Kdaj bodo končno ostale naše sledi na prašnih poteh oddaljenih planetov? Človeštvo vztrajno pripravlja odgovor na to vprašanje, izvaja obsežne raziskave in ustvarja tehnologije za razvoj drugih svetov.
Besede Konstantina Ciolkovskega, izrečene pred več kot stoletjem, "Človeštvo na Zemlji ne bo za vedno ostalo …" se pravzaprav šele začnejo uresničevati. Doslej se je človek lahko odmaknil od domačega planeta le na razdalji lunarne orbite, vendar tudi v nižjih orbitih sodobne tehnologije ne morejo zagotoviti popolnoma samostojnega letala s posadko, ki traja več kot 3-4 mesece: po tem času bo posadka vesoljskega plovila zagotovo potrebovala dobavljive potrošne materiale z Zemlje.
Še vedno ni mogoče organizirati ustrezne prehrane, oskrbe z vodo, stalne oskrbe s kisikom in učinkovitega odstranjevanja odpadnih proizvodov v izolaciji od zemeljske biosfere.
Na tej stopnji je odgovor na vprašanje "Kako preživeti v globokem vesolju?" zveni tako: "vzemi s seboj" določen minimalni potrebni del te biosfere, "prisili", da deluje v razmerah nizke težnosti, majhnih zaprtih prostorov in presežka visokoenergijskega sevanja.
Na žalost vseh poskusov izvedbe tako zaprtega cikla, tudi v milejših "talnih" pogojih, ne moremo označiti kot uspešne. Najbolj znan od teh je nedvomno ameriški projekt "Biosphere-2", ki ga izvaja Space Biosphere Ventures (financira ga v glavnem milijarder Edward Bass).
Usoda "biosfere"
Poleti 1991 je bilo na puščavskem območju v bližini mesta Oracle (Arizona) končana gradnja obsežne konstrukcije, ki je vsebovala ogromno stekleno kovinsko strukturo, ki je pokrivala površino 1,27 hektarja.
Promocijski video:
Skupaj s pomožnimi zgradbami je bil hermetičen sistem s prostornino 203.760 m3. V tem obsegu so modelirali vrsto biomov: deževni gozd, savane, sredozemsko grmovje, puščava, sladkovodno in slano (mangrovo) močvirje in celo mini ocean z živim koralnim grebenom.
MARS-500
Priprave na let s posadko na Mars so ruski strokovnjaki sprožili obsežen eksperiment "Mars-500". Glavni cilj projekta je preučiti značilnosti sobivanja šestih ljudi v izolirani sobi dlje časa v razmerah omejene komunikacije z Zemljo. Kompleks Mars-500 ni bil biološko zaprt sistem, naloga preučevanja možnosti samooskrbe posadke dolgo ni bila postavljena. Poskus je trajal 519 dni - od 3. junija 2010 do 4. novembra 2011.
Res je, njihova relativna "reprezentacija" se je zelo razlikovala od resnične - predvsem je bil ocean manj kot tretjina "biosfere", medtem ko na Zemljini vodni prostori zavzemajo 71% površine. Vsa ta biotska raznovrstnost je bila "naseljena" s skoraj štirimi tisoč vrstami živali, rastlin in mikroorganizmov.
Njihova sestava vrst je bila izbrana tako, da kar najbolje simulira biosferni cikel snovi, vključno s proizvodnjo in razpadanjem organskih snovi (vključno z naravno razgradnjo človeških odpadkov). Ogromni kompresorji so prilagodili notranji tlak, da se je ujemal z zunanjim tlakom in tako zmanjšal uhajanje zraka.
26. septembra 1991 je osem ljudi - štirje moški in štiri ženske - postalo del umetne biosfere. Preživeli naj bi natanko dve leti v popolni izolaciji od zunanjega sveta (imeli pa možnost komuniciranja z njim po telefonu). Morali so uporabiti druge prebivalce "Biosfere-2" kot prehrambene izdelke - ribe, kozice, koze, piščance in prašiče ter zelenjavo in sadje, ki se gojijo na posebej določenih območjih.
