UDC 94:574.4
https://doi.org/10.24158/fik.2017.6.22
Tkacsenko Jurij Leonidovics
A műszaki tudományok kandidátusa, egyetemi docens, a Moszkvai Állam docense technikai Egyetem nevét N.E. Bauman
Morozov Szergej Dmitrijevics
Egyetemi adjunktus
Moszkvai Állami Műszaki
N.E.-ről elnevezett egyetem Bauman
A MESTERSÉGES ÖKOSZISTÉMÁK LÉTREHOZÁSÁNAK TÖRTÉNETÉBŐL
Tkacsenko Jurij Leonidovics
PhD műszaki tudományból, adjunktus, Bauman Moszkvai Állami Műszaki Egyetem
Morozov Szergej Dmitrijevics
A Bauman Moszkvai Állami Műszaki Egyetem adjunktusa
PILLANATOK A MESTERSÉGES ÖKOSZISZTÉMÁK TÖRTÉNETÉBŐL" LÉTREHOZÁS
Megjegyzés:
A cikk az űrben és a földön való felhasználásra szánt mesterséges ökoszisztémák létrehozásának dokumentált tényeit veszi figyelembe. Úttörő szerepe K.E. Ciolkovszkij, aki elsőként dolgozta ki a zárt élőhely létrehozásának koncepcióját az emberek számára az űrben, és V.I. Vernadsky a bioszférának szentelte a mesterséges ökoszisztémák felépítésének megközelítéseit. A döntő hozzájárulás S.P. Koroljov a Ciolkovszkij-projektek első gyakorlati megvalósításához az űrtelepülések prototípusainak építésére. A legfontosabb történelmi szakaszok ennek a folyamatnak: "Bios" (Szovjetunió), "Biosphere-2" (USA), "OEEP" (Japán), "Mars-500" (Oroszország), "Yuegun-1" (Kína) kísérletek.
Kulcsszavak:
mesterséges ökoszisztéma, űrtelepülések, zárt élőhely, K.E. Ciolkovszkij, S.P. Koroljev, V.I. Vernadszkij.
A cikk a mesterséges ökoszisztémák létrehozásának dokumentált tényeit ismerteti, amelyeket űrbeli és földi alkalmazásokra terveztek. A tanulmány bemutatja K. E. Ciolkovszkij úttörő szerepét, aki elsőként dolgozta ki a zárt ökológiai rendszerek koncepcióját az űrben élő emberek számára és a V. I. hatása. Vernadszkij bioszférája a mesterséges ökoszisztémák felépítésének módszereivel foglalkozik. A cikk bemutatja S. P. Koroljev döntő hozzájárulását a K. E. Ciolkovszkij projektjei szerinti űrlakó-prototípusok első gyakorlati megvalósításához. A cikk leírja ennek a folyamatnak a főbb történelmi szakaszait, amelyek olyan kísérletek, mint a BIOS (a Szovjetunió), a Biosphere 2 (USA), a CEEF (Japán), a Mars-500 (Oroszország), a Yuegong-1 (Kína).
mesterséges ökoszisztéma, térbeli élőhelyek, zárt ökológiai rendszer, K.E. Ciolkovszkij, S.P. Koroljev, V.I. Vernadszkij.
Bevezetés
Az űrrepülések álmának megjelenésével egy időben született meg a mesterséges zárt emberi élőhely létrehozásának szükségessége. Az embereket mindig is érdekelte a levegőben és a világűrben való mozgás képessége. A XX században. megindult a gyakorlati űrkutatás, és a XXI. Az űrhajózás már a világgazdaság szerves részévé vált. Az asztronutika hírnöke, filozófus-kozmikus K.E. Ciolkovszkij a "Monism of the Universe" (1925) című művében ezt írta: "A jövő technológiája lehetővé teszi a Föld gravitációjának leküzdését és a Naprendszerben való utazást. Naprendszerünk betelepülése után más naprendszereink is benépesülnek. Tejút. Az ember nehezen válik el a földtől. A "jövő technológiája" alatt Ciolkovszkij nemcsak a sugárhajtás elvét alkalmazó rakétatechnológiát értette, hanem a földi bioszféra képére és hasonlatosságára épített emberi tartózkodási rendszert is az űrben.
Az "űrbioszféra" fogalmának megszületése
K.E. Ciolkovszkij volt az első, aki kifejezte azt az ötletet, hogy természetszerű elveket és bioszféra-mechanizmusokat használjon az oxigén, a táplálkozás, az édesvíz reprodukálására és a keletkezett hulladék ártalmatlanítására „sugárhajtóműve” személyzetének életfenntartására. Ezt a kérdést Ciolkovszkij szinte minden kérdésében megfontolta tudományos dolgozatok, filozófiai és fantasztikus művek. Egy ilyen környezet megteremtésének lehetőségét V.I. munkái igazolják. Vernadsky, aki feltárta a Föld bioszféra felépítésének és működésének alapelveit. 1909 és 1910 között Vernadsky egy sor megjegyzést tett közzé az eloszlás megfigyeléseiről kémiai elemek a földkéregben, és arra a következtetésre jutott, hogy az élő szervezetek vezető szerepet játszanak a bolygó anyagkeringésének megteremtésében. Miután megismerkedett Vernadszkij e munkáival és más, az akkor új tudományos irány - ökológia - területén végzett munkákkal, Ciolkovszkij a "Világterek tanulmányozása sugárhajtású eszközökkel" (1911) című cikkének második részében ezt írta: "Ahogy a Föld légkörét növények tisztítják a Nap segítségével, úgy
megújítani mesterséges légkörünket. Ahogyan a Földön a növények leveleikkel és gyökereikkel felszívják a szennyeződéseket, és cserébe táplálékot adnak, úgy az utunkra vitt növények is folyamatosan dolgozhatnak nekünk. Ahogyan minden, ami a Földön létezik, ugyanannyi gázon, folyadékon és szilárd anyagon él, úgy mi is örökké élhetünk a felvett anyagkészleten.
Ciolkovszkij szerzősége is a nagyszámú lakosú űrtelepülés projektjéhez tartozik, akik számára a vegyszerek zárt körforgása miatt szerveződik a légkör, a víz és az élelmiszerforrások megújítása. Ciolkovszkij egy ilyen "kozmikus bioszférát" ír le egy kéziratában, amelyet 1933-ig megőrzött, de soha nem tudta befejezni:
„A közösség akár ezer embert foglal magában mindkét nemből és minden korosztályból. A páratartalmat a hűtőszekrény szabályozza. Az emberek által elpárolgott összes felesleges vizet is összegyűjti. A szálló az üvegházzal kommunikál, ahonnan tisztított oxigént kap, és ahová elküldi ürülékének összes termékét. Egy részük folyadék formájában behatol az üvegházak talajába, mások közvetlenül a légkörbe kerülnek.
Ha a henger felületének harmadát ablakok foglalják el, akkor a legtöbb 87%-át több fény, és 13%-a elvész. A szövegrészek mindenhol kényelmetlenek...” (Ekkor a kézirat megszakad).
Az első kísérleti telepítések
Ciolkovszkij befejezetlen kézirata "Élet a csillagközi környezetben" címmel több mint 30 év után - 1964-ben - a Nauka kiadónál jelent meg. A kiadás kezdeményezője az űrtechnológia általános tervezője, S.P. akadémikus volt. Koroljov. 1962-ben már sikeres tapasztalattal rendelkezik űrrepülés az első űrhajós, Yu.A. Gagarin 1961. április 12-én alapvetően új irányvonalat jelölt meg az űrprojekt fejlesztésében: „El kell kezdeni a „Ciolkovszkij szerinti üvegház” fejlesztését, fokozatosan növekvő láncszemekkel vagy blokkokkal, és el kell kezdenünk dolgozni az „űrbetakarításokon”. Mely szervezetek végzik el ezeket a munkákat: a növénytermesztés és a talaj-, nedvesség-kérdések, a gépesítés és a "fény-hő-napenergia" technológia és üvegházak vezérlőrendszerei területén? .
Létrehozása a világ első zárt mesterséges ökoszisztéma a térkiosztás S.P. találkozásával kezdődött. Királynő és a Fizikai Intézet igazgatói Szibériai ág A Szovjetunió Tudományos Akadémia (IP SB AS USSR) L.V. Kirensky, amelyen Koroljev átadta Kirenszkijnek az "űrüvegházzal" kapcsolatos javaslatait. Ezt követően a Szovjetunió Tudományos Akadémia Szibériai Fiókjának Fizikai Intézetében üléssorozatot tartottak, ahol eldöntötték, hogy melyik tanszék lesz az űrprogram kidolgozásának alapja. A Koroljev által kitűzött feladatot, hogy olyan mesterséges ökoszisztémát hozzon létre egy lezárt kapszulában, amelyben az ember hosszú ideig tartózkodhat a földhöz közeli környezeti körülmények között, a protozoák osztályára bízták. Ez a szokatlan döntés, mint később kiderült, helyesnek bizonyult: a legegyszerűbb mikroalgák voltak képesek teljes mértékben ellátni a legénységet oxigénnel és tiszta vízzel.
