Kad beidzot mūsu pēdas paliks uz tālu planētu putekļainajiem ceļiem? Cilvēce neatlaidīgi gatavo atbildi uz šo jautājumu, veic liela mēroga pētījumus un rada tehnoloģijas citu pasauļu attīstībai.
Konstantīna Tsiolkovska vārdi, kas teica pirms vairāk nekā gadsimta, "Cilvēce nepaliks mūžīgi uz Zemes …" patiesībā tikai tagad sāk piepildīties. Līdz šim cilvēks ir spējis attālināties no savas mājas planētas tikai ar Mēness orbītas attālumu, taču pat zemākās orbītās mūsdienu tehnoloģijas nespēj nodrošināt pilnībā autonomu, pilnībā vadītu lidojumu, kas ilgst vairāk nekā 3-4 mēnešus: pēc šī laika kosmosa kuģa apkalpei noteikti būs nepieciešami piegādāti palīgmateriāli. no Zemes.
Joprojām nav iespējams organizēt atbilstošu uzturu, ūdens piegādi, pastāvīgu skābekļa piegādi un atkritumu produktu efektīvu apglabāšanu izolēti no zemes biosfēras.
Šajā posmā ir sniegta atbilde uz jautājumu "Kā izdzīvot dziļā kosmosā?" izklausās šādi: “paņemiet sev līdzi” noteiktu minimāli nepieciešamo šīs biosfēras daļu, “piespiežot” to darboties zema smaguma, mazās slēgtās telpās un augstas enerģijas starojuma pārmērības apstākļos.
Diemžēl visus mēģinājumus īstenot tik slēgtu ciklu, pat maigākos "zemes" apstākļos, nevar saukt par veiksmīgiem. Visslavenākais no tiem, bez šaubām, ir amerikāņu projekts "Biosphere-2", ko veic Space Biosphere Ventures (galvenokārt finansē miljardieris Edvards Bass).
"Biosfēras" liktenis
1991. gada vasarā tuksnešainā apgabalā netālu no Orāklas pilsētas (Arizonas) tika pabeigta liela mēroga struktūras celtniecība, kas ietvēra milzīgu stikla-metāla konstrukciju, kuras platība bija 1,27 hektāri.
Reklāmas video:
Kopā ar palīgēkām tā bija hermētiska sistēma ar tilpumu 203 760 m3. Šajā apjomā ir modelēts virkne biomu: lietus meži, savanna, Vidusjūras stīvs krūms, tuksnesis, saldūdens un sāļš (mangrovju) purvs un pat mini okeāns ar dzīvo koraļļu rifu.
MARS-500
Gatavojoties apkalpotajam lidojumam uz Marsu, Krievijas speciālisti uzsāka liela mēroga eksperimentu "Mars-500". Projekta galvenais mērķis ir izpētīt sešu cilvēku līdzāspastāvēšanas pazīmes izolētā telpā ilgu laiku ierobežotas saziņas apstākļos ar Zemi. Mars-500 komplekss nebija bioloģiski noslēgta sistēma, uzdevums ilgi izpētīt apkalpes pašpietiekamības iespēju netika uzdots. Eksperiments ilga 519 dienas - no 2010. gada 3. jūnija līdz 2011. gada 4. novembrim.
Tiesa, viņu relatīvais "attēlojums" ļoti atšķīrās no reālā - it īpaši okeāns bija mazāks par trešdaļu no "Biosfēras", savukārt uz Zemes ūdens telpas aizņem 71% no virsmas. Visa šī bioloģiskā daudzveidība ir "apdzīvota" ar gandrīz četriem tūkstošiem dzīvnieku, augu un mikroorganismu sugām.
Viņu sugu sastāvs tika izvēlēts tā, lai vislabāk simulētu vielu biosfēras ciklu, ieskaitot organisko vielu veidošanos un sadalīšanos (ieskaitot cilvēku atkritumu dabisko sadalīšanos). Milzu kompresori pielāgoja iekšējo spiedienu, lai tas atbilstu ārējam spiedienam, samazinot gaisa noplūdes.
