¿Cuándo, finalmente, permanecerán nuestras huellas en los polvorientos caminos de planetas distantes? La humanidad está constantemente preparando una respuesta a esta pregunta, realizando investigaciones a gran escala y creando tecnologías para el desarrollo de otros mundos.
Las palabras de Konstantin Tsiolkovsky, dijo hace más de un siglo, "La humanidad no permanecerá para siempre en la Tierra …" en realidad apenas comienzan a hacerse realidad. Si bien una persona ha podido alejarse de su planeta de origen solo a la distancia de la órbita lunar, pero incluso en órbitas más bajas, las tecnologías modernas no pueden proporcionar un vuelo tripulado completamente autónomo que dure más de 3-4 meses: después de este tiempo, la tripulación de la nave espacial definitivamente necesitará consumibles entregados. desde la Tierra.
Todavía no es posible organizar una nutrición adecuada, un suministro de agua, un suministro constante de oxígeno y una eliminación eficaz de los desechos aislados de la biosfera terrestre.
En esta etapa, la respuesta a la pregunta "¿Cómo sobrevivir en el espacio profundo?" suena así: "lleva contigo" cierta parte mínima necesaria de esta biosfera, "obligándola" a funcionar en condiciones de baja gravedad, pequeños espacios confinados y un exceso de radiación de alta energía.
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Desafortunadamente, todos los intentos de implementar un ciclo cerrado de este tipo, incluso en condiciones de "terreno" más suaves, no pueden considerarse exitosos. El más famoso de ellos es sin duda el proyecto estadounidense "Biosphere-2", realizado por Space Biosphere Ventures (financiado principalmente por el multimillonario Edward Bass).
El destino de "Biosphere"
En el verano de 1991, en una zona desértica cercana a la localidad de Oracle (Arizona), se completó la construcción de una estructura a gran escala, que incluía una enorme estructura de vidrio-metal que cubría un área de 1,27 hectáreas.
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Junto con los edificios auxiliares, fue un sistema sellado con un volumen de 203,760 m3. En este volumen se ha modelado una variedad de biomas: selva tropical, sabana, arbusto rígido mediterráneo, desierto, pantano de agua dulce y salado (manglares), e incluso un mini océano con un arrecife de coral vivo.
MARTE-500
En preparación para un vuelo tripulado a Marte, los especialistas rusos lanzaron un experimento a gran escala "Mars-500". El objetivo principal del proyecto es estudiar las características de la convivencia de seis personas en una habitación aislada durante mucho tiempo en condiciones de comunicación limitada con la Tierra. El complejo Mars-500 no era un sistema biológicamente cerrado, la tarea de estudiar la posibilidad de autosuficiencia de la tripulación no se planteó durante mucho tiempo. El experimento duró 519 días, desde el 3 de junio de 2010 hasta el 4 de noviembre de 2011.
Es cierto que su "representación" relativa era muy diferente de la real; en particular, el océano era menos de un tercio de la "Biosfera", mientras que en la Tierra los espacios acuáticos ocupan el 71% de la superficie. Toda esta biodiversidad ha sido "poblada" con casi cuatro mil especies de animales, plantas y microorganismos.
Su composición de especies se seleccionó de tal manera que simulara mejor la circulación biosférica de sustancias, incluida la producción y descomposición de materia orgánica (incluida la descomposición natural de los desechos humanos). Los compresores gigantes ajustaron la presión interna para que coincidiera con la presión externa, minimizando las fugas de aire.
El 26 de septiembre de 1991, ocho personas, cuatro hombres y cuatro mujeres, pasaron a formar parte de la biosfera artificial. Debían pasar exactamente dos años en completo aislamiento del mundo exterior (teniendo, sin embargo, la oportunidad de comunicarse con él por teléfono). Tuvieron que utilizar a otros habitantes de la "Biosfera-2" como productos alimenticios: pescado, camarones, cabras, pollos y cerdos, así como verduras y frutas cultivadas en áreas especialmente designadas.
