Quando, finalmente, le nostre tracce rimarranno sui sentieri polverosi di pianeti lontani? L'umanità sta preparando costantemente una risposta a questa domanda, conducendo ricerche su larga scala e creando tecnologie per lo sviluppo di altri mondi.
Le parole di Konstantin Tsiolkovsky, detto più di un secolo fa, "L'umanità non rimarrà per sempre sulla Terra …" stanno appena cominciando a diventare realtà. Finora una persona è stata in grado di allontanarsi dal suo pianeta natale solo di una distanza dell'orbita lunare, ma anche in orbite più basse, le moderne tecnologie non possono fornire un volo con equipaggio completamente autonomo della durata di più di 3-4 mesi: dopo questo tempo, l'equipaggio della navicella avrà sicuramente bisogno di consumabili consegnati dalla Terra.
Non è ancora possibile organizzare un'alimentazione adeguata, l'approvvigionamento idrico, un rifornimento costante di ossigeno e uno smaltimento efficace dei prodotti di scarto in isolamento dalla biosfera terrestre.
In questa fase, la risposta alla domanda "Come sopravvivere nello spazio profondo?" suona così: “porta con te” una certa parte minima necessaria di questa biosfera, “costringendola” a funzionare in condizioni di bassa gravità, piccoli spazi confinati e un eccesso di radiazioni ad alta energia.
Sfortunatamente, tutti i tentativi di implementare un ciclo così chiuso, anche in condizioni di "terreno" più miti, non possono essere definiti riusciti. Il più famoso di questi è senza dubbio il progetto americano "Biosphere-2", portato avanti da Space Biosphere Ventures (finanziato principalmente dal miliardario Edward Bass).
Il destino della "Biosfera"
Nell'estate del 1991, in un'area desertica vicino alla città di Oracle (Arizona), fu completata la costruzione di una struttura di grandi dimensioni, che comprendeva un'enorme struttura vetro-metallo che copriva un'area di 1,27 ettari.
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Insieme agli edifici ausiliari, era un sistema ermetico con un volume di 203.760 m3. In questo volume è stata modellata una serie di biomi: foresta pluviale, savana, macchia mediterranea rigida, deserto, paludi d'acqua dolce e salata (mangrovie) e persino un mini-oceano con una barriera corallina vivente.
MARTE-500
In preparazione per un volo con equipaggio su Marte, specialisti russi hanno lanciato un esperimento su larga scala "Mars-500". L'obiettivo principale del progetto è studiare le caratteristiche della convivenza di sei persone in una stanza isolata per lungo tempo in condizioni di comunicazione limitata con la Terra. Il complesso Mars-500 non era un sistema biologicamente chiuso, il compito di studiare la possibilità di autosufficienza dell'equipaggio non si era posto per molto tempo. L'esperimento è durato 519 giorni, dal 3 giugno 2010 al 4 novembre 2011.
È vero, la loro "rappresentazione" relativa era molto diversa da quella reale - in particolare, l'oceano era meno di un terzo della "Biosfera", mentre sulla Terra gli spazi d'acqua occupano il 71% della superficie. Tutta questa biodiversità è stata "popolata" con quasi quattromila specie di animali, piante e microrganismi.
La loro composizione delle specie è stata selezionata in modo tale da simulare al meglio la circolazione biosferica delle sostanze, compresa la produzione e la decomposizione della materia organica (compresa la decomposizione naturale dei rifiuti umani). I compressori giganti hanno regolato la pressione interna per abbinare la pressione esterna, riducendo al minimo le perdite d'aria.
Il 26 settembre 1991, otto persone - quattro uomini e quattro donne - sono entrate a far parte della biosfera artificiale. Dovevano trascorrere esattamente due anni in completo isolamento dal mondo esterno (avendo però la possibilità di comunicare con lui al telefono). Hanno dovuto utilizzare altri abitanti della "Biosfera-2" come prodotti alimentari: pesce, gamberetti, capre, polli e maiali, nonché frutta e verdura coltivate in aree appositamente designate.
