Тернистый путь замкнутых биологических систем жизнеобеспечения.

     "Биос-3", "Биосфера-2" и "Юэгун-1", это советский, американский и китайский проекты замкнутых биологических систем жизнеобеспечения.  Для чего они вообще нужны, эти самые, замкнутые биологические системы жизнеобеспечения?

      Они нужны, что бы в ограниченном, замкнутом обьеме научиться создавать уменьшенные, полностью автономные аналоги нашей земной биосферы, можно сказать микроЗемли. Где частью этой биосферы может быть и человек. Единственное, в идеале, что подводится извне - это энергия. Вещество циркулирует внутри и в подводе извне не нуждается.

    Успешная разработка таких систем позволит:

    1) Расширить ареал обитания человека на негостепреимных местах нашей родной Земли: в пустынях, в Арктике, Антарктике и далеко за Полярным кругом, на дне морей и озер, высоко в горах, под землей.

    2) Расширить ареал обитания человека на другие планеты, не приспособленные для жизни людей.

    3) Позволить расселяться человечеству по Вселенной на, так называемых, Кораблях Поколений: 

   Китайский "Юэгун-1"еще не полностью заверщенный, но уже видно, что удачный проект. Два завершенных: американский "Биосфера-2" -  окончившийся провалом, но самый драматический и давший много научной информации и "Биос-3" - самый удачный и до сих пор не превзойденный проект советских ученых. 

  Вот короткий рассказ про каждый их этих проектов:

          "Юэгун-1"

      «20 мая завершилось первое длительное испытание в наземной экспериментальной установке закрытой экологической системы по обеспечению жизни на лунной базе «Юэгун-1» (Yuegong-1), разработанной Пекинским университетом аэронавтики и астронавтики. Три члена экипажа «Юэгун-1» провели в закрытом пространстве 105 дней». 

 

       «Юэгун-1» - первая в Китае и третья в мире закрытая наземная интегрированная экспериментальная система биологического жизнеобеспечения, которая имеет огромное значение для успешного проведения планов по высадке на Луну, лунную базу и зондированию Марса, обеспечения безопасности и качественной жизни космонавтов. 

           Создание китайского комплекса осуществлялось при активном участии красноярских и московских специалистов. Процесс передачи опыта был задокументирован серией совместных статей 2008 – 2013 гг. по элементам замкнутых СЖО. С российской стороны в числе авторов были С. И. Барцев, Ю. А. Беркович, Ю. Л. Гуревич, А. Г. Дегерменджи, А. Н. Ерохин, В. С. Ковалёв, В. А. Козлов, Н. С. Мануковский, Е. В. Нестеренко, В. И. Полонский, С. В. Хижняк.

          «Юэгун-1» состоит из одной комплексной кабины и двух кабин для растений, общая площадь – 160 кв. метров, общий объём – 500 куб. метров. Комплексная кабина включает в себя комнаты для сна, общения и работы, умывания, обработки отходов и насекомых. В каждой кабине для растений имеется по две комнаты, предусмотрена изоляция растений в случае необходимости. «Юэгун-1» схож с «микробиосферой» Земли, при помощи этой системы можно осуществить цель по длительному нахождению человека в космическом пространстве».

        Ещё один интересный момент: 15% белковой диеты экипажа составляли черви, растения 30-40% общей диеты, вода и воздух были замкнуты на 99%. Проект китайской установки «Юэгун-1» по своей идеологии является почти полной копией БИОС-3 с поправкой на современные технологии. 

    "Биосфера-2"

     В начале 90-ых, в американской пустыне Аризона был водворён в жизнь масштабный проект, получивший название "Биосфера-2" ("Биосферой-1" является наша планета Земля). Эта искусственно-созданная замкнутая биосфера была первой масштабной попыткой моделирования процессов, происходящих в естественных экосистемах Земли. По мнению авторов проекта, полученные в ходе эксперимента результаты могли бы очень пригодиться во время длительных космических перелётов. 

        Большим энтузиастом создание модели замкнутой биосферы был техасский миллиордер Эд Басс. Он же выступил основным спонсором. Разработка конструкций и систем заняла около 10 лет, в течение этого времени специальные группы ученых собирали по всей Земле разнообразные виды животных и растений для заселения Биосферы - 2, подбирали образцы почвы, тщательно следя за тем, чтобы все там было биологически сбалансировано.

