2023 Autor: Adelina Croftoon | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 12:05
Wann bleiben unsere Spuren endlich auf den staubigen Pfaden ferner Planeten? Die Menschheit bereitet beharrlich eine Antwort auf diese Frage vor, betreibt groß angelegte Forschung und schafft Technologien für die Entwicklung anderer Welten.
Die Worte von Konstantin Tsiolkovsky, die vor mehr als einem Jahrhundert sagten: "Die Menschheit wird nicht ewig auf der Erde bleiben …" beginnen gerade erst, wahr zu werden. Bisher konnte sich ein Mensch von seinem Heimatplaneten nur bis zur Entfernung der Mondumlaufbahn entfernen, aber auch in niedrigeren Umlaufbahnen können moderne Technologien keinen vollständig autonomen bemannten Flug von mehr als 3-4 Monaten ermöglichen: nach dieser Zeit, wird die Besatzung des Raumfahrzeugs auf jeden Fall Verbrauchsmaterialien benötigen, die von der Erde geliefert werden.
Nach wie vor ist es nicht möglich, isoliert von der Biosphäre der Erde eine ausreichende Ernährung, Wasserversorgung, ständige Sauerstoffversorgung und effektive Verwertung von Abfallprodukten zu organisieren.
In diesem Stadium ist die Antwort auf die Frage "Wie überlebt man im Weltraum?" hört sich so an: "nehmen" Sie einen bestimmten minimal notwendigen Teil dieser Biosphäre mit und "zwingen" sie, unter Bedingungen geringer Schwerkraft, kleiner beengter Räume und eines Überschusses an energiereicher Strahlung zu funktionieren.
Leider können nicht alle Versuche, einen solchen geschlossenen Kreislauf auch bei milderen "Boden"-Bedingungen umzusetzen, als erfolgreich bezeichnet werden. Das bekannteste davon ist zweifellos das amerikanische Projekt "Biosphere-2", durchgeführt von Space Biosphere Ventures (hauptsächlich finanziert vom Milliardär Edward Bass).
Das Schicksal der "Biosphäre"
Im Sommer 1991 wurde in einem Wüstengebiet in der Nähe der Stadt Oracle (Arizona) der Bau einer groß angelegten Struktur abgeschlossen, die eine riesige Glas-Metall-Struktur umfasste, die eine Fläche von 1,27 Hektar umfasste.
Zusammen mit Nebengebäuden war es eine geschlossene Anlage mit einem Volumen von 203.760 m3. In diesem Band wurde eine Reihe von Biomen modelliert: Regenwald, Savanne, mediterraner steifer Busch, Wüste, Süßwasser und salziger (Mangroven-)Sumpf und sogar ein Mini-Ozean mit lebenden Korallenriffen.
MARS-500
In Vorbereitung auf einen bemannten Flug zum Mars starteten russische Spezialisten ein Großexperiment "Mars-500". Das Hauptziel des Projekts ist es, die Besonderheiten des Zusammenlebens von sechs Menschen in einem isolierten Raum für lange Zeit unter Bedingungen eingeschränkter 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, wurde lange Zeit nicht gestellt. Das Experiment dauerte 519 Tage - vom 3. Juni 2010 bis zum 4. November 2011.
Ihre relative "Darstellung" unterschied sich zwar stark von der realen - insbesondere machte der Ozean weniger als ein Drittel der "Biosphäre" aus, während auf der Erde Wasserräume 71% der Oberfläche einnehmen. Diese ganze Artenvielfalt wurde mit fast viertausend Tier-, Pflanzen- und Mikroorganismenarten "bevölkert".
Ihre Artenzusammensetzung wurde so gewählt, dass sie den biosphärischen Stoffkreislauf, einschließlich der Produktion und des Abbaus von organischem Material (einschließlich des natürlichen Abbaus menschlicher Abfälle) am besten simuliert. Die riesigen Kompressoren passten den Innendruck an den Außendruck an und minimierten so Luftlecks.
