Кога най-накрая ще останат следите ни по прашните пътеки на далечни планети? Човечеството упорито подготвя отговор на този въпрос, провежда мащабни изследвания и създава технологии за развитие на други светове.
Думите на Константин Циолковски, казани преди повече от век, "Човечеството няма да остане завинаги на Земята …" всъщност само започват да се сбъдват. Досега човек е бил в състояние да се отдалечи от родната си планета само на разстояние от лунната орбита, но дори и в по-ниски орбити, съвременните технологии не могат да осигурят напълно автономен полет на пилотирания с продължителност повече от 3-4 месеца: след този период екипажът на космическия кораб определено ще се нуждае от консумативи, доставени от Земята.
Все още не е възможно да се организира адекватно хранене, водоснабдяване, постоянно снабдяване с кислород и ефективно изхвърляне на отпадъчните продукти в изолация от земната биосфера.
На този етап отговорът на въпроса "Как да оцелеем в дълбокия космос?" звучи така: „вземете със себе си“определена минимална необходима част от тази биосфера, „принуждавайки я“да функционира в условия на ниска гравитация, малки затворени пространства и излишък от високоенергийно излъчване.
За съжаление, всички опити за реализиране на такъв затворен цикъл, дори и при по-меки "наземни" условия, не могат да бъдат наречени успешни. Най-известният от тях безспорно е американският проект „Биосфера-2“, осъществяван от Space Biosphere Ventures (финансиран главно от милиардера Едуард Бас).
Съдбата на "Биосфера"
През лятото на 1991 г. в пустинна местност близо до град Оракул (Аризона) е завършено изграждането на мащабна конструкция, която включва огромна стъклометална конструкция, която покрива площ от 1,27 хектара.
Промоционално видео:
Заедно с спомагателните сгради тя представляваше херметична система с обем 203 760 м3. В този обем са моделирани редица биоми: дъждовна гора, савана, средиземноморски храст, пустиня, сладководни и солени (мангрови) блатове и дори мини-океан с жив коралов риф.
МАРС-500
При подготовката за пилотиран полет до Марс, руските специалисти започнаха мащабен експеримент "Марс-500". Основната цел на проекта е да се проучат особеностите на съвместното съществуване на шест души в изолирана стая за дълго време в условия на ограничена комуникация със Земята. Комплексът "Марс-500" не беше биологично затворена система, задачата за проучване на възможността за самодостатъчност на екипажа не беше поставена дълго време. Експериментът продължи 519 дни - от 3 юни 2010 г. до 4 ноември 2011 г.
Вярно е, че тяхното относително „представяне“е много различно от реалното - по-специално океанът е бил по-малко от една трета от „биосферата“, докато на земните водни пространства заемат 71% от повърхността. Цялото това биоразнообразие е "населено" с почти четири хиляди вида животни, растения и микроорганизми.
Техният видов състав е избран по такъв начин, че да симулира най-добре биосферната циркулация на веществата, включително производството и разлагането на органични вещества (включително естественото разлагане на човешките отпадъци). Гигантските компресори регулират вътрешното налягане, за да съответстват на външното налягане, като свеждат до минимум течовете на въздуха.
На 26 септември 1991 г. осем души - четирима мъже и четири жени - стават част от изкуствената биосфера. Те трябваше да прекарат точно две години в пълна изолация от външния свят (имайки обаче възможност да общуват с него по телефона). Те трябваше да използват други обитатели на "Биосфера-2" като хранителни продукти - риба, скариди, кози, пилета и прасета, както и зеленчуци и плодове, отглеждани на специално определени места.
Предполагаше се, че комплексът ще функционира автономно, тъй като има всички условия за нормална циркулация на веществата. Според изчисленията на учените слънчевата светлина би трябвало да е достатъчна за възпроизвеждането на кислород от растенията в резултат на фотосинтеза, червеи и микроорганизми, осигуряващи преработка на отпадъци, насекоми - опрашване на растения и др. Циркулацията и пречистването на водата се осъществява благодарение на работата на щори, които регулират слънчевото осветление, което предизвиква конвекционни течения на топъл въздух, което допринася за изпаряването от повърхността на "океана".
Кондензиращата влага отпадна под формата на дъжд над „тропическата гора“. Оттам той прониква в „блатата” и отново навлиза в „океана” чрез почвени филтри. В процеса на фотосинтеза се отделя въглероден диоксид, отделен по време на дишането, и на теория трябва да се поддържа необходимото съдържание на кислород във въздуха. Както преките участници в експеримента, така и неговите ръководители „отвън“биха могли да се намесят до известна степен в работата на системите за поддържане на живота.
