Wanneer zullen onze sporen ten slotte op de stoffige paden van verre planeten achterblijven? De mensheid bereidt voortdurend een antwoord op deze vraag voor, doet grootschalig onderzoek en creëert technologieën voor de ontwikkeling van andere werelden.
De woorden van Konstantin Tsiolkovsky, die meer dan een eeuw geleden zei: "De mensheid zal niet voor altijd op aarde blijven …" beginnen eigenlijk pas uit te komen. Tot dusverre is een persoon in staat geweest om van zijn thuisplaneet af te reizen door slechts een afstand van de maanbaan, maar zelfs in lagere banen kunnen moderne technologieën geen volledig autonome bemande vlucht van meer dan 3-4 maanden bieden: na deze tijd zal de bemanning van het ruimtevaartuig zeker verbruiksartikelen nodig hebben. van de aarde.
Het is nog steeds niet mogelijk om voldoende voeding, watervoorziening, een constante toevoer van zuurstof en effectieve verwijdering van afvalproducten te organiseren los van de biosfeer van de aarde.
In dit stadium is het antwoord op de vraag "Hoe te overleven in de diepe ruimte?" klinkt als volgt: "neem met je mee" een bepaald minimaal noodzakelijk deel van deze biosfeer, en "dwing" het te functioneren in omstandigheden van lage zwaartekracht, kleine besloten ruimtes en een overmaat aan hoogenergetische straling.
Helaas kunnen alle pogingen om een dergelijke gesloten cyclus te implementeren, zelfs in mildere "grond" -omstandigheden, niet succesvol worden genoemd. De bekendste hiervan is ongetwijfeld het Amerikaanse project "Biosphere-2", uitgevoerd door Space Biosphere Ventures (voornamelijk gefinancierd door miljardair Edward Bass).
Het lot van "Biosphere"
In de zomer van 1991 werd in een woestijngebied nabij de stad Oracle (Arizona) de constructie van een grootschalig bouwwerk voltooid, waaronder een enorme glas-metaalconstructie met een oppervlakte van 1,27 hectare.
Promotie video:
Samen met de bijgebouwen was het een hermetisch systeem met een inhoud van 203.760 m3. In dit deel zijn verschillende biomen gemodelleerd: regenwoud, savanne, mediterrane stijve bush, woestijn, zoetwater en zout (mangrove) moeras, en zelfs een mini-oceaan met een levend koraalrif.
MARS-500
Ter voorbereiding op een bemande vlucht naar Mars lanceerden Russische specialisten een grootschalig experiment "Mars-500". Het belangrijkste doel van het project is het bestuderen van de kenmerken van het samenleven van zes mensen in een geïsoleerde kamer gedurende een lange tijd in omstandigheden met beperkte communicatie met de aarde. Het Mars-500-complex was geen biologisch gesloten systeem, de taak om de mogelijkheid van zelfvoorziening van de bemanning te bestuderen, was lange tijd niet aan de orde. Het experiment duurde 519 dagen - van 3 juni 2010 tot 4 november 2011.
Het is waar dat hun relatieve "representatie" heel anders was dan de echte - in het bijzonder was de oceaan minder dan een derde van de "biosfeer", terwijl op aarde wateroppervlakken 71% van het oppervlak beslaan. Al deze biodiversiteit is "bevolkt" met bijna vierduizend soorten dieren, planten en micro-organismen.
Hun soortensamenstelling is zo gekozen dat de biosferische circulatie van stoffen het best wordt nagebootst, inclusief de productie en afbraak van organisch materiaal (inclusief de natuurlijke afbraak van menselijk afval). De gigantische compressoren hebben de interne druk aangepast aan de externe druk, waardoor luchtlekken tot een minimum werden beperkt.
Op 26 september 1991 werden acht mensen - vier mannen en vier vrouwen - onderdeel van de kunstmatige biosfeer. Ze zouden precies twee jaar in volledige afzondering van de buitenwereld doorbrengen (met de mogelijkheid om via de telefoon met hem te communiceren). Ze moesten andere inwoners van "Biosphere-2" gebruiken als voedselproducten - vis, garnalen, geiten, kippen en varkens, maar ook groenten en fruit die op speciaal daarvoor bestemde gebieden werden verbouwd.