Si presumeva che il complesso avrebbe funzionato in modo autonomo, poiché aveva tutte le condizioni per la normale circolazione delle sostanze. La luce solare, secondo gli scienziati, avrebbe dovuto essere sufficiente per la riproduzione dell'ossigeno da parte delle piante a seguito della fotosintesi, vermi e microrganismi forniti dalla lavorazione dei rifiuti, insetti - impollinazione delle piante, ecc. La circolazione e la purificazione dell'acqua è stata effettuata grazie al funzionamento delle tende che regolano l'illuminazione solare, che ha provocato correnti convettive di aria calda, che hanno contribuito all'evaporazione dalla superficie dell '"oceano".
L'umidità di condensa è caduta sotto forma di pioggia sulla "foresta tropicale". Da lì è penetrato nelle "paludi" ed è entrato di nuovo nell '"oceano" attraverso i filtri del suolo. Nel processo di fotosintesi, l'anidride carbonica rilasciata durante la respirazione è stata assorbita e, in teoria, il contenuto di ossigeno richiesto nell'aria avrebbe dovuto essere mantenuto. Tuttavia, sia i partecipanti diretti all'esperimento che i suoi leader "dall'esterno" potrebbero interferire in una certa misura nel funzionamento dei sistemi di supporto vitale.
Tutti i prodotti di scarto sono stati decomposti con metodi biologici, fornendo nutrimento alle piante, alcune delle quali, a loro volta, servivano da cibo per persone, pesci e animali domestici. L'uso di sostanze chimiche tossiche (insetticidi e pesticidi) è stato completamente escluso. Il controllo dei parassiti è stato effettuato con metodi "naturali": sono stati raccolti e distrutti a mano o allevati con i loro nemici naturali.
È stato inoltre vietato l'uso di fonti energetiche inquinanti per l'ambiente, come fiamme libere. I pannelli solari fornivano energia per cucinare, illuminare e alimentare le apparecchiature.
Sembrava che si tenesse conto di tutto e si costruisse un mondo ideale … tuttavia, i problemi non tardarono ad arrivare. Biosphere-2 si è rivelato sovrappopolato. Le persone non avevano abbastanza cibo ipercalorico: dovevano piantare banane e papaya nella "giungla", compattare la piantagione di cereali senza aumentare l'area e introdurre la distribuzione del cibo.
Al mattino, sul "deserto" sul tetto di vetro, l'acqua si condensa e piove. Era impossibile eliminarlo, così il deserto gradualmente si "trasformò" in una steppa. Pochi mesi dopo, le chiome di molti alberi hanno cominciato a rompersi sotto il loro stesso peso: si è scoperto che per la normale formazione del legno, un fattore apparentemente insignificante come il vento è estremamente necessario.
Orto ucraino in orbita
Il primo cosmonauta dell'Ucraina indipendente Leonid Kadenyuk è stato impegnato nella ricerca nel campo della biologia spaziale durante il suo volo sulla navetta Columbia. Hanno incluso, in particolare, esperimenti sull'impollinazione artificiale di germogli di soia e colza al fine di ottenere semi a gravità zero. Questi studi avevano uno scopo pratico: gli equipaggi di veicoli spaziali interplanetari che volano su pianeti lontani avranno sicuramente bisogno di "giardini spaziali" che forniscano cibo e ossigeno agli astronauti.
La riproduzione rapidamente incontrollata di insetti e microrganismi, assorbendo attivamente l'ossigeno, è iniziata molto rapidamente. Il suo contenuto nell'aria è sceso al 14% (nella norma del 21%) - ciò corrisponde alla pressione parziale a un'altitudine di 4080 m sul livello del mare. Di conseguenza, lo stato di salute degli abitanti di "Biosphere-2" è peggiorato e la loro capacità lavorativa è notevolmente diminuita. Una delle donne si è tagliata un dito mentre lavorava su attrezzature agricole. Non era possibile cucirlo da soli e la vittima doveva essere evacuata "nel grande mondo".
Successivamente, la "purezza dell'esperimento" fu completamente violata: a causa del fenomeno climatico eccessivamente attivato "El Niño", il cielo dell'Arizona era coperto di nuvole molto più spesso del previsto e non c'era abbastanza luce solare per riprodurre l'ossigeno durante la fotosintesi.
Per evitare gravi conseguenze, Edward Base ha deciso di iniziare a pompare questo gas sotto la cupola dall'esterno. In totale, è stato necessario pomparne più di 20 tonnellate. Nel frattempo, gli "sperimentali", oltre alle loro occupazioni principali, sterminavano strenuamente blatte e formiche eccessivamente proliferate (principalmente si limitavano a premere - non riuscivano a trovare questi insetti tra gli abitanti della "Biosfera").