Всички отпадни продукти се разлагат по биологични методи, осигурявайки хранене на растенията, някои от които от своя страна служат като храна за хора, риби и домашни животни. Използването на токсични химикали (инсектициди и пестициди) беше напълно изключено. Контролът на вредителите се осъществяваше по "естествени" методи - те се събираха и унищожаваха на ръка или развъждаха естествените им врагове.
Използването на източници на енергия, замърсяващи околната среда, като например открит пламък, също не беше позволено. Слънчевите панели осигуряват енергия за готвене, осветление и захранване на оборудването.
Изглеждаше, че всичко е взето под внимание и е изграден идеален свят … обаче проблемите не бяха дълго. Биосфера-2 се оказа пренаселена. Хората нямаха достатъчно висококалорична храна - трябваше да засадят малко „банани и папая“в „джунглата“, да уплътнят засаждането на зърнени култури, без да увеличават площта и да въвеждат разпределение на храните.
Над „пустинята“на стъкления покрив сутринта се кондензира вода и падна дъжд. Невъзможно беше да се елиминира, затова пустинята постепенно се „превърна“в степ. Няколко месеца по-късно, короните на много дървета започнаха да се чупят под собствената си тежест: оказа се, че за нормалното образуване на дървесина е необходим такъв на пръв поглед незначителен фактор като вятъра.
Украинска зеленчукова градина в орбита
Първият космонавт на независима Украйна Леонид Каденюк се занимаваше с изследвания в областта на космическата биология по време на полета си на совалката „Колумбия“. По-специално те включват експерименти върху изкуственото опрашване на соята и рапицата, за да се получат семена с нулева гравитация. Тези изследвания имаха практическа цел: екипажите на междупланетни космически кораби, които летят до далечни планети, определено ще се нуждаят от „космически градини“, които ще осигурят на астронавтите храна и кислород.
Бързо неконтролираното възпроизвеждане на насекоми и микроорганизми, активно абсорбиращи кислород, започна много бързо. Съдържанието му във въздуха е спаднало до 14% (при норма от 21%) - това съответства на парциалното налягане на надморска височина 4080 m. В резултат на това здравословното състояние на жителите на "Биосфера-2" се влоши, а тяхната работоспособност забележимо спадна. Една от жените отрязала пръста си, докато работела върху селскостопанска техника. Не беше възможно да го шием сами и жертвата трябваше да бъде евакуирана "в големия свят".
По-късно „чистотата на експеримента“беше напълно нарушена: поради прекомерно активирания климатичен феномен „Ел Ниньо“, небето над Аризона беше покрито с облаци много по-често от очакваното и няма достатъчно слънчева светлина, която да възпроизвежда кислород по време на фотосинтезата.
За да избегне сериозни последици, Едуард Баз реши да започне да изпомпва този газ под купола отвън. Общо над 20 тона от него трябваше да бъдат изпомпани. Междувременно „експерименталните“, в допълнение към основните си професии, усилено унищожават прекомерно размножените хлебарки и мравки (главно те просто се притискат - не можеха да намерят тези насекоми сред жителите на „Биосферата“).
Доста бързо екипът се раздели на две противоположни групи, едната от които поиска незабавното прекратяване на експеримента, а втората настояваше, че е необходимо "да се задържи до края". Тъй като желанието за „задържане“беше споделено от ръководството на проекта, и двете групи бяха принудени да съжителстват под един покрив до 26 септември 1993 г., когато седем изтощени и изтощени жители на „земния рай“най-накрая го напуснаха. Но дори и 20 години по-късно, представители на различни групи усърдно избягват срещи и всякаква друга комуникация.
Учените не искаха да изоставят уникалния комплекс, поради което още в края на 1993 г. е започнато неговото възстановяване: след две години експеримент, дизайнът на "Биосфера-2" и много от неговите системи бяха сериозно износени. На 6 март 1994 г. куполът получи седем нови „жители“, включително една жена. Като се вземе предвид опитът на техните предшественици, петима от тях успяха да прекарат шест месеца в затворена система - до 6 септември (въпреки че първоначално беше обявен десетмесечен експеримент) - и успяха да организират самодостатъчност в храната, но проблемите с неконтролираното възпроизвеждане на микроби и насекоми не могат да бъдат решени.
На 5 април 1994 г. Абигейл Елинг и Марк Ван Тило, двама участници в първия експеримент, успяха да отворят един вход и три врати за аварийни изходи, нарушавайки херметичността на комплекса за четвърт час. Те разбиха и пет стъклени панела на покрива. Елинг обясни действието си с факта, че иска да даде на хората вътре в избора между свобода и "лишаване от свобода".
На 1 юни 1994 г. Space Biospheres Ventures официално престава да съществува, прехвърляйки целия бизнес (включително и втория експеримент) на временен мениджърски екип, нает от Decisions Investment Co.
