Замкнутые системы жизнеобеспечения.
10 апреля была проведена финальная лекция в цикле антропогенной среды. В данной лекции рассматривался вопрос построения замкнутых систем как логическое продолжение развития условий быта человека.
Для жизни человека требуются четко определенные условия: нужен чистый воздух, определенная температура и влажность в помещении, питьевая вода и удаление бытовых стоков и мусора, как продуктов жизнедеятельности.
Для обеспечения этих потребностей человека в антропогенной среде созданы инженерно-экологические системы: водопровод, канализация, вентиляция и отопление.
Развитие этих систем началось с простой схемы: подача необходимых ресурсов в жилище и вывод отработанных ресурсов из него. Свежий воздух поступает в помещение, нагревается, используется для дыхания и выводится наружу. Чистая вода доводится до потребителя и выходит наружу со сточными водами, как правило, на очистные сооружения. На нагрев (как вариант, для охлаждения) тратиться энергия, которая выбрасывается в окружающую среду с отработанным воздухом.
Следует отметить, что территорий, абсолютно подходящих для обитания людей по температурно-влажностному режиму с достаточно обеспеченностью пресной водой на Земле относительно немного и все эти земли уже плотно освоены и заселены.
Для решения жизненно важной задачи - освоения неблагоприятных зон для жизни (пустыни, арктические земли), серьезно встает вопрос об энерго- и ресурсосбережении, при серьезной капиталоемкости самой задачи. Немаловажным аспектом является транспортная составляющая. Уменьшение протяженности и объема коммуникаций при повышении скорости их работы - напрашивающаяся тенденция в развитии.
Перспективным путем развития инженерно-экологических систем представляется «замыкание» этих систем жизнеобеспечения самих на себя, выполнение их по «замкнутой схеме». Сточные воды очищаются до питьевого качества и поступают обратно к потребителю. Отработанный теплый воздух из помещения выносит в опосредованном виде энергию, потраченную на нагрев (охлаждение). Уменьшение энергозатрат возможно путем уменьшения энергопотерь через ограждающие конструкции и через принудительный теплообмен между поступающим и удаляемым воздухом, когда наружный воздух кондиционируется до требуемого уровня (нагрев или охлаждение, увлажнение). Возможна частичная регенерация воздуха внутри здания, с сопутствующим производством продуктов питания (за счет увеличения зеленой массы в самих зданиях, производящей в том числе и кислород).
Совмещение жилых помещений с объемами, содержащими зеленую массу, представляется очень перспективным направлением.
Переработка отходов жизнедеятельности человека: сточных вод, бытового мусора само по себе превращается в ресурс: сточные воды могут быть источником удобрений, есть технологии позволяющие извлекать из него минеральное сырье, при соответствующей химической переработке. Многие виды бытового мусора, от пластика, полиэтилена до бумаги могут служить источником вторсырья.
Рассмотрим перспективные проекты развития антропогенной среды в указанном нами ключе. К ним относятся технологии аэроферм и устройства замкнутых бионических систем типа БИОС. Эти проекты могут не только улучшить качество среды обитания человека, но и сильно снизить антропогенную нагрузку на биосферу Земли.
Базовой технологией аэроферм является принцип аэропоники. Суть его заключается в следующем. Аэропо́ника - процесс выращивания растений в воздушной среде без использования почвы, при котором питательные вещества к корням растений доставляются в виде аэрозоля. Слово «аэропоника» происходит от греческих понятий «аэро» (воздух) и «ponos» (труд). В отличие от гидропоники, которая использует в качестве субстрата воду, насыщенную необходимыми минералами и питательными веществами для поддержания роста растений, аэропонный способ выращивания растений не предполагает использование почвенного субстрата.
Так как многоэтажная застройка позволяет обеспечить на порядок большую жилую площадь при сильно меньшей площади городского ландшафта. Для расселения в коттеджи обитателей многоквартирного дома-тысячника нужно в сотни раз большая площадь застройки, с учетом необходимой придомовой территории и дорожной транспортной инфраструктуры, не говоря уже о большей протяженности коммунальных сетей. «Двухэтажная застройка» создает сильно большую нагрузку на природу в пересчете на душу населения. Отсюда и основной тренд развития строительства - вытягивание в вертикаль. Следовательно, и озеленение тоже должно вытягиваться в вертикаль. И технология аэропоники позволяет этот подход реализовать: растения можно разместить на вертикальных поверхностях, защитив от атмосферы стеклянными ограждениями, а корни разместить внутри орошающих полостей.
