Kdy konečně zůstanou naše stopy na prašných cestách vzdálených planet? Lidstvo neustále připravuje odpověď na tuto otázku, provádí rozsáhlý výzkum a vytváří technologie pro rozvoj jiných světů.
Slova Konstantina Tsiolkovského, která před více než stoletím řekla: „Lidstvo nezůstane navždy na Zemi …“se ve skutečnosti teprve začínají naplňovat. Doposud se člověk mohl vzdálit od své domovské planety jen o vzdálenost lunární orbity, ale ani na nižších drahách nemohou moderní technologie poskytnout plně autonomní let s posádkou trvající déle než 3–4 měsíce: po této době bude posádka kosmické lodi určitě potřebovat dodané spotřební materiály ze Země.
Stále není možné zajistit dostatečnou výživu, zásobování vodou, neustálý přísun kyslíku a účinné odstraňování odpadních produktů izolovaně od biosféry Země.
V této fázi odpověď na otázku „Jak přežít v hlubokém vesmíru?“zní takto: „vezměte si s sebou“určitou minimální nezbytnou část této biosféry, „nutte ji“, aby fungovala v podmínkách nízké gravitace, malých uzavřených prostorech a nadbytku vysokoenergetického záření.
Bohužel všechny pokusy o provedení takového uzavřeného cyklu, dokonce ani v mírnějších „pozemních“podmínkách, nelze označit za úspěšné. Nejznámějším z nich je bezpochyby americký projekt „Biosféra-2“, realizovaný společností Space Biosphere Ventures (financovaný hlavně miliardářem Edwardem Bassem).
Osud "biosféry"
V létě 1991 byla v pouštní oblasti nedaleko města Oracle (Arizona) dokončena výstavba rozsáhlé struktury, která zahrnovala obrovskou skleněnou kovovou strukturu o rozloze 1,27 ha.
Propagační video:
Spolu s pomocnými budovami to byl hermetický systém o objemu 203 760 m3. V tomto objemu bylo modelováno množství biomů: deštný prales, savana, středomořský tuhý keř, poušť, sladkovodní a slaná (mangrovová) bažina a dokonce i mini-oceán s živým korálovým útesem.
MARS-500
V rámci přípravy na let s posádkou na Mars zahájili ruští specialisté rozsáhlý experiment „Mars-500“. Hlavním cílem projektu je dlouhodobě studovat rysy soužití šesti lidí v izolované místnosti v podmínkách omezené komunikace se Zemí. Komplex Mars-500 nebyl biologicky uzavřeným systémem, úkol zkoumat možnost soběstačnosti posádky nebyl kladen na dlouhou dobu. Experiment trval 519 dní - od 3. června 2010 do 4. listopadu 2011.
Je pravda, že jejich relativní „zastoupení“se velmi lišilo od skutečného - konkrétně, oceán byl méně než třetina „biosféry“, zatímco na Zemi vodní plochy zabírají 71% povrchu. Celá tato biologická rozmanitost byla „osídlena“téměř čtyřmi tisíci druhy zvířat, rostlin a mikroorganismů.
Jejich druhové složení bylo vybráno tak, aby co nejlépe simulovalo biosférický oběh látek, včetně produkce a rozkladu organické hmoty (včetně přirozeného rozkladu lidského odpadu). Obří kompresory upravily vnitřní tlak tak, aby odpovídal vnějšímu tlaku a minimalizovaly úniky vzduchu.
26. září 1991 se do umělé biosféry stalo osm lidí - čtyři muži a čtyři ženy. Měli strávit přesně dva roky v naprosté izolaci od vnějšího světa (měli však možnost s ním komunikovat po telefonu). Museli použít jiné obyvatele „Biosféry-2“jako potravinové výrobky - ryby, krevety, kozy, kuřata a prasata, jakož i zeleninu a ovoce pěstované na speciálně určených plochách.
