Jak powstała pierwsza na świecie instalacja do autonomicznego przetrwania w kosmosie w Krasnojarsku
W filmie „Marsjanin” bohater musiał czekać na przybycie na Czerwoną Planetę kolejnej wyprawy z niewielkim zapasem wody, jedzenia i powietrza. Amerykańskie kino próbowało dowiedzieć się, jak to zrobić, a radzieccy naukowcy rozwiązali podobny problem, zanim Andy Weyer napisał książkę o przetrwaniu na Marsie.
Pół wieku temu w Krasnojarskim Instytucie Fizyki SB RAS powstało urządzenie, które pomogłoby astronaucie przetrwać na dowolnej planecie bez specjalnych problemów i pomocy z zewnątrz. Rewolucyjny system zaopatrzenia w pętlę zamkniętą BIOS-3, który nie ma odpowiednika na świecie, niemal całkowicie zaopatrywał ludzi w wodę, tlen i żywność. Wystarczyło zabrać ze sobą bardzo mały zapas, a potem wszystko zostało wyprodukowane i wyczyszczone przez sam system.
Russian Planet odkryła, jak syberyjscy naukowcy byli w stanie wyprzedzić swój czas i kolegów.
Oddychaj algami
- Pierwsze eksperymenty nad tworzeniem zamkniętych autonomicznych systemów podtrzymywania życia rozpoczęły się w Krasnojarsku pod koniec lat 60. - czołowy badacz, sekretarz naukowy Instytutu Biofizyki Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, kandydat nauk biologicznych Jegor Zaderejew mówi korespondent RP. - Naukowcy odkryli, że aby dwie osoby mogły przeżyć rok, potrzebują około 300 kg tlenu, 2,5 tony wody i 400 kg pożywienia. Jednocześnie w tym samym okresie wyemitują 350 kg dwutlenku węgla i tonę odpadów, które muszą zostać poddane recyklingowi. Pozostało wymyślić, jak zapewnić im to wszystko w środowisku odizolowanym od świata zewnętrznego.
Eksperci przeprowadzili eksperymenty i potwierdzili hipotezę, że potencjał rozwojowy żywego organizmu jest wyższy niż realne możliwości. Kiedy jednokomórkowa alga Chlorella została umieszczona w idealnych warunkach, zaczęła rosnąć znacznie szybciej i wytwarzać więcej tlenu niż w swoim naturalnym środowisku, a także aktywniej przetwarzać dwutlenek węgla.
Zaczęły wystarczać glony w małym zbiorniku, aby człowiek mógł normalnie oddychać przez cały dzień, umieszczając twarz w specjalnym otworze, który nie przepuszcza powietrza z zewnątrz. Tak więc w 1964 roku stworzyli system z zamkniętym cyklem reprodukcji tlenu „BIOS-1”, który pomagał oddychać w przestrzeni pozbawionej powietrza, na przykład w kosmosie. Wtedy naukowcom udało się wydłużyć czas spędzony w zamkniętym pomieszczeniu z 12 godzin do 30 dni. Później zamknięto również wymianę wody, co umożliwiło przeprowadzenie 45-dniowego eksperymentu.
Jednak glony były przydatne tylko w celu dostarczenia człowiekowi tlenu i pozbycia się dwutlenku węgla. Jeśli w ograniczonej przestrzeni nie ma innych roślin, będziesz musiał również jeść glony. Dla ludzkiego organizmu może być wystarczająco dużo składników odżywczych, ale utrzymanie zdrowia psychicznego na takiej diecie będzie problematyczne.
W 1966 roku naukowcy rozpoczęli eksperymenty z warzywami i zbożami, w wyniku czego zbudowali instalację BIOS-2. Okazało się, że jeśli dla tej samej pszenicy stworzy się idealne warunki do wzrostu - bez zmian temperatury, zmian pogody, chwastów, to da ona plon sześć razy w roku i kilka razy więcej niż w warunkach naturalnych. Po drodze naukowcy ustalili, ile pszenicy trzeba zasiać, aby wyżywić jedną osobę.