Se asumió que el complejo funcionaría de manera autónoma, ya que tenía todas las condiciones para la circulación normal de sustancias. La luz solar, según los científicos, debería haber sido suficiente para la reproducción de oxígeno por las plantas como resultado de la fotosíntesis, los gusanos y microorganismos proporcionaron procesamiento de desechos, insectos - polinización de plantas, etc. La circulación y depuración del agua se llevó a cabo gracias al funcionamiento de persianas que regulan la iluminación solar, lo que provocaba corrientes de convección de aire caliente, que contribuían a la evaporación de la superficie del "océano".
La humedad condensada cayó en forma de lluvia sobre el "bosque tropical". Desde allí se filtró en los "pantanos" y nuevamente entró en el "océano" a través de filtros de suelo. En el proceso de fotosíntesis, se absorbió el dióxido de carbono liberado durante la respiración y, en teoría, se debería haber mantenido el contenido de oxígeno requerido en el aire. Sin embargo, tanto los participantes directos en el experimento como sus líderes "externos" podrían interferir hasta cierto punto en el funcionamiento de los sistemas de soporte vital.
Todos los productos de desecho se descompusieron por métodos biológicos, proporcionando nutrición a las plantas, algunas de las cuales, a su vez, sirvieron como alimento para las personas, los peces y los animales domésticos. Se excluyó por completo el uso de productos químicos tóxicos (insecticidas y pesticidas). El control de plagas se llevó a cabo mediante métodos "naturales": fueron recolectados y destruidos a mano o criaron a sus enemigos naturales.
También se prohibió el uso de fuentes de energía que contaminen el medio ambiente, como las llamas abiertas. Los paneles solares proporcionaron energía para cocinar, iluminar y alimentar el equipo.
Parecía que todo se tenía en cuenta y se construía un mundo ideal … sin embargo, los problemas no tardaron en llegar. Biosfera-2 resultó estar superpoblada. La gente no tenía suficientes alimentos ricos en calorías, tuvieron que plantar bananas y papayas en la "jungla", compactar la siembra de cereales sin aumentar el área e introducir la distribución de alimentos.
Sobre el "desierto" en el techo de vidrio por la mañana, el agua se condensó y la lluvia cayó. Era imposible eliminarlo, por lo que el desierto se "convirtió" gradualmente en una estepa. Unos meses más tarde, las copas de muchos árboles comenzaron a romperse por su propio peso: resultó que para la formación normal de la madera, un factor tan aparentemente insignificante como el viento es extremadamente necesario.
Huerta ucraniana en órbita
El primer cosmonauta de Ucrania independiente, Leonid Kadenyuk, se dedicó a la investigación en el campo de la biología espacial durante su vuelo en el transbordador Columbia. Incluyeron, en particular, experimentos de polinización artificial de brotes de soja y colza para obtener semillas en gravedad cero. Estos estudios tenían un propósito práctico: las tripulaciones de las naves espaciales interplanetarias que vuelan a planetas distantes definitivamente necesitarán "jardines espaciales" que proporcionarán a los astronautas alimentos y oxígeno.
La reproducción rápidamente descontrolada de insectos y microorganismos, absorbiendo activamente oxígeno, comenzó muy rápidamente. Su contenido en el aire se redujo al 14% (en la norma del 21%); esto corresponde a la presión parcial a una altitud de 4080 m sobre el nivel del mar. Como resultado, el estado de salud de los habitantes de "Biosphere-2" ha empeorado y su capacidad de trabajo ha disminuido notablemente. Una de las mujeres se cortó un dedo mientras trabajaba en equipos agrícolas. No fue posible coserlo por nuestra cuenta, y la víctima tuvo que ser evacuada "al gran mundo".
Más tarde, la "pureza del experimento" fue violada por completo: debido al fenómeno climático excesivamente activado "El Niño", el cielo de Arizona se cubrió de nubes con mucha más frecuencia de lo esperado y no había suficiente luz solar para reproducir oxígeno durante la fotosíntesis.
Para evitar consecuencias graves, Edward Base decidió comenzar a bombear este gas debajo de la cúpula desde el exterior. En total, hubo que bombear más de 20 toneladas. Mientras tanto, los "experimentales", además de sus principales ocupaciones, exterminaron enérgicamente a las cucarachas y hormigas excesivamente proliferadas (principalmente simplemente presionaron, no pudieron encontrar estos insectos entre los habitantes de la "Biosfera").
