Замкнутые экспериментальные экосистемы для колонизаторов космоса
В космосе как на Земле
Из фильма "Марсианин" с Мэттом Дэймоном многие люди, не особенно интересующиеся космосом, внезапно узнали, что покорение других планет - это не только современные технологии, ракеты и мужественные астронавты. Помимо этого космос требует еды, которую приходится выращивать самостоятельно.
Фильм, в котором картошка играет едва ли не главную роль, показал, насколько важно человеку научиться выращивать еду в космосе. Там, где кислород и вода станут величайшей ценностью для всех, кто решится на побег с Земли, и где научиться жить, не проедая эти ценности, просто необходимо.
Для того чтобы не просто мечтать об освоении других планет, но и активно этим заниматься, людям нужно научиться жить, практически не тратя взятые с собой припасы. Получая из окружающей среды только энергию - синтезировать воздух и пищу, жить при стопроцентой регенерации воды и перерабатывать мусор настолько, насколько это возможно.
Крах мечты: Проект "Биосфера-2"
Фото: © Flickr / M P R
Наиболее известной попыткой создания замкнутой экологической системы стал проект "Биосфера-2", организованный миллиардером Эдвардом Бассом в пустыне Аризона (США). О том, насколько громко о себе заявлял этот проект, можно понять даже по названию. "Биосфера-2" - это не вторая попытка, как может показаться, а прямое и явное сравнение с Землёй, которую организаторы проекта называли "Биосфера-1".
Основой проекта стала построенная специально для него лаборатория из невесомых стеклянных зданий с переходами между ними. Общая площадь сооружений достигла полутора гектаров и состояла из семи различных блоков, моделирующих различные климатические зоны. Среди них была пустыня, саванна, тропический лес, мангровый эстуарий и даже имитация океана. Специальная насосная сеть регулировала внутреннее давление таким образом, чтобы оно соответствовало наружному, - это должно было свети к минимуму утечку воздуха.
Весь проект был просто нацелен на успех. Однако не сложилось. Количество проблем, с которыми пришлось столкнуться организаторам, явно превысило то, к чему они готовились. Практически сразу, со старта первой группы из восьми "космонавтов" в сентябре 1996 года, обнаружилось падение уровня кислорода внутри системы. Ежемесячно его уровень в атмосфере комплекса падал на полпроцента, что поставило под угрозу здоровье участников программы.
Уже через пару месяцев у "космонавтов" началось кислородное голодание и пришлось дополнительно закачивать кислород под купол. Предположительно, причиной падения уровня кислорода стало непредвиденно быстрое размножение микроорганизмов.
Фото: © wikimedia.org
На этом проблемы не закончились. Посевы, саванна и лес кишели микроорганизмами. Они интенсивно размножались и истребляли всходы. Хотя экспериментаторы в "Биосфере-2" намеревались провести там два года и доказать возможность автономного существования, однако уже буквально через несколько дней одна из участниц отрезала себе палец. Пришить его не удалось, и участницу эвакуировали.
Учёные предполагали, что подобное натуральное хозяйство и сбалансированная система будут достаточны для поддержания комфортной жизни, но расчёты оказались ошибочны.
Из-за недостатка кислорода обитатели стали быстро терять в весе и задыхаться. Учёным пришлось подкачивать кислород постоянно, иначе бы люди просто не выжили.
Более того, участники разругались между собой и разделились на два лагеря (они и до сих пор отказываются общаться вместе). В итоге проект прекратили раньше срока, выпустив из неудавшегося рая худых, обессилевших и злых экспериментаторов.
Click to view
youtu.be/uzVhZCiROOI
Спустя пару лет была предпринята вторая попытка, однако она тоже завершилась провалом. К тому же закончились деньги, и "Биосферу-2" пришлось бесславно свернуть.
Причины неудачи - в амбициозности задумки. Воспроизвести настоящую земную биосферу в замкнутом пространстве нельзя. Тысячи обратных связей пронизывают нормальную экосистему, и многие из них просто невоспроизводимы "за стеклом". Ультрафиолет массово убивает микробы, но полностью поглощается стеклянными стенами и потолками. Защищённые бактерии в итоге устраивают экосистеме холокост, поглощая кислород и питательные вещества. Ветер, раскачивая ветки деревьев, развивает в них упругость - и без него деревья становятся такими хрупкими, что их ветви ломаются под собственной тяжестью. Таких механизмов невероятное множество, и всех их не учесть. Полноценная биосфера требует полноценных земных условий, которые в космосе не воспроизвести.