Abbastanza rapidamente, la squadra si è divisa in due gruppi opposti, uno dei quali ha chiesto la fine immediata dell'esperimento, e il secondo ha insistito sul fatto che era necessario "tenere duro fino alla fine". Poiché il desiderio di "resistere" era condiviso anche dalla direzione del progetto, entrambi i gruppi furono costretti a convivere sotto lo stesso tetto fino al 26 settembre 1993, quando sette emaciati ed esausti abitanti del "paradiso terrestre" lo abbandonarono definitivamente. Ma anche 20 anni dopo, i rappresentanti di diversi gruppi evitano diligentemente le riunioni e qualsiasi altra comunicazione.
Gli scienziati non volevano abbandonare l'unico complesso, quindi, già alla fine del 1993, fu avviato il suo restauro: in due anni di sperimentazione, il progetto di "Biosphere-2" e molti dei suoi sistemi erano seriamente usurati. Il 6 marzo 1994, la cupola ha ricevuto sette nuovi "residenti", inclusa una donna. Tenendo conto dell'esperienza dei loro predecessori, cinque di loro sono stati in grado di trascorrere sei mesi in un sistema chiuso - fino al 6 settembre (sebbene fosse stato originariamente annunciato un esperimento di dieci mesi) - e sono riusciti a organizzare l'autosufficienza alimentare, ma i problemi con la riproduzione incontrollata di microbi e insetti non potevano essere risolti.
5 aprile 1994 Abigail Elling e Mark Van Thillo (Abigail Ailing, Mark Van Thillo) - due partecipanti al primo esperimento - sono riusciti ad aprire una camera di equilibrio e tre porte di uscita di emergenza, rompendo la tenuta del complesso per un quarto d'ora. Hanno anche fracassato cinque pannelli del tetto in vetro. Elling ha spiegato la sua azione con il fatto che voleva dare alle persone all'interno la scelta tra libertà e "prigione".
Il 1 ° giugno 1994, Space Biospheres Ventures cessò ufficialmente di esistere, trasferendo tutte le attività (incluso il secondo esperimento) a un team di gestione temporaneo assunto da Decisions Investment Co.
A metà del 1996, dopo che la gestione della "Biosfera" è stata trasferita alla Columbia University (New York City), gli scienziati hanno lanciato un nuovo esperimento, questa volta senza la partecipazione delle persone. Stavano per scoprire se la resa aumenta davvero con un aumento della percentuale di anidride carbonica (e fino a quale limite), cosa succede all'anidride carbonica in eccesso e dove si accumula, e anche se è possibile un processo inverso catastrofico con un aumento incontrollato del contenuto di CO2 nell'atmosfera. Non è stato possibile ottenere risposte chiare a nessuna di queste domande.
Per molto tempo il complesso scientifico è stato utilizzato per la pratica studentesca e nel 2005 è stato messo in vendita. L'acquirente è stato trovato solo nell'estate del 2007. Era Ranching & Development, che intendeva costruire un hotel e un complesso educativo nelle vicinanze, e la stessa Biosphere-2 doveva diventare un'attrazione turistica accessibile al pubblico. Il 26 luglio 2007, l'unico laboratorio è stato trasferito a disposizione dell'Università dell'Arizona.
… Su una delle pareti interne della "Biosfera" ci sono ancora diverse righe scritte da uno dei partecipanti alla prima missione: "Solo qui ci siamo sentiti dipendenti dalla natura circostante. Se non ci sono alberi non avremo niente da respirare, se l'acqua è inquinata non avremo nulla da bere ". Questa saggezza conquistata a fatica è forse il risultato più importante di un ambizioso esperimento.
Progetto BIOS
La ricerca sulla possibilità di creare sistemi biofisici stabili di biosintesi continua è iniziata subito dopo i primi voli spaziali con equipaggio. Uno dei lavori più interessanti e di successo in questa direzione è stato il progetto BIOS, lanciato dai dipendenti dell'Istituto di biofisica di Krasnoyarsk (URSS, ora Federazione Russa). Lì, sono stati sviluppati sistemi di supporto vitale per la permanenza umana nello spazio, in condizioni estreme di latitudini polari, deserti, altopiani, sott'acqua.