Muy rápidamente, el equipo se dividió en dos grupos opuestos, uno de los cuales exigió la terminación inmediata del experimento, y el segundo insistió en que era necesario "aguantar hasta el final". Dado que el deseo de "aguantar" también fue compartido por la dirección del proyecto, ambos grupos se vieron obligados a convivir bajo un mismo techo hasta el 26 de septiembre de 1993, cuando siete habitantes demacrados y exhaustos del "paraíso terrenal" finalmente lo abandonaron. Pero incluso 20 años después, los representantes de diferentes grupos evitan diligentemente las reuniones y cualquier otra comunicación.
Los científicos no querían abandonar el complejo único, por lo tanto, ya a fines de 1993, se inició su restauración: en dos años de experimento, el diseño de "Biosphere-2" y muchos de sus sistemas estaban seriamente desgastados. El 6 de marzo de 1994, la cúpula recibió a siete nuevos "residentes", incluida una mujer. Teniendo en cuenta la experiencia de sus predecesores, cinco de ellos pudieron pasar seis meses en un sistema cerrado --hasta el 6 de septiembre (aunque originalmente se anunció un experimento de diez meses) - y lograron organizar la autosuficiencia en alimentos, pero los problemas con la reproducción descontrolada de microbios e insectos no pudieron resolverse.
El 5 de abril de 1994, Abigail Elling y Mark Van Thillo, dos participantes del primer experimento, lograron abrir una esclusa de aire y tres puertas de salida de emergencia, rompiendo la estrechez del complejo durante un cuarto de hora. También rompieron cinco paneles de techo de vidrio. Elling explicó su acción por el hecho de que quería dar a la gente de dentro la posibilidad de elegir entre libertad y "encarcelamiento".
El 1 de junio de 1994, Space Biospheres Ventures dejó de existir oficialmente, transfiriendo todos los negocios (incluido el segundo experimento) a un equipo de gestión temporal contratado por Decisions Investment Co.
A mediados de 1996, después de que la gestión de la "Biosfera" fuera transferida a la Universidad de Columbia (Nueva York), los científicos lanzaron un nuevo experimento en ella, esta vez sin la participación de personas. Iban a averiguar si el rendimiento realmente aumenta con un aumento en el porcentaje de dióxido de carbono (y hasta qué límite), qué pasa con el exceso de dióxido de carbono y dónde se acumula, y también si es posible un proceso inverso catastrófico con un aumento descontrolado del contenido de CO2 en la atmósfera. No fue posible obtener respuestas claras a ninguna de estas preguntas.
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Durante mucho tiempo, el complejo científico se utilizó para la práctica de los estudiantes, y en 2005 se puso a la venta. El comprador no se encontró hasta el verano de 2007. Se trataba de Ranching & Development, que tenía la intención de construir un complejo hotelero y educativo cercano, y Biosphere-2 se convertiría en una atracción turística de acceso público. El 26 de julio de 2007, el laboratorio único fue transferido a disposición de la Universidad de Arizona.
… En uno de los muros interiores de la "Biosfera" todavía hay varias líneas escritas por uno de los participantes de la primera misión: "Sólo aquí sentimos cuán dependientes de la naturaleza circundante. Si no hay árboles, no tendremos nada para respirar; si el agua está contaminada, no tendremos nada para beber ". Esta sabiduría ganada con esfuerzo es quizás el resultado más importante de un experimento ambicioso.
Proyecto BIOS
La investigación sobre la posibilidad de crear sistemas biofísicos estables de biosíntesis continua comenzó poco después de los primeros vuelos espaciales tripulados. Uno de los trabajos más interesantes y exitosos en esta dirección fue el proyecto BIOS, que fue lanzado por empleados del Instituto de Biofísica de Krasnoyarsk (URSS, ahora Federación de Rusia). Allí, se desarrollaron sistemas de soporte vital para la estancia humana en el espacio, en condiciones extremas de latitudes polares, desiertos, altiplanos, bajo el agua.