Aangenomen werd dat het complex autonoom zou functioneren, aangezien het alle voorwaarden had voor de normale circulatie van stoffen. Zonlicht had volgens berekeningen van wetenschappers voldoende moeten zijn voor de reproductie van zuurstof door planten als gevolg van fotosynthese, wormen en micro-organismen geleverd door afvalverwerking, insecten - bestuiving van planten, enz. De circulatie en zuivering van water werd uitgevoerd dankzij de werking van jaloezieën die de zonne-verlichting regelen, die convectiestromen van warme lucht veroorzaakten, die bijdroegen tot verdamping van het oppervlak van de "oceaan".
Het condenserende vocht viel in de vorm van regen over het "tropisch woud". Van daaruit sijpelde het in de "moerassen" en weer via bodemfilters in de "oceaan". Tijdens het fotosyntheseproces werd koolstofdioxide dat vrijkomt tijdens de ademhaling geabsorbeerd en, in theorie, had het vereiste zuurstofgehalte in de lucht gehandhaafd moeten blijven. Zowel de directe deelnemers aan het experiment als de leiders "van buitenaf" kunnen echter tot op zekere hoogte interfereren met de werking van levensondersteunende systemen.
Alle afvalproducten werden afgebroken door biologische methoden, waardoor planten van voeding werden voorzien, waarvan sommige op hun beurt dienden als voedsel voor mensen, vissen en huisdieren. Het gebruik van giftige chemicaliën (insecticiden en pesticiden) werd volledig uitgesloten. Ongediertebestrijding werd uitgevoerd door "natuurlijke" methoden - ze werden met de hand verzameld en vernietigd of fokten hun natuurlijke vijanden.
Ook het gebruik van milieuvervuilende energiebronnen, zoals open vuur, was niet toegestaan. Zonnepanelen leverden energie voor koken, verlichting en stroomvoorziening voor de apparatuur.
Het leek erop dat met alles rekening was gehouden en een ideale wereld was gebouwd … de problemen lieten echter niet lang op zich wachten. Biosphere-2 bleek overbevolkt te zijn. Mensen hadden niet genoeg calorierijk voedsel - ze moesten wat bananen en papaja planten in de "jungle", de aanplant van granen verdichten zonder het areaal te vergroten en voedseldistributie introduceren.
Over de "woestijn" op het glazen dak in de ochtend condenseerde water en viel regen. Het was onmogelijk om het te elimineren, dus de woestijn "veranderde" geleidelijk in een steppe. Een paar maanden later begonnen de kronen van veel bomen onder hun eigen gewicht te breken: het bleek dat voor de normale vorming van hout zo'n schijnbaar onbeduidende factor als wind buitengewoon noodzakelijk is.
Oekraïense moestuin in een baan
De eerste kosmonaut van het onafhankelijke Oekraïne, Leonid Kadenyuk, was tijdens zijn vlucht met de Columbia-shuttle bezig met onderzoek op het gebied van ruimtebiologie. Ze omvatten met name experimenten met kunstmatige bestuiving van sojabonen en koolzaadscheuten om zaden te verkrijgen zonder zwaartekracht. Deze studies hadden een praktisch doel: de bemanningen van interplanetaire ruimtevaartuigen die naar verre planeten vliegen, hebben beslist "ruimtetuinen" nodig die astronauten van voedsel en zuurstof voorzien.
De snel ongecontroleerde reproductie van insecten en micro-organismen, die actief zuurstof absorbeerden, begon zeer snel. Het gehalte in de lucht daalde tot 14% (bij de norm van 21%) - dit komt overeen met de partiële druk op een hoogte van 4080 m boven zeeniveau. Als gevolg hiervan is de gezondheidstoestand van de inwoners van "Biosphere-2" verslechterd en is hun arbeidsvermogen merkbaar afgenomen. Een van de vrouwen sneed haar vinger af tijdens het werken aan landbouwmachines. Het was niet mogelijk om het zelf aan te naaien en het slachtoffer moest "naar de grote wereld" worden geëvacueerd.
Later werd de "zuiverheid van het experiment" volledig geschonden: als gevolg van het overmatig geactiveerde klimaatfenomeen "El Niño" was de lucht boven Arizona veel vaker bedekt met wolken dan verwacht, en was er niet genoeg zonlicht om zuurstof te produceren tijdens fotosynthese.
Om ernstige gevolgen te voorkomen, besloot Edward Base dit gas van buitenaf onder de koepel te pompen. In totaal moest er meer dan 20 ton worden verpompt. Ondertussen hebben de "experimentele", naast hun voornaamste bezigheden, buitensporig verspreide kakkerlakken en mieren met kracht uitgeroeid (voornamelijk drukten ze er gewoon op - ze konden deze insecten niet vinden onder de bewoners van de "biosfeer").