1991. gada 26. septembrī astoņi cilvēki - četri vīrieši un četras sievietes - kļuva par daļu no mākslīgās biosfēras. Viņiem bija jāpavada precīzi divi gadi, pilnībā norobežojoties no ārpasaules (tomēr viņiem bija iespēja ar viņu sazināties pa tālruni). Viņiem kā pārtikas produkti bija jāizmanto citi "Biosfēra-2" iedzīvotāji - zivis, garneles, kazas, vistas un cūkas, kā arī dārzeņi un augļi, kas audzēti īpaši paredzētās vietās.
Tika pieņemts, ka komplekss darbosies autonomi, jo tajā bija visi nosacījumi normālai vielu apritei. Saules gaismai, pēc zinātnieku domām, vajadzētu būt pietiekamai, lai augi fotosintēzes rezultātā varētu reproducēt skābekli, tārpi un mikroorganismi nodrošina atkritumu pārstrādi, kukaiņi - augu apputeksnēšana utt. Ūdens cirkulācija un attīrīšana tika veikta, pateicoties žalūziju darbībai, kas regulē saules apgaismojumu, kas izraisīja silta gaisa konvekcijas straumes, kas veicināja iztvaikošanu no "okeāna" virsmas.
Pār "tropisko mežu" lietus veidā izkrita kondensācijas mitrums. No turienes tas iesūcās “purvos” un caur augsnes filtriem atkal nonāca “okeānā”. Fotosintēzes procesā tika absorbēts elpošanas laikā izdalītais oglekļa dioksīds, un teorētiski vajadzēja uzturēt nepieciešamo skābekļa saturu gaisā. Tomēr gan tiešie eksperimenta dalībnieki, gan tā vadītāji "no malas" zināmā mērā varētu iejaukties dzīvības atbalsta sistēmu darbībā.
Visi atkritumu produkti tika sadalīti ar bioloģiskām metodēm, nodrošinot augiem barību, no kuriem daži savukārt kalpoja kā pārtika cilvēkiem, zivīm un mājas dzīvniekiem. Toksisku ķīmisku vielu (insekticīdu un pesticīdu) izmantošana tika pilnībā izslēgta. Kaitēkļu apkarošana tika veikta ar "dabiskām" metodēm - tos savāc un iznīcināja ar rokām vai audzēja dabiskos ienaidniekus.
Arī videi piesārņojošu enerģijas avotu, piemēram, atklātas liesmas, izmantošana nebija atļauta. Saules paneļi nodrošināja enerģiju ēdiena gatavošanai, apgaismošanai un enerģijas padevei.
Likās, ka viss tika ņemts vērā un tika uzbūvēta ideāla pasaule … tomēr problēmas nebija ilgas. Biosfēra-2 izrādījās pārpildīta. Cilvēkiem nebija pietiekami daudz augstas kaloriju pārtikas - viņiem vajadzēja dažus džungļos stādīt dažus banānus un papaiju, sablīvēt labības stādīšanu, nepalielinot platību un ieviest pārtikas izdalīšanu.
Pār "tuksnesi" uz stikla jumta no rīta ūdens kondensējās un lija lietus. To nebija iespējams novērst, tāpēc tuksnesis pakāpeniski "pārvērtās" par stepi. Dažus mēnešus vēlāk daudzu koku vainagi sāka sadalīties zem sava svara: izrādījās, ka normālai koksnes veidošanai ārkārtīgi nepieciešams tāds šķietami nenozīmīgs faktors kā vējš.
Ukrainas dārzeņu dārzs orbītā
Pirmais neatkarīgās Ukrainas kosmonauts Leonīds Kadeniuks, veicot lidojumu uz Kolumbijas kuģi, nodarbojās ar pētījumiem kosmosa bioloģijas jomā. Tie jo īpaši ietvēra sojas pupu un rapšu kāpostu mākslīgās apputeksnēšanas eksperimentus, lai iegūtu sēklas ar nulles smagumu. Šiem pētījumiem bija praktisks mērķis: starpplanētu kosmosa kuģu apkalpēm, kas lido uz tālām planētām, noteikti būs nepieciešami “kosmosa dārzi”, kas nodrošinās astronautiem pārtiku un skābekli.