Predvidevali smo, da bo kompleks deloval avtonomno, saj je imel vse pogoje za normalno kroženje snovi. Sončna svetloba naj bi po izračunih znanstvenikov zadoščala za razmnoževanje kisika s strani rastlin zaradi fotosinteze, črvi in mikroorganizmi, ki zagotavljajo predelavo odpadkov, žuželke - opraševanje rastlin itd. Kroženje in čiščenje vode je potekalo po zaslugi delovanja senčil, ki uravnavajo sončno osvetlitev, kar je povzročilo konvekcijske tokove toplega zraka, kar je prispevalo k izhlapevanju s površine "oceana".
Kondenzacijska vlaga je v obliki dežja nad "tropskim gozdom" izpadla v obliki dežja. Od tam je prodrla v "močvirje" in skozi filtre prsti spet vstopila v "ocean". V procesu fotosinteze se absorbira ogljikov dioksid med dihanjem in teoretično bi se morala vzdrževati potrebna vsebnost kisika v zraku. Vendar bi lahko neposredni udeleženci eksperimenta in njegovi voditelji "od zunaj" do določene mere posegali v delovanje sistemov življenjske podpore.
Vsi odpadni proizvodi so bili razgrajeni z biološkimi metodami, tako da so rastlinam zagotavljali prehrano, nekatere pa so služile kot hrana za ljudi, ribe in domače živali. Uporaba strupenih kemikalij (insekticidi in pesticidi) je bila popolnoma izključena. Zatiranje škodljivcev je potekalo po "naravnih" metodah - zbirali in uničevali so jih ročno ali vzrejali njihove naravne sovražnike.
Prav tako ni bila dovoljena uporaba virov energije, ki onesnažujejo okolje, na primer odprtega ognja. Sončni paneli so zagotovili energijo za kuhanje, razsvetljavo in napajanje opreme.
Zdelo se je, da je vse upoštevano in je zgrajen idealen svet … vendar težave dolgo niso prihajale. Izkazalo se je, da je biosfera-2 prenaseljena. Ljudje niso imeli dovolj visokokalorične hrane - v "džungli" so morali posaditi nekaj banan in papaje, strniti sajenje žit, ne da bi povečali površino in uvedli distribucijo hrane.
Nad »puščavo« na stekleni strehi je zjutraj kondenzirala voda in padel dež. Odpraviti ga je bilo nemogoče, zato se je puščava postopoma "spremenila" v stepo. Nekaj mesecev kasneje so se krošnje mnogih dreves začele lomiti pod lastno težo: izkazalo se je, da je za normalno tvorbo lesa tako na videz nepomemben dejavnik, kot je veter, izredno potreben.
Ukrajinski zelenjavni vrt v orbiti
Prvi kozmonavt neodvisne Ukrajine Leonid Kadenyuk se je med letom na ladji Columbia ukvarjal z raziskavami na področju vesoljske biologije. Zlasti so vključevali poskuse umetnega opraševanja soje in oljne ogrščice, da bi dobili semena z ničelno težo. Te študije so imele praktičen namen: posadke medplanetarnih vesoljskih plovil, ki letijo na oddaljene planete, bodo zagotovo potrebovale "vesoljske vrtove", ki bodo astronavtom zagotavljali hrano in kisik.
Hitro nenadzorovano razmnoževanje žuželk in mikroorganizmov, ki aktivno absorbirajo kisik, se je začelo zelo hitro. Njegova vsebnost v zraku je padla na 14% (pri normi 21%) - to ustreza delnemu tlaku na nadmorski višini 4080 m. Zaradi tega se je zdravstveno stanje prebivalcev "Biosfere-2" poslabšalo, njihova delovna sposobnost pa se je opazno zmanjšala. Eden od žensk si je odrezal prst med delom na kmetijski opremi. Nismo ga mogli šivati sami, žrtev pa smo morali evakuirati "v veliki svet".
Kasneje je bila "čistost poskusa" popolnoma kršena: zaradi pretirano aktiviranega klimatskega pojava "El Niño" je bilo nebo nad Arizono prekrito z oblaki veliko pogosteje, kot je bilo pričakovano, in ni bilo dovolj sončne svetlobe, da bi med fotosintezo razmnožili kisik.
Da bi se izognil resnim posledicam, se je Edward Base odločil začeti črpati ta plin pod kupolo od zunaj. Skupno je bilo treba črpati več kot 20 ton. Medtem so "eksperimentalni" poleg svojih glavnih poklicev močno iztrebljali pretirano razmnožene ščurke in mravlje (večinoma so jih preprosto stiskali - teh žuželk niso našli med prebivalci "biosfere").