Концепция вертикальной фермы была предложена в журнале Нью-Йорк профессором микробиологии и экологии, доктором Колумбийского университета Диксоном Деспомьером (Dickson Despommier).
Цель ставят перед собой амбициозную: создание таких архитектурных сооружений, которые будут полностью автономны, самостоятельно используют энергию ветра и солнца, а также энергию биомассы, собирать и очищать воду на очистных сооружениях после первичного использования, таким образом будет сохраняться круговорот воды без загрязнения природных источников.
Тут нужно отметить, что создание энергетически независимых сооружений такого масштаба является утопией, энергетические траты будут существенны, а вот идеи пусть даже частичной переработки отходов способны серьезно снизить нагрузки на коммунальные сети.
Профессор отмечает, что уже существующая вертикальная ферма во Флориде дает с площади в 1 акр (около 4 000 м2) земли столько же урожая, сколько обычная ферма выращивает на 30-ти (около 120 000 м2) акрах при использовании гидропонных и аэропонных технологий.
В концепции фермы профессор видит не только помещения для содержания животных, но и отдельные сады, а также офисы для людей, магазины и рестораны, в которые будет поставляться продукция, и жилые квартиры. Эта ферма по своей архитектуре и идее похожа на автономную космическую станцию, мини-планету или Ноев ковчег. Такие фермы призваны разместить внутри еще 3 миллиарда человек, они будут построены в центре всех крупных городов мира. В строительстве человечество уже достигло совершенства и прогресса, чтобы поселять людей в многоэтажные, надежные и безопасные конструкции с инженерными коммуникациями - так почему бы не подселить к людям зеленую растительность и животных, переселить их в здания-небоскребы, оборудованные и организованные с подходящими "для быта" растений и животных условиями, как мы смогли создать их для себя.
Кроме того, профессор видит в вертикальных фермах еще одну перспективу: урожай не будет зависеть от климатических условий. Так, ежегодно ураганы, ветры, ливневые дожди, наводнения и прочие бедствия уничтожают сотни миллионов тонн сельскохозяйственной продукции по всей Земле. Среди преимуществ выделен целый список, уже подтвержденных практическими наработками, цифр:
1. Сельскохозяйственные культуры можно будет производить круглогодично, причем 1 акр земли будет эквивалентен 4-6 гектарам горизонтальной площади в открытом грунте. А для клубники 1 акр вертикальной площади и вовсе заменяет 30 акров открытого грунта.
2. Нет угрозы потерять урожай из-за засухи, наводнения, вредителей.
3. Замкнутый оборот воды обеспечивает отсутствие загрязняющих стоков в природные источники воды.
4. Человек возвращает природные угодья, в которых восстанавливается функционирование экосистем.
Вот примеры футуристических проектов, разработанных под руководством Диксона Деспомьера
Существовали и другие проекты построения системы «замкнутая биосферная среда».
Самый очевидный подход на первый взгляд - это попытка создать маленький кусочек природы внутри, этакий мир в коробочке.
В 1990 году американцы запустили проект «Биосфера -2». Это было грандиозное сооружение: конструкция из стекла и армированной стали, занимающая площадь в 1.27 гектара, объем атмосферы, заключенной в ней 203 760 кубометра. Она была полностью покрыта стеклянным колпаком, пропускающим 50% солнечного света. В 5-6-этажных "домах" из стекла и стали разместились семь экологических систем в миниатюре: влажный тропический лес, саванна, болото, океан, пустыня. Кроме того, там были бассейны для рыб, инсектариум с 250 видами насекомых, сельскохозяйственная ферма (тут должны были обитать примерно 4 тысячи видов растений и животных) и жилая часть - комнаты для сотрудников, мастерские, информационно-вычислительный центр для контроля за всеми процессами. Каждая из этих экологических систем была отделена от других и имела свой особый климат.
