Пока человек смог удалиться от родной планеты всего лишь на расстояние лунной орбиты, но даже и на более низких орбитах современные технологии не могут обеспечить полностью автономный пилотируемый полет длительностью свыше 3-4 месяцев: по истечении этого времени экипажу космического корабля обязательно понадобятся расходные материалы, доставляемые с Земли.
Организовать полноценное питание, водообеспечение, постоянный приток кислорода и эффективную утилизацию отходов жизнедеятельности в отрыве от земной биосферы до сих пор не представляется возможным.
На данном этапе ответ на вопрос «Как выжить в дальнем космосе?» звучит следующим образом: «взять с собой» некую минимально необходимую часть этой биосферы, «заставив» ее функционировать в условиях низкой гравитации, небольших замкнутых пространств и избытка высокоэнергетических излучений.
К сожалению, все попытки реализовать такой замкнутый цикл даже в более мягких «наземных» условиях нельзя назвать успешными. Самой известной из них, несомненно, является американский проект «Биосфера-2», осуществленный компанией Space Biosphere Ventures (главным образом на средства миллиардера Эдварда Басса).
Судьба «Биосферы»
Летом 1991 г. в пустынной местности неподалеку от городка Оракл (штат Аризона) завершилось строительство масштабного сооружения, включавшего в себя огромную стеклянно-металлическую конструкцию, которая накрывала территорию площадью 1,27 гектара.
Вместе со вспомогательными постройками она представляла собой герметичную систему объемом 203 760 м3. В этом объеме был смоделирован целый ряд биомов: тропический лес, саванна, жестколистный средиземноморский кустарник, пустыня, пресноводное и соленое (мангровое) болото и даже мини-океан с живым коралловым рифом.
МАРС-500
В рамках подготовки к пилотируемому полету на Марс российские специалисты развернули масштабный эксперимент «Марс-500». Основная цель проекта — изучить особенности сосуществования шести человек в изолированном помещении на протяжении длительного времени в условиях ограниченной связи с Землей. Комплекс «Марс-500» не был биологически замкнутой системой,задача исследования возможности самообеспечения экипажа в течение длительного времени не ставилась. Эксперимент продолжался 519 суток — с 3 июня 2010 г. до 4 ноября 2011 г.
Правда, их относительное «представительство» сильно отличалось от реального — в частности, океан составлял менее трети «Биосферы», в то время как на Земле водные пространства занимают 71% поверхности. Все это биоразнообразие «заселили» почти четырьмя тысячами видов животных, растений и микроорганизмов.
Их видовой состав был подобран так, чтобы наилучшим образом имитировать биосферный круговорот веществ, включающий продуцирование и разложение органики (в том числе естественное разложение отходов жизнедеятельности людей). Гигантские компрессоры регулировали внутреннее давление таким образом, чтобы оно соответствовало наружному — это сводило к минимуму утечки воздуха.
26 сентября 1991 г. частью искусственной биосферы стали восемь человек —четверо мужчин и четыре женщины. Им предстояло провести ровно два года в полной изоляции от внешнего мира (имея, впрочем, возможность общаться с ним по телефону). В качестве продуктов питания они должны были использовать других обитателей «Биосферы-2» — рыб, креветок, коз, кур и свиней, а также выращиваемые на специально отведенных площадях овощи и фрукты.
Предполагалось, что комплекс будет функционировать автономно, так как в нем имелись все условия для нормального круговорота веществ. Солнечного света, по расчетам ученых, должно было хватить для воспроизводства кислорода растениями в результате фотосинтеза, черви и микроорганизмы обеспечивали переработку отходов, насекомые — опыление растений и т.д. Циркуляция и очистка воды осуществлялась благодаря работе жалюзи, регулирующих солнечное освещение, которое вызывало конвекционные потоки теплого воздуха, способствовавшие испарению с поверхности «океана».
Конденсируясь, влага выпадала в виде дождей над «тропическим лесом». Оттуда она просачивалась в «болота» и снова попадала в «океан» через почвенные фильтры. В процессе фотосинтеза поглощался выделяемый при дыхании углекислый газ и, по идее, должно было поддерживаться необходимое содержание кислорода в воздухе. Впрочем, и непосредственные участники эксперимента, и его руководители «извне» могли до определенной степени вмешиваться в работу систем жизнеобеспечения.
Все отходы жизнедеятельности разлагались биологическими методами, обеспечивая питание растений, часть которых, в свою очередь, служила пищей людям, рыбе и домашним животным. Полностью исключалось применение токсичных химических веществ (инсектицидов и пестицидов). Борьба с вредителями осуществлялась «натуральными» методами — их собирали и уничтожали вручную или разводили их естественных врагов.
