Milloin viimeinkin jäljemme jäävät kaukaisten planeettojen pölyisille poluille? Ihmiskunta valmistelee jatkuvasti vastausta tähän kysymykseen, tekee laajamittaista tutkimusta ja luo teknologioita muiden maailmojen kehittämiselle.
Konstantin Tsiolkovskyn sanat, jotka sanottiin yli sata vuotta sitten, "Ihmiskunta ei pysy ikuisesti maan päällä …", ovat vasta alkamassa totta. Toistaiseksi henkilö on voinut siirtyä pois kotiplaneetaltaan vain etäisyydellä kuun kiertoradalta, mutta jopa alemmilla kiertoradalla nykyaikainen tekniikka ei pysty tarjoamaan täysin autonomista miehitettyä lentoa, joka kestäisi yli 3-4 kuukautta: Tämän ajan kuluttua avaruusaluksen miehistö tarvitsee ehdottomasti toimitettuja tarvikkeita maasta.
Riittävää ravintoa, vedenjakelua, jatkuvaa hapenjakelua ja jätetuotteiden tehokasta hävittämistä ei voida edelleenkään järjestää erotettaessa maan biosfääristä.
Tässä vaiheessa vastaus kysymykseen "Kuinka selviytyä syvässä avaruudessa?" kuulostaa tältä: "ota mukaasi" tietty biosfäärin tietty vähimmäisosa, "pakottaa" sen toimimaan matalan painovoiman olosuhteissa, pienissä suljetuissa tiloissa ja ylimääräisessä korkeaenergisessa säteilyssä.
Valitettavasti kaikkia yrityksiä toteuttaa tällainen suljettu kierros edes lievempissä "maa-olosuhteissa" ei voida kutsua onnistuneiksi. Tunnetuin näistä on epäilemättä amerikkalainen projekti "Biosphere-2", jonka toteuttaa Space Biosphere Ventures (pääosin rahoittanut miljardööri Edward Bass).
"Biosfäärin" kohtalo
Kesällä 1991 erämaa-alueella Oraclen kaupungin (Arizona) lähellä valmistui laajamittainen rakenne, joka sisälsi valtavan lasi-metallirakenteen, jonka pinta-ala oli 1,27 hehtaaria.
Mainosvideo:
Yhdessä apurakennusten kanssa se oli hermeettinen järjestelmä, jonka tilavuus oli 203 760 m3. Tähän määrään on mallinnettu joukko biomeja: sademetsä, savanni, välimerellinen jäykkä pensas, autiomaa, makean veden ja suolainen (mangrove) suo ja jopa mini-valtameri, jossa on elävä koralliriutta.
Mars-500
Valmistellessaan miehitettyä lentoa Marsiin venäläiset asiantuntijat käynnistivät laajamittaisen kokeilun "Mars-500". Hankkeen päätavoite on tutkia kuuden ihmisen rinnakkaiselon erityispiirteitä eristetyssä huoneessa pitkään olosuhteissa, joissa maapallon kanssa on rajoitettu yhteys. Mars-500 -kompleksi ei ollut biologisesti suljettu järjestelmä, miehistön omavaraisuuden tutkimismahdollisuutta ei ollut asetettu pitkään aikaan. Koe kesti 519 päivää - 3. kesäkuuta 2010 - 4. marraskuuta 2011.
Totta, niiden suhteellinen "esitys" oli hyvin erilainen kuin todellinen - etenkin valtameri oli alle kolmannes "biosfääristä", kun taas maan päällä vesitilat miehittävät 71% pinnasta. Kaikki tämä biologinen monimuotoisuus on "asuttu" melkein neljällä tuhannella eläin-, kasvi- ja mikro-organismilajilla.
Heidän lajikoostumuksensa valittiin siten, että se simuloi parhaiten aineiden biosfäärin kiertoa, mukaan lukien orgaanisen aineen muodostuminen ja hajoaminen (mukaan lukien ihmisjätteen luonnollinen hajoaminen). Jättiläiset kompressorit säätivät sisäisen paineen vastaamaan ulkoista painetta minimoimalla ilmavuodot.