В средата на 1996 г., след като управлението на "Биосферата" беше прехвърлено в Колумбийския университет (Ню Йорк), учените започнаха нов експеримент в него, този път без участието на хора. Те щяха да разберат дали добивът наистина се увеличава с увеличаване на процента въглероден диоксид (и до каква граница), какво се случва с излишния въглероден диоксид и къде се натрупва, както и дали е възможен катастрофичен обратен процес с неконтролирано увеличаване на съдържанието на CO2 в атмосферата. Не беше възможно да се получат ясни отговори на нито един от тези въпроси.
Дълго време научният комплекс се използва за студентска практика, а през 2005 г. е пуснат за продажба. Купувачът беше намерен едва през лятото на 2007 г. То беше Ranching & Development, което имаше за цел да построи хотелски и образователен комплекс наблизо, а самата Биосфера-2 трябваше да се превърне в обществено достъпна туристическа атракция. На 26 юли 2007 г. уникалната лаборатория е предадена на разположение на университета в Аризона.
… На една от вътрешните стени на „Биосферата“все още има няколко реда, написани от един от участниците в първата мисия: „Само тук усетихме колко сме зависими от заобикалящата ни природа. Ако няма дървета, няма да имаме какво да дишаме; ако водата е замърсена, няма да имаме какво да пием. Тази трудно спечелена мъдрост е може би най-важният резултат от амбициозен експеримент.
Проект на BIOS
Изследванията за възможността за създаване на стабилни биофизични системи за непрекъсната биосинтеза започнаха скоро след първите пилотирани космически полети. Една от най-интересните и успешни работи в тази насока беше проектът BIOS, който беше стартиран от служители на Красноярския институт по биофизика (СССР, сега Руската федерация). Там бяха разработени системи за поддържане на живота за престой на човека в космоса, в екстремни условия на полярни ширини, пустини, високопланински райони, под вода.
През 1964 г. в системата BIOS-1 е въведена система за поддържане на живота с две връзки човек-хлорела, затворена на газообмен. Водораслите абсорбират въглероден диоксид и произвеждат кислород, но те не могат да бъдат използвани за храна.
В комплекса BIOS-2, който започна да се създава през 1965 г., освен водорасли, участваха и по-високи растения - пшеница, зеленчуци. През 1968 г. са проведени първите експерименти в системата с три връзки "човек - микроводорасли - висши растения". Достигна 85% повторна употреба на вода. Въз основа на тези експерименти е създаден BIOS-3 - затворена екологична система за поддържане на живота на човека с автономно управление.
Схема на обмен на газ и вода в експерименталния комплекс "Биос-3". Пътеките за газ са показани с оранжеви линии, а водата - черна. Сините стрелки показват посоката на движение. Буквите обозначават: B - култиватори за водорасли хлорела, G - газов вентилатор, U - филтър за дървени въглища, C - колектори за отпадни води в кухнята и тоалетната, Q - колектор за събиране на влага кондензат във фитотрон, D - резервоар за кипене и съхранение на битова вода, M - колектор урина, F - единица за сорбционно пречистване на питейна вода.
Изграждането на комплекса BIOS-3 е завършено през 1972 г. В сутерена на Института по биофизика в Красноярск Акадгородок е изградено запечатано помещение с размери 14x9x2.5 m и обем от около 315 m3. Той беше разделен на 4 равни отделения, две от които бяха заети от фитотрони за отглеждане на растения, едно от микроводородни култиватори, а последното представляваше жив блок с каюти на екипажа, домакинско и спомагателно оборудване. Купетата бяха свързани чрез запечатани врати.
На базата на BIOS-Z бяха проведени 10 експеримента с екипажи от един до трима души. Най-дълго от тях продължи 180 дни (1972-1973). Възможно беше да се постигне пълно „затваряне“на системата за газ и вода, нуждите на екипажа от храна бяха задоволени с 80% за сметка на вътрешните ресурси. Инженерът Николай Бугреев живееше в комплекса най-дълго (общо 13 месеца).
В оранжерии при изкуствено осветление се отглеждат специални сортове пшеница, соя, маруля, чуфа (централна азиатска култура), моркови, репички, цвекло, картофи, краставици, киселец, зеле, копър и лук. Пшеничната джудже, отгледана от проф. Г. М. Лисовски, има съкратени стъбла, което даде възможност да се намали количеството на отпадъците. Консерви с животински продукти също се използва за храна.
В края на 80-те експериментите в BIOS-Z бяха временно спрени.
През 1991 г. е създаден Международният център за затворени екологични системи под ръководството на акад. И. И. Гителзон, който става структурно подразделение на Красноярския институт по биофизика, Сибирски филиал на Руската академия на науките. Целта на неговите изследвания е да създаде прототипи и работещи модели на затворени екосистеми за дългосрочна поддръжка на човека в екстремни земни и космически условия на базата на изучаване на процесите на циркулация на веществата в биосферата на Земята.