Не допускалось также использование загрязняющих среду источников энергии — например, открытого огня. Энергию для приготовления пищи, освещения и электропитания оборудования давали солнечные батареи.
Казалось, что все учтено и построен идеальный мир... однако проблемы не заставили себя ждать. «Биосфера-2» оказалась перенаселенной. Людям не хватало калорийной пищи — пришлось в «джунглях» высадить немного бананов и папайи, уплотнить посадки зерновых без увеличения площади и ввести распределение еды.
Над «пустыней» на стеклянной крыше по утрам конденсировалась вода и выпадал дождь. Его невозможно было устранить, поэтому пустыня постепенно «превратилась» в степь. Через несколько месяцев начали ломаться под собственной тяжестью кроны многих деревьев: выяснилось, что для нормального формирования древесины крайне необходим такой на первый взгляд незначительный фактор, как ветер.
Украинский огород на орбите
Первый космонавт независимой Украины Леонид Каденюк во время своего полета на шаттле Columbia занимался исследованиями в области космической биологии. Они включали, в частности, эксперименты по искусственному опылению ростков сои и рапса с целью получения семян в условиях невесомости. Эти исследования имели практическую цель: экипажам межпланетных кораблей, летящих к далеким планетам, обязательно понадобятся «космические огороды», которые обеспечат космонавтов пищей и кислородом.
Очень быстро началось бурное неконтролируемое размножение насекомых и микроорганизмов, активно поглощавших кислород. Его содержание в воздухе упало до 14% (при норме 21%) — это соответствует парциальному давлению на высоте 4080 м над уровнем моря. В результате самочувствие обитателей «Биосферы-2» ухудшилось, заметно упала трудоспособность. Одна из женщин при работе на сельскохозяйственном оборудовании отрезала себе палец. Пришить его своими силами не удалось, и пострадавшую пришлось эвакуировать «в большой мир».
Позже «чистота эксперимента» была нарушена окончательно: из-за чрезмерно активизировавшегося климатического явления «Эль Ниньо» небо над Аризоной затягивалось облаками намного чаще, чем предполагалось, и солнечного света стало не хватать для воспроизводства кислорода в ходе фотосинтеза.
Во избежание тяжелых последствий Эдвард Басе принял решение начать закачку этого газа под купол извне. Всего его пришлось закачать более 20 тонн. Тем временем «подопытные», помимо своих основных занятий, усиленно истребляли не в меру расплодившихся тараканов и муравьев (главным образом просто давили— найти среди обитателей «Биосферы» достаточно прожорливого естественного врага этих насекомых так и не смогли).
Довольно быстро команда разбилась на две противоборствующие группы, одна из которых требовала немедленного прекращения эксперимента, а вторая настаивала на том, что нужно «держаться до конца». Поскольку желание «продержаться» разделяло и руководство проекта, обе группировки вынуждены были сосуществовать под одной крышей до 26 сентября 1993 г., когда семеро исхудавших и измученных жителей «земного рая» наконец-то покинули его. Но даже 20 лет спустя представители разных групп старательно избегают встреч и какого-либо иного общения.
Отказываться от уникального комплекса ученые не хотели, поэтому уже в конце 1993 г. было начато его восстановление: за два года эксперимента конструкции «Биосферы-2» и многие ее системы серьезно поизносились. 6 марта 1994 г. купол принял семь новых «жителей», в том числе одну женщину. С учетом опыта предшественников пятеро из них смогли провести в замкнутой системе полгода — до 6 сентября (хотя первоначально анонсировался десятимесячный эксперимент) — и сумели организовать самообеспечение продовольствием, однако проблемы с неконтролируемым размножением микробов и насекомых решить не удалось.
5 апреля 1994 г. Эбигейл Эллинг и Марк Ван Тилло (Abigail Ailing, Mark Van Thillo) — двое участников первого эксперимента — умудрились вскрыть один воздушный шлюз и три двери аварийных выходов, на четверть часа нарушив герметичность комплекса. Они также разбили пять стеклянных панелей крыши. Свой поступок Эллинг объяснила тем, что хотела предоставить находившимся внутри людям выбор между свободой и «заключением».
1 июня 1994 г. компания Space Biospheres Ventures официально прекратила свое существование, передав все дела (в том числе проведение второго эксперимента) временной команде менеджеров, нанятых компанией Decisions Investment Co.