Dokaj hitro se je ekipa razšla v dve nasprotni skupini, od katerih je ena zahtevala takojšnjo prekinitev poskusa, druga pa je vztrajala, da je treba "zdržati do konca". Ker je željo po "zadrževanju" delilo tudi vodstvo projekta, sta bili obe skupini prisiljeni sobivati pod eno streho do 26. septembra 1993, ko jo je končno zapustilo sedem izmučenih in izmučenih prebivalcev "zemeljskega raja". Toda tudi 20 let kasneje se predstavniki različnih skupin pridno izogibajo sestankov in kakršne koli druge komunikacije.
Znanstveniki niso želeli opustiti edinstvenega kompleksa, zato so že konec leta 1993 začeli njegovo obnovo: v dveh letih poskusa je bila zasnova "Biosfere-2" in mnogih njenih sistemov resno dotrajana. 6. marca 1994 je kupola sprejela sedem novih "stanovalcev", med njimi tudi eno žensko. Ob upoštevanju izkušenj svojih predhodnikov je pet od njih lahko preživelo šest mesecev v zaprtem sistemu - do 6. septembra (čeprav je bil prvotno napovedan desetmesečni poskus) - in uspelo organizirati samooskrbo s hrano, vendar težav z nenadzorovanim razmnoževanjem mikrobov in žuželk ni bilo mogoče rešiti.
5. aprila 1994 sta Abigail Elling in Mark Van Thillo, dva udeleženca prvega poskusa, uspela odpreti eno zračno zapornico in tri zasilna izhodna vrata, s čimer sta četrt ure razbila tesnost kompleksa. Razbili so tudi pet steklenih strešnih plošč. Elling je svoje dejanje pojasnila z dejstvom, da želi ljudem v notranjosti omogočiti izbiro med svobodo in "zaporjo".
S 1. junijem 1994 je Space Biospheres Ventures uradno prenehal obstajati, vse dejavnosti (vključno z drugim poskusom) pa je prenesel na začasno vodstveno ekipo, ki jo je najelo podjetje Decisions Investment Co.
Sredi leta 1996, potem ko je upravljanje z biosfero preneslo na univerzo Columbia (New York City), so znanstveniki v njej sprožili nov eksperiment, tokrat brez sodelovanja ljudi. Ugotovili bodo, ali se donos res povečuje s povečanjem odstotka ogljikovega dioksida (in do katere meje), kaj se zgodi s presežkom ogljikovega dioksida in kje se akumulira, pa tudi, ali je mogoč katastrofalen obratni postopek z nenadzorovanim povečevanjem vsebnosti CO2 v ozračju. Na nobeno od teh vprašanj ni bilo mogoče dobiti jasnih odgovorov.
Dolgo časa so znanstveni kompleks uporabljali za študentsko prakso, leta 2005 pa so ga dali na prodajo. Kupca so našli šele poleti 2007. Podjetje Ranching & Development je nameravalo zgraditi hotelski in izobraževalni kompleks v bližini, sam Biosphere-2 pa naj bi postal javno dostopna turistična atrakcija. 26. julija 2007 je bil edinstven laboratorij oddan na razpolago Univerzi v Arizoni.
… Na eni od notranjih sten »biosfere« je še vedno več vrstic, ki jih je napisal eden od udeležencev prve misije: »Samo tu smo se počutili odvisne od okoliške narave. Če ni dreves, ne bomo imeli ničesar za dihati; če je voda onesnažena, ne bomo imeli ničesar piti. Ta težko pridobljena modrost je morda najpomembnejši rezultat ambicioznega eksperimenta.
Projekt BIOS
Raziskovanje možnosti nastanka stabilnih biofizikalnih sistemov neprekinjene biosinteze se je začelo kmalu po prvih vesoljskih poletih s posadko. Eno najzanimivejših in najuspešnejših del v tej smeri je bil projekt BIOS, ki so ga začeli sodelavci Krasnojarskega inštituta za biofiziko (ZSSR, zdaj Ruska federacija). Tam so bili razviti sistemi za podporo življenju za bivanje človeka v vesolju, v ekstremnih razmerah polarnih širin, puščav, visokogorja, pod vodo.