Ļoti ātri sākās ātri nekontrolēta kukaiņu un mikroorganismu pavairošana, aktīvi absorbējot skābekli. Tā saturs gaisā samazinājās līdz 14% (pie normas 21%) - tas atbilst daļējam spiedienam 4080 m augstumā virs jūras līmeņa. Tā rezultātā "Biosfēra-2" iedzīvotāju veselības stāvoklis ir pasliktinājies, un viņu darba spējas ir manāmi pazeminājušās. Vienai no sievietēm nogrieza pirkstu, strādājot ar lauksaimniecības tehniku. To pašu šūt nebija iespējams, un upuris bija jā evakuē "uz lielo pasauli".
Vēlāk tika pilnībā pārkāpta "eksperimenta tīrība": pārmērīgi aktivizētās klimatiskās parādības "El Niño" dēļ debesis pār Arizonu bija klātas ar mākoņiem daudz biežāk nekā gaidīts, un fotosintēzes laikā nebija pietiekami daudz saules gaismas, lai skābekli reproducētu.
Lai izvairītos no nopietnām sekām, Edvards Bāze nolēma sākt sūknēt šo gāzi zem kupola no ārpuses. Kopumā vajadzēja sūknēt vairāk nekā 20 tonnas. Tikmēr "eksperimentālie", papildus viņu galvenajām nodarbošanās, uzmundrinoši iznīcināja pārmērīgi izplatītos tarakānus un skudras (galvenokārt viņi vienkārši spieda - viņi nevarēja atrast šos kukaiņus "Biosfēras" iedzīvotāju vidū).
Diezgan ātri komanda sadalījās divās pretējās grupās, no kurām viena pieprasīja tūlītēju eksperimenta pārtraukšanu, bet otra uzstāja, ka ir nepieciešams "turēties līdz galam". Tā kā vēlmi “turēties ārā” dalījās arī projekta vadība, abas grupas bija spiestas līdzāspastāvēt zem viena jumta līdz 1993. gada 26. septembrim, kad to beidzot pameta septiņi nogurdināti un izsmelti “zemes paradīzes” iedzīvotāji. Bet pat 20 gadus vēlāk dažādu grupu pārstāvji centīgi izvairās no sanāksmēm un jebkādas citas saziņas.
Zinātnieki nevēlējās atteikties no unikālā kompleksa, tāpēc jau 1993. gada beigās tika sākta tā atjaunošana: divu eksperimenta gadu laikā "Biosfēra-2" dizains un daudzas tā sistēmas bija nopietni nolietojušās. 1994. gada 6. martā dome uzņēma septiņus jaunus "iemītniekus", ieskaitot vienu sievieti. Ņemot vērā viņu priekšgājēju pieredzi, pieci no viņiem sešus mēnešus varēja pavadīt slēgtā sistēmā - līdz 6. septembrim (lai gan sākotnēji tika paziņots par desmit mēnešu eksperimentu) - un viņiem izdevās organizēt pārtikas pašpietiekamību, taču problēmas ar nekontrolētu mikrobu un kukaiņu pavairošanu neizdevās atrisināt.
1994. gada 5. aprīlī Abigail Elling un Markam Van Thillo, diviem pirmā eksperimenta dalībniekiem, izdevās atvērt vienu gaisa bloku un trīs avārijas izejas durvis, ceturtdaļas stundas laikā sabojājot kompleksa hermētiskumu. Viņi arī sašāva piecus stikla jumta paneļus. Elinga savu rīcību skaidroja ar to, ka viņa vēlējās dot cilvēkiem iekšpusē izvēli starp brīvību un "ieslodzījumu".
1994. gada 1. jūnijā Space Biospheres Ventures oficiāli pārstāja eksistēt, nododot visu biznesu (ieskaitot otro eksperimentu) pagaidu vadības komandai, kuru nolīgusi Lēmumi Investment Co.