Předpokládalo se, že komplex bude fungovat autonomně, protože má všechny podmínky pro normální oběh látek. Sluneční světlo by podle vědců mělo stačit pro reprodukci kyslíku rostlinami díky fotosyntéze, červi a mikroorganismy zajišťují zpracování odpadu, hmyz - opylení rostlin atd. Cirkulace a čištění vody bylo prováděno díky provozu žaluzií, které regulují sluneční osvětlení, které způsobilo konvekční proudy teplého vzduchu, které přispívaly k odpařování z povrchu „oceánu“.
Kondenzující vlhkost vypadla ve formě deště nad „tropickým pralesem“. Odtud pronikl do „bažin“a znovu vstoupil do „oceánu“přes půdní filtry. Při fotosyntéze byl absorbován oxid uhličitý uvolněný během dýchání a teoreticky měl být udržován požadovaný obsah kyslíku ve vzduchu. Jak přímí účastníci experimentu, tak i jeho vůdci „zvenčí“však mohou do určité míry zasahovat do fungování systémů podpory života.
Všechny odpadní produkty byly rozloženy biologickými metodami a zajišťovaly výživu rostlin, z nichž některé zase sloužily jako potrava pro lidi, ryby a domácí zvířata. Použití toxických chemikálií (insekticidy a pesticidy) bylo zcela vyloučeno. Kontrola škůdců byla prováděna „přírodními“metodami - byly sebrány a zničeny ručně nebo chovány jejich přirozenými nepřáteli.
Rovněž nebylo dovoleno používat zdroje energie znečišťující životní prostředí, jako jsou otevřené plameny. Solární panely dodávaly energii pro vaření, osvětlení a napájení zařízení.
Vypadalo to, že všechno bylo vzato v úvahu a byl vytvořen ideální svět … problémy však nebyly příliš dlouhé. Ukázalo se, že biosféra-2 je přelidněná. Lidé neměli dost vysoce kalorického jídla - museli v „džungli“zasadit nějaké banány a papáji, zhutnit výsadbu obilovin bez zvětšení oblasti a zavést distribuci potravin.
Přes "poušť" na skleněné střeše ráno se voda kondenzovala a pršelo. To nebylo možné odstranit, takže poušť se postupně „proměnila“v step. O několik měsíců později se koruny mnoha stromů začaly rozbíjet pod vlastní váhou: ukázalo se, že pro normální tvorbu dřeva je nezbytně takový zdánlivě nevýznamný faktor, jako je vítr, nezbytný.
Ukrajinská zeleninová zahrada na oběžné dráze
První kosmonaut nezávislé Ukrajiny Leonid Kadenyuk byl během svého letu na raketoplánu Columbia zapojen do výzkumu v oblasti kosmické biologie. Zahrnovaly zejména pokusy o umělé opylení sójových a řepkových klíčků za účelem získání semen v nulové gravitaci. Tyto studie měly praktický účel: posádky meziplanetární kosmické lodi létající na vzdálené planety budou určitě potřebovat „kosmické zahrady“, které poskytnou astronautům jídlo a kyslík.
Rychle nekontrolovaná reprodukce hmyzu a mikroorganismů, které aktivně absorbují kyslík, začala velmi rychle. Jeho obsah ve vzduchu klesl na 14% (při normě 21%) - to odpovídá parciálnímu tlaku ve výšce 4080 m nad mořem. V důsledku toho se zdravotní stav obyvatel „Biosféry-2“zhoršil a jejich pracovní kapacita znatelně poklesla. Jedna z žen odřízla prst při práci na zemědělském vybavení. Nebylo možné to šít na vlastní pěst a oběť musela být evakuována „do velkého světa“.
Později byla „čistota experimentu“zcela porušena: v důsledku příliš aktivovaného klimatického jevu „El Niño“byla obloha nad Arizonou pokryta mraky mnohem častěji, než se očekávalo, a během fotosyntézy nebylo dost světla pro reprodukci kyslíku.
Aby se předešlo vážným důsledkům, Edward Base se rozhodl začít čerpat tento plyn pod kupolí z vnějšku. Celkem muselo být čerpáno více než 20 tun. Mezitím „experimentální“, kromě svých hlavních povolání, usilovně vyhubili nadměrně množené šváby a mravence (hlavně jednoduše stlačili - nemohli najít tento hmyz mezi obyvateli „biosféry“).