Lényeges, hogy ugyanabban az évben – 1964-ben, amikor Ciolkovszkij utolsó kézirata meglátta a fényt – megkezdődött az első zárt mesterséges ökológiai rendszer gyakorlati fejlesztése, beleértve az emberi anyagcserét az anyag belső keringésében. A Szovjetunió Tudományos Akadémia Szibériai Kirendeltsége Biofizikai Intézetének Biofizikai Osztályán, amelyet később a Szovjetunió Tudományos Akadémia Szibériai Kirendeltsége önálló Biofizikai Intézetévé alakítottak át, Krasznojarszkban megkezdődött a Biosz-1 kísérleti létesítmény építése, amelyben I.I. Gitelzon és I.A. Terskov, aki a biofizika új irányának alapítói lett. A fő feladat az emberi oxigén- és vízellátás megszervezése volt. Az első telepítés két részből állt: egy 12 m3-es, nyomás alatti kabinból, amelyben egy személy volt elhelyezve, valamint egy speciális, 20 literes kultivátortartályból a közönséges chlorella termesztésére. A 7 különböző időtartamú (12 órától 45 napig tartó) kísérlet megmutatta a gázcsere teljes lezárásának lehetőségét, vagyis az oxigéntermelés és a szén-dioxid mikroalgák általi hasznosításának biztosítását. A chlorella életfolyamatai révén létrejött egy vízkörforgás is, melynek során a víz az iváshoz és egyéb szükségletek kielégítéséhez szükséges mennyiségben megtisztult.
A "Bios-1"-ben a 45 napnál tovább tartó kísérletek nem váltak be, mivel a mikroalgák növekedése leállt. 1966-ban az alacsonyabb és magasabb növényeket is tartalmazó mesterséges ökoszisztéma kialakítása érdekében a Bios-1-et Bios-2-vé korszerűsítették úgy, hogy egy 8 m3-es fitotront csatlakoztattak a túlnyomásos kabinhoz. A Phytotron egy speciális technikai eszköz magasabb növények: zöldségek és búza termesztésére mesterséges megvilágítás és mikroklíma mellett. A magasabban fekvő növények táplálékforrásul szolgáltak a legénység számára, és biztosították a levegő regenerálódását. Mivel a magasabb rendű növények is oxigént adtak, két tesztelő részvételével lehetett kísérleteket végezni, amelyek 30, 73 és 90 napig tartottak. Az üzem 1970-ig működött.
A „Bios-3”-at 1972-ben helyezték üzembe. Ezt a 4 szobás lakás méretű, jelenleg is működő, 315 m3 térfogatú hermetikus szerkezetet az Orosz Tudományos Akadémia Szibériai Kirendeltsége Biofizikai Intézetének alagsorában rendezték be Krasznojarszkban. Belül a létesítményt légmentesen zárható válaszfalak osztják négy rekeszre: két üvegház a fitotronokban termesztett ehető növények számára, talajt nem igénylő hidroponikus módszerrel, egy rekesz az oxigént és tiszta vizet termelő chlorella tenyésztésére, valamint egy rekesz a legénység tagjai számára. A lakótérben hálóhelyek, konyha-étkező, WC, vezérlőpult, növényi termékek feldolgozására és hulladékelhelyezésére szolgáló berendezések találhatók.
A fitotronokban a legénység speciálisan nemesített, minimális ehetetlen biomasszát tartalmazó törpebúzafajtákat termesztett. Zöldségféléket is nemesítettek: hagymát, uborkát, retket, salátát, káposztát, sárgarépát, burgonyát, céklát, sóskát és kaprot. A közép-ázsiai "chufa" olajnövényt választották ki, amely az emberi szervezet számára nélkülözhetetlen növényi zsírok forrásaként szolgált. A legénység a szükséges fehérjéket hús- és halkonzerv elfogyasztásával kapta meg.
Tíz kísérleti kolonizációt hajtottak végre a Bios-3-ban az 1970-es években és az 1980-as évek elején. Három közülük több hónapig tartott. A háromfős legénység folyamatos teljes elkülönítésének leghosszabb tapasztalata 6 hónapig tartott - 1972. december 24-től 1973. június 22-ig. Ez a kísérlet összetett felépítésű volt, és három szakaszban hajtották végre. Minden szakasznak megvolt a saját kutatói összetétele. Az M.P. felváltva tartózkodott a telepítésben. Shilenko, N.I. Petrov és N.I. Bugreev, akik egyenként 4 hónapot dolgoztak. A kísérlet résztvevője V.V. Terskikh mind a 6 hónapig a Bios-3-ban maradt.
A "Bios-3" fitotronok elegendő mennyiségű gabonát és zöldséget termeltek naponta. A stáb az idő nagy részét ehető növények magból történő termesztésével, betakarításával és feldolgozásával, kenyérsütéssel és főzéssel töltötte. 1976-1977-ben. átment egy 4 hónapig tartó kísérleten, amelyben két tesztelő vett részt: G.Z. Aszinyarov és N.I. Bugreev. 1983 őszétől 1984 tavaszáig egy 5 hónapos kísérletet végeztek N.I. Bugreeva és S.S. Alekseev, amely befejezte a "Bios" munkáját. N.I. Bugreev tehát abszolút rekordot döntött akkoriban a zárt mesterséges környezetben való tartózkodásban, hiszen összesen 15 hónapig élt az installációban. Az 1980-as évek végén a Bios programot felfüggesztették, mivel a kormányzati finanszírozás leállt.
"Bioszféra" az üveg mögött
A zárt élőhely kialakításában a stafétabotot az amerikaiak vették fel. 1984-ben a Space Biospheres Ventures elkezdte építeni a Biosphere 2-t, egy zárt kísérleti létesítményt az Egyesült Államok arizonai sivatagjában.
A Bioszféra-2 ideológusai Mark Nelson és John Allen voltak, akiket átitattak V.I. Vernadsky, mintegy 20 külföldi tudóst egyesítve a bioszféra tana alapján. A Szovjetunióban a "Thought" kiadó 1991-ben kiadott egy könyvet ettől a szerzőcsoporttól "A bioszféra katalógusa", amely a közelgő kísérletről szólt. Allen és Nelson a következőképpen írt az „űrbioszférák” létrehozásával kapcsolatos feladataikról: „Vernadszkij és más tudósok nagyszerű terveivel, elképzeléseivel és modelljeivel felvértezve az emberiség most készségesen fontolgatja nemcsak a bioszférával való interakció lehetséges módjait, hanem a „mitózis” segítésének módjait is, földi életünket a világűrben való teljes részvételhez, az űrben való utazáshoz való teljes részvételhez igazítva.
A "Biosphere-2" egy üvegből, betonból és acélból készült tőkeszerkezet, amely 1,27 hektáron található. A komplexum térfogata több mint 200 ezer m3 volt. A rendszer zárt volt, vagyis teljesen elválasztható volt a külső környezettől. Benne mesterségesen hozták létre a bioszféra vízi és szárazföldi ökoszisztémáit: egy mini-óceán korallokból álló mesterséges zátonyral, egy trópusi erdő - dzsungel, szavanna, tüskés növények erdői, sivatag, édesvízi és sós vizű mocsarak. Ez utóbbi egy kanyargós folyómeder formáját öltötte, amelyet mesterséges óceán öntött el – egy mangrovákkal beültetett torkolat. Az ökoszisztémák biológiai közösségei 3800 állat-, növény- és mikroorganizmusfajt tartalmaztak. A „Bioszféra-2” belsejében lakóapartmanokat rendeztek be a kísérletben részt vevők és mezőgazdasági területeken, amelyek egy egész tanyát alkottak Sun Space néven.
1991. szeptember 26-án 8 embert izoláltak a létesítménykomplexumban - 4 férfit és 4 nőt. A kísérletezők - "bionauták", akik között volt a projekt ideológusa, Mark Nelson, hagyományos mezőgazdasággal - rizstermesztéssel foglalkoztak. Ehhez vidéki és állattartó telepeket használtak, rendkívül megbízható eszközöket használtak, amelyeket csak az ember izomerejének kellett hajtania. A létesítmény belsejében füvet, cserjéket és fákat ültettek. A kutatók rizst és búzát, édesburgonyát és céklát, banánt és papayát, valamint egyéb növényeket termesztettek, amelyek együttesen 46 fajta növényi táplálékot termeltek. A húsétrendet az állattenyésztés biztosította. Az állattartó telepen csirkék, kecskék és sertések éltek. Ezenkívül a bionauták halat és garnélarákot tenyésztettek.