Эксперимент провалился: система не смогла работать в стабильном режиме из-за того, что биологические компоненты не смогли работать сами, в «автоматическом режиме».
Во время эксперимента уровень кислорода начал падать примерно на 0,5% каждый месяц. И дело оказалось не в том, что экспериментаторы неправильно рассчитали количество "колонистов", перенаселив станцию, а в непредвиденном размножении микроорганизмов - те буквально заполонили посевы, саванну и лес, истребляя всходы и меняя экосистему под себя, не считаясь с планами человека. Из-за того, что пищевые цепи искусственных экосистем "Биосферы-2" оказались неполными, урезанными, насекомые и другие беспозвоночные тоже стали вести себя не как было запланировано, а как им вздумается. Почему-то начали вымирать опылители, а численность других созданий в отсутствие естественных врагов стала неконтролируемо расти, превращая их из помощников во вредителей. Положение осложнялось тем, что в эксперименте нельзя было использовать пестициды - так как процессы самоочищения в таких небольших, да еще и замкнутых экосистемах проходят очень медленно, а это значит, что отравление химикатами всех обитателей, в том числе и людей, было бы неизбежным. Когда содержание кислорода снизилось с 21% до 15% - как на высоте в 4 км - организаторы эксперимента в тайне от общественности пошли на прямое нарушение: начали закачивать в комплекс кислород.
В итоге 26 сентября 1993 года эксперимент пришлось прервать.
Гораздо более убедительные результаты были получены, когда биологические компоненты работали в специальных установках, где их развитие строго контролировалось.
Были проведены удачные эксперименты «БИОС» 1 - 3 у нас в стране и аналогичный в Китае «Юэгун-1» в Пекинским университете аэронавтики и астронавтики.
В 1966 г. были начаты эксперименты в трехзвенной системе «человек - микроводоросли - высшие растения» на установке БИОС-2. Для этого к существующей камере БИОС-1 было пристроено второе помещение - фитотрон размером 2.0 x 2.5 x 1.7 м3. В нем размещались высшие растения - сначала овощные культуры, а затем и пшеница, - рассматриваемые как средство регенерации атмосферы и источник пищи. Водоросли обеспечивали восстановление воздушной среды примерно на 72 %, а высшие растения - на 28 %. К 1968 г. состоялись эксперименты с экипажем из двух человек продолжительностью 30 и 73 суток, а также 90-суточный эксперимент. В двух последних в качестве четвертого звена был добавлен микробный культиватор для переработки кала. С учетом повторного использования воды, был достигнут 85 % уровень замкнутости системы. Комплекс БИОС-3 построили в подвале корпуса отделения биофизики. Герметичное помещение со стенами из нержавеющей стали имело размеры 14 x 9 x 2.5 м и объем около 315 м3. Оно было разделено на четыре равных по площади отсека: один жилой и три регенеративных, причем в двух монтировались фитотроны с высшими растениями, а в третьем - культиваторы с микроводорослями. В жилом отсеке располагались три каюты членов экипажа, кухня-столовая, санузел, отсек управления и рабочая зона - мастерская-лаборатория с оборудованием для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы и ремонтных работ, а также системами доочистки воды и воздуха. Отсеки соединялись герметизируемыми дверями, доступ во внешнюю среду был возможен через воздушный шлюз. Управление системами установки осуществлялось автономно - экипажем. Суммарный показатель замкнутости круговорота веществ на первом этапе составил 82.4 %, а на втором и третьем - 91 %. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95 %) по воде. Экипаж получал 100 % необходимой растительной пищи (огурцы, редис, лук). В то же время овощи составляли лишь 20 % рациона по калорийности, давая 26 % углеводов, 14 % белков, около 3 % жиров и свежие витамины. Остальное приходилось на мясные продукты в виде обезвоженных консервов.
Полученные экспериментальные данные позволяют с уверенностью говорить о том, что вполне возможно конструирование и эксплуатация автономных или полуавтономных замкнутых сред для жизни человека. Подобные системы, применяемые в рамках городской застройки, способны существенно снизить экологическое давление человека на живую природу, а именно это обстоятельство и является основным аргументом «экологов» с требованием ограничить рост численности человечества, а то и уменьшить его. И приведенные примеры позволяют отвергнуть якобы неизбежность применения этих людоедских концепций в жизнь.
