Wann bleiben unsere Spuren schließlich auf den staubigen Pfaden entfernter Planeten? Die Menschheit bereitet beharrlich eine Antwort auf diese Frage vor, führt umfangreiche Forschungen durch und schafft Technologien für die Entwicklung anderer Welten.
Die Worte von Konstantin Tsiolkovsky, der vor mehr als einem Jahrhundert sagte: "Die Menschheit wird nicht für immer auf der Erde bleiben …", beginnen tatsächlich erst, wahr zu werden. Bisher konnte sich eine Person nur um eine Entfernung von der Mondumlaufbahn von ihrem Heimatplaneten entfernen, aber selbst in niedrigeren Umlaufbahnen können moderne Technologien keinen vollständig autonomen bemannten Flug von mehr als 3-4 Monaten ermöglichen: Nach dieser Zeit muss die Besatzung des Raumfahrzeugs definitiv Verbrauchsmaterial liefern von der Erde.
Es ist immer noch nicht möglich, eine angemessene Ernährung, Wasserversorgung, eine konstante Sauerstoffversorgung und eine effektive Entsorgung von Abfallprodukten isoliert von der Biosphäre der Erde zu organisieren.
Zu diesem Zeitpunkt die Antwort auf die Frage "Wie kann man im Weltraum überleben?" klingt so: "nimm" einen bestimmten minimal notwendigen Teil dieser Biosphäre mit und "zwinge" sie, unter Bedingungen geringer Schwerkraft, kleinen engen Räumen und einem Überschuss an energiereicher Strahlung zu funktionieren.
Leider können nicht alle Versuche, einen solchen geschlossenen Kreislauf auch unter milderen "Boden" -Bedingungen zu implementieren, als erfolgreich bezeichnet werden. Das bekannteste davon ist zweifellos das amerikanische Projekt "Biosphere-2", das von Space Biosphere Ventures (hauptsächlich finanziert vom Milliardär Edward Bass) durchgeführt wird.
Das Schicksal der "Biosphäre"
Im Sommer 1991 wurde in einem Wüstengebiet in der Nähe der Stadt Oracle (Arizona) der Bau einer großflächigen Struktur abgeschlossen, die eine riesige Glas-Metall-Struktur umfasste, die eine Fläche von 1,27 Hektar umfasste.
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Zusammen mit den Nebengebäuden war es ein hermetisches System mit einem Volumen von 203.760 m3. In diesem Band wurde eine Reihe von Biomen modelliert: Regenwald, Savanne, steifer mediterraner Busch, Wüste, Süßwasser- und Salzsumpf (Mangroven) und sogar ein Mini-Ozean mit einem lebenden Korallenriff.
MARS-500
In Vorbereitung auf einen bemannten Flug zum Mars starteten russische Spezialisten ein groß angelegtes Experiment "Mars-500". Das Hauptziel des Projekts ist es, die Merkmale des Zusammenlebens von sechs Personen in einem isolierten Raum für lange Zeit unter Bedingungen begrenzter Kommunikation mit der Erde zu untersuchen. Der Mars-500-Komplex war kein biologisch geschlossenes System, die Aufgabe, die Möglichkeit der Selbstversorgung der Besatzung zu untersuchen, war lange Zeit nicht gestellt. Das Experiment dauerte 519 Tage - vom 3. Juni 2010 bis zum 4. November 2011.
Ihre relative "Repräsentation" unterschied sich zwar stark von der realen - insbesondere war der Ozean weniger als ein Drittel der "Biosphäre", während auf der Erde Wasserräume 71% der Oberfläche einnehmen. All diese Artenvielfalt wurde mit fast viertausend Arten von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen "besiedelt".
Ihre Artenzusammensetzung wurde so ausgewählt, dass die biosphärische Zirkulation von Substanzen, einschließlich der Produktion und Zersetzung organischer Stoffe (einschließlich der natürlichen Zersetzung menschlicher Abfälle), am besten simuliert wird. Die riesigen Kompressoren passten den Innendruck an den Außendruck an und minimierten so Luftlecks.