Am 26. September 1991 wurden acht Menschen – vier Männer und vier Frauen – Teil der künstlichen Biosphäre. Sie sollten genau zwei Jahre in völliger Isolation von der Außenwelt verbringen (allerdings die Möglichkeit haben, mit ihm am Telefon zu kommunizieren). Als Nahrung mussten sie andere Bewohner von "Biosphere-2" verwenden - Fische, Garnelen, Ziegen, Hühner und Schweine sowie Gemüse und Obst, die in speziell ausgewiesenen Gebieten angebaut wurden.
Es wurde angenommen, dass der Komplex autonom funktionieren würde, da er alle Bedingungen für den normalen Stoffkreislauf hatte. Sonnenlicht, Wissenschaftlern zufolge, sollte für die Vermehrung von Sauerstoff durch Pflanzen durch Photosynthese, Würmer und Mikroorganismen zur Abfallverarbeitung, Insekten - Bestäubung von Pflanzen usw. Die Zirkulation und Reinigung des Wassers wurde durch den Betrieb von Jalousien durchgeführt, die die Sonneneinstrahlung regulieren, wodurch Konvektionsströme warmer Luft verursacht wurden, die zur Verdunstung von der Oberfläche des "Ozeans" beitrugen.
Kondensierend fiel Feuchtigkeit 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 das bei der Atmung freigesetzte Kohlendioxid absorbiert und theoretisch hätte der erforderliche Sauerstoffgehalt in der Luft aufrechterhalten werden müssen. Allerdings könnten sowohl die direkten Teilnehmer des Experiments als auch seine Leiter „von außen“in den Betrieb lebenserhaltender Systeme bis zu einem gewissen Grad eingreifen.
Alle Abfallprodukte wurden mit biologischen Methoden abgebaut und dienten als Nahrung für Pflanzen, die wiederum zum Teil als Nahrung für Menschen, Fische und Haustiere dienten. Der Einsatz giftiger Chemikalien (Insektizide und Pestizide) wurde komplett ausgeschlossen. Die Schädlingsbekämpfung erfolgte nach "natürlichen" Methoden - sie wurden von Hand gesammelt und vernichtet oder ihre natürlichen Feinde gezüchtet.
Auch der Einsatz umweltbelastender Energiequellen wie offenes Feuer war nicht erlaubt. Sonnenkollektoren lieferten Energie für das Kochen, die Beleuchtung und die Stromversorgung der Geräte.
Es schien, dass alles berücksichtigt und eine ideale Welt gebaut wurde … jedoch ließen die Probleme nicht lange auf sich warten. Biosphere-2 erwies sich als überbevölkert. Die Menschen hatten nicht genug kalorienreiche Nahrung - sie mussten im "Dschungel" Bananen und Papayas anpflanzen, den Anbau von Getreide verdichten, ohne die Fläche zu vergrößern, und die Nahrungsmittelverteilung einführen.
Über der "Wüste" auf dem Glasdach am Morgen kondensierte Wasser und es fiel Regen. Es war unmöglich, es zu beseitigen, und so "verwandelte" sich die Wüste allmählich in eine Steppe. 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 Soja- und Rapssprossen, um Samen in der Schwerelosigkeit zu gewinnen. Diese Studien hatten einen praktischen Zweck: Die Besatzungen interplanetarer Raumschiffe, die zu fernen Planeten fliegen, werden definitiv "Weltraumgärten" brauchen, die Astronauten mit Nahrung und Sauerstoff versorgen.
Sehr schnell setzte eine schnelle, unkontrollierte Vermehrung von Insekten und Mikroorganismen ein, die aktiv Sauerstoff aufnehmen. Sein Gehalt in der Luft sank auf 14% (bei der Norm 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 merklich gesunken. Eine der Frauen schnitt sich bei der Arbeit an landwirtschaftlichen Geräten den Finger ab. Selbst annähen war nicht möglich und das Opfer musste "in die große Welt" evakuiert werden.
Später wurde die "Reinheit des Experiments" komplett verletzt: Durch das übermäßig aktivierte Klimaphänomen "El Niño" war der Himmel über Arizona viel häufiger als erwartet von Wolken bedeckt, und es gab nicht genug Sonnenlicht, um bei der Photosynthese Sauerstoff zu reproduzieren.