Poměrně rychle se tým rozdělil do dvou protichůdných skupin, z nichž jedna vyžadovala okamžité ukončení experimentu, a druhá trvala na tom, že je nutné "držet až do konce". Protože touha „vydržet“byla sdílena také projektovým managementem, byly obě skupiny nuceny žít pod jednou střechou až do 26. září 1993, kdy ji nakonec opustilo sedm vyzařovaných a vyčerpaných obyvatel „pozemského ráje“. Ale dokonce o 20 let později se zástupci různých skupin pilně vyhýbají schůzkám a jakékoli jiné komunikaci.
Vědci nechtěli opustit tento unikátní komplex, a tak již na konci roku 1993 bylo zahájeno jeho obnova: ve dvou letech experimentu byl návrh „Biosféry-2“a mnoha jejích systémů vážně opotřeben. 6. března 1994, kupole přijala sedm nových “obyvatel”, včetně jedné ženy. S přihlédnutím ke zkušenostem jejich předchůdců bylo pět z nich schopno strávit šest měsíců v uzavřeném systému - do 6. září (ačkoli byl původně oznámen desetiměsíční experiment) - a podařilo se jim zorganizovat soběstačnost v potravě, ale problémy s nekontrolovanou reprodukcí mikrobů a hmyzu nebylo možné vyřešit.
5. dubna 1994 se Abigail Elling a Mark Van Thillo, dva účastníci prvního experimentu, podařilo otevřít jednu vzduchovou komoru a tři nouzové únikové dveře, čímž zlomili těsnost komplexu na čtvrt hodiny. Rozbili také pět skleněných střešních panelů. Elling vysvětlila její jednání tím, že chtěla dát lidem uvnitř možnost volby mezi svobodou a „vězněním“.
1. června 1994 společnost Space Biospheres Ventures oficiálně přestala existovat a veškerá podnikání (včetně druhého experimentu) byla převedena na dočasný manažerský tým najatý společností Decisions Investment Co.
V polovině roku 1996, kdy byla správa „Biosféry“převedena na Columbia University (New York City), vědci v ní zahájili nový experiment, tentokrát bez účasti lidí. Chtěli zjistit, zda se výtěžek skutečně zvyšuje se zvýšením procenta oxidu uhličitého (a do jaké meze), co se stane s nadbytkem oxidu uhličitého a kde se hromadí, a také to, zda je možný katastrofický reverzní proces s nekontrolovaným zvýšením obsahu CO2 v atmosféře. Na žádnou z těchto otázek nebylo možné získat jasné odpovědi.
Vědecký komplex byl po dlouhou dobu využíván pro studentskou praxi av roce 2005 byl uveden do prodeje. Kupující byl nalezen až v létě roku 2007. Byl to Ranching & Development, který měl v úmyslu postavit hotel a vzdělávací komplex poblíž, a samotná Biosphere-2 se měla stát veřejně přístupnou turistickou atrakcí. 26. července 2007 byla unikátní laboratoř převedena do likvidace University of Arizona.
… Na jedné z vnitřních stěn „Biosféry“stále existuje několik řádků napsaných jedním z účastníků první mise: „Pouze zde jsme cítili, jak závislá na okolní přírodě. Pokud neexistují žádné stromy, nebudeme mít co dýchat; pokud je voda znečištěná, nebudeme mít co pít. “Tato těžce získaná moudrost je snad nejdůležitějším výsledkem ambiciózního experimentu.
Projekt BIOS
Brzy po prvních kosmických letech s posádkou byl zahájen výzkum možnosti vytvoření stabilních biofyzikálních systémů kontinuální biosyntézy. Jednou z nejzajímavějších a nejúspěšnějších prací v tomto směru byl projekt BIOS, který zahájili zaměstnanci Krasnojarského biofyzikálního ústavu (SSSR, nyní Ruská federace). Tam byly vyvinuty systémy pro podporu života pro lidský pobyt ve vesmíru, v extrémních podmínkách polárních šířek, pouště, vysočiny, pod vodou.