Am 26. September 1991 wurden acht Personen - vier Männer und vier Frauen - Teil der künstlichen Biosphäre. Sie sollten genau zwei Jahre in völliger Isolation von der Außenwelt verbringen (jedoch die Möglichkeit haben, mit ihm am Telefon zu kommunizieren). Sie mussten andere Bewohner von "Biosphere-2" als Nahrungsmittel verwenden - Fisch, Garnelen, Ziegen, Hühner und Schweine sowie Gemüse und Obst, die auf speziell ausgewiesenen Gebieten angebaut wurden.
Es wurde angenommen, dass der Komplex autonom funktionieren würde, da er alle Bedingungen für den normalen Stoffkreislauf hatte. Laut Wissenschaftlern hätte Sonnenlicht für die Vermehrung von Sauerstoff durch Pflanzen infolge von Photosynthese, Würmern und Mikroorganismen ausreichen müssen, um Abfälle zu verarbeiten, Insekten zu bestäuben - Pflanzen zu bestäuben usw. Die Zirkulation und Reinigung des Wassers erfolgte dank des Betriebs von Jalousien, die die Sonnenbeleuchtung regulieren, was zu Konvektionsströmen warmer Luft führte, die zur Verdunstung von der Oberfläche des "Ozeans" beitrugen.
Kondensierende Feuchtigkeit fiel in Form von Regen über dem "Tropenwald" aus. Von dort sickerte es in die „Sümpfe“und gelangte durch Bodenfilter wieder in den „Ozean“. Bei der Photosynthese wurde während der Atmung freigesetztes Kohlendioxid absorbiert, und theoretisch hätte der erforderliche Sauerstoffgehalt in der Luft beibehalten werden müssen. Sowohl die direkten Teilnehmer des Experiments als auch seine Leiter "von außen" könnten jedoch bis zu einem gewissen Grad in den Betrieb von Lebenserhaltungssystemen eingreifen.
Alle Abfallprodukte wurden durch biologische Methoden zersetzt und versorgten Pflanzen, von denen einige wiederum als Nahrung für Menschen, Fische und Haustiere dienten. Die Verwendung giftiger Chemikalien (Insektizide und Pestizide) wurde vollständig ausgeschlossen. Die Schädlingsbekämpfung wurde mit "natürlichen" Methoden durchgeführt - sie wurden von Hand gesammelt und zerstört oder ihre natürlichen Feinde gezüchtet.
Die Verwendung umweltschädlicher Energiequellen wie offener Flammen war ebenfalls nicht gestattet. Sonnenkollektoren lieferten Energie zum Kochen, Beleuchten und Versorgen der Geräte.
Es schien, dass alles berücksichtigt und eine ideale Welt aufgebaut wurde … die Probleme ließen jedoch nicht lange auf sich warten. Biosphäre-2 erwies sich als übervölkert. Die Menschen hatten nicht genug kalorienreiche Lebensmittel - sie mussten einige Bananen und Papaya im "Dschungel" pflanzen, den Anbau von Getreide verdichten, ohne die Fläche zu vergrößern, und die Verteilung der Lebensmittel einführen.
Über der "Wüste" auf dem Glasdach am Morgen kondensierte Wasser und es regnete. Es war unmöglich, es zu beseitigen, so dass sich die Wüste allmählich in eine Steppe "verwandelte". Einige Monate später begannen die Kronen vieler Bäume unter ihrem eigenen Gewicht zu brechen: Es stellte sich heraus, dass für die normale Holzbildung ein scheinbar unbedeutender Faktor wie Wind äußerst notwendig ist.
Ukrainischer Gemüsegarten im Orbit
Der erste Kosmonaut der unabhängigen Ukraine Leonid Kadenyuk forschte während seines Fluges mit dem Columbia-Shuttle auf dem Gebiet der Weltraumbiologie. Dazu gehörten insbesondere Versuche zur künstlichen Bestäubung von Sojabohnen- und Raps-Sprossen, um Samen in Schwerelosigkeit zu erhalten. Diese Studien hatten einen praktischen Zweck: Die Besatzungen interplanetarer Raumschiffe, die zu fernen Planeten fliegen, werden definitiv "Weltraumgärten" benötigen, die Astronauten mit Nahrung und Sauerstoff versorgen.