A nehézségek szinte azonnal a kísérlet megkezdése után kezdődtek. Egy héttel később a Bioszféra-2 technikusa arról számolt be, hogy a légkörben lévő oxigén mennyisége fokozatosan csökken, a szén-dioxid koncentrációja pedig nő. Az is kiderült, hogy a farm a kutatók által igényelt étrendnek csak 83%-át biztosította. Ráadásul 1992-ben a tenyészmolyok szinte az összes rizstermést elpusztították. Az idei télen végig kitartott a felhős idő, ami az oxigéntermelés és a növények táplálkozásának csökkenéséhez vezetett. A mesterséges óceán a nagy mennyiségű szén-dioxid feloldódása miatt lett savas, aminek következtében a korallzátony elpusztult. Megkezdődött az állatok kihalása a dzsungelben és a szavannában. Két éven belül az üveg mögötti oxigénkoncentráció 14%-ra csökkent az eredeti 21 térfogat% helyett.
A "Bionauts" 1993 szeptemberében jelent meg, kétéves "üveg mögötti" tartózkodás után. Úgy gondolják, hogy a "Biosphere-2" megbukott. A modell kis léptékéből adódóan a "környezeti katasztrófa" nagyon gyorsan bekövetkezett, és megmutatta az ember kezelésének modern módjának minden kártékonyságát, amely környezeti problémákat okoz: a táplálkozás hiánya, a biomassza eltávolítása, a légkör és a hidroszféra szennyezése, valamint a fajok sokféleségének csökkenése. A "Biosphere-2" tapasztalata nagy ideológiai jelentőséggel bírt. Az egyik "bionauta" - Jane Pointer, aki előadásokat tartott a "Biosphere-2" kísérlet befejezése után, azt mondta: "Csak itt jöttem rá először, hogy az ember mennyire függ a bioszférától - ha minden növény elpusztul, akkor az embereknek nem lesz mit lélegeznie és nincs mit enniük. Ha az összes víz szennyezett, az embereknek nem lesz mit inniuk." A Bioszféra-2 komplexum továbbra is látogatható, szerzői ugyanis úgy vélik, hogy alapvetően új alapokat teremtettek a környezetvédelem terén a közoktatásban.
a lakottak prototípusai űrállomások
Az 1990-es évek második fele óta létrehozott létesítményeknek kezdetben egyértelmű célja volt - egy űrhajó életfenntartó rendszerének modellezése vagy egy lakható bázis modellezése a repülési körülményekhez és a Mars vagy a Hold felfedezéséhez. 1998 és 2001 között Japánban végeztek kutatásokat a CEEF (Closed Ecological Experimental Facility) létesítményében, amely egy zárt mesterséges ökoszisztéma. A kísérletek célja a gázcsere, a vízkeringés és a táplálkozás zárt ciklusainak vizsgálata volt, miközben szimulálták egy marsi lakható bázis körülményeit. A komplexum tartalmazott egy fitotron egységet a növények termesztésére, egy rekeszt a háziállatok (kecskék) tenyésztésére, egy speciális, szárazföldi és vízi ökoszisztémákat szimuláló geohidroszférikus egységet, valamint egy lakható modult egy kétfős legénység számára. Az ültetvények területe 150 m2, az állattartó modul 30 m2, a lakóterület 50 m2 volt. A projekt szerzői a Tokyo Aerospace Institute munkatársai voltak, K. Nitta és M. Oguchi. Az objektum Honshu szigetén található Rokkasho városában. Nincsenek adatok hosszú távú kísérletek elvégzéséről az emberek elkülönítésére ebben az installációban, a következmények modellezésének eredményeit publikálták. globális felmelegedéséghajlat és a radionuklidok belső anyagáramlásokban való vándorlásával kapcsolatos kutatások.
A zárt élőhely modellezését a hosszú távú űrrepülések szimulálására az Orosz Tudományos Akadémia (Moszkva) Orvosbiológiai Problémák Intézetében (IMBP) végzik, amelyet M. V. alapított. Keldysh és S.P. Koroljov 1963-ban. E munka alapja a Mars-500 komplexumban hosszú ideig elszigetelt körülmények között tartózkodó emberek tanulmányozása. A legénység 520 napos elkülönítésével kapcsolatos kísérlet 2010 júniusában kezdődött és 2011 novemberében ért véget. A kísérletben férfi kutatók vettek részt: A.S. Sitev, S.R. Kamolov, A.E. Smoleevsky (Oroszország), Diego Urbina (Olaszország), Charles Romain (Franciaország), Wang Yue (Kína). A komplexum egyik modulja egy üvegházat tartalmaz zöldségtermesztésre. Az ültetési terület 69 m3-es térfogatban nem haladja meg a 14,7 m2-t. Az üvegház vitaminforrásként szolgált, kiegészítve és javítva a kísérletben résztvevők étrendjét. A Mars-500 komplexum fiziko-kémiai, nem pedig biológiai folyamatokon alapul, amelyek segítségével konzerv-tartalékok felhasználásával biztosítják a személyzet oxigént és tiszta vizet, ezért jelentősen eltér a Bios-3 telepítésétől.
A Bios projekthez fogalmilag leginkább a Yuegun-1 (Lunar Palace) kínai komplexum áll. A komplexum a holdbázis körülményeit reprodukálja. A Yuegong-1-et Li Hong professzor fejlesztette ki a Pekingi Repülési és Űrhajózási Egyetemen. A moszkvai és krasznojarszki tudósok tanácsot adtak a kínai komplexum alkotóinak.
A Yuegong-1 komplexum 160 m2 területet foglal el, 500 m3 térfogattal, és három félhengeres modulból áll. Az első modul egy lakóépület, amely egy szalont, három fős kabinokat, egy hulladékfeldolgozó rendszert és egy személyi higiénés helyiséget tartalmaz. A másik két modul üvegházakat ad a termeléshez növényi táplálék. A termesztett növények a legénység étrendjének több mint 40%-át tették ki. Víz és levegő tekintetében a létesítmény zárt környezete 99%-os volt.
A Yuegong-1 létesítmény építése 2013. november 9-én fejeződött be. 2014. december 23. és december 30. között a tesztelők, akik két egyetemi hallgató voltak, próbatelepítést végeztek a Holdpalotában. Magát a kísérletet 105 napon keresztül végezték - 2014. február 3-tól május 20-ig. Három fős legénység vett részt benne: egy férfi, Xie Beizhen és két nő, Wang Minjuan és Dong Chen. A kísérlet sikeresen zárult, és széles körben beszámolt róla a kínai médiában. Következtetés
A zárt mesterséges ökoszisztémák létrejöttének bemutatott története a globális töredéke történelmi folyamat az emberiség fejlődése. Az ember gondolkodási képességének köszönhetően gyakorlati asztronautikát hozott létre, és bebizonyította, hogy képes túllépni a bolygón. Az élőhely felépítésének és működésének bioszférikus mechanizmusainak mélyreható tanulmányozása lehetővé teszi az emberek számára, hogy kedvező feltételeket teremtsenek a bolygókon és azok műholdain, aszteroidákon és más űrtesteken. Ez a tevékenység lehetővé teszi az emberi létezés értelmének felismerését.
AZ ÉS. Vernadsky írt az élet terjedéséről a Földön és a világűrben. Csak az eszével rendelkező ember képes tovább vezetni bioszféránk terjeszkedését, egészen a Kozmosz vizsgált határainak kialakulásáig. Az emberiségnek ki kell terjesztenie a bioszférát az aszteroidákra és a legközelebbire tértestek továbbmenni, túllépni az univerzum vizsgált határain. Ez nemcsak a bioszféránk, hanem az ember biológiai fajainak megőrzése szempontjából is fontos. A Földközeli tér, a Naprendszer, majd a világűr Ciolkovszkij által előre jelzett feltárása eredményeként az emberiség dinamikus populációi alakulhatnak ki – vagyis az emberek egy része tartósan a Földön kívüli űrbázisokon fog élni. A történelem mint tudomány tehát túllép a bolygókereten, és valóban nemcsak a Föld, hanem a Kozmosz történelmévé is válik.
1. A filozófia világa. 2 kötetben T. 2. M., 1991. 624 p.
2. Ciolkovszkij K.E. Ipari űrkutatás: műgyűjtés. M., 1989. 278 p.
3. K.E. kéziratainak fénymásolatai. Ciolkovszkij [ Elektronikus forrás]. URL: http://tsiolkovsky.org/wp-content/up-loads/2016/02/ZHizn-v-mezhzvezdnoj-srede.pdf (Hozzáférés: 2017.04.25.).
4. Grishin Yu.I. Mesterséges űrökoszisztémák. M., 1989. 64 p. (Új az életben, tudományban, technikában. Űrhajózás, csillagászat sorozat. 7. sz.).
5. Gitelzon I.I., Degermendzsi A.G., Tikhomirov A.A. Zárt életfenntartó rendszerek // Tudomány Oroszországban. 2011. 6. szám S. 4-10.