Для жизни человека требуются четко определенные условия: нужен чистый воздух, определенная температура и влажность в помещении, питьевая вода и удаление бытовых стоков и мусора, как продуктов жизнедеятельности.
Для обеспечения этих потребностей человека в антропогенной среде созданы инженерно-экологические системы: водопровод, канализация, вентиляция и отопление.
Развитие этих систем началось с простой схемы: подача необходимых ресурсов в жилище и вывод отработанных ресурсов из него. Свежий воздух поступает в помещение, нагревается, используется для дыхания и выводится наружу. Чистая вода доводится до потребителя и выходит наружу со сточными водами, как правило, на очистные сооружения. На нагрев (как вариант, для охлаждения) тратиться энергия, которая выбрасывается в окружающую среду с отработанным воздухом.
Следует отметить, что территорий, абсолютно подходящих для обитания людей по температурно-влажностному режиму с достаточно обеспеченностью пресной водой на Земле относительно немного и все эти земли уже плотно освоены и заселены.
Для решения жизненно важной задачи - освоения неблагоприятных зон для жизни (пустыни, арктические земли), серьезно встает вопрос об энерго- и ресурсосбережении, при серьезной капиталоемкости самой задачи. Немаловажным аспектом является транспортная составляющая. Уменьшение протяженности и объема коммуникаций при повышении скорости их работы - напрашивающаяся тенденция в развитии.
Перспективным путем развития инженерно-экологических систем представляется «замыкание» этих систем жизнеобеспечения самих на себя, выполнение их по «замкнутой схеме». Сточные воды очищаются до питьевого качества и поступают обратно к потребителю. Отработанный теплый воздух из помещения выносит в опосредованном виде энергию, потраченную на нагрев (охлаждение). Уменьшение энергозатрат возможно путем уменьшения энергопотерь через ограждающие конструкции и через принудительный теплообмен между поступающим и удаляемым воздухом, когда наружный воздух кондиционируется до требуемого уровня (нагрев или охлаждение, увлажнение). Возможна частичная регенерация воздуха внутри здания, с сопутствующим производством продуктов питания (за счет увеличения зеленой массы в самих зданиях, производящей в том числе и кислород).
Совмещение жилых помещений с объемами, содержащими зеленую массу, представляется очень перспективным направлением.
Переработка отходов жизнедеятельности человека: сточных вод, бытового мусора само по себе превращается в ресурс: сточные воды могут быть источником удобрений, есть технологии позволяющие извлекать из него минеральное сырье, при соответствующей химической переработке. Многие виды бытового мусора, от пластика, полиэтилена до бумаги могут служить источником вторсырья.
Рассмотрим перспективные проекты развития антропогенной среды в указанном нами ключе. К ним относятся технологии аэроферм и устройства замкнутых бионических систем типа БИОС. Эти проекты могут не только улучшить качество среды обитания человека, но и сильно снизить антропогенную нагрузку на биосферу Земли.
Базовой технологией аэроферм является принцип аэропоники. Суть его заключается в следующем. Аэропо́ника - процесс выращивания растений в воздушной среде без использования почвы, при котором питательные вещества к корням растений доставляются в виде аэрозоля. Слово «аэропоника» происходит от греческих понятий «аэро» (воздух) и «ponos» (труд). В отличие от гидропоники, которая использует в качестве субстрата воду, насыщенную необходимыми минералами и питательными веществами для поддержания роста растений, аэропонный способ выращивания растений не предполагает использование почвенного субстрата.
Так как многоэтажная застройка позволяет обеспечить на порядок большую жилую площадь при сильно меньшей площади городского ландшафта. Для расселения в коттеджи обитателей многоквартирного дома-тысячника нужно в сотни раз большая площадь застройки, с учетом необходимой придомовой территории и дорожной транспортной инфраструктуры, не говоря уже о большей протяженности коммунальных сетей. «Двухэтажная застройка» создает сильно большую нагрузку на природу в пересчете на душу населения. Отсюда и основной тренд развития строительства - вытягивание в вертикаль. Следовательно, и озеленение тоже должно вытягиваться в вертикаль. И технология аэропоники позволяет этот подход реализовать: растения можно разместить на вертикальных поверхностях, защитив от атмосферы стеклянными ограждениями, а корни разместить внутри орошающих полостей.