Die schnelle unkontrollierte Vermehrung von Insekten und Mikroorganismen, die aktiv Sauerstoff absorbierten, begann sehr schnell. Sein Luftgehalt sank auf 14% (bei einer Norm von 21%) - dies entspricht dem Partialdruck in einer Höhe von 4080 m über dem Meeresspiegel. Infolgedessen hat sich der Gesundheitszustand der Bewohner von "Biosphere-2" verschlechtert und ihre Arbeitsfähigkeit ist spürbar gesunken. Eine der Frauen schnitt sich bei der Arbeit an landwirtschaftlichen Geräten den Finger ab. Es war nicht möglich, es alleine anzunähen, und das Opfer musste "in die große Welt" evakuiert werden.
Später wurde die "Reinheit des Experiments" vollständig verletzt: Aufgrund des übermäßig aktivierten Klimaphänomens "El Niño" war der Himmel über Arizona viel häufiger als erwartet mit Wolken bedeckt, und es gab nicht genügend Sonnenlicht, um Sauerstoff während der Photosynthese zu reproduzieren.
Um schwerwiegende Folgen zu vermeiden, beschloss Edward Base, dieses Gas von außen unter die Kuppel zu pumpen. Insgesamt mussten mehr als 20 Tonnen davon gepumpt werden. In der Zwischenzeit haben die "Experimentellen" zusätzlich zu ihren Hauptbeschäftigungen übermäßig vermehrte Kakerlaken und Ameisen heftig ausgerottet (hauptsächlich drückten sie einfach - sie konnten diese Insekten unter den Bewohnern der "Biosphäre" nicht finden).
Ziemlich schnell teilte sich das Team in zwei gegnerische Gruppen auf, von denen eine die sofortige Beendigung des Experiments forderte, und die zweite bestand darauf, dass es notwendig sei, "am Ende festzuhalten". Da das Projektmanagement auch den Wunsch zum "Durchhalten" teilte, mussten beide Gruppen bis zum 26. September 1993 unter einem Dach koexistieren, als sieben abgemagerte und erschöpfte Bewohner des "irdischen Paradieses" es schließlich verließen. Aber auch 20 Jahre später vermeiden Vertreter verschiedener Gruppen fleißig Treffen und jede andere Kommunikation.
Die Wissenschaftler wollten den einzigartigen Komplex nicht aufgeben, daher wurde bereits Ende 1993 mit seiner Restaurierung begonnen: In zwei Jahren des Versuchs waren das Design von "Biosphere-2" und viele seiner Systeme stark abgenutzt. Am 6. März 1994 erhielt die Kuppel sieben neue "Bewohner", darunter eine Frau. Unter Berücksichtigung der Erfahrungen ihrer Vorgänger konnten fünf von ihnen sechs Monate in einem geschlossenen System verbringen - bis zum 6. September (obwohl ursprünglich ein zehnmonatiges Experiment angekündigt wurde) - und es gelang ihnen, die Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln zu organisieren, aber die Probleme mit der unkontrollierten Vermehrung von Mikroben und Insekten konnten nicht gelöst werden.
Am 5. April 1994 gelang es Abigail Elling und Mark Van Thillo, zwei Teilnehmern des ersten Experiments, eine Luftschleuse und drei Notausgangstüren zu öffnen und die Dichtheit des Komplexes für eine Viertelstunde zu durchbrechen. Sie zerschmetterten auch fünf Glasdachplatten. Elling erklärte ihr Handeln damit, dass sie den Menschen die Wahl zwischen Freiheit und "Inhaftierung" geben wollte.
Am 1. Juni 1994 wurde Space Biospheres Ventures offiziell eingestellt und das gesamte Geschäft (einschließlich des zweiten Experiments) an ein temporäres Managementteam übertragen, das von Decisions Investment Co. eingestellt wurde.