Pēc tam, kad "Biosfēras" vadība tika nodota Kolumbijas universitātē (Ņujorkā), 1996. gada vidū zinātnieki tajā uzsāka jaunu eksperimentu, šoreiz bez cilvēku līdzdalības. Viņi gatavojās noskaidrot, vai raža patiešām palielinās, palielinoties oglekļa dioksīda procentuālajam daudzumam (un līdz kādai robežai), kas notiek ar oglekļa dioksīda pārpalikumu un kur tas uzkrājas, kā arī to, vai ir iespējams katastrofisks apgrieztais process ar nekontrolētu CO2 satura palielināšanos atmosfērā. Uz nevienu no šiem jautājumiem nebija iespējams saņemt skaidras atbildes.
Ilgu laiku zinātniskais komplekss tika izmantots studentu praksei, un 2005. gadā tas tika laists pārdošanā. Pircējs tika atrasts tikai 2007. gada vasarā. Tieši Ranching & Development bija iecerējis netālu uzbūvēt viesnīcu un izglītības kompleksu, savukārt Biosphere-2 bija jākļūst par publiski pieejamu tūristu piesaisti. 2007. gada 26. jūlijā unikālā laboratorija tika nodota Arizonas Universitātes rīcībā.
… Uz vienas no "Biosfēras" iekšējām sienām joprojām ir vairākas rindiņas, kuras uzrakstījis viens no pirmās misijas dalībniekiem: "Tikai šeit mēs jutāmies, cik atkarīgi no apkārtējās dabas. Ja koku nav, mums nebūs ko elpot; ja ūdens ir piesārņots, mums nekas nav jādzer. " Šī grūti iegūtā gudrība, iespējams, ir vissvarīgākā vērienīgā eksperimenta rezultāts.
BIOS projekts
Pētījumi par iespēju radīt pastāvīgas biosintēzes stabilu biofizikālo sistēmu sāka drīz pēc pirmajiem pilotētajiem kosmiskajiem lidojumiem. Viens no interesantākajiem un veiksmīgākajiem darbiem šajā virzienā bija BIOS projekts, kuru uzsāka Krasnojarskas Biofizikas institūta (PSRS, tagad Krievijas Federācija) darbinieki. Tur tika izstrādātas dzīvības uzturēšanas sistēmas cilvēku uzturēšanai kosmosā, ekstremālos polāro platumu, tuksnešu, augstienes, zem ūdens apstākļos.
1964. gadā sistēmā BIOS-1 tika ieviesta divu saišu cilvēka un hlorela dzīvības atbalsta sistēma, kas tika slēgta gāzes apmaiņā. Aļģes absorbēja oglekļa dioksīdu un ražoja skābekli, bet tos nevarēja izmantot pārtikai.
BIOS-2 kompleksā, kuru sāka veidot 1965. gadā, papildus aļģēm tika iesaistīti arī augstākie augi - kvieši, dārzeņi. 1968. gadā tika veikti pirmie eksperimenti trīs saišu sistēmā "cilvēks - mikroaļģes - augstākie augi". Sasniegts 85% ūdens atkārtots izmantojums. Balstoties uz šiem eksperimentiem, tika izveidota BIOS-3 - slēgta ekoloģiska cilvēka dzīvības atbalsta sistēma ar autonomu vadību.
Gāzes un ūdens apmaiņas shēma eksperimentālajā kompleksā "Bios-3". Gāzes ceļi ir parādīti ar oranžām līnijām, ūdens - melns. Zilas bultiņas norāda braukšanas virzienu. Burti apzīmē: B - hlorellu aļģu kultivatori, G - gāzes pūtējs, U - kokogļu filtrs, C - notekūdeņu savācēji virtuvē un tualetē, Q - mitruma kondensāta savākšanas kolektors fitotronā, D - tvertne sadzīves ūdens viršanai un uzglabāšanai, M - savācējs urīns, F - vienība dzeramā ūdens sorbcijas attīrīšanai.