Um ernsthafte Konsequenzen zu vermeiden, beschloss Edward Base, dieses Gas von außen unter die Kuppel zu pumpen. Insgesamt mussten mehr als 20 Tonnen davon gepumpt werden. Inzwischen haben die "Experimentellen" neben ihren Hauptbeschäftigungen energisch exzessiv gezüchtete Kakerlaken und Ameisen ausgerottet (hauptsächlich drückten sie einfach - sie konnten diese Insekten unter den Bewohnern der "Biosphäre" nicht finden).
Ziemlich schnell teilte sich das Team in zwei gegensätzliche Gruppen, von denen die eine einen sofortigen Abbruch des Experiments forderte und die zweite darauf bestand, dass es notwendig sei, "bis zum Ende durchzuhalten". Da der Wille zum "Durchhalten" von der Projektleitung geteilt wurde, mussten beide Gruppen bis zum 26. September 1993 unter einem Dach zusammenleben, als sieben ausgemergelte und erschöpfte Bewohner des "irdischen Paradieses" es schließlich verließen. Aber auch 20 Jahre später meiden Vertreter verschiedener Gruppen fleißig Treffen und jede andere Kommunikation.
Die Wissenschaftler wollten den einzigartigen Komplex nicht aufgeben, daher wurde bereits Ende 1993 mit der Restaurierung begonnen: Nach zwei Jahren Experiment waren das Design von "Biosphere-2" und viele seiner Systeme ernsthaft 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. Probleme mit der unkontrollierten Vermehrung von Mikroben und Insekten konnten nicht gelöst werden.
5. April 1994 Abigail Elling und Mark Van Thillo (Abigail Ailing, Mark Van Thillo) - zwei Teilnehmer des ersten Experiments - schafften es, eine Luftschleuse und drei Notausgangstüren zu öffnen und die Dichtheit des Komplexes für eine Viertelstunde zu durchbrechen. Außerdem zerschmetterten sie fünf Glasdachplatten. Elling erklärte ihre Tat damit, dass sie den Menschen im Inneren die Wahl zwischen Freiheit und "Gefängnis" lassen wollte.
Am 1. Juni 1994 hörte Space Biospheres Ventures offiziell auf zu existieren und übertrug alle Geschäfte (einschließlich des zweiten Experiments) an ein temporäres Managementteam, das von Decisions Investment Co.
Mitte 1996, nachdem das Management der "Biosphere" an die Columbia University (New York City) übertragen wurde, starteten Wissenschaftler darin ein neues Experiment, diesmal ohne Beteiligung von Menschen. Sie wollten herausfinden, ob der Ertrag mit steigendem Kohlendioxidanteil wirklich steigt (und in welchem Ausmaß), was mit überschüssigem Kohlendioxid passiert und wo es sich ansammelt und ob bei einem unkontrollierten Erhöhung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre. Auf keine dieser Fragen konnten eindeutige Antworten gefunden werden.
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, die in der Nähe einen Hotel- und Bildungskomplex bauen wollte, und Biosphere-2 selbst sollte zu einer öffentlich zugänglichen Touristenattraktion werden. Am 26. Juli 2007 wurde das einzigartige Labor der University of Arizona zur Verfügung gestellt.
… An einer der Innenwände der "Biosphäre" hängen noch mehrere Zeilen, die einer der Teilnehmer der ersten Mission geschrieben hat: "Nur hier spürten wir, wie abhängig von der umgebenden Natur. Wenn es keine Bäume gibt, haben wir nichts zum 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
Kurz nach den ersten bemannten Raumflügen begann die Erforschung der Möglichkeit, stabile biophysikalische Systeme der kontinuierlichen Biosynthese zu schaffen. 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 Lebenserhaltungssysteme für den menschlichen Aufenthalt im Weltraum, unter extremen Bedingungen der polaren Breiten, Wüsten, Hochländer, unter Wasser entwickelt.
Im Jahr 1964 wurde im BIOS-1-System ein zweigliedriges Human-Chlorella-Lebenserhaltungssystem implementiert, das in Bezug auf den Gasaustausch geschlossen ist. Algen nahmen Kohlendioxid auf und produzierten Sauerstoff, konnten aber nicht als Nahrung verwendet werden.