Bionauci w bunkrze
„Kiedy założyciel rosyjskiej kosmonautyki Siergiej Korolew dowiedział się o eksperymentach prowadzonych w Instytucie Fizyki SB RAS, zainteresował się nimi i spotkał się z założycielem i dyrektorem Instytutu Krasnojarskiego, akademikiem Leonidem Kirenskim” kontynuuje Jegor Zaderejew. - Na osobiste polecenie Korolowa, który potrzebował autonomicznego systemu podtrzymywania życia dla stacji na Księżycu, przeznaczono środki na dalsze badania. Dzięki nim w rekordowo krótkim czasie, bo zaledwie w siedem lat, powstał sztuczny ekosystem „BIOS-3”.
Biofizycy z Krasnojarska otrzymali na tamte czasy ogromne pieniądze - 1 milion rubli. Dzięki tym środkom do 1972 roku zbudowali specjalny bunkier odizolowany od świata zewnętrznego ścianami ze stali nierdzewnej, którego łączna objętość wynosiła 315 metrów sześciennych. m, a powierzchnia wynosi 14x9x2,5 m.
Schron został zaprojektowany dla trzech osób i podzielony na cztery części. W jednej znajdowały się kabiny mieszkalne z łóżkami, kuchnia-jadalnia, łazienka oraz część do pracy - warsztat-laboratorium z urządzeniami do przetwarzania zbóż na biomasę niejadalną oraz z systemami oczyszczania wody i powietrza. Pozostałe trzy części przeznaczone były dla roślin. W ograniczonej przestrzeni i przy sztucznym oświetleniu rosły algi, hodowano odmiany soi, sałaty, ogórków, rzodkiewki, marchwi, buraków, kopru, kapusty, ziemniaków i cebuli. Regenerowały wodę i tlen, a także dostarczały „bionautom” wszystkich niezbędnych do ich egzystencji składników odżywczych, witamin i mikroelementów. Rosła tam również pszenica karłowata o bardzo krótkiej łodydze, specjalnie wyhodowana przez hodowcę Krasnojarsk Henrikh Lisovsky: niejadalna część ucha miała minimalny rozmiar i było mało odpadów. Dała plon 200-300 centów na hektar. A zioło chufa z Azji Środkowej dostarczało ludziom oleju roślinnego.
Aby ludzie w „BIOSie” mogli komunikować się ze światem zewnętrznym, w szczelnym bunkrze umieszczono telewizor i telefon. Zainstalowano system chłodzenia i zasilania.
- Na początku lat siedemdziesiątych trzech ochotników spośród pracowników po raz pierwszy mieszkało w bunkrze przez sześć miesięcy - 180 dni, od 24 grudnia 1972 do 22 czerwca 1973 - mówi Jegor Zadereev. „Cały tlen, którym oddychali, pochodził z roślin, które uprawiali. Przetwarzali również dwutlenek węgla. Początkowo dostępna woda była przetwarzana i oczyszczana do wielokrotnego wykorzystania.
Trwa kolejna sesja komunikacji z testerami w instalacji BIOS-3. Tester V. V. Terskich (w oknie), fot. 1973. Zdjęcie: foto.kirensky.ru
Uczestnicy eksperymentu jedli warzywa, które sami uprawiali, zbierali i mielili pszenicę oraz wypiekali z niej chleb. Otrzymywali więc 300 gramów chleba i 400 gramów warzyw dziennie. „Bionauci” z białka zwierzęcego dostarczali żywność w puszkach i mięso liofilizowane. Stałe obserwacje medyczne wykazały, że taka dieta, jak również przetworzona i oczyszczona woda i powietrze nie wpłynęły negatywnie na zdrowie ochotników.