      Биосфера - 2 достаточно велика, чтобы поддерживать всю экосистему в равновесии и в то же время достаточно мала, чтобы все процессы, происходящие в ней было легко исследовать. А что самое интересное, Биосфера 2 была разработана специально для того, чтобы в ней могли жить люди, причем абсолютно изолированно от остального мира: ни пища, ни воздух, ни вода, ни какое-либо другое вещество не проникает внутрь и ничто не уходит наружу, кроме солнечного света, электричества и информации по проводам. Даже "дно" изолировано от земли на которой она стоит специальными герметично сваренными железными листами, а для поддержания постоянного давления воздуха внутри Биосферы 2, колебания которого происходят из-за изменения температуры (днем и ночью) предусмотрены гигантские мембраны-легкие.

      Утечка воздуха из всей конструкции составляла не более 10% за год. Сложные технические устройства создают: течения в "океане", тропические дожди, морской прибой и имитируют другие природные явления, а множество специальных датчиков постоянно определяет температуру, содержание тех или иных элементов в почве, воде и воздухе внутри Биосферы 2, записывая эти параметры для дальнейших исследований.

   

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПРОЕКТА БИОСФЕРА 2: 

1. 1.27 гектара площади.
2. Объем воздуха в Биосфере 2 203 760 кубических метров.
3. Около 4 000 видов растений, мелких млекопитающих, птиц, рептилий, насекомых и почвенных микроорганизмов.
4. Среди млекопитающих были животные для скотоводства: козы, курицы, и даже поросята. Причем это были особые животные, приспособленные к суровым условиям. Например, курицы были дикой породы из Индии — они были приспособлены к жизни в тропиках (высокая температура и влажность) и могли питаться отходами. 
5. Эти организмы вошли в сосав целого ряда имитаций естественной среды:
6. • 
   • тропического леса,
   • саванны,
   • жестколистного средиземноморского кустарника,
   • пустыни,
   • пресноводного и соленого болот,
   • мини-океана с живым коралловым рифом
   • 
7. Также к ним присоединились восемь человек , ведущих сельское хозяйство и живущих в комфортабельных апартаментах.

  

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРОЕКТА БИОСФЕРА 2:

1. Вода циркулирует и очищается благодаря работе жалюзи, регулирующих солнечное освещение, которое приводит в действие конвекционные потоки теплого воздуха, вызывающие испарение с поверхности "океана".
2. Конденсируясь влага выпадает в виде сильных дождей над "тропическим лесом".
3. Отсюда она просачивается в "болота" и снова попадает в "океан" через почвенные фильтры.
4. В процессе фотосинтеза поглощается выделяемый при дыхании углекислый газ и поддерживается необходимое содержание в воздухе кислорода.

       Поначалу все было именно так, как они мечтали. Колонисты с энтузиазмом работали на полях фермы, проверяли работу всех систем, следили за бурной жизнью джунглей, ловили рыбу, сидели на своем маленьком пляже, а по вечерам ели великолепно приготовленный ужин из самых свежих продуктов на балкончике с видом на созревающий урожай. За зелеными грядками и стеклянной стеной фермы начиналась пустыня и горная гряда, за которой садилось солнце. Этот балкон колонисты прозвали «Визионерским кафе» — отсюда будущее казалось особенно радужным. После ужина устраивали философские дискуссии или импровизированные джем-сейшены. Многие взяли с собой музыкальные инструменты, и, хоть профессиональных музыкантов среди них не было, то, что получалось, на волне всеобщего энтузиазма казалось авангардной музыкой будущего.

          Примерно через неделю главный техник «Биосферы» Ван Тилло пришел на завтрак очень взволнованным. Он объявил, что у него есть странные и неприятные новости. Ежедневные измерения состояния воздуха показали, что проектировщики купола ошиблись в расчетах. В атмосфере постепенно сокращается количество кислорода и увеличивается процент углекислого газа. Пока это совершенно незаметно, однако, если тенденция продолжится, примерно через год существование на станции станет невозможным. С этого дня райская жизнь бионавтов закончилась, началась напряженная борьба за воздух, которым они дышали.

           Во-первых, было решено как можно интенсивнее наращивать зеленую биомассу. Все свободное время колонисты посвящали посадкам и уходу за растениями. Во-вторых, они запустили на полную мощность резервный поглотитель углекислого газа, с которого постоянно нужно было соскребать осадок. В-третьих, неожиданным помощником стал океан, где оседало некоторое количество CO, превращаясь в угольную кислоту. Правда, кислотность океана от этого постоянно росла, и приходилось использовать добавки, понижающие ее*. Ничто не помогало. Воздух под куполом становился все более разреженным.