BIOS-3 kompleksa būvniecība tika pabeigta 1972. gadā. Krasnojarskas Academgorodok Biofizikas institūta pagrabā tika uzcelta slēgta telpa ar izmēriem 14x9x2,5 m un tilpumu aptuveni 315 m3. Tas tika sadalīts 4 vienādos nodalījumos, no kuriem divus aizņēma fitotroni augu audzēšanai, vienu - mikroaļģu kultivatori, un pēdējais bija dzīvojamais bloks ar apkalpes kajītēm, sadzīves un palīgiekārtām. Nodalījumus savienoja ar aizzīmogotām durvīm.
Balstoties uz BIOS-Z, tika veikti 10 eksperimenti ar ekipāžu no viena līdz trim cilvēkiem. Visilgāk no tām ilga 180 dienas (1972–1973). Bija iespējams panākt pilnīgu gāzes un ūdens sistēmas "slēgšanu", apkalpes vajadzības pēc pārtikas tika apmierinātas par 80% no iekšējiem resursiem. Inženieris Nikolajs Bugreevs kompleksā nodzīvoja visilgāk (kopā 13 mēneši).
Siltumnīcās mākslīgā apgaismojuma apstākļos audzēja īpašas kviešu, sojas pupu, salātu, šufa (Vidusāzijas eļļas augu kultūras), burkānu, redīsu, bietes, kartupeļus, gurķus, skābenes, kāpostus, dilles un sīpolus. Rūķu kvieši, ko audzē profesors G. M. Lisovskis, ir saīsinājuši kātiņus, kas ļāva samazināt atkritumu daudzumu. Pārtikai tika izmantoti arī konservi ar dzīvnieku izcelsmes produktiem.
80. gadu beigās eksperimenti ar BIOS-Z uz laiku tika pārtraukti.
1991. gadā akadēmiķa I. I. Gitelzona vadībā tika izveidots Starptautiskais slēgto ekoloģisko sistēmu centrs, kas kļuva par Krievijas Zinātņu akadēmijas Sibīrijas filiāles Krasnojarskas biofizikas institūta struktūrvienību. Viņa pētījumu mērķis ir izveidot slēgtu ekosistēmu prototipus un darba modeļus ilgstošai cilvēku dzīvības uzturēšanai ārkārtējos sauszemes un kosmosa apstākļos, pamatojoties uz vielu aprites procesu izpēti Zemes biosfērā.
Jaunā biosistēmas modeļa izstrāde tika sākta Krasnojarskā 2005. gadā ar Eiropas Kosmosa aģentūras atbalstu. Šobrīd šī projekta ietvaros tiek veikti pētījumi atkritumu pārstrādes un augu audzēšanas jomā slēgtās ekosistēmās.
NASA izstrādā biosistēmas
NASA speciālisti, protams, nevarēja palikt prom no slēgtu biosistēmu izstrādes, kuras vēlāk varētu izmantot, lai atbalstītu kosmosa staciju un starpplanētu kuģu apkalpes. Viņu sasniegumi šajā jomā ir daudz mazāki, taču viņiem ir jūtami komerciāli panākumi.
Šis ir bioloģiskais modulis ar nosaukumu Ecosphere, kas ir aizzīmogota stikla bumbiņas akvārijs ar diametru 10-20 cm, piepildīts ar jūras ūdeni ar nelielu gaisa burbuli un “apdzīvots” ar vairākām Halocaridina rubra garnelēm, koraļļu gabaliņiem, zaļajām aļģēm un baktērijām, kas sašķeļ pārtiku garneles dzīvībai svarīgās funkcijas. Akvārija apakšā, drīzāk estētisku iemeslu dēļ, tiek ielejtas dažas smiltis un čaumalas.
Saskaņā ar ražotāju apliecinājumiem šai pasaulei vajadzēja būt absolūti autonomai neierobežotu laiku - tai vajadzēja tikai saules gaismu un vairāk vai mazāk nemainīgas temperatūras uzturēšanu. Garneles vairojās un nomira, nepārsniedzot summu, ko pieejamie resursi varēja "pabarot". Ekosfēra nekavējoties kļuva neticami populāra.