6. Degermendzsi A.G., Tikhomirov A.A. Mesterséges zárt ökoszisztémák létrehozása szárazföldi és űrbeli célokra // Az Orosz Tudományos Akadémia közleménye. 2014. V. 84., 3. szám, S. 233-240.
7. A bioszféra katalógusa. M., 1991. 253 p.
8. Nelson M., Dempster W.F., Allen J.P. „Moduláris bioszférák” – Új tesztplatformok a nyilvános környezeti oktatáshoz és kutatáshoz // Előrelépések az űrkutatásban. 2008. évf. 41. sz. 5. R. 787-797.
9. Nitta K. The CEEF, Closed Ecosystem as a Laboratory for Determining the Dynamics of Radioactive Isotopes, Uo. 2001. évf. 27. sz. 9. R. 1505-1512.
10. Grigorjev A.I., Morukov B.V. "Mars-500": előzetes eredmények // Föld és Univerzum. 2013. No. 3. S. 31-41.
11. Paveltsev P. "Yuegun-1" - a BIOS-3 projekt utódja // Cosmonautics News. 2014. V. 24., 7. sz. S. 63-65.
Az emberiségnek szüksége volt a tudósok által több száz év alatt összegyűjtött összes tudásra az űrrepülés megkezdéséhez. És akkor egy személy új problémával szembesült - más bolygók gyarmatosításához és hosszú távú repülésekhez zárt ökoszisztémát kell kialakítani, beleértve - az űrhajósok élelmiszerrel, vízzel és oxigénnel való ellátását. A Földtől 200 millió kilométerre lévő Marsra élelmiszert szállítani drága és nehéz, logikusabb lenne repülés közben és a Vörös bolygón is könnyen megvalósítható élelmiszerek előállításának módjait találni.
Hogyan hat a mikrogravitáció a magokra? Milyen zöldségek lennének ártalmatlanok, ha nehézfémekben gazdag talajban termesztenék őket a Marson? Hogyan állítsunk fel ültetvényt egy űrhajó fedélzetén? A tudósok és űrhajósok több mint ötven éve keresik a választ ezekre a kérdésekre.
Az illusztráción Maxim Suraev orosz űrhajós látható, amint növényeket ölel át a Lada installációban a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén, 2014.
Konsztantyin Ciolkovszkij ezt írta az Asztronautika céljai című művében: „Képzeljünk el egy hosszú kúpos felületet vagy tölcsért, amelynek alapját vagy széles nyílását átlátszó gömbfelület borítja. Közvetlenül a Nap felé néz, és a tölcsér a hosszú tengelye (magassága) körül forog. A kúp átlátszatlan belső falain egy nedves talajréteg található, amelybe növényeket ültettek. Ezért azt javasolta, hogy mesterségesen hozzanak létre gravitációt a növények számára. A növényeket szapora, kicsi, vastag törzsek és napfényben nem működő részek nélkül kell kiválasztani. Így a kolonizátorok részben biológiailag aktív anyagokkal, mikroelemekkel elláthatók, oxigént és vizet regenerálhatnak.
1962-ben az OKB-1 főtervezője, Szergej Koroljev azt a feladatot tűzte ki, hogy „El kell kezdeni a Ciolkovszkij szerinti üvegház (OR) fejlesztését, fokozatosan növekvő láncszemekkel vagy blokkokkal, és el kell kezdeni az „űrnövényeken” dolgozni.
Kézirat K.E. Ciolkovszkij "Űrutazás albuma", 1933.
A Szovjetunió 1957. október 4-én, huszonkét évvel Ciolkovszkij halála után állította pályára az első mesterséges földi műholdat. Már ugyanazon év novemberében az űrbe küldték a Laika korcsot, az elsőt azon kutyák közül, amelyeknek meg kellett volna nyitniuk az utat az űrbe az emberek számára. Laika túlmelegedés miatt halt meg mindössze öt óra alatt, bár a repülést egy hétre tervezték – ezúttal elég lett volna az oxigén és az élelem.
A tudósok szerint a probléma a genetikai irányultság miatt merült fel – a palántának a fényhez kell nyúlnia, a gyökérnek pedig az ellenkező irányba. Javították az Oázist, és a következő expedíció új magokat vitt pályára.
Az íj megnőtt. Vitalij Szevasztyanov jelentette a Földnek, hogy a nyilak tíz-tizenöt centimétert értek el. „Milyen nyilak, milyen íj? Megértjük, hogy ez egy vicc, borsót adtunk, nem hagymát ”- mondták a Földről. A repülőmérnök azt válaszolta, hogy az űrhajósok két hagymát vettek ki a házból, hogy a terv fölé ültessék őket, és megnyugtatta a tudósokat – szinte az összes borsó kikelt.
De a növények nem voltak hajlandók virágozni. Ebben a szakaszban meghaltak. Ugyanez a sors várt a tulipánokra is, amelyek virágoztak az Északi-sarkon a Boglárka installációban, de nem az űrben.
De a hagymát lehetett enni, amit 1978-ban V. Kovalenok és A. Ivanchenkov űrhajósok sikeresen meg is tettek: „Jó munkát végeztek. Talán most jutalomként megengedik a hagymát enni.
Technika - ifjúság, 1983-04, 6. oldal. Borsó az Oasis növényben
V. Ryumin és L. Popov űrhajósok 1980 áprilisában kapták meg a Malachit installációt virágzó orchideákkal. Az orchideák a fakéregben és az üregekben virágoznak, és a tudósok úgy gondolták, hogy kevésbé érzékenyek a geotropizmusra, vagyis a növényi szervek azon képességére, hogy a földgömb középpontjához képest meghatározott irányban tájékozódjanak és növekedjenek. A virágok néhány nap múlva lehullottak, ugyanakkor új levelek és léggyökerek alakultak ki az orchideákban. Kicsit később V. Gorbatko és Pham Tuay szovjet-vietnami legénysége egy kifejlett Arabidopsist hozott magával.
A növények nem akartak virágozni. A magok kikeltek, de például az orchidea nem virágzott az űrben. A tudósoknak segíteniük kellett a növényeknek megbirkózni a súlytalansággal. Ez többek között a gyökérzóna elektromos stimulációjával történt: a tudósok úgy vélték, hogy a Föld elektromágneses tere befolyásolhatja a növekedést. Egy másik módszer a Ciolkovszkij által leírt mesterséges gravitáció létrehozására irányuló terv volt – a növényeket centrifugában nevelték. A centrifuga segített - a hajtások a centrifugális erővektor mentén helyezkedtek el. Végül az űrhajósok elérték a szándékukat. Az Arabidopsis virágzott a Svetoblokban.
Az alábbi képen a bal oldalon a Fiton üvegház látható a Saljut-7 fedélzetén. Ebben az orbitális üvegházban először Talya rezukhovidka (Arabidopsis) teljes fejlődési cikluson ment keresztül, és magokat adott. Középen - "Svetoblok", amelyben az Arabidopsis először virágzott a Salyut-6 fedélzetén. A jobb oldalon található az „Oasis-1A” fedélzeti üvegház a „Salyut-7” állomáson: mért, félautomata öntözési rendszerrel, levegőztetéssel és a gyökerek elektromos stimulálásával volt felszerelve, és képes volt mozgatni a növekvő edényeket a növényekkel a fényforráshoz képest.
"Fiton", "Svetoblok" és "Oasis-1A"
A "Trapezia" telepítés a növények növekedésének és fejlődésének tanulmányozására.
Magkészletek
A Szaljut-7 állomás repülési naplója, Svetlana Savitskaya vázlatai
A Mir állomáson telepítették a világ első automata üvegházát, a "Svet". Orosz űrhajósok hat kísérletet végeztek ebben az üvegházban az 1990-es és 2000-es években. Salátát, retket és búzát termesztettek. 1996-1997-ben az Orosz Tudományos Akadémia Orvosbiológiai Problémái Intézete az űrben nyert növényi magvak termesztését tervezte, azaz két generációs növényekkel dolgozott. A kísérlethez a vadkáposzta körülbelül húsz centiméter magas hibridjét választották. A növénynek volt egy mínusza - az űrhajósoknak meg kellett küzdeniük a beporzással.
Az eredmény érdekes volt - a második generáció magjait az űrben fogadták, és még ki is csíráztak. De a növények huszonöt helyett hat centiméterre nőttek. Margarita Levinskikh, az Orosz Tudományos Akadémia Orvosbiológiai Probléma Intézetének kutatója elmondja hogy Michael Fossum amerikai űrhajós végezte a növények beporzásával kapcsolatos ékszermunkát.
Roscosmos videó az űrben történő növények termesztéséről. 4:38-kor - növények a Mir állomáson
2014 áprilisában a Dragon SpaceX teherhajó Veggie zöld termesztő létesítményt szállított a Nemzetközi Űrállomásra, márciusban pedig az űrhajósok egy orbitális ültetvény tesztelését kezdték meg. A berendezés szabályozza a fényt és a tápanyagellátást. 2015 augusztusában az űrhajósok menüjében, mikrogravitációban termesztve.