Eksperyment trwał tylko sześć miesięcy. Stało się jasne, że nie ma sensu go kontynuować: zamknięty system podtrzymywania życia stworzony w BIOS-ie działa bezbłędnie. Sztucznie stworzony przenośnik do produkcji wody, tlenu i żywności nie zawodzi. Oczywiście pod warunkiem, że duża ilość energii elektrycznej pochodzi z zewnątrz, ale ten problem w kosmosie lub na którejkolwiek z planet można łatwo rozwiązać za pomocą elektrowni jądrowej lub paneli słonecznych.
Rok za zamkniętymi drzwiami
Na stacji „BIOS-3”, która symuluje osadnictwo pozaziemskie, przeprowadzono 10 eksperymentów dotyczących autonomicznego przetrwania. Wzięły w nich udział załogi od jednej do trzech osób. Inżynier Nikołaj Bugreev mieszkał w BIOS-3 dłużej niż reszta „bionautów” - łącznie 13 miesięcy.
W 1968 r. rozwój Krasnojarska został uznany na XIX Kongresie Międzynarodowej Federacji Astronautycznej jako jeden z możliwych prototypów systemu biologicznego zapewniającego życie ludziom na nowym etapie eksploracji kosmosu - podczas długich ekspedycji. Stało się to światowym uznaniem osiągnięć biofizyków syberyjskich.
Naukowcy musieli rozwiązać jeszcze jeden fundamentalny problem - jak zapewnić ludziom w ograniczonej przestrzeni nie tylko pokarm roślinny, ale także pokarm białkowy. Jeden z twórców BIOS-3, akademik Iosif Gitelzon, wysunął na owe czasy rewolucyjny pomysł - wykorzystać do tego genetycznie modyfikowane rośliny, które produkowałyby pożądane białko zwierzęce. Nierozwiązane pozostały również problemy naturalnego wykorzystania biomasy roślinnej i powrotu soli wydalanej z organizmu człowieka do wewnątrzustrojowej wymiany masy.
Naukowcy postanowili powtórzyć udany eksperyment na Ziemi w kosmosie. Instytut Krasnojarski zaczął przygotowywać pierwsze pojemniki do uprawy roślin w stanie zerowej grawitacji, ale potem wybuchła pierestrojka. Z powodu zupełnego braku funduszy trzeba było przerwać unikalne badania, które w tamtym czasie nie miały odpowiednika na świecie, a BIOS-3 zlikwidowano.
Od lewej do prawej - uczestnicy 6-miesięcznego eksperymentu w BIOS-3: M. P. Shilenko, W. W. Terskikh, N. I. Pietrow, fot. 1973. Zdjęcie: foto.kirensky.ru
Pustynna arka
Dopiero 15 lat później, w 1985 roku, w Stanach Zjednoczonych podjęto próbę przeprowadzenia podobnego eksperymentu.
Za pieniądze multimilionera Eda Bassa w Arizonie zbudowano gigantyczną bazę „Biosphere-2” z hermetycznych kopuł o powierzchni 12 tysięcy metrów kwadratowych. m. Na tym rozległym terytorium naukowcy odtworzyli ziemskie krajobrazy - pustynię, las tropikalny, sawannę, a nawet mały ocean z rafą koralową, posadzili rośliny i sprowadzili setki gatunków zwierząt. Zakładano, że wszystko to samo będzie rosło i rozmnażało się, zapewniając ochotnikom eksperymentu wszystko, co niezbędne do życia.
„Jednak bardzo szybko stało się jasne, że wystąpił krytyczny brak tlenu, musieliśmy otworzyć okna, aby powietrze mogło dostać się z zewnątrz”, mówi członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk, doktor nauk biologicznych Siergiej Olenin. - Potem rośliny zaczęły boleć i umierać, niektóre gatunki zwierząt wymarły. Wyhodowano niesamowitą liczbę karaluchów i mrówek. Brakowało jedzenia, trzeba je było sprowadzać z zewnątrz. Dwa lata później eksperyment został przerwany, choć twórcy „Biosfery-2” mieli nadzieję, że sztuczny ekosystem może istnieć w trybie autonomicznym przez co najmniej 100 lat.