БИОС - маленькое советское чудо
Фото: © academ.info
За 20 лет до старта проекта "Биосфера-2" советские учёные уже проводили эксперимент по созданию замкнутой экосистемы. И, в отличие от американского, он завершился удачно.
В 1961 году по заданию Сергея Павловича Королёва в Институте физики Сибирского отделения АН СССР, возглавляемого профессором Иваном Александровичем Терсковым, начались опыты по созданию замкнутой системы жизнеобеспечения (СЖО) для перспективных лунных и планетных баз.
Уже в 1964 году появилась первая установка БИОС-1, представляющая собой гермокабину объёмом всего 12 кубических метров, соединённую с небольшим культиватором, в котором под лампами росли водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris). Всего 18 литров воды и водорослей давали достаточно кислорода и удаляли необходимое количество углекислоты для обеспечения жизнедеятельности одного человека-испытателя. Моча экспериментатора шла на подкормку водорослей, а светом их обеспечивали три ксеноновые лампы по шесть киловатт каждая.
В такой гермокабине экспериментаторы смогли провести целых 45 суток. Еду приходилось запасать с собой, так как заставить экспериментаторов питаться хлореллой не смогла даже железная советская дисциплина. А жаль, ведь по своей питательности эта водоросль не уступает мясу и значительно превосходит пшеницу. Если в пшенице содержится 12 процентов белка, то в хлорелле его более 50.
В 1966 году были начаты эксперименты в трёхзвенной системе "человек - микроводоросли - высшие растения" на установке БИОС-2. Высшие растения были добавлены для того, чтобы экспериментаторам было чем питаться. Понятно, что в идеале хотелось бы выращивать самостоятельно 100 процентов пищи, однако на том этапе развития достижением было даже замещение какой-то части продуктов.
Для выращивания растений к камере БИОС-1 было пристроено второе помещение - фитотрон объёмом восемь кубических метров. В нём выращивалась пшеница и другие растения для пищи и регенерации атмосферы. При этом водоросли обеспечивали восстановление атмосферы более чем на 70 процентов, а растения вносили свой вклад примерно на четверть. В БИОС-2 экипажу из двух экспериментаторов без ущерба для здоровья удалось прожить сначала 30, затем 73, а после и 90 суток подряд.
Фото: © priroda.su
На основе этих наработок в 1972 году в подвале Института биофизики был построен БИОС-3. Это было герметичное помещение с металлическими стенами объёмом 315 кубических метров (с учётом высоты потолков, это примерно равно четырёхкомнатной квартире). Помещение БИОС-3 разделили на четыре равных отсека: один жилой и три регенеративных, причём в двух из них монтировались фитотроны с высшими растениями, а в третьем - культиваторы с микроводорослями.
Пшеничное "поле" могло вырабатывать в сутки до 1500 литров кислорода, а культиваторы с хлореллой - 2000 литров (в сумме этого достаточно для семи человек). Пшеница выращивалась в грунте, а овощи методом гидропоники. Сейчас при упоминании этого метода молодёжь вспоминает лишь незаконные методы выращивания конопли, а в те годы гидропоника ассоциировалась только с космосом - как один из наиболее эффективных методов культивации растений.
Самый длительный эксперимент по проживанию в СЖО БИОС-3 занял 180 дней, в течение которых экспериментаторы не выходили из отсека. При помощи оранжереи им удавалось получать примерно 600 граммов зерна в сутки и чуть более килограмма свежих овощей. Остальное они получали из запасов обезвоженного мяса и других консервов. БИОС-3 показал возможность успешного существования в автономном небольшом пространстве без вреда для здоровья.
Сравните четырехкомнатную квартиру БИОС-3 и полтора гектара территории "Биосферы-2"! При этом советские испытатели не испытывали никаких проблем со здоровьем. Остановить наших учёных удалось только недостатку финансирования в конце 80-х годов. Немудрено, что когда китайские специалисты заинтересовались этой проблемой, их выбор пал на проект БИОС-3.