Am BIOS-2-Komplex, der 1965 zu schaffen begann, waren neben Algen auch höhere Pflanzen beteiligt - Weizen, Gemüse. 1968 wurden die ersten Versuche im Drei-Linker-System „Mensch – Mikroalgen – Höhere Pflanzen“durchgeführt. 85% Wasserwiederverwendung erreicht. Auf der Grundlage dieser Experimente wurde BIOS-3 geschaffen - ein geschlossenes ökologisches menschliches Lebenserhaltungssystem mit autonomer Steuerung.
Schema des Gas- und Wasseraustausches im Versuchskomplex "Bios-3". Gaswege werden mit orangen Linien dargestellt, Wasser - schwarz. Die blauen Pfeile zeigen die Fahrtrichtung an. Buchstaben bedeuten: B - Chlorella-Algenkultivatoren, G - Gasgebläse, U - Aktivkohlefilter, C - Abwassersammler in Küche und Toilette, Q - Kondenswassersammler im Phytotron, D - Tank zum Kochen und Speichern von Haushaltswasser, M - Sammelurin, F - Einheit zur Sorptions-Tertiärbehandlung von Trinkwasser.
Der Bau des BIOS-3-Komplexes wurde 1972 abgeschlossen. Im Untergeschoss des Instituts für Biophysik in der Krasnojarsker Akademie wurde ein versiegelter Raum mit den Abmessungen 14x9x2,5 m und einem Volumen von ca. 315 m3 gebaut. Es war in 4 gleiche Abteile unterteilt, von denen zwei von Phytotronen für die Pflanzenzucht, eines von Mikroalgenkultivatoren und das letzte ein Wohnblock mit Mannschaftskabinen, Haushalts- und Hilfsgeräten waren. Die Abteile waren durch abgedichtete 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). Eine vollständige „Schließung“des Systems für Gas und Wasser konnte erreicht werden, der Nahrungsbedarf der Besatzung wurde zu 80 % auf Kosten der internen Ressourcen gedeckt. Der Ingenieur Nikolai Bugreev lebte am längsten in der Anlage (insgesamt 13 Monate).
In Gewächshäusern wurden unter künstlicher Beleuchtung spezielle Sorten von Weizen, Sojabohnen, Salat, Chufa (Zentralasiatische Ölsaaten), Karotten, Radieschen, Rüben, Kartoffeln, Gurken, Sauerampfer, Kohl, Dill und Zwiebeln angebaut. Der von Professor G. M. Lisovsky gezüchtete Zwergweizen hat verkürzte Stiele, wodurch die Abfallmenge reduziert werden konnte. Konserven mit tierischen Produkten wurden auch für Lebensmittel verwendet.
Ende der 80er Jahre wurden Experimente in BIOS-Z vorübergehend eingestellt.
1991 wurde das Internationale Zentrum für geschlossene ökologische Systeme unter der Leitung des Akademiemitglieds I. I. Gitelzon gegründet, das eine strukturelle Unterabteilung des Krasnojarsker Instituts für Biophysik der sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften wurde. Ziel seiner Forschung ist die Erstellung von Prototypen und Arbeitsmodellen geschlossener Ökosysteme zur langfristigen Lebenserhaltung des Menschen unter extremen terrestrischen und Weltraumbedingungen auf der Grundlage der Untersuchung der Prozesse der Stoffzirkulation in der Biosphäre der Erde.
Die Entwicklung eines neuen Biosystemmodells begann 2005 in Krasnojarsk mit Unterstützung der Europäischen Weltraumorganisation. Derzeit wird im Rahmen dieses Projektes im Bereich Abfallrecycling und Pflanzenzucht in geschlossenen Ökosystemen geforscht.
NASA entwirft Biosysteme
Die NASA-Spezialisten konnten sich natürlich der Entwicklung geschlossener Biosysteme nicht entziehen, mit denen später die Besatzungen von Raumstationen und interplanetaren Raumfahrzeugen unterstützt werden könnten. Ihre Leistungen in diesem Bereich sind viel geringer, aber sie haben einen handfesten kommerziellen Erfolg.
Die Rede ist von einem biologischen Modul namens Ecosphere, das ist ein verschlossenes Glaskugel-Aquarium mit einem Durchmesser von 10-20 cm, gefüllt mit Meerwasser mit einer kleinen Luftblase und "bevölkert" mit mehreren Halocaridina rubra Garnelen, Korallenstückchen, grün Algen und Bakterien, die die lebenswichtigen Funktionen von Garnelen abbauen. Am Boden des Aquariums werden eher aus ästhetischen Gründen etwas Sand und Muscheln gegossen.