Po nieudanej pierwszej próbie amerykańscy naukowcy dokonali zmian w sztucznym świecie, który stworzyli i przeprowadzili drugi eksperyment w 2007 roku. Została jednak rozwiązana z innego powodu: jeden z członków nowego zespołu wolontariuszy zaatakował innych podczas kłótni. Po tym inwestor stracił zainteresowanie projektem, a teraz tę „Arkę Noego” na środku pustyni odwiedzają tylko turyści.
- W zeszłym roku w Chinach przeprowadzono kolejny eksperyment z autonomicznym przetrwaniem. Został nazwany „Lunar Palace-1” – kontynuuje Siergiej Olenin. - Naukowcom, którzy właściwie całkowicie powtórzyli badania w Krasnojarsku, udało się zapewnić uczestnikom całą niezbędną żywność w 75%, ponieważ zapotrzebowanie na białko zostało zaspokojone przez robaki, które hodowali. Udało im się więc żyć offline przez trzy miesiące.
Świat do eksperymentowania
Teraz Europejska Agencja Kosmiczna zaczęła wykazywać zainteresowanie badaniami w Krasnojarsku. Za pieniądze otrzymane w formie grantów w Instytucie Biofizyki SB RAS prowadzone są drobne eksperymenty, do bunkra wybudowanego pod koniec lat 60. XX wieku kupuje się nowoczesny sprzęt. Pod uprawę roślin powstaje sztuczne podłoże przypominające glebę. Trwają eksperymenty nad fizykochemiczną technologią rozkładu substancji organicznych do substancji mineralnych, które mogą być zawrócone do obiegu w postaci soli do wzrostu roślin. Badane jest wykorzystanie ślimaków lądowych do produkcji białka potrzebnego człowiekowi.
Brakuje jednak środków na badania na pełną skalę – wymaga to kilkudziesięciu milionów dolarów. Wszyscy rozumieją, że konieczne jest wznowienie prac nad tworzeniem zamkniętych systemów podtrzymywania życia, ponieważ bez nich nie może być mowy o poważnej eksploracji kosmosu, ale wszystko zależy od finansów. BIOS-3 jest pusty. Chociaż jest to najbardziej udany system eksperymentalny, w pełni zaspokaja ludzkie zapotrzebowanie na wodę, powietrze i pokarm roślinny poprzez zamknięty cykl biologiczny. Mógłby być już używany, choć jeszcze nie na Marsie czy innych planetach, ale na Ziemi. Rzeczywiście, z jego pomocą można setki razy zmniejszyć szkody dla środowiska, co jest nieuchronnie powodowane przez ludzi, ponieważ BIOS-3 pozwala zużywać minimum zasobów i prawie nie wytwarzać odpadów. Domy zamknięte drastycznie zmniejszyłyby obciążenie dla środowiska, a także zapewniłyby ludziom wszystko, czego potrzebują, tam, gdzie dotarcie jest trudne lub drogie, na przykład w odległych strefach arktycznych, na pustyniach lub na wyżynach, pod wodą.
- Inną opcją wykorzystania „BIOS-u” jest przeprowadzanie w nim eksperymentów, których jeszcze nikt na świecie nie przeprowadza. Wszyscy mówią tylko o tym, co się stanie, jeśli na przykład poziom metanu w atmosferze osiągnie poziom krytyczny. Będzie katastrofa, czy nie? A w Krasnojarsku może o tym nie mówić, ale sprawdzić, co w rezultacie stanie się w małym, zamkniętym ekosystemie – mówi Siergiej Olenin. - A to tylko jeden z możliwych eksperymentów, który może nawet nie ma ogromnego, ale kolosalnego znaczenia dla całej ludzkości. Możliwe jest badanie procesów obiegu substancji w biosferze Ziemi, a nie tylko pomaganie ludziom w przetrwaniu na innych planetach.