Концепция вертикальной фермы была предложена в журнале Нью-Йорк профессором микробиологии и экологии, доктором Колумбийского университета Диксоном Деспомьером (Dickson Despommier).
Цель ставят перед собой амбициозную: создание таких архитектурных сооружений, которые будут полностью автономны, самостоятельно используют энергию ветра и солнца, а также энергию биомассы, собирать и очищать воду на очистных сооружениях после первичного использования, таким образом будет сохраняться круговорот воды без загрязнения природных источников.
Тут нужно отметить, что создание энергетически независимых сооружений такого масштаба является утопией, энергетические траты будут существенны, а вот идеи пусть даже частичной переработки отходов способны серьезно снизить нагрузки на коммунальные сети.
Профессор отмечает, что уже существующая вертикальная ферма во Флориде дает с площади в 1 акр (около 4 000 м2) земли столько же урожая, сколько обычная ферма выращивает на 30-ти (около 120 000 м2) акрах при использовании гидропонных и аэропонных технологий.
В концепции фермы профессор видит не только помещения для содержания животных, но и отдельные сады, а также офисы для людей, магазины и рестораны, в которые будет поставляться продукция, и жилые квартиры. Эта ферма по своей архитектуре и идее похожа на автономную космическую станцию, мини-планету или Ноев ковчег. Такие фермы призваны разместить внутри еще 3 миллиарда человек, они будут построены в центре всех крупных городов мира. В строительстве человечество уже достигло совершенства и прогресса, чтобы поселять людей в многоэтажные, надежные и безопасные конструкции с инженерными коммуникациями - так почему бы не подселить к людям зеленую растительность и животных, переселить их в здания-небоскребы, оборудованные и организованные с подходящими "для быта" растений и животных условиями, как мы смогли создать их для себя.
Кроме того, профессор видит в вертикальных фермах еще одну перспективу: урожай не будет зависеть от климатических условий. Так, ежегодно ураганы, ветры, ливневые дожди, наводнения и прочие бедствия уничтожают сотни миллионов тонн сельскохозяйственной продукции по всей Земле. Среди преимуществ выделен целый список, уже подтвержденных практическими наработками, цифр:
1. Сельскохозяйственные культуры можно будет производить круглогодично, причем 1 акр земли будет эквивалентен 4-6 гектарам горизонтальной площади в открытом грунте. А для клубники 1 акр вертикальной площади и вовсе заменяет 30 акров открытого грунта.
2. Нет угрозы потерять урожай из-за засухи, наводнения, вредителей.
3. Замкнутый оборот воды обеспечивает отсутствие загрязняющих стоков в природные источники воды.
4. Человек возвращает природные угодья, в которых восстанавливается функционирование экосистем.
Вот примеры футуристических проектов, разработанных под руководством Диксона Деспомьера
Существовали и другие проекты построения системы «замкнутая биосферная среда».
Самый очевидный подход на первый взгляд - это попытка создать маленький кусочек природы внутри, этакий мир в коробочке.
В 1990 году американцы запустили проект «Биосфера -2». Это было грандиозное сооружение: конструкция из стекла и армированной стали, занимающая площадь в 1.27 гектара, объем атмосферы, заключенной в ней 203 760 кубометра. Она была полностью покрыта стеклянным колпаком, пропускающим 50% солнечного света. В 5-6-этажных "домах" из стекла и стали разместились семь экологических систем в миниатюре: влажный тропический лес, саванна, болото, океан, пустыня. Кроме того, там были бассейны для рыб, инсектариум с 250 видами насекомых, сельскохозяйственная ферма (тут должны были обитать примерно 4 тысячи видов растений и животных) и жилая часть - комнаты для сотрудников, мастерские, информационно-вычислительный центр для контроля за всеми процессами. Каждая из этих экологических систем была отделена от других и имела свой особый климат.
Эксперимент провалился: система не смогла работать в стабильном режиме из-за того, что биологические компоненты не смогли работать сами, в «автоматическом режиме».