Tiesa, drīz vien kļuva skaidrs, ka tā "mūžība" bija tikai 2-3 gadi, pēc tam tika traucēts bioloģiskais līdzsvars akvārija iekšienē un tā iemītnieki nomira. Neskatoties uz to, hermētiski akvāriji joprojām ir populāri mūsdienās - galu galā katrai civilizācijai ir savs "glabāšanas laiks", un pat divi gadi pēc garneles standarta nemaz nav tik slikti.
"Kosmosa skudru pūznis" uz jūsu galda
Skudras ir pārsteidzošas radības. Tie ir sastopami gandrīz visās dabiskajās zonās (izņemot arktiskos tuksnešus). Viņu senie senči, kas maz atšķiras no mūsdienu šīs ģimenes pārstāvjiem, dzīvoja uz Zemes pirms vairāk nekā 100 miljoniem gadu, par ko liecina viņu atliekas, kas atrastas pārakmeņojušos dubļos. Ļoti iespējams, ka pat tad viņiem bija “kolektīvās kopienas” prasmes un viņi tika sadalīti “kastās” - strādnieku skudras, karotāji, mednieki utt.
Tikai ir vairāk nekā 12,5 tūkstoši klasificētu skudru sugu. Kopējais šo kukaiņu skaits uz Zemes var sasniegt kvadriljonus (viens miljons miljardu jeb 1015). Tā kā viena parauga vidējā masa ir aptuveni 3 mg, to kopējā biomasa ir tikai par aptuveni vienu pakāpi mazāka nekā cilvēces biomasa, savukārt skudru ir apmēram simtiem tūkstošu skudru uz vienu cilvēku. Ir acīmredzams, ka tik liela dzīvo lietu ģimene ir viens no vissvarīgākajiem biosfēras elementiem. Tāpēc mirmekologi (mirmekoloģija ir entomoloģijas nozare, kurā tiek pētītas skudras) tiek aktīvi iesaistīti lielākajā daļā pētījumu, kas veltīti slēgtu ekosistēmu izveidošanai.
Skudru dzīves lielākā daļa notiek pazemē vai citās grūti sasniedzamās patversmēs, kur tos ir ārkārtīgi grūti novērot. Zinātnieki ir veltījuši daudz pūļu, lai atrisinātu šo problēmu. Vienkāršāko "skudru observatorijas" versiju var uzskatīt par mākslīgu skudru pūzni no diviem caurspīdīgiem stikla (plastmasas) paneļiem un smilšu pildījuma starp tiem. Novērojumus veic vājā gaismas vai infrasarkanā starā.
Tā kā smiltis ir necaurspīdīgas, šādā skudru pūznī var redzēt tikai tuneļus, kas atrodas blakus stikla sienai. Turklāt šī struktūra ir ļoti slikti pārvietojama - pat ar nelielu satricinājumu skudru ieskautās ejas sagrūst un sabrūk. Tāpēc, lai eksperimentētu ar viņiem kosmosa kuģos Space Shuttle, NASA darbiniekiem bija jāprojektē biotops, kurā skudras varētu dzīvot un būvēt tuneļus, kas izturētu pēkšņas smaguma izmaiņas izmaiņas.
Projekta Mars One koncepcija
Šim nolūkam tika izstrādāts īpašs želejveidīgs pildījums, kas piemērots skudrām tajā dzīvot un būvēt tuneļus. Viņš viņiem arī kalpo kā barības avots. Šī tehnoloģija tika izmantota, lai izveidotu Antquarium "darbvirsmas skudru pūzni", kas visiem savvaļas dzīvnieku cienītājiem sniedz retu iespēju novērot šo kukaiņu aizraujošo dzīvi.
Antkvarijs nav slēgta ekosistēma, bet ūdens un barības vielu (izņemot gaisu) piegāde tur ir ierobežota. Ir samazināta arī patogēno baktēriju un skudru parazītu iekļūšanas iespēja tur. Tāpēc "caurspīdīgs skudru pūznis" diezgan ilgi var uzturēt tā iedzīvotāju dzīvi - ar nosacījumu, ka tiek ievēroti instrukcijās norādītie gaismas un temperatūras apstākļi.
Žurnāls "Universe, Space, Time", 2014. gada marts