Al snel splitste het team zich op in twee tegengestelde groepen, waarvan er één de onmiddellijke beëindiging van het experiment eiste, en de tweede erop stond dat het noodzakelijk was "tot het einde toe te blijven". Aangezien de wens om "stand te houden" werd gedeeld door het projectmanagement, werden beide groepen gedwongen om samen te leven onder één dak tot 26 september 1993, toen zeven uitgemergelde en uitgeputte inwoners van het "aardse paradijs" het uiteindelijk verlieten. Maar zelfs twintig jaar later vermijden vertegenwoordigers van verschillende groepen ijverig vergaderingen en andere communicatie.
Wetenschappers wilden het unieke complex niet verlaten, daarom werd al eind 1993 begonnen met de restauratie ervan: in twee jaar van experiment waren het ontwerp van "Biosphere-2" en veel van zijn systemen ernstig versleten. Op 6 maart 1994 ontving de koepel zeven nieuwe "bewoners", waaronder een vrouw. Rekening houdend met de ervaring van hun voorgangers, konden vijf van hen zes maanden in een gesloten systeem doorbrengen - tot 6 september (hoewel oorspronkelijk een experiment van tien maanden was aangekondigd) - en slaagden ze erin om zelfvoorziening in voedsel te organiseren, maar de problemen met de ongecontroleerde reproductie van microben en insecten konden niet worden opgelost.
Op 5 april 1994 slaagden Abigail Elling en Mark Van Thillo, twee deelnemers aan het eerste experiment, erin om een luchtsluis en drie vluchtdeuren te openen, waardoor de dichtheid van het complex gedurende een kwartier werd verbroken. Ze vernielden ook vijf glazen dakpanelen. Elling verklaarde haar actie door het feit dat ze de mensen binnen de keuze wilde geven tussen vrijheid en "opsluiting".
Op 1 juni 1994 hield Space Biospheres Ventures officieel op te bestaan en werden alle activiteiten (inclusief het tweede experiment) overgedragen aan een tijdelijk managementteam dat was ingehuurd door Decisions Investment Co.
In het midden van 1996, nadat het beheer van de "Biosphere" was overgedragen aan Columbia University (New York City), lanceerden wetenschappers er een nieuw experiment in, dit keer zonder de deelname van mensen. Ze gingen uitzoeken of de opbrengst echt toeneemt met een toename van het percentage koolstofdioxide (en tot welke limiet), wat er gebeurt met overtollige koolstofdioxide en waar het zich ophoopt, en ook of er een catastrofaal omgekeerd proces mogelijk is met een ongecontroleerde toename van het gehalte aan CO2 in de atmosfeer. Op geen van deze vragen konden duidelijke antwoorden worden gegeven.
Het wetenschappelijke complex werd lange tijd gebruikt voor de studentenpraktijk en werd in 2005 te koop aangeboden. Pas in de zomer van 2007 werd een koper gevonden. Het was Ranching & Development, dat van plan was een hotel en onderwijscomplex in de buurt te bouwen, en Biosphere-2 zelf zou een publiek toegankelijke toeristische attractie worden. Op 26 juli 2007 werd het unieke laboratorium ter beschikking gesteld van de Universiteit van Arizona.
… Op een van de binnenmuren van de "Biosphere" staan nog verschillende regels geschreven door een van de deelnemers aan de eerste missie: "Alleen hier voelden we hoe afhankelijk we waren van de omringende natuur. Als er geen bomen zijn, hebben we niets te ademen; als het water vervuild is, hebben we niets te drinken. ' Deze zwaarbevochten wijsheid is misschien wel het belangrijkste resultaat van een ambitieus experiment.
BIOS-project
Kort na de eerste bemande ruimtevluchten begon het onderzoek naar de mogelijkheid om stabiele biofysische systemen van continue biosynthese te creëren. Een van de meest interessante en succesvolle werken in deze richting was het BIOS-project, dat werd gelanceerd door medewerkers van het Krasnoyarsk Institute of Biophysics (USSR, nu de Russische Federatie). Daar werden levensondersteunende systemen ontwikkeld voor menselijk verblijf in de ruimte, in extreme omstandigheden van poolbreedten, woestijnen, hooglanden en onder water.