A Nemzetközi Űrállomáson termesztett saláta
Így nézhet ki a jövőben egy űrállomás ültetvény
A Lada üvegház a Plants-2 kísérlet Nemzetközi Űrállomásának orosz szegmensében működik. 2016 végén vagy 2017 elején a Lada-2 változat jelenik meg a fedélzeten. Az Orosz Tudományos Akadémia Orvosbiológiai Problémák Intézete dolgozik ezeken a projekteken.
Az űrben végzett növénytermesztés nem korlátozódik a nulla gravitációs kísérletekre. Az embernek más bolygók gyarmatosításához a földtől eltérő talajon és más összetételű légkörben kell mezőgazdaságot fejlesztenie. 2014-ben Michael Mautner biológus spárga és burgonya meteorit talajon. A termesztésre alkalmas talaj kinyerése érdekében a meteoritot porrá őrölték. Tapasztalatai alapján be tudta bizonyítani, hogy baktériumok, mikroszkopikus gombák és növények képesek növekedni földönkívüli eredetű talajon. A legtöbb aszteroida anyaga foszfátokat, nitrátokat és néha vizet is tartalmaz.
Meteor talajon termesztett spárga
A Mars esetében, ahol sok a homok és a por, nincs szükség kőzetcsiszolásra. De lesz egy másik probléma - a talaj összetétele. A Mars talajában nehézfémek találhatók, amelyek megnövekedett mennyisége a növényekben veszélyes az emberre. A holland tudósok a marsi talajt utánozták, és 2013 óta több növényfajból tíz termést termesztenek rajta.
A kísérlet eredményeként a tudósok megállapították, hogy a tartalom nehéz fémek a szimulált marsi talajon termesztett borsóban, retekben, rozsban és paradicsomban nem veszélyes az emberre. A tudósok továbbra is kutatják a burgonyát és más terményeket.
Wager Vamelink kutató a szimulált marsi talajon termesztett növényeket vizsgálja. Fotó: Joep Frissel/AFP/Getty Images
Fémtartalom a Földön betakarított terményekben, valamint talajszimulációk a Holdon és a Marson
Az egyik fontos feladatokat az életfenntartás zárt körének létrehozása. A növények kapnak szén-dioxidés a legénység salakanyagai, cserébe oxigént adnak és élelmet termelnek. A tudósoknak lehetőségük van 45% fehérjét és 20% zsírt és szénhidrátot tartalmazó egysejtű chlorella algákat élelmiszerként használni. De ezt az elméletileg tápláló ételt az ember nem szívja fel a sűrű sejtfal miatt. Vannak módok a probléma megoldására. Osztható sejtfalak technológiai módszerekkel, hőkezeléssel, zsírkrétával vagy más módszerrel. Magával viheti a kifejezetten chlorellához kifejlesztett enzimeket, amelyeket az űrhajósok étellel visznek magukkal. A tudósok a GMO chlorellát is elő tudják hozni, amelynek falát emberi enzimek képesek lebontani. A Chlorellát már nem használják táplálkozásra az űrben, hanem zárt ökoszisztémákban használják oxigén előállítására.
A chlorella kísérletet a fedélzeten végezték orbitális állomás Szaljut-6. Az 1970-es években még úgy tartották, hogy a mikrogravitációban való tartózkodás nem negatív befolyást az emberi testen – túl kevés volt az információ. Az élő szervezetekre gyakorolt hatást is megpróbálták tanulmányozni a chlorella segítségével, amelynek életciklusa mindössze négy óra. Kényelmes volt összehasonlítani a Földön termesztett chlorellával.
Az IFS-2 eszközt gombák, szövettenyészetek és mikroorganizmusok, valamint vízi állatok termesztésére szánták.
A Szovjetunióban az 1970-es évek óta végeznek kísérleteket zárt rendszerekkel. 1972-ben megkezdődött a "BIOS-3" munkája - ez a rendszer még mindig működik. A komplexum kamrákkal van felszerelve a növények ellenőrzött mesterséges körülmények között történő termesztésére - fitotronok. Búzát, szóját, chufu salátát, sárgarépát, retket, céklát, burgonyát, uborkát, sóskát, káposztát, kaprot és hagymát termesztettek. A tudósok a víz és a levegő esetében közel 100%-ban zárt körforgást tudtak elérni, a táplálkozás esetében pedig akár 50-80%-ot is. A Zárt Ökológiai Rendszerek Nemzetközi Központja fő céljai közé tartozik, hogy tanulmányozza az ilyen, különböző fokú komplexitású rendszerek működési elveit, és kialakítsa létrejöttük tudományos alapjait.
Az egyik nagy horderejű kísérlet a Marsra repülést és a Földre való visszatérést szimulálta. 519 napig hat önkéntes tartózkodott egy zárt komplexumban. A kísérletet a Rokosmos ill Orosz Akadémiaés az Európai Űrügynökség is partnerré vált. A „hajó fedélzetén” két üvegház volt - az egyikben saláta, a másikban borsó nőtt. Ebben az esetben nem az volt a cél, hogy a növényeket űrközeli körülmények között neveljük, hanem az volt, hogy kiderüljön, mennyire fontosak a növények a legénység számára. Ezért az üvegházak ajtóit átlátszatlan fóliával lezárták, és minden nyílást rögzítő érzékelőt szereltek fel. A bal oldali képen a Mars-500 legénységének egyik tagja, Marina Tugusheva üvegházakkal dolgozik egy kísérlet részeként.
Egy másik kísérlet a Mars-500 fedélzetén a GreenHouse. Az alábbi videóban az expedíció tagja, Alekszej Szitnev beszél a kísérletről, és bemutat egy üvegházat különféle növényekkel.
Egy embernek sok esélye lesz. Fennáll a veszélye, hogy leszállás közben lezuhan, lefagy a felszínen, vagy egyszerűen nem repül. És persze éhen halni. A növénytermesztés elengedhetetlen egy kolónia kialakulásához, tudósok és űrhajósok dolgoznak ebbe az irányba, sikeres példákat mutatva egyes fajok nem csak mikrogravitációban, hanem a Mars és a Hold szimulált talajában is. Az űrtelepeseknek biztosan lesz lehetőségük.
Szkennelte és feldolgozta: Jurij Abolonko (Szmolenszk)
ÚJ AZ ÉLETBEN, TUDOMÁNYBAN, TECHNOLÓGIÁBAN
ELŐFIZETÉS NÉPSZERŰ TUDOMÁNYOS SOROZAT
ŰR, CSILLAGÁSZAT
7/1989
1971 óta havonta jelenik meg.
Yu. I. Grishin
MESTERSÉGES ŰRÖKOSZISTÉMÁK
A kérdés alkalmazása során:
ŰRTURIZMUS
AZ ŰR KRÓNIKÁJA
CSILLAGSÁGI HÍREK
A "Knowledge" kiadó Moszkva 1989
BBC 39.67
G 82
Szerkesztő I. G. VIRKO
| Bevezetés | 3 |
| Ember a természetes ökoszisztémában | 5 |
| Legénységi űrhajó – mesterséges ökoszisztéma | 11 |
| Anyagok váltóversenye a biológiai ciklusban | 21 |
| Hatékonyak az ökoszisztémák? | 26 |
| Mesterséges és természetes bioszféra ökoszisztémák: hasonlóságok és különbségek | 32 |
| A biológiai életfenntartó rendszerekről űrszemélyzet | 36 |
| A zöld növények, mint a biológiai életfenntartó rendszerek fő láncszeme | 39 |
| Eredmények és kilátások | 44 |
| Következtetés | 53 |
| Irodalom | 54 |
ALKALMAZÁS | |
| űrturizmus | 55 |
| Az űrhajózás krónikája | 57 |
| Csillagászati hírek | 60 |
Grishin Yu. I.
| G 82 |
ISBN 5-07-000519-7
A brosúra az űrhajók legénységének és a jövőbeni, hosszú távon működő űrszerkezetek életfenntartásának problémáival foglalkozik. A mesterséges ökológiai rendszerek különféle modelljeit, beleértve az embert és más biológiai kapcsolatokat, figyelembe veszik. A brosúra az olvasók széles körének szól.
3500000000BBK 39,67
ISBN 5-07-000519-7© "Knowledge" kiadó, 1989
BEVEZETÉS
A 21. század eleje úgy vonulhat be a földi civilizáció fejlődésének történetébe, mint a napközeli világűr fejlődésének minőségileg új állomása: a természetes és mesterségesen létrehozott űrobjektumok közvetlen megtelepedése az emberek hosszú tartózkodásával ezeken a tárgyakon.