Kahdeksasta ihmisestä - neljä miestä ja neljä naista - tuli 26. syyskuuta 1991 osa keinotekoista biosfääriä. Heidän oli tarkoitus viettää tarkalleen kaksi vuotta täysin erillään ulkomaailmasta (heillä oli kuitenkin mahdollisuus kommunikoida hänen kanssaan puhelimessa). Heidän oli käytettävä muita "Biosfääri-2" -asukkaiden elintarvikkeita - kaloja, katkarapuja, vuohia, kanoja ja sikoja sekä vihanneksia ja hedelmiä, jotka on kasvatettu erityisillä alueilla.
Oletettiin, että kompleksi toimisi itsenäisesti, koska sillä oli kaikki edellytykset aineiden normaalille kiertämiselle. Auringonvalon olisi tutkijoiden laskelmien mukaan pitänyt olla riittävä kasvien hapen lisääntymiseen fotosynteesin, matojen ja mikro-organismien aiheuttaman jätteenkäsittelyn, hyönteisten - kasvien pölytyksen jne. Seurauksena. Veden kiertäminen ja puhdistaminen toteutettiin auringonvaloa säätelevien kaihtimien toiminnan ansiosta, mikä aiheutti lämpimän ilman konvektivirtauksia, mikä osaltaan höyrystyi "valtameren" pinnalta.
Tiivistyvä kosteus tippui sateen muodossa "trooppisen metsän" päälle. Sieltä se imi "soihin" ja tuli taas "valtamereen" maaperän suodattimien kautta. Fotosynteesin aikana hengityksen aikana vapautunut hiilidioksidi imeytyi, ja teoriassa tarvittavan ilman happipitoisuuden olisi pitänyt ylläpitää. Sekä kokeilun suorat osallistujat että sen johtajat "ulkopuolelta" voivat kuitenkin tietyssä määrin puuttua elämän tukijärjestelmien toimintaan.
Kaikki jätetuotteet hajotettiin biologisilla menetelmillä tarjoamalla ravintoa kasveille, joista osa puolestaan toimi ruoana ihmisille, kaloille ja kotieläimille. Myrkyllisten kemikaalien (hyönteisten ja torjunta-aineiden) käyttö oli kokonaan suljettu pois. Tuholaistorjunta toteutettiin "luonnollisilla" menetelmillä - ne kerättiin ja hävitettiin käsin tai kasvatettiin luonnolliset vihollisensa.
Ympäristöä saastuttavien energialähteiden, kuten avotulen, käyttö ei myöskään ollut sallittua. Aurinkopaneelit antoivat energiaa ruoanlaittoon, valaistukseen ja laitteiden virran lisäämiseen.
Näytti siltä, että kaikki otettiin huomioon ja rakennettiin ihanteellinen maailma … ongelmat eivät kuitenkaan olleet kauan tulevia. Biosfääri-2 osoittautui liian väestöksi. Ihmisillä ei ollut tarpeeksi korkeakalorista ruokaa - heidän piti istuttaa banaaneja ja papaijaa "viidakkoon", tiivistää viljojen istutus kasvattamatta pinta-alaa ja ottaa käyttöön ruoanjakelu.
Aamulla lasikatolla olevan "aavikon" yli vesi tiivistyi ja satoi. Sitä oli mahdotonta poistaa, joten aavikko "muuttui" vähitellen steppiin. Muutamaa kuukautta myöhemmin monien puiden kruunut alkoivat murtua oman painonsa alla: kävi ilmi, että puun normaalille muodostumiselle tällainen näennäisesti merkityksetön tekijä, kuten tuuli, on erittäin välttämätöntä.
Ukrainan vihannespuutarha kiertoradalla
Itsenäisen Ukrainan ensimmäinen kosmonautti Leonid Kadenyuk harjoitti avaruusbiologian tutkimusta lennonsa aikana Columbian sukkulalla. Ne sisälsivät etenkin kokeita soija- ja rypsinsiementen keinotekoisesta pölytyksestä siementen saamiseksi nollapainolla. Näillä tutkimuksilla oli käytännöllinen tarkoitus: kaukaisille planeetoille lentävien planeettojen välisten avaruusalusten miehistöt tarvitsevat ehdottomasti "avaruuspuutarhoja", jotka toimittavat astronautteille ruokaa ja happea.