In 1964 werd in het BIOS-1-systeem een tweekoppig mens-chlorella-levensondersteuningssysteem geïmplementeerd, gesloten op gasuitwisseling. Algen namen koolstofdioxide op en produceerden zuurstof, maar ze konden niet als voedsel worden gebruikt.
In het BIOS-2-complex, dat in 1965 begon te worden gecreëerd, waren naast algen ook hogere planten betrokken - tarwe, groenten. In 1968 werden de eerste experimenten uitgevoerd in het drielandenstelsel "mens - microalgen - hogere planten". Bereikte 85% hergebruik van water. Op basis van deze experimenten werd BIOS-3 gecreëerd - een gesloten ecologisch systeem voor levensonderhoud van mensen met autonome controle.
Schema van gas- en wateruitwisseling in het experimentele complex "Bios-3". Gaspaden zijn weergegeven met oranje lijnen, water - zwart. Blauwe pijlen geven de rijrichting aan. Letters geven aan: B - chlorella-algenkwekers, G - gasblazer, U - koolstoffilter, C - afvalwateropvangbak in keuken en toilet, Q - opvangbak voor vochtcondensaat in de fytotron, D - tank voor het koken en bewaren van huishoudelijk water, M - opvangbak urine, F - unit voor sorptiezuivering van drinkwater.
De bouw van het BIOS-3-complex werd in 1972 voltooid. In de kelder van het Instituut voor Biofysica in het Krasnoyarsk Academgorodok werd een afgesloten ruimte met afmetingen van 14x9x2,5 m en een volume van ongeveer 315 m3 gebouwd. Het was verdeeld in 4 gelijke compartimenten, waarvan er twee werden bezet door fytotrons voor het kweken van planten, een door microalgenkwekers, en het laatste was een woonblok met bemanningshutten, huishoudelijk en hulpmateriaal. De compartimenten waren verbonden door verzegelde deuren.
Op basis van BIOS-Z zijn 10 experimenten uitgevoerd met bemanningen van één tot drie personen. De langste duurden 180 dagen (1972-1973). Het was mogelijk om een volledige "sluiting" van het systeem voor gas en water te realiseren, de behoeften van de bemanning aan voedsel werden voor 80% bevredigd ten koste van interne middelen. De ingenieur Nikolai Bugreev woonde het langst in het complex (in totaal 13 maanden).
In kassen onder kunstlicht werden speciale soorten tarwe, sojabonen, sla, chufa (Centraal-Aziatisch oliezaad), wortelen, radijs, bieten, aardappelen, komkommers, zuring, kool, dille en uien verbouwd. Dwergtarwe, gefokt door professor G. M. Lisovsky, heeft stengels verkort, waardoor de hoeveelheid afval kon worden verminderd. Blikvoer met dierlijke producten werd ook als voedsel gebruikt.
Eind jaren 80 werden experimenten in BIOS-Z tijdelijk stopgezet.
In 1991 werd het Internationale Centrum voor Gesloten Ecologische Systemen opgericht onder leiding van Academicus I. I. Gitelzon, dat een structurele onderafdeling werd van het Krasnoyarsk Instituut voor Biofysica, Siberische afdeling van de Russische Academie van Wetenschappen. Het doel van zijn onderzoek is om prototypes en werkmodellen te maken van gesloten ecosystemen voor het langdurig ondersteunen van menselijk leven in extreme land- en ruimteomstandigheden op basis van het bestuderen van de processen van de circulatie van stoffen in de biosfeer van de aarde.
De ontwikkeling van een nieuw biosysteemmodel begon in Krasnoyarsk in 2005 met de steun van de European Space Agency. Momenteel wordt in het kader van dit project onderzoek gedaan op het gebied van afvalrecycling en plantenteelt in gesloten ecosystemen.
NASA ontwerpt biosystemen
NASA-specialisten konden natuurlijk niet wegblijven van de ontwikkeling van gesloten biosystemen, die later zouden kunnen worden gebruikt om de bemanningen van ruimtestations en interplanetaire schepen te ondersteunen. Hun prestaties op dit gebied zijn veel kleiner, maar ze hebben tastbaar commercieel succes.
We hebben het over een biologische module genaamd Ecosphere, een afgesloten glazen bol-aquarium met een diameter van 10-20 cm, gevuld met zeewater met een kleine luchtbel en 'bevolkt' met verschillende Halocaridina rubra-garnalen, stukjes koraal, groene algen en bacteriën die voedsel afbreken vitale functies van garnalen. Op de bodem van het aquarium wordt, eerder om esthetische redenen, wat zand en schelpen gestort.