Úgy tűnik, a Föld első mesterséges műholdját (1957) a közelmúltban bocsátották a Föld-közeli űrpályára, az első repülést és fényképezést. hátoldal a Holdról (1959), az első ember az űrbe ment (Yu. A. Gagarin, 1961), a televízióban bemutatták az ember űrsétájának izgalmas pillanatát (A. A. Leonov, 1965), valamint bemutatták az űrhajósok első lépéseit a Hold felszínén (N. Armstrong és E. Aldrin, 1969). De minden évben ezek és az űrkor számos más kiemelkedő eseménye a múltba kerül, és a történelem tulajdonává válik. Valójában csak a kezdete a nagy K. E. Ciolkovszkij által megfogalmazott elképzelések megtestesülésének, aki az űrt nemcsak csillagászati térnek, hanem emberi lakhatási és jövőbeli életkörnyezetnek is tekintette. Úgy vélte, hogy "ha az élet nem terjedne el az univerzumban, ha a bolygóhoz lenne kötve, akkor ez az élet gyakran tökéletlen lenne, és szomorú véget érne" (1928).
Ma már a lakosság jelentős részének a Földön kívülre történő áttelepülése kapcsán jósolják az emberi biológiai evolúció lehetséges változatait, kidolgozzák az űrkutatás lehetséges modelljeit, értékelik az űrprogramok természetre, gazdaságra és társadalmi viszonyokra gyakorolt átalakító hatását. Szintén megfontolásra és megoldásra kerülnek a települések térbeli részleges vagy teljes önellátásának problémái zárt biotechnikai létfenntartó rendszerek segítségével, hold- és bolygóbázisok létrehozása, az űripar és az építőipar, a földönkívüli energiaforrások és anyagok felhasználása.
K. E. Ciolkovszkij szavai kezdenek beteljesülni, miszerint „az emberiség nem marad örökké a Földön, hanem a fény és az űr utáni hajszában először félénken áthatol a légkörön túlra, majd meghódítja az egész nap körüli teret” (1911).
A Föld-közeli és Napközeli világűr tudományos kutatásának, a Mars, a Hold és a Naprendszer más bolygóinak tanulmányozása érdekében a közelmúltban a világűrben zajló együttműködéssel foglalkozó nemzetközi találkozókon és fórumokon remény hangzott el, hogy a hatalmas anyagi, technikai és pénzügyi költségeket igénylő nagy űrprogramok megvalósítása számos ország közös erőfeszítésével valósul meg a nemzetközi együttműködés keretein belül. „Csak az emberiség kollektív elméje képes a Föld-közeli tér magaslataiba és tovább – a napközeli és csillagközeli térbe – eljutni” – mondta M. S. Gorbacsov a kommunista mozgalom külföldi képviselőihez, a Nagy Októberi Forradalom 70. évfordulója alkalmából rendezett ünnepség résztvevőihez intézett beszédében.
A világűr további ember általi feltárásának egyik legfontosabb feltétele az emberek életének és biztonságos tevékenységének biztosítása a Földtől távoli űrállomásokon, űrhajókon, bolygó- és holdbázisokon való hosszú tartózkodásuk és munkájuk során.
Ennek a legfontosabb problémának a megoldására napjainkban számos hazai és külföldi kutató szerint a zárt biotechnikai életfenntartó rendszerek, azaz a mesterséges térökológiai rendszerek létrehozása a hosszú távon lakható térszerkezetekben, beleértve az embert és más biológiai kapcsolatokat is.
Ebben a prospektusban igyekszünk felvázolni az ilyen rendszerek felépítésének alapelveit, tájékoztatást nyújtunk az űrbiotechnikai életfenntartó rendszerek létrehozásának előkészítése érdekében végzett nagyszabású földi kísérletek eredményeiről, valamint jelezzük a még megoldandó problémákat a Földön és az űrben annak érdekében, hogy ezeknek a rendszereknek az űrviszonyok között történő működéséhez szükséges megbízhatóságot biztosítsuk.
EMBER A TERMÉSZETES ÖKOSZISZTÉMÁBAN
Mielőtt elküldene egy személyt egy hosszúra űrutazás Először próbáljunk meg válaszolni a kérdésekre: mire van szüksége ahhoz, hogy normálisan éljen és eredményesen dolgozzon a Földön, és hogyan oldódik meg az emberi élet fenntartásának problémája bolygónkon?
Ezekre a kérdésekre válaszokra van szükség ahhoz, hogy életfenntartó rendszereket hozzanak létre a legénység számára emberes űrhajókon, orbitális állomásokon és idegen szerkezeteken és bázisokon. Joggal tekinthetjük Földünket egy hatalmas, természetes eredetű űrhajónak, amely 4,6 milliárd éve végzi végtelen keringő űrrepülését a Nap körül. Ennek a hajónak a legénysége ma 5 milliárd emberből áll. A Föld gyorsan növekvő népessége, amely a 20. század elejére. 1,63 milliárd fő volt, és a XXI. század küszöbén. már el kell érnie a 6 milliárdot, ez a legjobb bizonyíték arra, hogy létezik egy kellően hatékony és megbízható mechanizmus az emberi élet fenntartására a Földön.
Tehát mi szükséges ahhoz, hogy egy ember a Földön normális élete és tevékenysége biztosítva legyen? Aligha lehet rövid, de kimerítő választ adni: az élet, a tevékenység és az emberi érdeklődés minden területe túlságosan kiterjedt és sokrétű. Állítsa vissza részletesen legalább egy megélt napját, és látni fogja, hogy az embernek nem kell olyan kevés.
Normális életének és tevékenységének fő feltétele az alapvető élettani szükségletekkel összefüggő élelmiszer-, víz- és levegőszükségletek kielégítése. Ez az állapot azonban elválaszthatatlanul összefügg egy másikkal: az emberi test, mint bármely más élő szervezet, aktívan létezik a testen belüli anyagcsere és a külső környezet miatt.
A környezetből oxigént, vizet, tápanyagokat, vitaminokat, ásványi sókat fogyasztva az emberi szervezet szerveinek, szöveteinek építésére, megújulására használja fel, miközben az élethez szükséges összes energiát a táplálékfehérjékből, zsírokból és szénhidrátokból kapja. A salakanyagok kiválasztódnak a szervezetből a környezetbe.
Mint tudják, az emberi szervezetben az anyagcsere és az energia intenzitása olyan, hogy egy felnőtt oxigén nélkül csak néhány percig, víz nélkül - körülbelül 10 napig - és táplálék nélkül - akár 2 hónapig is létezhet. Megtévesztő és hamis az a külső benyomás, hogy az emberi test nem változik meg. A változások a szervezetben folyamatosan történnek. A. P. Myasnikov (1962) szerint egy 70 kg súlyú felnőtt szervezetében egy nap alatt 450 milliárd eritrocita, 22-30 milliárd leukocita, 270-430 milliárd vérlemezke cserélődik ki és hal el, körülbelül 125 g fehérje, 70 g zsírból 30 g zsírból és 45 g szénhidrátból szabadul fel. hőtől 50 helyreáll és elhal. A gyomor-bél traktus hámsejtjeinek %-a, a csontváz csontsejtjeinek 1/75-e és a test összes bőrsejtjének 1/20-a (azaz 20 naponta az ember teljesen „bőrt vált”), kihullik és új szőrszálak képződnek kb. Átlagosan 23 040 be- és kilégzés történik, 11 520 liter levegő halad át a tüdőn, és felszívódik 460 l oxigén ürül ki a szervezetből 403 l szén-dioxid és 1,2-1,5 l vizelet, amely legfeljebb 30 g sűrű anyagot tartalmaz a kiürült izzadtság és a kiürítés révén. l vízben, amely 10 g sűrű anyagot tartalmaz, 20 g faggyú keletkezik.
Ilyen intenzitású az ember anyagcseréje egyetlen nap alatt!
Így az ember folyamatosan, egész életében olyan anyagcseretermékeket és hőenergiát szabadít fel, amelyek a táplálék lebontása és oxidációja, az élelmiszerben tárolt kémiai energia felszabadulása és átalakulása következtében keletkeznek a szervezetben. Az anyagcsere és a hő felszabaduló termékeit folyamatosan vagy időszakosan el kell távolítani a szervezetből, fenntartva az anyagcsere mennyiségi szintjét, teljes összhangban fiziológiai, fizikai és szellemi aktivitásának mértékével, és biztosítani kell a test és a környezet közötti anyag- és energiacsere egyensúlyát.
Mindenki tudja, hogy az embernek ezek az alapvető fiziológiai szükségletei hogyan valósulnak meg a mindennapi életben: a „Föld bolygó” űrhajó ötmilliárdos legénysége a bolygó tartalékai és termékei alapján megkapja vagy előállítja az életéhez szükséges mindent, amely táplálja, öntözi és ruházza, segíti népességnövekedését, légkörével megvéd minden élőlényt a kozmikus sugarak káros hatásaitól. Íme néhány adat, amelyek egyértelműen jellemzik az ember és a természet közötti fő "cserekereskedés" mértékét.