В середине 1996 г., после того, как управление «Биосферой» было передано Колумбийскому университету (Columbia University, New York City), ученые развернули в ней новый эксперимент, уже без участия людей. Они собирались выяснить, действительно ли урожайность повышается с увеличением процентного содержания углекислого газа (и до какого предела), что происходит с излишками углекислоты и где они накапливаются, а также — возможен ли при неконтролируемом росте содержания С02 в атмосфере некий катастрофический обратный процесс. Четких ответов ни на один из этих вопросов получить не удалось.
Долгое время научный комплекс использовался для прохождения студенческой практики, а в 2005 г. его выставили на продажу. Покупатель нашелся только летом 2007 г. Им стала фирма Ranching&Development, намеревавшаяся построить поблизости гостиничный и образовательный комплекс, а сама «Биосфера-2» должна была стать общедоступной туристической достопримечательностью. 26 июля 2007 г. уникальную лабораторию передали в распоряжение Университета Аризоны.
...На одной из внутренних стен «Биосферы» до сих пор сохранилось несколько строк, написанных одной из участниц первой миссии: «Только здесь мы почувствовали, насколько зависим от окружающей природы. Если не будет деревьев — нам нечем будет дышать, если загрязнится вода — нам нечего будет пить». Эта выстраданная мудрость, пожалуй, стала самым важным итогом амбициозного эксперимента.
Проект «БИОС»
Исследования возможности создания устойчивых биофизических систем непрерывного биосинтеза начались вскоре после первых пилотируемых космических полетов. Одной из наиболее интересных и успешных работ в этом направлении стал проект «БИОС», который развернули сотрудники красноярского Института биофизики (СССР, теперь Российская Федерация). Там разрабатывались системы жизнеобеспечения для пребывания человека в космосе, в экстремальных условиях полярных широт, пустынь, высокогорья, под водой.
В 1964 г. в системе БИОС-1 была осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения «человек-хлорелла». Водоросли поглощали углекислый газ и вырабатывали кислород, однако использовать их в пищу не удавалось.
В комплексе БИОС-2, который начали создавать в 1965 г., кроме водорослей, были задействованы высшие растения — пшеница, овощи. В 1968 г. прошли первые эксперименты в трехзвенной системе «человек — микроводоросли — высшие растения». Достигнут 85-процентный уровень повторного использования воды. На основе этих экспериментов был создан БИОС-3 — замкнутая экологическая система жизнеобеспечения человека с автономным управлением.
Схема газо— и водообмена в экспериментальном комплексе «Биос-3». Пути движения газов показаны оранжевыми линиями, воды — черными. Голубыми стрелками показано направление движения. Буквами обозначены: В — культиваторы водоросли хлореллы, Г — газодувка, У — угольный фильтр, С — сборники сточной воды в кухне и туалете, Q — коллектор отбора конденсата влаги в фитотроне, Д — емкость для кипячения и хранения бытовой воды, М — коллектор мочи, Ф — узел сорбционной доочистки питьевой воды.
Строительство комплекса БИОС-3 завершилось в 1972 г. В подвале Института биофизики в красноярском Академгородке соорудили герметичное помещение размерами 14х9х2,5 м и объемом около 315 м3. Его разделили на 4 равных отсека, два из которых занимали фитотроны для выращивания растений, один — микроводорослевые культиваторы, а последний представлял собой жилой блок с каютами экипажа, бытовым и вспомогательным оборудованием. Отсеки соединялись герметизируемыми дверьми.
На базе БИОС-З были проведены 10 экспериментов с экипажами от одного до трех человек. Самый продолжительный из них длился 180 дней (1972-1973 гг.). Удалось достичь полного «замыкания» системы по газу и воде, потребности экипажа в пище на 80% удовлетворялись за счет внутренних ресурсов. Дольше всех (в общей сложности 13 месяцев) в комплексе прожил инженер Николай Бугреев.
В оранжереях при искусственном освещении выращивались специальные сорта пшеницы, сои, салата, чуфы (среднеазиатской масличной культуры), моркови, редиса, свеклы, картофеля, огурцов, щавеля, капусты, укропа и лука. Карликовая пшеница, выведенная профессором Г.М.Лисовским, имеет укороченные стебли, что позволило снизить количество отходов. Также в пищу использовались консервы с продуктами животного происхождения.
В конце 80-х годов эксперименты в БИОС-З временно прекратились.
В 1991 г. был создан Международный центр замкнутых экологических систем под руководством академика РАН И.И.Гительзона, ставший структурным подразделением красноярского Института биофизики Сибирского отделения РАН. Цель его исследований — создание прототипов и действующих моделей замкнутых экосистем для длительного жизнеобеспечения человека в экстремальных земных и космических условиях на базе изучения процессов круговорота веществ в биосфере Земли.