Hyvin hyötysuhteessa hyönteisten ja mikro-organismien nopea hallitsematon lisääntyminen alkoi nopeasti. Sen pitoisuus ilmassa laski 14%: iin (21%: n normissa) - tämä vastaa osapainetta 4080 m: n korkeudessa merenpinnan yläpuolella. Seurauksena "Biosfääri-2" -asukkaiden terveydentila on heikentynyt, ja heidän työkykynsä on laskenut huomattavasti. Yksi naisista katkaisi sormensa työskennellessään maatalouskoneita. Sitä ei ollut mahdollista ommella omillemme, ja uhri oli evakuoitava "suureen maailmaan".
Myöhemmin "kokeen puhtaus" loukattiin kokonaan: liian aktiivisen ilmastoilmiön "El Niño" takia Arizonan yläpuolella oleva taivas oli pilvien alla peitettynä odotettua useammin, eikä aurinkoa ollut riittävästi happea lisäämään fotosynteesin aikana.
Vakavien seurausten välttämiseksi Edward Base päätti alkaa pumppata tätä kaasua kupolin alla ulkopuolelta. Kaiken kaikkiaan yli 20 tonnia siitä oli pumpattava. Samaan aikaan "kokeelliset" tuhosivat pääasiallisten ammattiensa lisäksi voimakkaasti levinneitä torakoita ja muurahaisia (lähinnä he yksinkertaisesti puristivat - he eivät löytäneet näitä hyönteisiä "biosfäärin" asukkaiden keskuudessa).
Varsin nopeasti ryhmä jakaantui kahteen vastakkaiseen ryhmään, joista toinen vaati kokeen välitöntä lopettamista ja toinen vaati, että oli pidettävä kiinni lopusta. Koska myös projektijohto jakoi halun "pitää yllä", molemmat ryhmät pakotettiin toimimaan rinnakkain saman katon alla 26. syyskuuta 1993 saakka, jolloin "maallisen paratiisin" seitsemän tyhjennettyä ja uupuneen asukasta jätti lopulta sen. Mutta jopa 20 vuotta myöhemmin, eri ryhmien edustajat välttävät ahkerasti kokouksia ja muuta viestintää.
Tutkijat eivät halunneet luopua ainutlaatuisesta kompleksista, joten sen palauttaminen aloitettiin jo vuoden 1993 lopulla: Kahden vuoden kokeessa "Biosfääri-2" ja monet sen järjestelmät olivat kuluneet vakavasti. Kupoli vastaanotti 6. maaliskuuta 1994 seitsemän uutta "asukasta", mukaan lukien yksi nainen. Edeltäjiensä kokemukset huomioon ottaen viisi heistä pystyi viettämään kuusi kuukautta suljetussa järjestelmässä - 6. syyskuuta saakka (vaikka alun perin ilmoitettiin kymmenen kuukauden kokeilu) - ja onnistui järjestämään ruuan omavaraisuuden, mutta mikrobien ja hyönteisten hallitsemattoman lisääntymisen ongelmia ei voitu ratkaista.
Ensimmäisen kokeen kaksi osallistujaa, Abigail Elling ja Mark Van Thillo, 5. huhtikuuta 1994, onnistuivat avaamaan yhden turvalokeron ja kolme varauloskäytävän ovet rikkoen kompleksin kireyden neljäsosaan tuntiin. He myös murskasivat viisi lasikattopaneelia. Elling selitti tekoaan sillä, että hän halusi antaa ihmisille valita vapauden ja "vankeuden" välillä.
Space Biospheres Ventures lopetti virallisesti 1. kesäkuuta 1994, siirtäen kaiken liiketoiminnan (mukaan lukien toinen koe) väliaikaiselle johtoryhmälle, jonka palkkaa päätökset Investment Co.