Volgens de verzekeringen van de fabrikanten moest deze hele wereld voor onbepaalde tijd volledig autonoom zijn - het had alleen zonlicht nodig en een min of meer constante temperatuur. De garnaal vermenigvuldigde zich en stierf, zonder verder te gaan dan de beschikbare middelen konden "voeden". Ecosphere werd meteen ongelooflijk populair.
Toegegeven, het werd al snel duidelijk dat de "eeuwigheid" slechts 2-3 jaar was, waarna het biologische evenwicht in het aquarium werd verstoord en de bewoners stierven. Desalniettemin zijn hermetische aquaria nog steeds populair - elke beschaving heeft immers zijn eigen "houdbaarheid", en zelfs twee jaar naar de maatstaven van een garnaal is niet zo erg.
"Space mierenhoop" op uw tafel
Mieren zijn geweldige wezens. Ze zijn te vinden in bijna alle natuurlijke zones (behalve arctische woestijnen). Hun oude voorouders, die weinig verschilden van de moderne vertegenwoordigers van deze familie, leefden meer dan 100 miljoen jaar geleden op aarde, zoals blijkt uit hun overblijfselen gevonden in versteende modder. Het is zeer waarschijnlijk dat ze zelfs toen de vaardigheden hadden van een "collectieve gemeenschap" en waren onderverdeeld in "kasten" - werkmieren, krijgers, jagers, enz.
Alleen al zijn er meer dan 12,5 duizend geclassificeerde soorten mieren Het totale aantal van deze insecten op aarde kan oplopen tot een biljard (een miljoen miljard, of 1015). Met een gemiddelde massa van één exemplaar van ongeveer 3 mg is hun totale biomassa slechts een orde van grootte kleiner dan de biomassa van de mensheid, terwijl er ongeveer honderdduizenden mieren per persoon zijn. Het is duidelijk dat zo'n grote familie van levende wezens een van de belangrijkste elementen van de biosfeer is. Daarom zijn myrmecologen (myrmecologie is een tak van de entomologie die mieren bestudeert) actief betrokken bij het meeste onderzoek dat gewijd is aan het creëren van gesloten ecosystemen.
Het grootste deel van het leven van mieren vindt plaats in ondergrondse of andere moeilijk bereikbare schuilplaatsen, waar het buitengewoon moeilijk is om ze te observeren. Wetenschappers hebben veel moeite gedaan om dit probleem op te lossen. De eenvoudigste versie van het "mierenobservatorium" kan worden beschouwd als een kunstmatige mierenhoop van twee transparante glazen (plastic) panelen en zandvuller ertussen. Waarnemingen worden uitgevoerd bij zwak licht of infraroodstralen.
Omdat het zand ondoorzichtig is, zie je in zo'n mierenhoop alleen de tunnels direct naast de glaswand. Bovendien is deze structuur erg slecht te vervoeren - zelfs met een lichte schudding, brokkelen de passages af die door mieren zijn opgesteld en storten in. Daarom moesten NASA-medewerkers, om ermee te experimenteren op Space Shuttle-ruimteschepen, een leefgebied ontwerpen waarin de mieren konden leven en tunnels bouwen die bestand waren tegen de effecten van plotselinge veranderingen in de zwaartekracht.
Concept voor het Mars One-project
Hiervoor is een speciale geleiachtige vulstof ontwikkeld, geschikt voor mieren om erin te leven en tunnels te bouwen. Hij dient ook als voedselbron voor hen. Deze technologie werd gebruikt om het Antquarium "bureaubladmierenhoop" te bouwen, die alle liefhebbers van dieren in het wild een zeldzame kans biedt om het fascinerende leven van deze insecten te observeren.
Het Antquarium is geen gesloten ecosysteem, maar de aanvoer van water en voedingsstoffen (anders dan lucht) is daar beperkt. De kans dat pathogene bacteriën en mierparasieten daar binnenkomen, wordt ook geminimaliseerd. Daarom kan een "doorzichtige mierenhoop" het leven van zijn bewoners vrij lang ondersteunen - op voorwaarde dat de licht- en temperatuuromstandigheden die in de instructies worden gespecificeerd in acht worden genomen.
Tijdschrift "Universe, Space, Time", maart 2014