Az emberiség első állandó szükséglete a levegő belélegzése. „Nem lehet belélegezni a levegő utánpótlását” – mondja egy orosz közmondás. Ha minden embernek naponta átlagosan 800 g oxigénre van szüksége, akkor a Föld teljes lakosságának évente 1,5 milliárd tonna oxigént kellene fogyasztania. A Föld légköre hatalmas megújuló oxigénkészlettel rendelkezik: össztömeggel a föld légköre körülbelül 5 ∙ 10 15 tonna oxigén körülbelül 1/5, ami majdnem 700 ezerszer több, mint a Föld teljes lakosságának éves oxigénfogyasztása. A légkör oxigénjét természetesen az embereken kívül az állatvilág is felhasználja, és más oxidációs folyamatokra is fordítja, amelyek léptéke óriási a bolygón. A fordított felépülési folyamatok azonban nem kevésbé intenzívek: a fotoszintézisnek köszönhetően a Nap sugárzó energiája miatt a szárazföldön, a tengerekben és az óceánokban élő növények folyamatosan sokfélékké kötik meg az élő szervezetek által az oxidációs folyamatok során felszabaduló szén-dioxidot. szerves vegyületek molekuláris oxigén egyidejű felszabadulásával. A geokémikusok számításai szerint a Föld összes növénye évente 400 milliárd tonna oxigént bocsát ki, miközben 150 milliárd tonna szenet köt meg (szén-dioxidból) 25 milliárd tonna hidrogénnel (vízből). Ennek a termelésnek kilenctizedét vízinövények állítják elő.
Következésképpen az ember légköri oxigénnel való ellátásának kérdését a Földön sikeresen megoldják, elsősorban a növényekben zajló fotoszintézis folyamatok segítségével.
A következő legfontosabb emberi szükséglet a víz.
Az emberi testben ez az a környezet, amelyben az anyagcsere folyamatok számos biokémiai reakciója zajlik. Az emberi testtömeg 2/3-át kitevő víz létfontosságú tevékenységének biztosításában óriási szerepet játszik. A víz nemcsak a tápanyagok szervezetbe jutásával, felszívódásával, eloszlásával és asszimilációjával függ össze, hanem az anyagcsere végtermékeinek felszabadulásával is.
A víz ivás és táplálék formájában kerül az emberi szervezetbe. A felnőttek szervezetének vízigénye napi 1,5-2 és 10-15 liter között változik, és függ fizikai aktivitásától és környezeti viszonyaitól. A szervezet kiszáradása vagy a vízbevitel túlzott korlátozása funkcióinak éles lebomlásához és anyagcseretermékek, különösen nitrogén mérgezéséhez vezet.
További vízmennyiségre van szükség az egészségügyi és háztartási szükségletek (mosás, mosás, termelés, állattenyésztés stb.) biztosításához. Ez a mennyiség jelentősen meghaladja a fiziológiai normát.
A Föld felszínén található víz mennyisége óriási, térfogata meghaladja a 13,7 ∙ 10 8 km 3 -t. Az ivásra alkalmas édesvíz-ellátás azonban továbbra is korlátozott. A földi vízkörforgás következtében a kontinensek felszínére évente átlagosan lehulló csapadék (édesvíz) mennyisége mindössze mintegy 100 ezer km 3 (a Földön lehulló összes csapadék 1/5-e). És ennek a mennyiségnek csak egy kis részét használja fel hatékonyan az ember.
Így a "Föld" űrhajó vízkészlete korlátlannak tekinthető, de a tiszta édesvíz fogyasztása gazdaságos megközelítést igényel.
Az élelmiszer energiaforrásként szolgálja az emberi szervezetet, és részt vesz a szöveti komponensek szintézisében, a sejtek és szerkezeti elemeik megújulásában. A szervezetben folyamatosan végbemennek a táplálékkal járó fehérjék, zsírok és szénhidrátok biológiai oxidációs folyamatai. A teljes értékű tápláléknak tartalmaznia kell a szükséges mennyiségű aminosavat, vitamint és ásványi anyagot. Az élelmiszer-anyagokat az emésztőrendszerben az enzimek általában egyszerűbb, kis molekulatömegű vegyületekké bontják (aminosavak, monoszacharidok, zsírsavés sok más), felszívódnak és a vér az egész testben elhordja. Az élelmiszerek oxidációjának végtermékei leggyakrabban a szén-dioxid és a víz, amelyek salakanyagként ürülnek ki a szervezetből. Az élelmiszerek oxidációja során felszabaduló energia részben energetikailag dúsított vegyületek formájában raktározódik a szervezetben, részben hővé alakul, és eloszlik a szervezetben. környezet.
A szervezet számára szükséges táplálék mennyisége elsősorban fizikai aktivitásának intenzitásától függ. Az alapanyagcsere, vagyis az ilyen anyagcsere energiája, amikor egy ember teljes nyugalomban van, átlagosan napi 1700 kcal (30 év alatti, legfeljebb 70 kg súlyú férfiaknál). Ebben az esetben csak a fiziológiai folyamatok végrehajtására (légzés, szívműködés, bélperisztaltika stb.) és a normál testhőmérséklet állandóságának biztosítására (36,6 ° C) költik.
Az ember fizikai és szellemi tevékenysége megköveteli a szervezet energiafelhasználásának növelését és több élelmiszer fogyasztását. Megállapítást nyert, hogy egy személy napi energiafogyasztása közepes súlyosságú szellemi és fizikai munka során körülbelül 3000 kcal. Ugyanaz a kalóriatartalom legyen az ember napi étrendje. Az étrend kalóriatartalmát hozzávetőlegesen az egyes grammok fehérjék (4,1 kcal), zsírok (9,3 kcal) és szénhidrátok (4,1 kcal) teljes oxidációja során felszabaduló hő ismert értékei alapján számítják ki. A fehérjék, zsírok és szénhidrátok megfelelő arányát az étrendben az orvostudomány az ember fiziológiai szükségleteinek megfelelően állapította meg, és az étrend egy kalóriaértékén belül 70-105 g fehérjét, 50-150 g zsírt és 300-600 g szénhidrátot tartalmaz. A fehérjék, zsírok és szénhidrátok étrendjének összetételének eltérései rendszerint a test fizikai aktivitásának változásai miatt alakulnak ki, de függnek az emberi szokásoktól, a nemzeti táplálkozási hagyományoktól, egy adott élelmiszer elérhetőségétől és természetesen a táplálkozási szükségletek kielégítésének sajátos társadalmi lehetőségétől is.
Minden tápanyag bizonyos funkciót lát el a szervezetben. Ez különösen igaz azokra a fehérjékre, amelyek nitrogént tartalmaznak, ami nem része más tápanyagoknak, de szükséges a saját fehérjéinek helyreállításához az emberi szervezetben. Becslések szerint egy felnőtt szervezetében naponta legalább 17 g saját fehérjéje pusztul el, amelyet táplálékkal kell helyreállítani. Ezért ez a fehérjemennyiség a minimálisan szükséges minden ember étrendjében.
A zsírok és a szénhidrátok nagyrészt helyettesíthetők egymással, de bizonyos határokig.
A közönséges emberi táplálék teljes mértékben fedezi a szervezet fehérje-, zsír- és szénhidrátszükségletét, valamint szállítja a szükséges ásványi anyagokat és vitaminokat.
Ellentétben azonban a korlátlan oxigén- (levegő) és ivóvízellátással, amely még mindig elegendő a bolygón, és amelynek fogyasztása csak bizonyos, rendszerint száraz területeken van szigorúan szabályozva, az élelmiszertermelés mennyiségét korlátozza a természetes trofikus (élelmiszer) ciklus alacsony termelékenysége, amely három fő szintből áll: növények - állatok - ember. Valójában a növények a Földre érkező napfény energiájának mindössze 0,2%-át felhasználva biomasszát képeznek. A növényi biomasszát élelmiszerként fogyasztva az állatok az asszimilált energiájuk legfeljebb 10-12%-át fordítják saját szükségleteikre. Végső soron az ember azáltal, hogy állati eredetű élelmiszert fogyaszt, nagyon alacsony kezdeti napenergia felhasználási együtthatóval biztosítja szervezete energiaszükségletét.
A táplálkozási igények kielégítése mindig is az ember legnehezebb feladata volt. A természet lehetőségeinek ilyen irányú passzív kihasználása korlátozott, mivel a Föld nagy részét alacsony biológiai termelékenységű óceánok és sivatagok borítják. Csak a Föld bizonyos, stabil, kedvező éghajlati viszonyokkal jellemezhető régiói biztosítanak magas elsődleges anyagtermelékenységet, ami egyébként az emberi táplálkozási szükségletek szempontjából korántsem mindig elfogadható. A Föld népességének növekedése, szétszóródása a bolygó összes kontinensére és földrajzi területére, beleértve a kedvezőtlen éghajlati adottságokkal rendelkező területeket, valamint a természetes táplálékforrások fokozatos kimerülése olyan állapothoz vezetett, ahol a Föld élelmiszerszükségleteinek kielégítése univerzális problémává nőtte ki magát. Ma úgy tartják, hogy csak az étrendi fehérje globális hiánya évi 15 millió tonna. Ez azt jelenti, hogy a világon legalább 700 millió ember rendszeresen alultáplált. És ez annak ellenére, hogy az emberiség a 20. század végén. általában meglehetősen magas társadalmi szervezettséggel, a tudomány, a technológia, az ipar és a mezőgazdasági termelés fejlődésében elért jelentős eredményekkel, valamint a bolygó bioszférájának egységének mély megértésével és összetételével jellemzi.