Vuoden 1996 puolivälissä, sen jälkeen kun "biosfäärin" hallinta oli siirretty Columbian yliopistoon (New York City), tutkijat aloittivat siinä uuden kokeilun, tällä kertaa ilman ihmisten osallistumista. He aikoivat selvittää, kasvaako saanto todellakin hiilidioksidiprosentin noustessa (ja mihin rajaan), mitä tapahtuu ylimääräiselle hiilidioksidille ja mihin se kertyy, sekä myös onko katastrofaalinen käänteinen prosessi mahdollista, kun ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa hallitsemattomasti. Mitään näistä kysymyksistä ei ollut mahdollista saada selkeitä vastauksia.
Tiedekompleksia käytettiin pitkään opiskelijoiden harjoitteluun, ja vuonna 2005 se saatettiin myyntiin. Ostaja löydettiin vasta kesällä 2007. Se oli Ranching & Development, jonka tarkoituksena oli rakentaa hotelli ja koulutuskompleksi lähistölle, ja itse Biosphere-2: sta oli tarkoitus tulla julkisesti saatavilla oleva turistikohde. Ainutlaatuinen laboratorio siirrettiin 26. heinäkuuta 2007 Arizonan yliopiston käyttöön.
… Yhdessä "Biosfäärin" sisäseinämässä on vielä useita rivejä, jotka yksi ensimmäisen operaation osanottaja on kirjoittanut: "Vain täällä tunsimme kuinka riippuvaisia ympäröivästä luonnosta. Jos puita ei ole, meillä ei ole mitään hengittävää; jos vesi on saastunut, meillä ei ole mitään juotavaa. " Tämä kovasti voitettu viisaus on ehkä kunnianhimoisen kokeen tärkein tulos.
BIOS-projekti
Jatkuvan biosynteesin vakaiden biofysikaalisten järjestelmien luomismahdollisuuksien tutkimus aloitettiin pian ensimmäisten miehitettyjen avaruuslentojen jälkeen. Yksi mielenkiintoisimmista ja menestyneimmistä töistä tähän suuntaan oli BIOS-projekti, jonka Krasnojarskin biofysiikan instituutin (Neuvostoliitto, nyt Venäjän federaatio) työntekijät käynnistivät. Siellä kehitettiin elämän tukijärjestelmiä ihmisen oleskelua varten avaruudessa, polaarisilla leveysasteilla, aavikoilla, ylängöillä, veden alla.
Vuonna 1964 BIOS-1-järjestelmään otettiin käyttöön kaksilinkkinen ihmisen ja klorellin elämäntukijärjestelmä, joka oli suljettu kaasunvaihdolla. Levät absorboivat hiilidioksidia ja tuottivat happea, mutta niitä ei voitu käyttää ruokaan.
Vuonna 1965 alkaneessa BIOS-2-kompleksissa levien lisäksi mukana olivat korkeammat kasvit - vehnä ja vihannekset. Vuonna 1968 tehtiin ensimmäiset kokeet kolmen linkin järjestelmässä "ihminen - mikrolevä - korkeammat kasvit". Saavutettu 85% veden uudelleenkäytöstä. Näiden kokeiden perusteella luotiin BIOS-3 - suljettu ekologinen ihmisen elämäntukijärjestelmä, jolla on itsenäinen hallinta.
Kaavio kaasun ja veden vaihdosta kokeellisessa kompleksissa "Bios-3". Kaasupolut on esitetty oransseilla viivoilla, vesi - mustalla. Siniset nuolet osoittavat ajosuunnan. Kirjeissä ilmoitetaan: B - klorella-leväviljelylaitteet, G - kaasupuhallin, U - hiilisuodatin, C - jätevesien kerääjät keittiössä ja wc: ssä, Q - kosteuden tiivistyskeräimen kerääjä fitotronissa, D - säiliö kotitalouksien veden keittämiseen ja varastointiin, M - keräin virtsa, F - yksikkö juomaveden sorptiopuhdistukseen.