Mitte 1996, nachdem das Management der "Biosphäre" an die Columbia University (New York City) verlegt worden war, starteten Wissenschaftler ein neues Experiment, diesmal ohne Beteiligung von Menschen. Sie wollten herausfinden, ob die Ausbeute mit steigendem Kohlendioxidanteil (und bis zu welcher Grenze) tatsächlich steigt, was mit überschüssigem Kohlendioxid passiert und wo es sich ansammelt und ob ein katastrophaler Umkehrprozess mit einem unkontrollierten Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre möglich ist. Es war nicht möglich, klare Antworten auf diese Fragen zu erhalten.
Der wissenschaftliche Komplex wurde lange Zeit für die studentische Praxis genutzt und 2005 zum Verkauf angeboten. Der Käufer wurde erst im Sommer 2007 gefunden. Es war Ranching & Development, das beabsichtigte, ein Hotel und einen Bildungskomplex in der Nähe zu bauen, und Biosphere-2 selbst sollte eine öffentlich zugängliche Touristenattraktion werden. Am 26. Juli 2007 wurde das einzigartige Labor der Universität von Arizona zur Verfügung gestellt.
… An einer der Innenwände der "Biosphäre" sind noch einige Zeilen von einem der Teilnehmer der ersten Mission geschrieben: "Nur hier fühlten wir, wie abhängig von der umgebenden Natur. Wenn es keine Bäume gibt, haben wir nichts zu atmen; wenn das Wasser verschmutzt ist, haben wir nichts zu trinken. " Diese hart erkämpfte Weisheit ist vielleicht das wichtigste Ergebnis eines ehrgeizigen Experiments.
BIOS-Projekt
Die Erforschung der Möglichkeit, stabile biophysikalische Systeme für die kontinuierliche Biosynthese zu schaffen, begann kurz nach den ersten bemannten Raumflügen. Eine der interessantesten und erfolgreichsten Arbeiten in dieser Richtung war das BIOS-Projekt, das von Mitarbeitern des Krasnojarsker Instituts für Biophysik (UdSSR, heute Russische Föderation) ins Leben gerufen wurde. Dort wurden lebenserhaltende Systeme für den menschlichen Aufenthalt im Weltraum unter extremen Bedingungen in polaren Breiten, Wüsten, Hochland und unter Wasser entwickelt.
Im Jahr 1964 wurde im BIOS-1-System ein am Gasaustausch geschlossenes Zwei-Link-Lebenserhaltungssystem für Mensch-Chlorella implementiert. Algen absorbierten Kohlendioxid und produzierten Sauerstoff, konnten aber nicht für Lebensmittel verwendet werden.
In dem BIOS-2-Komplex, der 1965 begann, waren neben Algen auch höhere Pflanzen beteiligt - Weizen, Gemüse. 1968 wurden die ersten Experimente im Drei-Link-System "Mensch - Mikroalgen - höhere Pflanzen" durchgeführt. 85% Wiederverwendung von Wasser erreicht. Basierend auf diesen Experimenten wurde BIOS-3 erstellt - ein geschlossenes ökologisches System zur Unterstützung des menschlichen Lebens mit autonomer Kontrolle.
Schema des Gas- und Wasseraustauschs im Versuchskomplex "Bios-3". Gaswege sind mit orangefarbenen Linien dargestellt, wasserschwarz. Blaue Pfeile zeigen die Fahrtrichtung an. In den Buchstaben sind angegeben: B-Chlorella-Algenkultivatoren, G-Gasgebläse, U-Kohlefilter, C-Abwassersammler in Küche und Toilette, Q-Feuchtigkeitskondensatsammelkollektor im Phytotron, D-Tank zum Kochen und Speichern von Haushaltswasser, M-Kollektor Urin, F - Einheit zur Sorptionsreinigung von Trinkwasser.
Der Bau des BIOS-3-Komplexes wurde 1972 abgeschlossen. Im Untergeschoss des Instituts für Biophysik im Krasnojarsker Akademgorodok wurde ein versiegelter Raum mit den Abmessungen 14x9x2,5 m und einem Volumen von ca. 315 m3 errichtet. Es war in 4 gleiche Abteile unterteilt, von denen zwei von Phytotrons für den Anbau von Pflanzen besetzt waren, eines von Mikroalgenkultivatoren und das letzte ein Wohnblock mit Mannschaftskabinen, Haushalts- und Hilfsgeräten. Die Fächer waren durch versiegelte Türen verbunden.
