i Krasnoyarsk Academgorodok byggdes ett förseglat rum med måtten 14x9x2,5 m och en volym på cirka 315 m3. Det var uppdelat i fyra lika stora fack, varav två ockuperades av fytotroner för växande växter, ett av mikroalgalkultivatorer, och det sista var ett levande block med besättningsstugor, hushållsutrustning och extrautrustning. Facken var förbundna med tätade dörrar.
På basis av BIOS-Z genomfördes 10 experiment med besättningar på en till tre personer. Den längsta av dem varade i 180 dagar (1972-1973). Det var möjligt att uppnå en fullständig "stängning" av systemet för gas och vatten, besättningens behov av mat tillfredsställdes med 80% på bekostnad av interna resurser. Ingenjören Nikolai Bugreev bodde längst i komplexet (totalt 13 månader).
I växthus under konstgjord belysning odlades speciella sorter av vete, sojabönor, sallad, chufa (centralasiatisk oljeväxtgröda), morötter, rädisor, rödbetor, potatis, gurkor, sorrel, kål, dill och lök. Dvärgvete, uppfött av professor G. M. Lisovsky, har förkortat stjälkar, vilket gjorde det möjligt att minska mängden avfall. Konserver med animaliska produkter användes också för mat.
I slutet av 80-talet stoppades experimenten i BIOS-Z tillfälligt.
1991 skapades International Center for Closed Ecological Systems under ledning av akademiker I. I. Gitelzon, som blev en strukturell underavdelning av Krasnoyarsk Institute of Biophysics, Siberian Filial vid den ryska vetenskapsakademin. Syftet med hans forskning är att skapa prototyper och arbetsmodeller av slutna ekosystem för långsiktigt stöd för människoliv under extrema jord- och rymdförhållanden på grundval av att studera processerna för cirkulation av ämnen i jordens biosfär.
Utvecklingen av en ny biosystemmodell började i Krasnoyarsk 2005 med stöd av Europeiska rymdorganisationen. För närvarande, inom ramen för detta projekt, bedrivs forskning inom avfallsåtervinning och odling av växter i slutna ekosystem.
NASA designer biosystem
NASA-specialister kunde naturligtvis inte hålla sig borta från utvecklingen av stängda biosystem, som senare skulle kunna användas för att stödja besättningarna på rymdstationer och interplanetära fartyg. Deras prestationer på detta område är mycket mindre, men de har konkret kommersiell framgång.
Detta är en biologisk modul som kallas Ecosphere, som är ett förseglat glasbollakvarium med en diameter på 10-20 cm, fylld med havsvatten med en liten luftbubbla och "befolkad" med flera Halocaridina rubra räkor, korallbitar, gröna alger och bakterier som bryter ner mat räka vitala funktioner. Längst ner i akvariet, snarare av estetiska skäl, hälls några sand och skal.
Enligt tillverkarnas försäkringar skulle hela världen vara helt autonom under en obegränsad tid - den behövde endast solljus och bibehålla en mer eller mindre konstant temperatur. Räken multiplicerade och dog utan att gå utöver det belopp som tillgängliga resurser kunde "mata". Ekosfären blev omedelbart oerhört populär.
Det blev riktigt klart att dess "evighet" bara var 2-3 år, varefter den biologiska balansen i akvariet stördes och dess invånare dog. Ändå är hermetiska akvarier fortfarande populära - trots allt har varje civilisation sin egen "hållbarhet", och till och med två år enligt normerna för en räka är egentligen inte så illa.
"Rymdmyr" på ditt bord
Myror är fantastiska varelser. De finns i nästan alla naturliga zoner (utom arktiska öknar). Deras gamla förfäder, lite annorlunda än de moderna företrädarna för denna familj, bodde på jorden för över 100 miljoner år sedan, vilket framgår av deras rester som finns i fossiliserad lera. Det är mycket troligt att även då de hade färdigheterna i ett "kollektivt samhälle" och delades in i "kaster" - arbetarmyror, krigare, jägare etc.
Det finns mer än 12,5 tusen klassificerade arter av myror ensam. Det totala antalet av dessa insekter på jorden kan uppnå en kvadriljon (en miljon miljarder eller 1015). Med en genomsnittlig massa på ett prov på cirka 3 mg, visar det sig att deras totala biomassa endast är en storleksordning mindre än mänsklighetens biomassa, medan det finns cirka hundratusentals myror per person. Det är uppenbart att en så stor familj med levande saker är en av de viktigaste delarna i biosfären. Därför är myrmekologer (myrmekologi är en gren av entomologi som studerar myror) aktivt involverade i större delen av den forskning som ägnas åt skapandet av slutna ekosystem.
Huvuddelen av myrornas liv äger rum i underjordiska eller andra svårtillgängliga skyddsrum, där det är extremt svårt att observera dem. Forskare har lagt ned mycket arbete för att lösa detta problem. Den enklaste versionen av "myrobservatoriet" kan betraktas som en konstgjord myrstång av två genomskinliga glas (plast) paneler och sandfyllmedel mellan dem. Observationer utförs i svagt ljus eller infraröda strålar.
Eftersom sanden är ogenomskinlig kan du bara se tunnlarna direkt intill glasväggen i en sådan myrställe. Dessutom är denna struktur väldigt dåligt transporterbar - även med en liten skakning passerar passagerna upp av myror och kollapsar. Därför måste NASA-anställda utforma en livsmiljö där myrorna kunde leva och bygga tunnlar som kunde motstå effekterna av plötsliga tyngdförändringar för att experimentera med dem på rymdskepp med rymdfärjan.
Koncept för Mars One-projektet
För detta utvecklades ett speciellt geléliknande fyllmedel, lämpligt för myror att leva i det och bygga tunnlar. Han tjänar också som en källa till mat för dem. Denna teknik användes för att bygga Antquarium "desktop anthill", som ger alla älskare av vilda djur en sällsynt möjlighet att observera det fascinerande livet för dessa insekter.
Antikvariet är inte ett slutet ekosystem, men tillgången på vatten och näringsämnen (utom luft) där är begränsad. Sannolikheten för att patogena bakterier och myrparasiter kommer in där minimeras också. Därför kan en "transparent myrställe" stödja sina invånares liv under ganska lång tid - förutsatt att ljus- och temperaturförhållandena som anges i instruktionerna följs.
Tidsskrift "Universe, Space, Time", mars 2014