BIOS-3-kompleksin rakennus valmistui vuonna 1972. Krasnojarskin akatemiagorodokin biofysiikan instituutin kellariin rakennettiin suljettu huone, jonka mitat olivat 14x9x2,5 m ja tilavuus noin 315 m3. Se oli jaettu neljään yhtä suureen osastoon, joista kaksi oli kasvien kasvattamiseen tarkoitettujen fytotronien avulla, yhden mikroleväviljelylaitteiden avulla, ja viimeinen oli elinlohko miehistön hytteillä, kodinkoneilla ja apulaitteilla. Lokerot yhdistettiin suljetuilla ovilla.
BIOS-Z: n perusteella tehtiin 10 koetta yhdestä kolmeen miehiseen. Pisin niistä kesti 180 päivää (1972–1973). Kaasu- ja vesijärjestelmä oli mahdollista kokonaan sulkea, miehistön ruokatarpeet tyydytettiin 80 prosentilla sisäisten resurssien kustannuksella. Insinööri Nikolai Bugreev asui kompleksissa pisimpään (yhteensä 13 kuukautta).
Kasvihuoneissa kasvatettiin keinotekoisessa valaistuksessa erityisiä vehnä-, soija-, salaatti-, chufa- (Keski-Aasian öljysiemenkasveja), porkkanaa, retiisiä, punajuuria, perunaa, kurkkua, hapokas, kaali, tilliä ja sipulia erityislajikkeita. Kääpiövehnä, jonka kasvatti professori G. M. Lisovsky, on lyhentänyt varret, mikä mahdollisti jätteiden määrän vähentämisen. Elintarvikkeiden säilykkeitä käytettiin myös ruokaan.
80-luvun lopulla kokeilut BIOS-Z: llä lopetettiin väliaikaisesti.
Vuonna 1991 perustettiin akateemikko I. I. Gitelzonin johdolla kansainvälinen suljettujen ekologisten järjestelmien keskus, josta tuli Krasnojarskin biofysiikan instituutin rakenneosasto, Venäjän tiedeakatemian Siperian sivukonttori. Hänen tutkimuksensa tarkoituksena on luoda suljettujen ekosysteemien prototyypit ja toimintamallit ihmisen pitkäaikaisen elämän tukemiseksi äärimmäisissä maa- ja avaruusolosuhteissa tutkimalla aineiden kiertoprosesseja maan biosfäärissä.
Uuden biosysteemimallin kehittäminen aloitettiin Krasnojarskissa vuonna 2005 Euroopan avaruusjärjestön tuella. Tällä hetkellä tämän hankkeen puitteissa tutkitaan jätteiden kierrätystä ja kasvien viljelyä suljetuissa ekosysteemeissä.
NASA suunnittelee biosysteemejä
NASA: n asiantuntijat eivät tietenkään voineet olla poissa suljettujen biosysteemien kehittämisestä, joita voitaisiin myöhemmin käyttää avaruusasemien ja planeettojen välisten alusten miehistöjen tukemiseen. Heidän saavutuksensa tällä alueella ovat paljon pienempiä, mutta heillä on konkreettista kaupallista menestystä.
Puhumme biologisesta moduulista, nimeltään Ecosphere, joka on suljettu lasinen palloakvaario, jonka läpimitta on 10-20 cm, joka on täynnä merivettä pienellä ilmakuplilla ja "asuttu" useiden Halocaridina rubra -katkarappujen, korallipalajen, vihreiden levien ja bakteereiden kanssa, jotka hajottavat ruokaa katkarapujen elintärkeät toiminnot. Akvaarion alaosaan, etenkin esteettisiin syihin, kaadetaan hiekkaa ja kuoria.
Valmistajien vakuutusten mukaan koko tämän maailman piti olla ehdottoman autonominen rajoittamattoman ajan - se tarvitsi vain auringonvaloa ja lämpötilan ylläpitämisen enemmän tai vähemmän. Katkarapu moninkertaistui ja kuoli, ylittämättä sitä määrää, jonka käytettävissä olevat resurssit voisivat "ruokkia". Ekosfääristä tuli heti uskomattoman suosittu.