        Вскоре перед бионавтами возникла еще одна глобальная проблема. Выяснилось, что ферма в 20 соток при всех современных технологиях обработки земли способна обеспечить лишь 80% потребностей колонистов в пище. Их ежедневный рацион (одинаковый для женщин и мужчин) составлял 1700 калорий, что нормально для сидячей офисной жизни, но катастрофически мало при том количестве физической работы, которую должен был выполнять каждый житель «Биосферы». Поначалу ужин сервировали в виде шведского стола, однако вскоре из-за этого начали возникать серьезные конфликты, и еду стали накладывать каждому в тарелку, отмеряя буквально до грамма. Люди вставали из-за стола голодными и постоянно мечтали о лакомствах большого мира. Вечерние философские дискуссии заменили фантазии о том, что они съедят, когда выйдут на свободу. Кладовую, где хранилось главное лакомство бионавтов — бананы, после отвратительного эпизода с анонимным разграблением пришлось запирать на ключ. Перед тем как отдавать очистки свиньям, люди тщательно выбирали все, что можно было съесть самим. Банановые шкурки и ореховая шелуха шли за деликатес.

      Однажды вечером Джейн Пойнтер, ответственная за ферму, призналась, что ей было известно о будущем продовольственном кризисе. Люди потеряли от 10 до 18 процентов массы тела и выглядели удивительно молодо. Они улыбались из-за стекла журналистам и любопытным туристам, делая вид, что ничего не происходит. Однако бионавты чувствовали себя все хуже и хуже.Лето 1992 года стало для колонистов особенно сложным. Посевы риса были уничтожены вредителями, так что их рацион на протяжении нескольких месяцев почти полностью состоял из фасоли, батата и моркови. Из-за избытка бета-каротина их кожа стала оранжевой.

     К этой беде добавился особенно сильный эль-ниньо, из-за которого небо над «Биосферой-2» почти всю зиму было затянуто облаками. Это ослабило фотосинтез джунглей (значит, и выработку драгоценного кислорода), а также снизило и без того скудные урожаи.

      Мир вокруг них терял свою красоту и гармоничность. В «пустыне» из-за конденсации на потолке регулярно выпадали дожди, так что многие растения сгнили. Огромные пятиметровые деревья в джунглях неожиданно стали хрупкими, некоторые упали, сломав все вокруг. (Впоследствии, исследуя этот феномен, ученые пришли к выводу, что его причина крылась в отсутствии ветра под куполом, который укрепляет стволы деревьев в природе.) Стоки в рыбных прудах забились, и рыбы становилось все меньше. Все труднее было бороться с кислотностью океана, из-за которой гибли кораллы. Животный мир джунглей и саванны тоже неумолимо сокращался. Прекрасно себя чувствовали только тараканы и муравьи, которые заполнили все биологические ниши. Биосфера постепенно умирала.

      Хозяева рая чувствовали себя ничуть не лучше. Количество кислорода в атмосфере постоянно снижалось и достигло 16% (при норме в 20%). Это сравнимо с разреженным воздухом гор, и обыкновенно человеческий организм быстро приспосабливается к этому состоянию. Однако из-за общего истощения колонистов горная болезнь не отпускала их. Бионавты начали быстро уставать, постоянно кружилась голова, они не могли уже выполнять работу в прежнем объеме. Но самым радикальным образом кислородное голодание сказалось на их моральном состоянии. Все чувствовали себя угнетенными, грустными, раздраженными. Каждый день под куполом происходили скандалы.

      Главной причиной конфликта было то, что Аллен не разрешал бионавтам обнародовать их проблемы. Он продолжал делать вид, что эксперимент идет по плану. Половина колонистов (оба капитана, пиар-директор и начальница по научным исследованиям, то есть руководство) были абсолютно согласны с этой позицией. Они считали, что нужно пробыть под куполом запланированные два года любой ценой. Еще четверо бионавтов утверждали, что надо срочно запросить помощь международных ученых, чтобы понять, почему исчезает кислород. Также неплохо было бы заказать немного воздуха и еды извне.

       Тем временем обычные зрители, которые каждый день приезжали целыми автобусами, чтобы посмотреть, что творится в гигантском человеческом аквариуме, и не подозревали, какие страсти там кипят. Они выстраивались вдоль стены, потягивая колу, жуя хот-доги, и люди в футуристических костюмах за стеклом казались им удивительно одухотворенными, настоящими героями фантастических книг и визионерами. Хотя, по большому счету, «визионеры» просто были очень уставшими и голодными.