En 1964, en el sistema BIOS-1, se implementó un sistema de soporte vital de clorella humana de dos enlaces, cerrado al intercambio de gases. Las algas absorbían dióxido de carbono y producían oxígeno, pero no podían usarse como alimento.
En el complejo BIOS-2, que comenzó a crearse en 1965, además de las algas, participaron plantas superiores: trigo, verduras. En 1968, los primeros experimentos se llevaron a cabo en el sistema de tres enlaces "hombre - microalgas - plantas superiores". Alcanzó el 85% de reutilización de agua. Sobre la base de estos experimentos, se creó BIOS-3, un sistema de soporte vital humano ecológico cerrado con control autónomo.
Esquema de intercambio de gas y agua en el complejo experimental "Bios-3". Las rutas de gas se muestran con líneas naranjas, agua - negro. Las flechas azules indican la dirección de viaje. Las letras indican: B - cultivadores de algas chlorella, G - soplador de gas, U - filtro de carbón vegetal, C - colectores de aguas residuales en la cocina y el baño, Q - colector de recolección de condensado de humedad en el fitotrón, D - tanque para hervir y almacenar agua doméstica, M - colector orina, unidad F para purificación por sorción de agua potable.
La construcción del complejo BIOS-3 se completó en 1972. En el sótano del Instituto de Biofísica en el Krasnoyarsk Academgorodok, se construyó una sala sellada con dimensiones de 14x9x2,5 my un volumen de aproximadamente 315 m3. Estaba dividido en 4 compartimentos iguales, dos de los cuales estaban ocupados por fitotrones para el cultivo de plantas, uno por cultivadores de microalgas y el último era un bloque habitable con cabañas para la tripulación, equipo doméstico y auxiliar. Los compartimentos estaban conectados por puertas selladas.
Sobre la base de BIOS-Z, se llevaron a cabo 10 experimentos con equipos de una a tres personas. El más largo duró 180 días (1972-1973). Se logró un “cierre” completo del sistema de gas y agua, las necesidades de alimentación de la tripulación fueron satisfechas en un 80% a expensas de los recursos internos. El ingeniero Nikolai Bugreev vivió en el complejo por más tiempo (13 meses en total).
En invernaderos con iluminación artificial, se cultivaron variedades especiales de trigo, soja, lechuga, chufa (cultivo de semillas oleaginosas de Asia Central), zanahorias, rábanos, remolachas, papas, pepinos, acedera, repollo, eneldo y cebollas. El trigo enano, criado por el profesor G. M. Lisovsky, tiene tallos más cortos, lo que permitió reducir la cantidad de desechos. Los alimentos enlatados con productos animales también se utilizaron como alimento.
A finales de los 80, los experimentos en BIOS-Z se detuvieron temporalmente.
En 1991, se creó el Centro Internacional de Sistemas Ecológicos Cerrados bajo la dirección del académico I. I. Gitelzon, que se convirtió en una subdivisión estructural del Instituto de Biofísica de Krasnoyarsk, rama siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia. El propósito de su investigación es crear prototipos y modelos de trabajo de ecosistemas cerrados para el sustento de la vida humana a largo plazo en condiciones extremas terrestres y espaciales a partir del estudio de los procesos de circulación de sustancias en la biosfera terrestre.
El desarrollo de un nuevo modelo de biosistema comenzó en Krasnoyarsk en 2005 con el apoyo de la Agencia Espacial Europea. Actualmente, en el marco de este proyecto, se está investigando en el campo del tratamiento de residuos y cultivo de plantas en ecosistemas cerrados.
La NASA diseña biosistemas
Los especialistas de la NASA, por supuesto, no pudieron mantenerse alejados del desarrollo de biosistemas cerrados, que luego podrían usarse para apoyar a las tripulaciones de estaciones espaciales y naves interplanetarias. Sus logros en esta área son mucho menores, pero tienen un éxito comercial tangible.