Leta 1964 je bil v sistemu BIOS-1 implementiran dvo-vezni sistem za podporo človeka-klorele, ki je zaprt na izmenjavi plinov. Alge so absorbirale ogljikov dioksid in proizvajale kisik, vendar jih ni bilo mogoče uporabiti za hrano.
V kompleksu BIOS-2, ki so ga začeli ustvarjati leta 1965, so poleg alg sodelovale tudi višje rastline - pšenica, zelenjava. Leta 1968 so bili izvedeni prvi poskusi v sistemu s tremi vezmi "človek - mikroalge - višje rastline". Dosegla je 85-odstotno ponovno uporabo vode. Na podlagi teh poskusov je bil ustvarjen BIOS-3 - zaprt ekološki sistem človekovega življenja z avtonomnim nadzorom.
Shema izmenjave plina in vode v poskusnem kompleksu "Bios-3". Poti plina so prikazane z oranžnimi črtami, voda - črna. Modre puščice označujejo smer vožnje. Črke označujejo: B - kultivatorji alg klorele, G - puhalec plina, U - filter oglja, C - zbiralniki odpadne vode v kuhinji in stranišču, Q - zbiralnik vlage kondenzata v fitotronu, D - rezervoar za vrelo in shranjevanje vode iz gospodinjstev, M - zbiralnik urin, F - enota za sorpcijsko čiščenje pitne vode.
Gradnja kompleksa BIOS-3 je bila končana leta 1972. V kletnih prostorih Inštituta za biofiziko v Krasnojarskem Academgorodok so zgradili zaprto sobo dimenzij 14x9x2,5 m in prostornino približno 315 m3. Razdeljen je bil na 4 enake predelke, od katerih sta dva zasedala fitotrone za gojenje rastlin, enega pa kultivatorji z mikroalgami, zadnji pa je bil bivalni blok s kabinami posadke, gospodinjsko in pomožno opremo. Predelke so povezala zaprta vrata.
Na podlagi BIOS-Z so izvedli 10 poskusov s posadko od ene do treh oseb. Najdlje je trajalo 180 dni (1972-1973). Možno je doseči popolno "zapiranje" sistema za plin in vodo, potrebe posadke po hrani so bile zadovoljene za 80% iz notranjih virov. Inženir Nikolaj Bugreev je v kompleksu živel najdlje (skupaj 13 mesecev).
V rastlinjakih pod umetno razsvetljavo so gojile posebne sorte pšenice, soje, zelene solate, chufa (srednjeazijski pridelek oljnic), korenje, redkev, pesa, krompir, kumare, kislica, zelje, koper in čebula. Pritlikava pšenica, ki jo vzreja profesor G. M. Lisovsky, ima krajša stebla, kar je omogočilo zmanjšanje količine odpadkov. Za prehrano so uporabljali tudi konzervirano hrano z živalskimi izdelki.
V poznih 80. letih so poskusi v BIOS-Z začasno ustavili.
Leta 1991 je bil ustanovljen Mednarodni center za zaprte ekološke sisteme pod vodstvom akademika I. I. Gitelzona, ki je postal strukturni oddelek Krasnojarskega inštituta za biofiziko Ruske akademije znanosti. Namen njegove raziskave je ustvariti prototipe in delovne modele zaprtih ekosistemov za dolgoročno podporo človeku v ekstremnih kopenskih in vesoljskih razmerah na podlagi preučevanja procesov kroženja snovi v Zemljini biosferi.
Razvoj novega modela biosistema se je začel v Krasnojarsku leta 2005 s podporo Evropske vesoljske agencije. Trenutno se v okviru tega projekta izvajajo raziskave na področju recikliranja odpadkov in gojenja rastlin v zaprtih ekosistemih.
NASA oblikuje biosisteme
Nasini strokovnjaki se seveda niso mogli izogniti razvoju zaprtih biosistemskih sistemov, ki bi jih kasneje lahko uporabili za podporo posadkam vesoljskih postaj in medplanetarnih ladij. Njihovi dosežki na tem področju so veliko manjši, vendar imajo oprijemljiv komercialni uspeh.