Легко понять, в чём причины успеха советских и провала американских экспериментов. В СССР не пытались полностью воспроизвести невероятно сложные и изощрённые земные экосистемы. Выбирались лишь отдельные виды, наиболее приспособленные к замкнутым пространствам (карликовая пшеница), безветрию и гидропонике. Максимально исключались бактериальные сообщества. Такую экосистему можно построить хоть в космосе, хоть в подвале. А вот Ноев ковчег "Биосферы-2" - задача поистине ветхозаветного размаха и при сегодняшних возможностях человечества она просто неподъёмна.
Лунный дворец
Фото: © Xinhua/Gong Lei
В 2013 году был создан китайский модуль "Юэгун-1" ("Лунный дворец - 1") общей площадью около 160 квадратных метров и объёмом 500 кубических метров. Он состоял из трёх модулей. Проект был полностью сделан с учётом российского опыта и по российским чертежам.
«Юэгун-1» также состоит из трёх модулей, два из которых оранжереи, разделённые на две секции (водоросли и высшие растения), и ещё один интегрированный рабочий и жилой модуль длиной 14, шириной 3 и высотой 2,5 метра, имеющий в своём составе рабочую зону, кают-компанию, три каюты, помещение личной гигиены, блок переработки отходов и отсек для насекомых, личинок хрущака, из которых формировалась часть белковой диеты.
Это чисто китайское изобретение, в БИОС никаких насекомых не было, да и не так просто заставить жителя нашей страны потреблять белок из такого экзотического продукта. Дело в том, что они состоят на 52 процента из протеина, благодаря чему послужили отличным источником белка для всей китайской команды. Китайцы их жарили, и говорят, что в таком виде они похожи на мясо. Остальная часть диеты состояла из пяти злаков: пшеницы, кукурузы, сои, арахиса и чечевицы, а также 15 видов овощей и фруктов, в том числе огурцов, моркови, водяного шпината и клубники. Мясо было заложено в модуль заранее в консервированном виде.
Новый виток
И вот в 2017 году наконец появились новости и о продолжении российских работ. Более того, согласно попавшим в редакцию Лайфа документам, БИОС-4 - это не просто "перспективные программы" и "дорожные карты", а дело совсем ближайшего будущего. Причём в этом эксперименте Россия будет сотрудничать с Китаем.
Как следует из проекта письма в Межправительственную подкомиссию по научно-техническому российско-китайскому сотрудничеству, Институт биофизики Федерального исследовательского центра "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" в ближайшее время начнёт совместный российско-китайский проект по разработке нового поколения искусственных экосистем автономного жизнеобеспечения человека космического и земного назначения (система БИОС-4).
Судя по тому что разработкой нового БИОСА занимается то же учреждение, что и предыдущими моделями, это действительно будет возрождение проекта, не создание его заново.
Цитата о том, что был выполнен ряд работ по формированию комбинированной диеты китайского и европейского типов, прямо говорит, что в рамках проекта будет совместное проживание экспериментаторов из России и Поднебесной, и, возможно, ради этого и создаётся модуль БИОС-4, который может стать главным мировым прорывом в области создания замкнутой СЖО.
В реальных условиях
Из полученных Лайфом материалов этого прямо не следует, но более всего хотелось бы увидеть возможность проверки БИОСа в "боевых", космических условиях. Возможность протестировать замкнутый цикл на орбите стала бы чрезвычайно важной вехой в рамках покорения человечеством космоса.
Если вспомнить катастрофу "Биосферы-2": позвоночные опылители там вымерли просто из-за поглощения ультрафиолета стеклом. Невесомость же - факт куда сильнее стеклянной перегородки. Без эксперимента никто не узнает, получится ли испытанные на Земле экосистемы эксплуатировать в космосе? В идеале хотелось бы проверить, как при пониженной гравитации растения плодоносят на аналогах марсианского и лунного грунта - пока и это проверено лишь на Земле.
Нынешняя МКС очень похожа на ребёнка, съехавшего от родителей, но по-прежнему живущего за счёт старших, регулярно приезжающих к нему с сумками, полными еды. Это ведь действительно так: Международная космическая станция живёт исключительно благодаря регулярно посылаемым грузовикам с едой, водой и кислородом. Не будь их - и жизнь там закончится очень быстро.
Запуск замкнутой системы жизнеобеспечения в космос (пусть и с запасом кислорода и еды на экстренный случай) - это уже очень серьёзный рубеж, способный показать: мама Земля, мы выросли и можем уже жить отдельно и самостоятельно.
Источник: Русский "Марсианин". "Космический" урожай соберём вместе с Китаем. Михаил Котов. 14.02.2017. life.ru
.