Разработването на нов модел на биосистемата започна в Красноярск през 2005 г. с подкрепата на Европейската космическа агенция. В момента в рамките на този проект се провеждат изследвания в областта на рециклирането на отпадъци и отглеждането на растения в затворени екосистеми.
НАСА проектира биосистеми
Специалистите от НАСА, разбира се, не можаха да останат далеч от развитието на затворени биосистеми, които по-късно биха могли да бъдат използвани за подпомагане на екипажите на космическите станции и междупланетните кораби. Техните постижения в тази област са много по-малки, но имат осезаем търговски успех.
Това е биологичен модул, наречен Екосфера, който представлява запечатан стъклен топка-аквариум с диаметър 10-20 см, изпълнен с морска вода с малък въздушен мехур и „населен“с няколко скариди Halocaridina rubra, парчета корали, зелени водорасли и бактерии, които разграждат храната жизненоважни функции на скаридите. На дъното на аквариума, по естетически причини, се изсипват малко пясък и черупки.
Според уверенията на производителите, целият този свят е трябвало да бъде напълно автономен за неограничено време - имаше нужда само от слънчева светлина и поддържане на повече или по-малко постоянна температура. Скаридите се размножават и умират, без да надхвърлят количеството, с което наличните ресурси биха могли да се "хранят". Екосферата веднага стана невероятно популярна.
Вярно е, че скоро стана ясно, че „вечността“му е само 2-3 години, след което биологичният баланс вътре в аквариума е нарушен и жителите му умират. Независимо от това, херметичните аквариуми все още са популярни - в края на краищата всяка цивилизация има свой "срок на годност" и дори две години по стандартите на скаридите всъщност не е толкова лошо.
„Космически мравуняк“на вашата маса
Мравките са невероятни същества. Те се срещат в почти всички природни зони (с изключение на арктическите пустини). Древните им предци, малко по-различни от съвременните представители на това семейство, са живели на Земята преди повече от 100 милиона години, за което свидетелстват останките им, намерени във вкаменена кал. Много е вероятно още тогава да са имали уменията на „колективна общност“и да са били разделени на „касти“- работнически мравки, воини, ловци и т.н.
Само повече от 12,5 хиляди класифицирани вида мравки Общият брой на тези насекоми на Земята може да достигне квадрилион (един милион милиарда или 1015). При средна маса на един екземпляр от около 3 mg, общата им биомаса се оказва само с порядък по-малък от биомасата на човечеството, докато на човек има около стотици хиляди мравки. Очевидно е, че толкова голямо семейство живи същества е един от най-важните елементи на биосферата. Затова мирмеколозите (мирмекологията е клон на ентомологията, който изучава мравки) участват активно в повечето изследвания, посветени на създаването на затворени екосистеми.
Основната част от живота на мравките се провежда в подземни или други трудно достъпни убежища, където е изключително трудно да ги наблюдавате. Учените вложиха много усилия, за да разрешат този проблем. Най-простата версия на "мравуняшка обсерватория" може да се счита за изкуствен мравуняк от две прозрачни стъклени (пластмасови) панели и пясъчен пълнител между тях. Наблюденията се извършват при слаба светлина или инфрачервени лъчи.
Тъй като пясъкът е непрозрачен, в такъв мравуняк можете да видите само тунелите, непосредствено до стъклената стена. В допълнение, тази структура е много зле транспортируема - дори и при леко разклащане, пасажите, облицовани от мравки, се рушат и се срутват. Следователно, за да експериментират с тях на космическите кораби на космическите совалки, служителите на НАСА трябваше да проектират местообитание, в което мравките да живеят и да изграждат тунели, които да издържат на последиците от резки промени в гравитацията.
Концепция за проекта Mars One
За целта е разработен специален пълнеж, подобен на желе, подходящ за мравки да живеят в него и да изграждат тунели. Той също така служи като източник на храна за тях. Тази технология беше използвана за изграждането на "десктопския мравуняк" на Антквариума, който предоставя на всички любители на дивата природа рядка възможност да наблюдават завладяващия живот на тези насекоми.
Антквариумът не е затворена екосистема, но предлагането на вода и хранителни вещества (различни от въздуха) там е ограничено. Вероятността от навлизане на патогенни бактерии и мравки паразити също е сведена до минимум. Следователно, „прозрачен мравуняк“може да поддържа живота на жителите му доста дълго време - при условие че се спазват светлинните и температурни условия, посочени в инструкциите.
Списание „Вселена, Космос, Време“, март 2014 г.