       Осенью 1992 года содержание кислорода под куполом опустилось до 14%. Доктор Валфорд объявил, что снимает с себя свои обязанности, поскольку более не в состоянии сложить в уме даже двухзначные числа. По ночам бионавты постоянно просыпались, так как активный фотосинтез растений прекращался, уровень кислорода резко падал и они начинали задыхаться. К этому моменту все позвоночные животные биосферы погибли.

       Спустя год после начала эксперимента Аллен и Басс приняли решение разгерметизировать капсулу и добавить в атмосферу «Биосферы» кислород. Также они разрешили бионавтам использовать неприкосновенные запасы зерна и овощей из семенного хранилища. Это значительно улучшило общее состояние колонистов. Однако две враждующие группы так и остались в состоянии перманентной войны, стараясь даже не разговаривать друг с другом.

         26 сентября 1993 года, когда шлюз был торжественно разгерметизирован и люди вышли наружу, по их лицам можно было понять, что эксперимент провалился — изгнание из рая произошло в полной мере и навсегда. Биосфера оказалась непригодной для жизни.

      Тем временем журналисты, прознавшие о добавке кислорода в атмосферу, раздули из этого огромный скандал и окрестили «Биосферу» грандиозным провалом столетия.

       Так в чем же состояла эта таинственная проблема с кислородом? Когда ученые внимательно осмотрели плачевное состояние разоренных куполов, они пришли к выводу, что роковую роль сыграли цементные перекрытия. Кислород вступал в реакцию с цементом и оседал в виде окислов на стенах. Еще одним активным потребителем кислорода оказались бактерии в почве. Для «Биосферы» выбрали самый плодородный чернозем, чтобы естественных микроэлементов в нем хватило на долгие годы, однако в такой земле было очень много микроорганизмов, которые точно так же дышат кислородом, как и позвоночные животные. Научные журналы признали эти открытия главными и единственными достижениями «Биосферы».

       Исправив ошибки, Аллен запланировал и запустил вторую миссию в 1994 году. Однако она не продлилась и полугода. Басс в конце концов тоже разочаровался в своем гуру и неожиданно прекратил финансирование, из-за чего эксперимент был свернут в самом начале.

       Многие годы после этого «Биосфера» переходила от одного института к другому, постепенно разрушаясь, пока совсем недавно ее не подлатали и не устроили внутри туристический аттракцион. Посетить оставленный рай можно всего за каких-то 25 долларов.

НЕУЧТЁННЫЕ ФАКТОРЫ ПРИ СОЗДАНИИ ПРОЕКТА БИОСФЕРА 2: 

1. Конденсация влаги и её выпадение в виде дождя из-за герметичности Биосферы и перепадов температур оболочки. Следствие — нарушение экологического равновесия. 
2. Недостаток площади для выращивания пищи из-за неправильных расчётов. Использовалась одноуровневая компоновка грядок, тогда как более эффективно использовать гидропонную многоэтажную компоновку. 
3. Неспособность растений выработать достаточно кислорода из-за неконтролируемого роста микроорганизмов (которые воровали кислород у людей), а также из-за химической реакции между кислородом и бетоном конструкций (что также не способствовало обогащению воздуха кислородом). 
4. Отсутствие ветра пагубно сказывалось на некоторых видах древесной растительности. В отсутствие давления ветра на ствол и ветви деревьев, механические ткани древесины оказались недостаточно развитыми. В результате стволы и ветви деревьев становились хрупкими и ломались под тяжестью собственного веса. Что, естественно, приводило к серьёзным разрушениям внутри комплекса.
5. Неспособность людей заменить пищевой рацион с привычной еды на быстроразмножающихся вредителей (муравьёв и тараканов). Брезгливость в бункере во время конца света — точно не помощник.      

   

      "Биос-3"

        Из всех искусственных биологических систем жизнеобеспечения, созданных в мире до настоящего времени, только БИОС-3 позволила в автономном режиме обеспечить жизнь экипажа (2-3 человека) в течение 6 месяцев за счет замыкания цикла по воде и газу приблизились почти на 100%, пище - более 50%.