Govorimo o biološkem modulu, imenovanem Ecosphere, ki je zapečaten stekleni kroglični akvarij s premerom 10-20 cm, napolnjen z morsko vodo z majhnim zračnim mehurčkom in "naseljen" z več kozicami Halocaridina rubra, kosi koral, zelenimi algami in bakterijami, ki razgradijo hrano vitalne funkcije kozice. Na dnu akvarija se iz estetskih razlogov nalije nekaj peska in školjk.
Po zagotovilih proizvajalcev naj bi bil ves ta svet neomejen čas popolnoma samostojen - potreboval je le sončno svetlobo in vzdrževanje bolj ali manj stalne temperature. Kozice so se pomnožile in umirale, ne da bi presegale količino, s katero bi lahko razpolagale razpoložljive vire. Ekosfera je takoj postala neverjetno priljubljena.
Res je, kmalu je postalo jasno, da je bila njegova "večnost" le 2-3 leta, potem pa je bilo biološko ravnovesje znotraj akvarija moteno in njegovi prebivalci so umrli. Kljub temu so hermetični akvariji še danes priljubljeni - nenazadnje ima vsaka civilizacija svoj "rok trajanja", pa tudi dve leti po standardih kozice res ni tako slabo.
"Vesoljski mravljišče" na vaši mizi
Mravlje so neverjetna bitja. Najdemo jih v skoraj vseh naravnih conah (razen v arktičnih puščavah). Njihovi starodavni predniki, malo drugačni od sodobnih predstavnikov te družine, so živeli na Zemlji pred več kot 100 milijoni let, kar dokazujejo njihovi ostanki, najdeni v fosiliziranem blatu. Zelo verjetno je, da so že takrat imeli veščine "kolektivne skupnosti" in so bili razdeljeni na "kasta" - delavske mravlje, bojevniki, lovci itd.
Samo več kot 12,5 tisoč razvrščenih vrst mravelj je skupno na Zemlji teh žuželk, ki lahko dosežejo štiri milijarde (milijon milijard ali 1015). S povprečno maso enega primerka, približno 3 mg, se njihova skupna biomasa izkaže le za red velikosti manj kot biomasa človeštva, medtem ko je na osebo približno sto tisoč mravelj. Očitno je, da je tako velika družina živih biti eden najpomembnejših elementov biosfere. Zato so mirmekologi (mirmekologija je veja entomologije, ki preučuje mravlje) aktivno vključeni v večino raziskav, namenjenih ustvarjanju zaprtih ekosistemov.
Glavni del mravljega življenja poteka v podzemlju ali drugih težko dostopnih zavetiščih, kjer jih je izjemno težko opazovati. Znanstveniki so za reševanje te težave vložili veliko truda. Najenostavnejša različica "mravljišče" je mogoče šteti za umetno mravljišče dveh prozornih steklenih (plastičnih) plošč in polnila iz peska med njimi. Opazovanja se izvajajo pri šibki svetlobi ali infrardečih žarkih.
Ker je pesek neprozoren, lahko v takem mravljišču vidite tunele neposredno ob stekleni steni. Poleg tega je ta struktura zelo slabo prenosljiva - tudi ob rahlem pretresu se prehodi, ki jih mravlje postavijo, drobijo in propadajo. Zato so morali za poskus eksperimentiranja z njimi na vesoljskih ladjah Space Shuttle zasnovati habitat, v katerem bi mravlje lahko živele in zgradile predore, ki bi lahko zdržali posledice nenadnih sprememb gravitacije.
Koncept projekta Mars One
Za to so razvili posebno polnilo, podobno želeju, primerno za mravlje, ki živijo v njem in gradijo predore. Zanje služi tudi kot vir hrane. Ta tehnologija je bila uporabljena za izdelavo "namiznega mravljišča" Antquarium, ki vsem ljubiteljem divjih živali ponuja redko priložnost, da opazujejo očarljivo življenje teh žuželk.
Antquarium ni zaprt ekosistem, vendar je oskrba z vodo in hranili (razen zraka) tam omejena. Verjetnost, da bodo tja vstopile patogene bakterije in mravlji paraziti, je prav tako zmanjšana. Zato lahko "pregleden mravljišče" dolgo časa podpira življenje svojih prebivalcev - pod pogojem, da so upoštevani svetlobni in temperaturni pogoji, navedeni v navodilih.
Časopis "Vesolje, vesolje, čas", marec 2014