Estamos hablando de un módulo biológico denominado Ecosphere, que es un acuario de bolas de vidrio sellado con un diámetro de 10-20 cm, lleno de agua de mar con una pequeña burbuja de aire y "poblado" con varios camarones Halocaridina rubra, trozos de coral, algas verdes y bacterias que descomponen los alimentos. funciones vitales del camarón. En el fondo del acuario, más bien por razones estéticas, se vierte arena y conchas.
Según las garantías de los fabricantes, se suponía que todo este mundo sería absolutamente autónomo durante un tiempo ilimitado, solo necesitaba luz solar y mantener una temperatura más o menos constante. El camarón se multiplicó y murió, sin ir más allá de la cantidad que los recursos disponibles podían "alimentar". Ecosphere inmediatamente se volvió increíblemente popular.
Es cierto que pronto quedó claro que su "eternidad" era de solo 2-3 años, después de lo cual el equilibrio biológico dentro del acuario se vio afectado y sus habitantes murieron. No obstante, los acuarios herméticos siguen siendo populares hoy en día; después de todo, cada civilización tiene su propia "vida útil", e incluso dos años para los estándares de un camarón no son tan malos.
"Espacio hormiguero" en tu mesa
Las hormigas son criaturas asombrosas. Se encuentran en casi todas las zonas naturales (excepto en los desiertos árticos). Sus antepasados, poco diferentes de los representantes modernos de esta familia, vivieron en la Tierra hace más de 100 millones de años, como lo demuestran sus restos encontrados en barro fosilizado. Es muy probable que incluso entonces tuvieran las habilidades de una "comunidad colectiva" y se subdividieran en "castas": hormigas obreras, guerreros, cazadores, etc.
Hay más de 12,5 mil especies clasificadas de hormigas solamente, y el número total de estos insectos en la Tierra puede alcanzar un billón (un millón de billones, o 1015). Con una masa promedio de un espécimen de aproximadamente 3 mg, su biomasa total resulta ser solo un orden de magnitud menor que la biomasa de la humanidad, mientras que hay alrededor de cientos de miles de hormigas por persona. Es obvio que una familia tan numerosa de seres vivos es uno de los elementos más importantes de la biosfera. Por tanto, los mirmecólogos (la mirmecología es una rama de la entomología que estudia las hormigas) participan activamente en la mayor parte de las investigaciones dedicadas a la creación de ecosistemas cerrados.
La mayor parte de la vida de las hormigas tiene lugar en refugios subterráneos o de difícil acceso, donde es extremadamente difícil observarlas. Los científicos han realizado un gran esfuerzo para resolver este problema. La versión más simple del "observatorio de hormigas" puede considerarse un hormiguero artificial de dos paneles de vidrio transparente (plástico) y relleno de arena entre ellos. Las observaciones se realizan con luz tenue o rayos infrarrojos.
Dado que la arena es opaca, en un hormiguero de este tipo solo se pueden ver los túneles directamente adyacentes a la pared de vidrio. Además, esta estructura es muy poco transportable, incluso con una ligera sacudida, los pasajes alineados por las hormigas se desmoronan y colapsan. Por lo tanto, para experimentar con ellos en las naves espaciales del transbordador espacial, los empleados de la NASA tuvieron que diseñar un hábitat en el que las hormigas pudieran vivir y construir túneles que pudieran resistir los efectos de los cambios repentinos de gravedad.
Concepto para el proyecto Mars One
Para esto, se desarrolló un relleno especial gelatinoso, adecuado para que las hormigas vivan en él y construyan túneles. También les sirve como fuente de alimento. Esta tecnología se utilizó para construir el "hormiguero de escritorio" de Antquarium, que brinda a todos los amantes de la vida silvestre una rara oportunidad de observar la fascinante vida de estos insectos.
El Antquarium no es un ecosistema cerrado, pero el suministro de agua y nutrientes (además del aire) es limitado. También se minimiza la probabilidad de que entren bacterias patógenas y parásitos de hormigas. Por lo tanto, un "hormiguero transparente" puede mantener la vida de sus habitantes durante bastante tiempo, siempre que se respeten las condiciones de luz y temperatura especificadas en las instrucciones.
Revista "Universe, Space, Time", marzo de 2014