Nel 1964, nel sistema BIOS-1, fu implementato un sistema di supporto vitale della clorella umana a due collegamenti, chiuso sullo scambio di gas. Le alghe assorbivano anidride carbonica e producevano ossigeno, ma non potevano essere utilizzate per il cibo.
Nel complesso BIOS-2, che iniziò a essere creato nel 1965, oltre alle alghe, furono coinvolte piante superiori: grano, verdure. Nel 1968 furono effettuati i primi esperimenti nel sistema a tre anelli "uomo - microalghe - piante superiori". Raggiunto l'85% di riutilizzo dell'acqua. Sulla base di questi esperimenti, è stato creato BIOS-3, un sistema ecologico chiuso di supporto della vita umana con controllo autonomo.
Schema di scambio di gas e acqua nel complesso sperimentale "Bios-3". I percorsi del gas sono indicati con linee arancioni, acqua - nera. Le frecce blu indicano la direzione del viaggio. Le lettere indicano: B - coltivatori di alghe clorella, G - soffiatore a gas, U - filtro a carbone, C - raccoglitori di acque reflue in cucina e servizi igienici, Q - raccoglitore di condensa di umidità nel fitotrone, D - serbatoio per bollire e conservare l'acqua domestica, M - collettore urina, F - unità per la purificazione dell'assorbimento dell'acqua potabile.
La costruzione del complesso BIOS-3 fu completata nel 1972. Nel seminterrato dell'Istituto di biofisica nel Krasnoyarsk Academgorodok, è stata costruita una stanza sigillata con dimensioni di 14x9x2,5 me un volume di circa 315 m3. Era diviso in 4 compartimenti uguali, due dei quali occupati da fitotroni per la coltivazione delle piante, uno da coltivatori di microalghe, e l'ultimo era un blocco abitativo con cabine per l'equipaggio, apparecchiature domestiche e ausiliarie. I compartimenti erano collegati da porte sigillate.
Sulla base di BIOS-Z, sono stati effettuati 10 esperimenti con equipaggi da una a tre persone. Il più lungo di loro è durato 180 giorni (1972-1973). È stato possibile realizzare una "chiusura" completa dell'impianto gas e acqua, il fabbisogno alimentare dell'equipaggio è stato soddisfatto per l'80% con risorse interne. L'ingegnere Nikolai Bugreev ha vissuto nel complesso il più lungo (13 mesi in totale).
Nelle serre sotto illuminazione artificiale venivano coltivate varietà speciali di grano, soia, lattuga, chufa (raccolto di semi oleosi dell'Asia centrale), carote, ravanelli, barbabietole, patate, cetrioli, acetosa, cavoli, aneto e cipolle. Il grano nano, allevato dal professor G. M. Lisovsky, ha steli accorciati, il che ha permesso di ridurre la quantità di rifiuti. Anche il cibo in scatola con prodotti di origine animale veniva usato per il cibo.
Alla fine degli anni '80, gli esperimenti in BIOS-Z furono temporaneamente sospesi.
Nel 1991, il Centro internazionale per i sistemi ecologici chiusi è stato creato sotto la guida dell'accademico I. I. Gitelzon, che è diventato una suddivisione strutturale dell'Istituto di biofisica di Krasnoyarsk, filiale siberiana dell'Accademia delle scienze russa. Lo scopo della sua ricerca è creare prototipi e modelli funzionanti di ecosistemi chiusi per il supporto della vita umana a lungo termine in condizioni terrestri e spaziali estreme sulla base dello studio dei processi di circolazione delle sostanze nella biosfera terrestre.
Lo sviluppo di un nuovo modello di biosistema è iniziato a Krasnoyarsk nel 2005 con il supporto dell'Agenzia spaziale europea. Al momento, nell'ambito di questo progetto, sono in corso ricerche nel campo del riciclaggio dei rifiuti e della coltivazione di piante in ecosistemi chiusi.
La NASA progetta biosistemi
Gli specialisti della NASA, ovviamente, non potevano stare lontani dallo sviluppo di biosistemi chiusi, che potrebbero in seguito essere utilizzati per supportare gli equipaggi delle stazioni spaziali e delle navi interplanetarie. I loro risultati in questo settore sono molto minori, ma hanno un tangibile successo commerciale.