Totta, pian tuli selväksi, että sen "ikuisuus" oli vain 2-3 vuotta, jonka jälkeen akvaarion sisäinen biologinen tasapaino häiriintyi ja sen asukkaat kuolivat. Siitä huolimatta, hermeettiset akvaariot ovat edelleen suosittuja tänäänkin - jokaisella sivilisaatiolla on oma "säilyvyysaika", ja jopa kaksi vuotta katkarapujen mukaan ei ole oikeastaan niin paha.
"Space anthill" pöydälläsi
Muurahaiset ovat uskomattomia olentoja. Niitä esiintyy melkein kaikilla luonnonvyöhykkeillä (lukuun ottamatta arktisia autiomaita). Heidän muinaiset esivanhempansa, jotka eroavat vähän tämän perheen nykyaikaisista edustajista, asuivat maapallolla yli 100 miljoonaa vuotta sitten, mistä osoittavat heidän fossiilisissa mudeissa olevat jäännökset. On erittäin todennäköistä, että silloinkin heillä oli "kollektiivisen yhteisön" taidot ja heidät jaettiin "kastoihin" - työntekijöiden muurahaisia, sotureita, metsästäjiä jne.
Pelkästään muualla luokiteltuja muurahaislajeja on yli 12,5 tuhatta. Näiden hyönteisten kokonaismäärä maapallolla voi saavuttaa nelin miljardin (miljoona miljardia eli 1015). Yhden näytteen keskimääräinen massa on noin 3 mg, ja niiden kokonaisbiomassa on vain suuruusluokkaa pienempi kuin ihmiskunnan biomassa, kun taas ihmisiä on noin satoja tuhansia muurahaisia. On selvää, että niin suuri elävien asioiden perhe on yksi biosfäärin tärkeimmistä osista. Siksi myrmekologit (myrmekologia on entomologian osa, joka tutkii muurahaisia) osallistuvat aktiivisesti suurimpaan osaan suljettujen ekosysteemien luomista koskeviin tutkimuksiin.
Suurin osa muurahaisten elämästä tapahtuu maanalaisissa tai muissa vaikeasti tavoitettavissa turvakoteissa, joissa niitä on äärimmäisen vaikea havaita. Tutkijat ovat käyttäneet paljon vaivaa tämän ongelman ratkaisemiseksi. "Muurahaisten observatorion" yksinkertaisinta versiota voidaan pitää kahden läpinäkyvän lasi (muovi) paneelin ja niiden välisen hiekkatäytteen keinotekoisena muurahaisena. Havainnot tehdään heikossa valossa tai infrapunasäteissä.
Koska hiekka on läpinäkymätöntä, näet tällaisessa muurahaispenkissä vain tunnelit suoraan lasiseinän vieressä. Lisäksi tämä muotoilu on hyvin vähän kuljetettavissa - jopa pienellä tärähdyksellä muurahaisten rivittämät väylät murenevat ja romahtavat. Siksi, jotta he voisivat kokeilla heitä Space Shuttle -aluksilla, NASA: n työntekijöiden oli suunniteltava elinympäristö, jossa muurahaiset voisivat asua ja rakentaa tunneleita, jotka kestäisivät äkillisten painovoiman muutosten vaikutukset.
Konsepti Mars One -projektille
Tätä varten kehitettiin erityinen hyytelömäinen täyteaine, joka soveltuu muurahaisiin asumaan siinä ja rakentamaan tunneleita. Hän toimii myös ravintolähteenä heille. Tätä tekniikkaa käytettiin Antquariumin "työpöydässä" rakentamisessa, joka tarjoaa kaikille villieläinten ystäville harvinaisen mahdollisuuden tarkkailla näiden hyönteisten kiehtovaa elämää.
Antquarium ei ole suljettu ekosysteemi, mutta veden ja ravinteiden (muut kuin ilma) tarjonta siellä on rajoitettua. Patogeenisten bakteerien ja muurahaisten loisten pääsy sinne on myös minimoitu. Siksi "läpinäkyvä muurahaisnukka" voi tukea asukkaidensa elämää melko pitkään - edellyttäen, että ohjeissa määriteltyjä valo- ja lämpöolosuhteita noudatetaan.
Lehti "Universe, Space, Time", maaliskuu 2014