Во время эксперимента уровень кислорода начал падать примерно на 0,5% каждый месяц. И дело оказалось не в том, что экспериментаторы неправильно рассчитали количество "колонистов", перенаселив станцию, а в непредвиденном размножении микроорганизмов - те буквально заполонили посевы, саванну и лес, истребляя всходы и меняя экосистему под себя, не считаясь с планами человека. Из-за того, что пищевые цепи искусственных экосистем "Биосферы-2" оказались неполными, урезанными, насекомые и другие беспозвоночные тоже стали вести себя не как было запланировано, а как им вздумается. Почему-то начали вымирать опылители, а численность других созданий в отсутствие естественных врагов стала неконтролируемо расти, превращая их из помощников во вредителей. Положение осложнялось тем, что в эксперименте нельзя было использовать пестициды - так как процессы самоочищения в таких небольших, да еще и замкнутых экосистемах проходят очень медленно, а это значит, что отравление химикатами всех обитателей, в том числе и людей, было бы неизбежным. Когда содержание кислорода снизилось с 21% до 15% - как на высоте в 4 км - организаторы эксперимента в тайне от общественности пошли на прямое нарушение: начали закачивать в комплекс кислород.
В итоге 26 сентября 1993 года эксперимент пришлось прервать.
Гораздо более убедительные результаты были получены, когда биологические компоненты работали в специальных установках, где их развитие строго контролировалось.
Были проведены удачные эксперименты «БИОС» 1 - 3 у нас в стране и аналогичный в Китае «Юэгун-1» в Пекинским университете аэронавтики и астронавтики.
В 1966 г. были начаты эксперименты в трехзвенной системе «человек - микроводоросли - высшие растения» на установке БИОС-2. Для этого к существующей камере БИОС-1 было пристроено второе помещение - фитотрон размером 2.0 x 2.5 x 1.7 м3. В нем размещались высшие растения - сначала овощные культуры, а затем и пшеница, - рассматриваемые как средство регенерации атмосферы и источник пищи. Водоросли обеспечивали восстановление воздушной среды примерно на 72 %, а высшие растения - на 28 %. К 1968 г. состоялись эксперименты с экипажем из двух человек продолжительностью 30 и 73 суток, а также 90-суточный эксперимент. В двух последних в качестве четвертого звена был добавлен микробный культиватор для переработки кала. С учетом повторного использования воды, был достигнут 85 % уровень замкнутости системы. Комплекс БИОС-3 построили в подвале корпуса отделения биофизики. Герметичное помещение со стенами из нержавеющей стали имело размеры 14 x 9 x 2.5 м и объем около 315 м3. Оно было разделено на четыре равных по площади отсека: один жилой и три регенеративных, причем в двух монтировались фитотроны с высшими растениями, а в третьем - культиваторы с микроводорослями. В жилом отсеке располагались три каюты членов экипажа, кухня-столовая, санузел, отсек управления и рабочая зона - мастерская-лаборатория с оборудованием для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы и ремонтных работ, а также системами доочистки воды и воздуха. Отсеки соединялись герметизируемыми дверями, доступ во внешнюю среду был возможен через воздушный шлюз. Управление системами установки осуществлялось автономно - экипажем. Суммарный показатель замкнутости круговорота веществ на первом этапе составил 82.4 %, а на втором и третьем - 91 %. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95 %) по воде. Экипаж получал 100 % необходимой растительной пищи (огурцы, редис, лук). В то же время овощи составляли лишь 20 % рациона по калорийности, давая 26 % углеводов, 14 % белков, около 3 % жиров и свежие витамины. Остальное приходилось на мясные продукты в виде обезвоженных консервов.
Click to viewПолученные экспериментальные данные позволяют с уверенностью говорить о том, что вполне возможно конструирование и эксплуатация автономных или полуавтономных замкнутых сред для жизни человека. Подобные системы, применяемые в рамках городской застройки, способны существенно снизить экологическое давление человека на живую природу, а именно это обстоятельство и является основным аргументом «экологов» с требованием ограничить рост численности человечества, а то и уменьшить его. И приведенные примеры позволяют отвергнуть якобы неизбежность применения этих людоедских концепций в жизнь.