Questo è un modulo biologico chiamato Ecosphere, che è un acquario a sfera di vetro sigillato con un diametro di 10-20 cm, riempito con acqua di mare con una piccola bolla d'aria e "popolato" con diversi gamberetti Halocaridina rubra, pezzi di corallo, alghe verdi e batteri che scompongono il cibo funzioni vitali dei gamberetti. Sul fondo dell'acquario, piuttosto per ragioni estetiche, vengono versate sabbia e conchiglie.
Secondo le assicurazioni dei produttori, tutto questo mondo doveva essere assolutamente autonomo per un tempo illimitato: necessitava solo della luce solare e del mantenimento di una temperatura più o meno costante. I gamberi si moltiplicarono e morirono, senza andare oltre la quantità che le risorse disponibili potevano "sfamare". L'ecosfera divenne immediatamente incredibilmente popolare.
È vero, divenne presto chiaro che la sua "eternità" era di soli 2-3 anni, dopo di che l'equilibrio biologico all'interno dell'acquario fu disturbato e i suoi abitanti morirono. Tuttavia, gli acquari ermetici sono ancora popolari oggi - dopo tutto, ogni civiltà ha la sua "durata di conservazione", e anche due anni per gli standard di un gambero non è poi così male.
"Formicaio spaziale" sul tuo tavolo
Le formiche sono creature fantastiche. Si trovano in quasi tutte le zone naturali (ad eccezione dei deserti artici). I loro antichi antenati, poco diversi dai rappresentanti moderni di questa famiglia, vivevano sulla Terra oltre 100 milioni di anni fa, come dimostrano i loro resti trovati nel limo pietrificato. È molto probabile che anche allora avessero le capacità di una "comunità collettiva" e fossero suddivisi in "caste": formiche operaie, guerrieri, cacciatori, ecc.
Ci sono più di 12,5 mila specie classificate di formiche da sole e il numero totale di questi insetti sulla Terra può raggiungere un quadrilione (un milione di miliardi, o 1015). Con una massa media di un esemplare di circa 3 mg, la loro biomassa totale risulta essere solo un ordine di grandezza inferiore alla biomassa dell'umanità, mentre ci sono circa centinaia di migliaia di formiche per persona. È ovvio che una famiglia così numerosa di esseri viventi è uno degli elementi più importanti della biosfera. Pertanto, i mirmecologi (la mirmecologia è una branca dell'entomologia che studia le formiche) sono attivamente coinvolti nella maggior parte delle ricerche dedicate alla creazione di ecosistemi chiusi.
La maggior parte della vita delle formiche si svolge in rifugi sotterranei o in altri rifugi difficili da raggiungere, dove è estremamente difficile osservarli. Gli scienziati si sono impegnati molto per risolvere questo problema. La versione più semplice dell '"osservatorio delle formiche" può essere considerata un formicaio artificiale di due pannelli di vetro (plastica) trasparenti e uno strato di sabbia tra di loro. Le osservazioni vengono eseguite in condizioni di luce debole o raggi infrarossi.
Poiché la sabbia è opaca, in un tale formicaio puoi vedere solo i tunnel direttamente adiacenti alla parete di vetro. Inoltre, questa struttura è molto poco trasportabile: anche con un leggero scossone, i passaggi allineati dalle formiche si sgretolano e collassano. Pertanto, per sperimentarli sulle astronavi dello Space Shuttle, i dipendenti della NASA hanno dovuto progettare un habitat in cui le formiche potessero vivere e costruire tunnel in grado di resistere agli effetti di improvvisi cambiamenti di gravità.
Concept per il progetto Mars One
Per questo, è stato sviluppato uno speciale riempitivo gelatinoso, adatto alle formiche per viverci e costruire tunnel. Serve anche come fonte di cibo per loro. Questa tecnologia è stata utilizzata per costruire il "formicaio desktop" Antquarium, che offre a tutti gli amanti della fauna la rara opportunità di osservare l'affascinante vita di questi insetti.
L'Antquarium non è un ecosistema chiuso, ma l'apporto di acqua e sostanze nutritive (diverse dall'aria) è limitato. Anche la probabilità che vi entrino batteri patogeni e formiche parassite è ridotta al minimo. Pertanto, un "formicaio trasparente" può sostenere la vita dei suoi abitanti per un periodo piuttosto lungo, a condizione che vengano rispettate le condizioni di luce e temperatura specificate nelle istruzioni.
Rivista "Universe, Space, Time", marzo 2014