Auf Basis von BIOS-Z wurden 10 Experimente mit Besatzungen von ein bis drei Personen durchgeführt. Die längste von ihnen dauerte 180 Tage (1972-1973). Es war möglich, eine vollständige "Schließung" des Systems für Gas und Wasser zu erreichen. Der Bedarf der Besatzung an Nahrungsmitteln wurde zu 80% auf Kosten der internen Ressourcen gedeckt. Der Ingenieur Nikolai Bugreev lebte am längsten in der Anlage (insgesamt 13 Monate).
In Gewächshäusern unter künstlicher Beleuchtung wurden spezielle Sorten von Weizen, Sojabohnen, Salat, Chufa (zentralasiatische Ölsaaten), Karotten, Radieschen, Rüben, Kartoffeln, Gurken, Sauerampfer, Kohl, Dill und Zwiebeln angebaut. Zwergweizen, der von Professor G. M. Lisovsky gezüchtet wurde, hat verkürzte Stängel, wodurch die Abfallmenge reduziert werden konnte. Konserven mit tierischen Produkten wurden auch für Lebensmittel verwendet.
In den späten 80ern wurden Experimente im BIOS-Z vorübergehend eingestellt.
1991 wurde das Internationale Zentrum für geschlossene ökologische Systeme unter der Leitung des Akademikers I. I. Gitelzon gegründet, das zu einer strukturellen Unterteilung des Krasnojarsker Instituts für Biophysik, Sibirischer Zweig der Russischen Akademie der Wissenschaften, wurde. Ziel seiner Forschung ist es, Prototypen und Arbeitsmodelle geschlossener Ökosysteme für die langfristige Unterstützung des menschlichen Lebens unter extremen terrestrischen und Weltraumbedingungen auf der Grundlage der Untersuchung der Prozesse der Zirkulation von Substanzen in der Biosphäre der Erde zu erstellen.
Die Entwicklung eines neuen Biosystemmodells begann 2005 in Krasnojarsk mit Unterstützung der Europäischen Weltraumorganisation. Derzeit werden im Rahmen dieses Projekts Forschungen auf dem Gebiet der Abfallverarbeitung und des Pflanzenanbaus in geschlossenen Ökosystemen durchgeführt.
Die NASA entwirft Biosysteme
NASA-Spezialisten konnten sich natürlich nicht von der Entwicklung geschlossener Biosysteme fernhalten, die später zur Unterstützung der Besatzungen von Raumstationen und interplanetaren Schiffen eingesetzt werden konnten. Ihre Leistungen in diesem Bereich sind viel geringer, aber sie haben greifbaren wirtschaftlichen Erfolg.
Dies ist ein biologisches Modul namens Ecosphere, ein versiegeltes Glaskugelaquarium mit einem Durchmesser von 10 bis 20 cm, gefüllt mit Meerwasser mit einer kleinen Luftblase und "besiedelt" mit mehreren Halocaridina rubra-Garnelen, Korallenstücken, Grünalgen und Bakterien, die Lebensmittel zersetzen lebenswichtige Funktionen von Garnelen. Am Boden des Aquariums werden aus ästhetischen Gründen etwas Sand und Muscheln gegossen.
Nach den Zusicherungen der Hersteller sollte diese ganze Welt für unbegrenzte Zeit völlig autonom sein - sie brauchte nur Sonnenlicht und eine mehr oder weniger konstante Temperatur. Die Garnelen vermehrten sich und starben, ohne über die Menge hinauszugehen, die die verfügbaren Ressourcen "füttern" konnten. Die Ökosphäre wurde sofort unglaublich beliebt.