      Возведение БИОС-3 было завершено в далёком 1972 году. Площадь герметичного помещения составила 315 м². Оно состояло из 4 отсеков.
1 отсек - бытовой. В нём прошивал экипаж из трёх человек.
2 отсек - водорослевый. В нём находились культиваторы хлореллы, основная функция которых была переработка CO₂ в O₂.
3 отсек - фитотрон с сортом карликовой пшеницы, имеющим укороченные стебли (для уменьшения количества отходов).        Пшеница выращивалась конвейерным способом (единовременно в фитотроне присутствовало 14 возрастов пшеницы). Из пшеницы выпекался хлеб, который и подавался на стол “подопытным”. На долю каждого “колониста” приходилось около 200 грамм зерна.
4 отсек - фитотрон с овощами (конвейер 6 возрастов). В этом фитотроне выращивались морковь, редис, свёкла, картофель, капуста, огурцы, щавель, салат, укроп, лук и чуфа (для получения растительного масла). В результате на каждого “подопытного колониста” приходилось около 400 грамм свежих овощей.

Родоначальниками БИОС стали Сергей Павлович Королёв и Леонид Васильевич Киренский, создатель и директор Института физики Сибирского отделения АН СССР.

                 Установка БИОС-3 представляла собой полноценный экспериментальный комплекс стоимостью около 1 млн рублей.        Комплекс БИОС-3 построили в подвале корпуса отделения биофизики. Герметичное помещение со стенами из нержавеющей стали имело размеры 14 x 9 x 2.5 м и объем около 315 м3. Оно было разделено на четыре равных по площади отсека: один жилой и три регенеративных, причем в двух монтировались фитотроны с высшими растениями, а в третьем – культиваторы с микроводорослями. В жилом отсеке располагались три каюты членов экипажа, кухня-столовая, санузел, отсек управления и рабочая зона – мастерская-лаборатория с оборудованием для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы и ремонтных работ, а также системами доочистки воды и воздуха. Отсеки соединялись герметизируемыми дверями, доступ во внешнюю среду был возможен через воздушный шлюз. Управление системами установки осуществлялось автономно – экипажем.             Самый длительный и известный эксперимент занял 180 суток  и состоял из трех этапов. Два первых месяца регенерацию атмосферы обеспечивали только высшие растения (пшеница и девять видов овощных культур), причем сточные воды шли на полив пшеницы.                    Посев и уход за растениями, сбор урожая и выпечка хлеба занимали большую часть времени экипажа. Зато оранжерея БИОС-3 давала в среднем в сутки 600 г зерна и примерно 1100 г свежих овощей**. Часть зерна отбиралась на семена для посева и на анализы, а из оставшегося выпекали хлеб.            Николай Бугреев участвовал и в двух последующих экспедициях и в общей сложности прожил в гермообъеме БИОСа 13 месяцев. Зимой 1976 – 1977 гг. был осуществлен четырехмесячный эксперимент, в котором в течение первых 27 суток участвовали три бионавта, а затем двое (Н. И. Бугреев и Г. З. Асиньяров). На этот раз для жизнеобеспечения экипажа водоросли в ход не шли, а только пшеница, чуфа и овощные культуры. Бионавты использовали каталитическую печь для сжигания несъедобных частей растений, а также термокаталитический фильтр, который удалял из воздуха летучие органические примеси. Применение последнего позволило сохранить продуктивность высших растений в условиях замкнутой экосистемы. Воспроизводимая часть рациона экипажа была доведена до 52% по калорийности.              Нерешенными оставались проблемы естественной утилизации биомассы растений и возвращения во внутрисистемный массообмен выводимой из организма человека соли.   

     В период перестройки «БИОС-3» был законсервирован, и эксперименты в нем на время были прекращены.

Как бы там ни было, совершенно ясно, что освоение дальнего космоса начнется только после создания безупречно действующей замкнутой системы жизнеобеспечения.

       Пока полностью замкнутую СЖО создать на данный момент невозможно. Около 10% веществ еще будут выпадать из круговорота и должны восполняться из запасов, что и подтвердило функционирование комплексов "БИОС-3" (успешное) и "Биосфера-2" (неуспешное). Но самым серьёзным недостатком замкнутых биологических СЖО является их очень низкий энергетический КПД, и, как следствие, очень значительные размеры и масса, особенно в сравнении с действующими на МКС системами регенерации воды и кислорода. Этот недостаток неустраним принципиально. Поэтому наиболее реалистичные проекты замкнутых СЖО включают в себя как биологические, так и “небиологические” элементы (биотехнические СЖО).