Nach den Zusicherungen der Hersteller sollte diese ganze Welt auf unbegrenzte Zeit völlig autonom sein - sie brauchte nur Sonnenlicht und eine mehr oder weniger konstante Temperatur. Garnelen vermehrten sich und starben jedoch, ohne die Menge zu überschreiten, die die verfügbaren Ressourcen "füttern" konnten. Ecosphere wurde sofort unglaublich beliebt.
Es wurde zwar bald klar, dass seine "Ewigkeit" nur 2-3 Jahre betrug, wonach das biologische Gleichgewicht im Aquarium gestört war und seine Bewohner starben. Trotzdem sind hermetische Aquarien nach wie vor beliebt – schließlich hat jede Zivilisation ihre eigene „Haltbarkeit“, und selbst zwei Jahre nach den Maßstäben einer Garnele sind eigentlich gar nicht so schlimm.
"Space Ameisenhaufen" auf Ihrem Tisch
Ameisen sind erstaunliche Kreaturen. Sie kommen in fast allen natürlichen Zonen vor (außer in arktischen Wüsten). Ihre alten Vorfahren, die sich kaum von den modernen Vertretern dieser Familie unterschieden, lebten vor über 100 Millionen Jahren auf der Erde, wie ihre Überreste in versteinertem Schlick belegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie schon damals die Fähigkeiten einer "Kollektivgemeinschaft" hatten und in "Kasten" unterteilt waren - Arbeiterameisen, Krieger, Jäger usw.
Es gibt allein über 12,5 Tausend klassifizierte Ameisenarten, die Gesamtzahl dieser Insekten auf der Erde kann eine Billiarde erreichen (eine Million Milliarden oder 1015). Mit einer durchschnittlichen Masse eines Exemplars von etwa 3 mg fällt ihre Gesamtbiomasse nur um eine Größenordnung geringer aus als die Biomasse der Menschheit, während es etwa Hunderttausende Ameisen pro Person gibt. Es liegt auf der Hand, 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 Studien zur Schaffung geschlossener Ökosysteme beteiligt.
Der Hauptteil des Lebens der Ameisen spielt sich in unterirdischen oder anderen schwer zugänglichen Unterkünften ab, wo es äußerst schwierig ist, sie zu beobachten. Wissenschaftler haben sich viel Mühe gegeben, dieses Problem zu lösen. Die einfachste Version des "Ameisenobservatoriums" kann als künstlicher Ameisenhaufen aus zwei transparenten Glasplatten (Kunststoff) und Sandspachtel dazwischen betrachtet werden. Die Beobachtungen werden bei schwachem Licht oder Infrarotstrahlen durchgeführt.
Da der Sand undurchsichtig ist, sieht man in einem solchen Ameisenhaufen nur die Tunnel direkt neben der Glaswand. Außerdem ist diese Konstruktion sehr schlecht transportabel - selbst bei einem leichten Aufrütteln bröckeln und kollabieren die von Ameisen aufgereihten Gänge. Um mit ihnen auf Space-Shuttle-Raumschiffen zu experimentieren, mussten NASA-Mitarbeiter daher einen Lebensraum entwerfen, in dem Ameisen leben und Tunnel bauen konnten, die den Auswirkungen plötzlicher Änderungen der Schwerkraft standhalten konnten.
Konzept für das Mars One-Projekt
Dafür wurde ein spezieller geleeartiger Füllstoff entwickelt, der für Ameisen geeignet ist, darin zu leben und Tunnel zu bauen. Er dient ihnen auch als Nahrungsquelle. Mit dieser Technologie wurde das Antquarium "Desktop-Ameisenhaufen" gebaut, das allen Wildliebhabern 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 dort begrenzt. Die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von pathogenen Bakterien und Ameisenparasiten wird ebenfalls minimiert. Daher kann ein „transparenter Ameisenhaufen“das Leben seiner Bewohner recht lange unterstützen – vorausgesetzt, die in der Anleitung angegebenen Licht- und Temperaturbedingungen werden eingehalten.