Es wurde zwar bald klar, dass seine "Ewigkeit" nur 2-3 Jahre betrug, wonach das biologische Gleichgewicht im Aquarium gestört wurde und seine Bewohner starben. Trotzdem sind hermetische Aquarien immer noch beliebt - schließlich hat jede Zivilisation ihre eigene "Haltbarkeit", und selbst zwei Jahre nach den Maßstäben einer Garnele sind nicht wirklich so schlecht.
"Space Anthill" auf Ihrem Tisch
Ameisen sind erstaunliche Kreaturen. Sie kommen in fast allen Naturgebieten vor (außer in arktischen Wüsten). Ihre alten Vorfahren, die sich kaum von den modernen Vertretern dieser Familie unterscheiden, lebten vor über 100 Millionen Jahren auf der Erde, wie ihre Überreste in versteinertem Schlamm belegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie schon damals die Fähigkeiten einer "kollektiven Gemeinschaft" hatten und in "Kasten" unterteilt wurden - Arbeiterameisen, Krieger, Jäger usw.
Es gibt allein mehr als 12,5 Tausend klassifizierte Ameisenarten. Die Gesamtzahl dieser Insekten auf der Erde kann eine Billiarde (eine Million Milliarden oder 1015) erreichen. Bei einer durchschnittlichen Masse von einer Probe von etwa 3 mg ist ihre Gesamtbiomasse nur um eine Größenordnung geringer als die Biomasse der Menschheit, während es pro Person etwa Hunderttausende Ameisen gibt. Es ist offensichtlich, dass eine so große Familie von Lebewesen eines der wichtigsten Elemente der Biosphäre ist. Daher sind Myrmekologen (Myrmekologie ist ein Zweig der Entomologie, der Ameisen untersucht) aktiv an den meisten Forschungsarbeiten beteiligt, die sich mit der Schaffung geschlossener Ökosysteme befassen.
Der Hauptteil des Lebens von Ameisen findet in unterirdischen oder anderen schwer zugänglichen Schutzräumen statt, wo es äußerst schwierig ist, sie zu beobachten. Wissenschaftler haben große Anstrengungen unternommen, um dieses Problem zu lösen. Die einfachste Version des "Ameisenobservatoriums" kann als künstlicher Ameisenhaufen aus zwei transparenten Glasplatten (Kunststoff) und Sandfüller zwischen ihnen betrachtet werden. Die Beobachtungen werden bei schwachem Licht oder Infrarotstrahlen durchgeführt.
Da der Sand undurchsichtig ist, können Sie in einem solchen Ameisenhaufen nur die Tunnel direkt neben der Glaswand sehen. Darüber hinaus ist diese Struktur sehr schlecht transportierbar - selbst bei leichtem Aufrütteln bröckeln und kollabieren die von Ameisen aufgereihten Passagen. Um mit ihnen an Space-Shuttle-Raumschiffen zu experimentieren, mussten NASA-Mitarbeiter einen Lebensraum entwerfen, in dem die Ameisen leben und Tunnel bauen konnten, die den Auswirkungen plötzlicher Änderungen der Schwerkraft standhalten konnten.
Konzept für das Mars One-Projekt
Zu diesem Zweck wurde ein spezieller geleeartiger Füllstoff entwickelt, der für Ameisen geeignet ist, darin zu leben und Tunnel zu bauen. Er dient ihnen auch als Nahrungsquelle. Diese Technologie wurde verwendet, um den Antquarium "Desktop-Ameisenhaufen" zu bauen, der allen Liebhabern von Wildtieren die seltene Gelegenheit bietet, das faszinierende Leben dieser Insekten zu beobachten.
Das Antquarium ist kein geschlossenes Ökosystem, aber die Versorgung mit Wasser und Nährstoffen (außer Luft) ist begrenzt. Die Wahrscheinlichkeit, dass pathogene Bakterien und Ameisenparasiten dort eindringen, wird ebenfalls minimiert. Daher kann ein "transparenter Ameisenhaufen" das Leben seiner Bewohner ziemlich lange unterstützen - vorausgesetzt, die in den Anweisungen angegebenen Licht- und Temperaturbedingungen werden eingehalten.
Zeitschrift "Universum, Raum, Zeit", März 2014