V roce 1964 byl v systému BIOS-1 zaveden dvouprvkový systém podpory života lidí s chlorellou, uzavřený na burze plynu. Řasy absorbovaly oxid uhličitý a produkovaly kyslík, ale nemohly být použity pro potraviny.
V komplexu BIOS-2, který začal vznikat v roce 1965, se kromě řas vyskytovaly i vyšší rostliny - pšenice, zelenina. V roce 1968 byly provedeny první experimenty v systému tří článků „člověk - mikrořasy - vyšší rostliny“. Bylo dosaženo 85% opětovného použití vody. Na základě těchto experimentů byl vytvořen BIOS-3 - uzavřený ekologický systém podpory lidského života s autonomní kontrolou.
Schéma výměny plynu a vody v experimentálním komplexu "Bios-3". Plynové cesty jsou znázorněny oranžovými čarami, voda - černá. Modré šipky označují směr jízdy. Písmena označují: B - kultivátory chlorelských řas, G - plynový dmychadlo, U - uhlíkový filtr, C - sběrače odpadní vody v kuchyni a na toaletě, Q - sběrač kondenzátu vlhkosti ve fytotronu, D - nádrž na vaření a skladování domácí vody, M - sběrač moč, F - jednotka pro sorpční čištění pitné vody.
Stavba komplexu BIOS-3 byla dokončena v roce 1972. V suterénu Biofyzikálního ústavu v Krasnojarském akademickémgorodoku byla vybudována uzavřená místnost o rozměrech 14x9x2,5 ma objemu asi 315 m3. Bylo rozděleno do 4 stejných oddílů, z nichž dva byly obsazeny fytotrony pro pěstování rostlin, jeden mikro kultivátory a poslední byl obytný blok s kabinami pro posádky, domácími a pomocnými zařízeními. Prostory byly spojeny uzavřenými dveřmi.
Na základě systému BIOS-Z bylo provedeno 10 experimentů s posádkami jedné až tří lidí. Nejdelší z nich trval 180 dní (1972-1973). Bylo možné dosáhnout úplného „uzavření“systému pro plyn a vodu, potřeby posádky na jídlo byly uspokojeny 80% na úkor vnitřních zdrojů. Inženýr Nikolai Bugreev žil v areálu nejdéle (celkem 13 měsíců).
Ve sklenících pod umělým osvětlením byly pěstovány speciální odrůdy pšenice, sóji, hlávkového salátu, chufy (olejniny středoasijských olejnin), mrkve, ředkviček, řepy, brambor, okurek, šťovíku, zelí, kopru a cibule. Trpasličí pšenice, vyšlechtěná profesorem G. M. Lisovským, zkrátila stonky, což umožnilo snížit množství odpadu. Konzervy s živočišnými produkty byly také použity pro potraviny.
Na konci 80. let byly experimenty v systému BIOS-Z dočasně zastaveny.
V roce 1991 bylo pod vedením akademika I. I. Gitelzona zřízeno Mezinárodní středisko pro uzavřené ekologické systémy, které se stalo strukturálním členěním Krasnoyarského biofyzického ústavu sibiřské pobočky Ruské akademie věd. Účelem jeho výzkumu je vytvoření prototypů a pracovních modelů uzavřených ekosystémů pro dlouhodobou podporu lidského života v extrémních pozemských a kosmických podmínkách na základě studia procesů oběhu látek v biosféře Země.
Vývoj nového modelu biosystému začal v Krasnojarsku v roce 2005 s podporou Evropské kosmické agentury. V současné době probíhá v rámci tohoto projektu výzkum v oblasti recyklace odpadů a pěstování rostlin v uzavřených ekosystémech.
NASA navrhuje biosystémy
Specialisté NASA se samozřejmě nemohli držet dál od vývoje uzavřených biosystémů, které by později mohly být použity na podporu posádek vesmírných stanic a meziplanetárních lodí. Jejich úspěchy v této oblasti jsou mnohem menší, ale mají hmatatelný obchodní úspěch.