Разработка новой модели биосистемы началась в Красноярске в 2005 г. при поддержке Европейского космического агентства. В настоящий момент в рамках этого проекта ведутся исследования в области переработки отходов и выращивания растений в замкнутых экосистемах.
NASA конструирует биосистемы
Специалисты NASA, конечно же, не могли остаться в стороне от разработки замкнутых биосистем, которые в дальнейшем можно было бы использовать для жизнеобеспечения экипажей космических станций и межпланетных кораблей. Их достижения в этой области значительно менее масштабны, однако имеют ощутимый коммерческий успех.
Речь идет о биологическом модуле под названием Ecosphere, представляющем собой герметичный стеклянный шар-аквариум диаметром 10-20 см, заполненный морской водой с небольшим пузырьком воздуха и «заселенный» несколькими креветками Halocaridina rubra, кусочками коралла, зелеными водорослями, а также бактериями, расщепляющими продукты жизнедеятельности креветок. На дно аквариума, скорее из эстетических соображений, насыпано немного песка и раковин.
По уверениям производителей, весь этот мир должен был быть абсолютно автономным неограниченное время — он нуждался только в солнечном свете и поддержании более-менее постоянной температуры. Креветки размножались и умирали, не выходя, однако, за рамки количества, которое могли «прокормить» доступные ресурсы. Ecosphere сразу стала невероятно популярной.
Правда, вскоре выяснилось, что ее «вечность» представляет собой всего 2-3 года, после чего биологический баланс внутри аквариума нарушался и его обитатели погибали. Тем не менее, герметические аквариумы до сих пор пользуются популярностью — в конце концов, каждая цивилизация имеет свой «срок годности», и даже два года по меркам креветки на самом деле не так уж плохо.
«Космический муравейник» на вашем столе
Муравьи — удивительные существа. Они встречаются практически во всех природных зонах (кроме арктических пустынь). Их древние предки, мало отличающиеся от современных представителей этого семейства, обитали на Земле свыше 100 млн лет назад —об этом свидетельствуют их останки, найденные в окаменевшем иле. Очень похоже, что уже тогда они имели навыки «коллективного общежития» и подразделялись на «касты» — рабочих муравьев, воинов, охотников и т.д.
Только классифицированных видов муравьев насчитывается свыше 12,5 тыс. Суммарное число этих насекомых на Земле может достигать квадриллиона (миллион миллиардов, или 1015). При средней массе одного экземпляра около 3 мг их общая биомасса оказывается всего на порядок меньше биомассы человечества, при этом на одного человека приходится порядка сотни тысяч муравьев. Очевидно, что такое многочисленное семейство живых существ является одним из важнейших элементов биосферы. Поэтому специалисты-мирмекологи (мирмекология — раздел энтомологии, изучающий муравьев) активно участвуют в большинстве исследований, посвященных созданию замкнутых экосистем.
Основная часть жизни муравьев протекает в подземных или других труднодоступных укрытиях, где наблюдать за ними исключительно сложно. Ученые потратили немало усилий для решения этой проблемы. Наиболее простым вариантом «муравьиной обсерватории» можно считать искусственный муравейник из двух прозрачных стеклянных (пластиковых) панелей и песчаного наполнителя между ними. Наблюдения ведутся при слабом свете или в инфракрасных лучах.
Поскольку песок непрозрачен, в таком муравейнике можно увидеть только туннели, непосредственно примыкающие к стеклянной стенке. Вдобавок эта конструкция очень малотранспортабельна — даже при небольшой встряске выстроенные муравьями ходы осыпаются и разрушаются. Поэтому для экспериментов с ними на космических кораблях Space Shuttle сотрудникам NASA пришлось проектировать среду обитания, в которой муравьи могли бы жить и строить туннели, способные выдерживать воздействие резких изменений силы тяжести.
Концепт для проекта Mars One
Для этого был разработан особый желеобразный наполнитель, пригодный для того, чтобы муравьи могли в нем жить и строить туннели. Он же служит им источником пищи. По такой технологии построен «настольный муравейник» Antquarium, предоставляющий всем любителям живой природы редкую возможность наблюдать увлекательную жизнь этих насекомых.
Antquarium не является замкнутой экосистемой, но поступление туда воды и питательных веществ (кроме воздуха) ограничено. Сведена также к минимуму вероятность проникновения туда болезнетворных бактерий и муравьиных паразитов. Поэтому «прозрачный муравейник» может поддерживать жизнь своих обитателей довольно долго — при условии соблюдения светового и температурного режима, указанного в инструкции.