Jedná se o biologický modul zvaný Ecosphere, což je uzavřené skleněné kulové akvárium o průměru 10-20 cm, naplněné mořskou vodou malou vzduchovou bublinou a „osídlené“několika krevetami Halocaridina rubra, kousky korálů, zelených řas a bakterií, které štěpí jídlo životně důležité funkce krevet. Na dně akvária se spíše z estetických důvodů nalije písek a skořápky.
Podle ujištění výrobců měl být celý svět po neomezenou dobu zcela autonomní - potřeboval pouze sluneční světlo a udržoval víceméně konstantní teplotu. Krevety se rozmnožily a zemřely, aniž by překročily částku, kterou by dostupné zdroje mohly „nakrmit“. Ecosphere se okamžitě stala neuvěřitelně populární.
Je pravda, že brzy vyšlo najevo, že jeho „věčnost“je jen 2-3 roky, po které byla narušena biologická rovnováha uvnitř akvária a její obyvatelé zemřeli. Přesto jsou dnes hermetická akvária stále populární - vždyť každá civilizace má svůj vlastní „skladovací život“a ani dva roky podle norem krevety nejsou tak špatné.
"Prostor mraveniště" na stole
Mravenci jsou úžasní tvorové. Nacházejí se téměř ve všech přírodních zónách (s výjimkou arktických pouští). Jejich starověcí předci, kteří se trochu liší od moderních představitelů této rodiny, žili na Zemi před více než 100 miliony let, o čemž svědčí jejich ostatky nalezené ve zkamenělém bahně. Je velmi pravděpodobné, že i tehdy měli dovednosti „kolektivní komunity“a rozdělili se na „kasty“- dělnické mravence, válečníci, lovci atd.
Existuje pouze více než 12,5 tisíc druhů mravenců, jejichž celkový počet na Zemi může dosáhnout až čtyřmilionu (jeden milion miliard nebo 1015). S průměrnou hmotností jednoho vzorku asi 3 mg se ukázalo, že jejich celková biomasa je pouze o řád menší než biomasa lidstva, zatímco na osobu existují asi stovky tisíc mravenců. Je zřejmé, že taková velká rodina živých věcí je jedním z nejdůležitějších prvků biosféry. Proto se myrmecologové (myrmecology, což je obor entomologie, který studuje mravenci), aktivně podílejí na většině výzkumu věnovaného vytváření uzavřených ekosystémů.
Hlavní část života mravenců se odehrává v podzemních nebo jiných těžko přístupných útulcích, kde je velmi obtížné je pozorovat. Vědci vynaložili velké úsilí na vyřešení tohoto problému. Nejjednodušší verzi „ant observatoře“lze považovat za umělý mraveniště dvou průhledných skleněných (plastových) panelů a pískové výplně mezi nimi. Pozorování se provádí za slabého světla nebo infračerveného záření.
Protože je písek neprůhledný, můžete v takovém mraveništi vidět pouze tunely přímo sousedící se skleněnou stěnou. Kromě toho je tato struktura velmi špatně přenosná - i při mírném chvění se pasáže seřazené mravenci rozpadají a zhroutí. Proto, aby s nimi mohli experimentovat na vesmírných lodích s raketoplánem, museli zaměstnanci NASA navrhnout prostředí, ve kterém by mravenci mohli žít, a stavět tunely, které by dokázaly odolat účinkům náhlých změn gravitace.
Koncept projektu Mars One
Pro tento účel byl vyvinut speciální želé jako plnivo, vhodné pro mravence, aby v něm žili a stavěli tunely. Slouží také jako zdroj potravy pro ně. Tato technologie byla použita k vybudování „mravence mravence“v Antquariu, který poskytuje všem milovníkům volně žijících živočichů vzácnou příležitost pozorovat fascinující život těchto hmyzů.
Antquarium není uzavřeným ekosystémem, ale zásobování vodou a živinami (jinými než vzduch) je omezené. Rovněž je minimalizována pravděpodobnost vstupu patogenních bakterií a mravenců. Proto „průhledný mraveniště“může podporovat život jeho obyvatel po dlouhou dobu - za předpokladu, že jsou dodržovány světelné a teplotní podmínky uvedené v pokynech.
Časopis „Vesmír, vesmír, čas“, březen 2014