A táplálék nemcsak az ember, hanem minden állat számára fontos környezeti tényező. A táplálék elérhetőségétől, sokféleségétől, minőségétől és mennyiségétől függően egy élő szervezet populáció jellemzői (termékenység és mortalitás, várható élettartam, fejlődési ütem stb.) jelentősen változhatnak. Az élő szervezetek közötti táplálkozási (trófikus) kapcsolatok, amint azt alább bemutatjuk, mind az anyagok bioszférikus (földi) biológiai körforgásának, mind a mesterséges ökológiai rendszereknek, köztük az embereknek az alapját képezik.
A Föld minden szükségeset képes lesz biztosítani a rajta élők számára, ha az emberiség racionálisabban és körültekintőbben költi el a bolygó erőforrásait, megoldja a természet átalakításának környezetvédelmileg illetékes kérdéseit, megszünteti a fegyverkezési versenyt és véget vet az atomfegyvereknek.
A V. I. Vernadsky által megfogalmazott, az emberiség földi életfenntartásának problémájának megoldásának tudományos alapja a Föld bioszférájának átmenete a nooszférába, vagyis egy olyan bioszférába, amelyet a tudományos gondolkodás megváltoztatott és átalakított, hogy megfeleljen a számszerűen növekvő emberiség (az értelem szférájának) minden szükségletének. V. I. Vernadsky azt javasolta, hogy a nooszféra a Földön keletkezett, és amikor az ember a csillagok körüli világűrt kutatja, különlegessé kell válnia. szerkezeti elem hely.
LÉNYEGSÉGI ŰRHAJÓ – MESTERSÉGES ÖKOSZISZTÉMA
Hogyan lehet megoldani azt a problémát, hogy az űrrepülőgép legénységét friss, változatos élelmiszerrel, tiszta vízzel és éltető levegővel látjuk el? Természetesen a legegyszerűbb válasz az, ha mindent magával visz, amire szüksége van. Ez történik a rövid távú emberes repülések esetén.
A repülés időtartamának növekedésével egyre több készletre van szükség. Ezért szükséges néhány fogyóanyag (például víz) regenerálása, az emberi hulladék és egyes hajórendszerek technológiai folyamataiból származó hulladékok (például regenerált szén-dioxid-szorbensek) feldolgozása ezen anyagok újrafelhasználása és a kezdeti készletek csökkentése érdekében.
Az ideális megoldásnak tűnik az anyagok teljes (vagy majdnem teljes) keringésének megvalósítása egy lakott tér "ház" korlátozott térfogatán belül. Egy ilyen komplex megoldás azonban csak nagy, több mint 1,5-3 évig tartó űrexpedíciók esetében lehet nyereséges és gyakorlatilag megvalósítható (AM Genin, D. Talbot, 1975). Az ilyen expedíciók során az anyagok keringésének megteremtésében a döntő szerepet rendszerint a bioszintézis folyamataira hárítják. A legénység élelmiszerrel, vízzel és oxigénnel való ellátása, valamint az anyagcseretermékek eltávolítása és feldolgozása, valamint a legénység élőhelyének szükséges paramétereinek fenntartása a hajón, állomáson stb. az úgynevezett életfenntartó rendszerek (LSS) feladatai közé tartoznak. Az űrszemélyzetek LSS fő típusainak sematikus ábrázolása az 1. ábrán látható. 1.
 Rizs. 1. ábra. Az űrszemélyzetek életfenntartó rendszereinek főbb típusai: 1 - raktáron lévő rendszer (minden hulladékot eltávolítanak); 2 - készletekben lévő rendszer az anyagok részleges fizikai és kémiai hasznosításával (PCR) (a hulladék egy része elszállításra kerül, a készletek egy része megújítható); 3 - rendszer részleges FCR-rel és részleges biológiai regenerálással üzemekben (BR) hulladékkorrekciós egységgel (WK); 4 - egy rendszer az anyagok teljes zárt regenerációjával (a tartalékokat mikroadalékok korlátozzák). Megnevezések: E - sugárzó vagy hőenergia, IE - energiaforrás, W - hulladék, BB - bioblokk állatokkal, szaggatott vonal - opcionális folyamat |
Az űrszemélyzet LSS-ei a legösszetettebb komplexumok. Az űrkorszak három évtizede megerősítette a megalkotott LSS kellő hatékonyságát és megbízhatóságát, amely sikeresen működött a szovjet Vosztok és Szojuz űrhajókon, az amerikai Mercury, Gemini és Apollo, valamint a Szaljut és Skylab orbitális állomásokon. A fedélzeten továbbfejlesztett életfenntartó rendszerrel rendelkező "Mir" kutatókomplexum munkája folytatódik. Mindezek a rendszerek már több mint 200 űrhajósnak biztosítottak repülést különböző országokból.
Az űrrepülésekhez használt és jelenleg is használt LSS felépítési és működési elvei széles körben ismertek. Fizikai és kémiai regenerációs folyamatokon alapulnak. Ugyanakkor továbbra is nyitott a bioszintézis eljárások alkalmazásának problémája az űr LSS-ben, és még inkább a zárt biotechnikai LSS űrrepülésekhez való megépítésének problémája.
Az ilyen rendszerek gyakorlati megvalósításának lehetőségéről és célszerűségéről általában, de különösen az űrhajókban eltérő, esetenként egymással ellentétes álláspontok léteznek. Ellenérvként a következőket hozzuk fel: bonyolultság, tudáshiány, energiaintenzitás, megbízhatatlanság, alkalmatlanság stb.. A szakértők túlnyomó többsége azonban mindezeket a kérdéseket megoldandónak tartja, és a biotechnikai LSS felhasználása jövőbeli nagy űrtelepülések, hold-, bolygó- és bolygóközi bázisok és egyéb távoli földönkívüli struktúrák részeként.
A legénység felvétele az LSS-be, valamint a biológiai kapcsolatok számos technikai eszköze, amelyek működése az élő anyag fejlődésének összetett törvényei szerint történik, minőségileg új, ökológiai megközelítést igényel a biotechnikai LSS kialakításában, amelyben el kell érni az anyag- és energiaáramlások stabil dinamikus egyensúlyát és konzisztenciáját a rendszer minden láncszemében. Ebben az értelemben minden lakható űrhajót mesterséges ökológiai rendszernek kell tekinteni.
Egy emberes űrhajó legalább egy aktívan működő biológiai kapcsolatot tartalmaz - egy személyt (legénységet) a mikroflórájával. Ugyanakkor az ember és a mikroflóra az űrhajóban mesterségesen létrehozott környezettel kölcsönhatásban létezik, biztosítva a biológiai rendszer stabil dinamikus egyensúlyát az anyag- és energiaáramlások tekintetében.
Így az űrhajó legénységének az anyagtartalékok miatti teljes életbiztosítása és egyéb biológiai kapcsolatok hiányában is az emberes űrhajó már mesterséges űrökológiai rendszer. Anyagában teljesen vagy részben elszigetelhető a külső környezettől (világűrtől), de energetikai (termikus) izolálása ettől a környezettől teljesen kizárt. A környezettel való folyamatos energiacsere, vagy legalábbis az állandó hőelvonás minden mesterséges űrökoszisztéma működésének szükséges feltétele.
A 21. század új, még ambiciózusabb feladatok elé állítja az emberiséget a világűr további kutatásában. (Úgy tűnik, helyesebb lenne azt mondani, hogy az emberiség a XXI. századra szabja ezeket a feladatokat.) A jövőbeli űrökoszisztéma konkrét alakja az űrszerkezet rendeltetésétől és pályájától függően határozható meg (bolygóközi emberes űrhajó, Földközeli pályaállomás, holdbázis, marsi bázis, építkezési űrplatform, lakóépületek komplexuma, aszteroidák, pályaméretek, épületek műszaki pályája, stb.). bizonyos technológiai folyamatok készenléti foka, beleértve a szabályozott bioszintézis folyamatait, valamint az anyag és az energia szabályozott átalakulási folyamatait az ökoszisztémák biológiai kapcsolataiban.
Ma már elmondható, hogy a Szovjetunióban és az USA-ban a fejlett űrkutatás feladatait és programjait állami szinten határozták meg nagyjából 2000-ig. A következő évszázad feladatait illetően a tudósok még mindig előrejelzés formájában beszélnek. Így egy 1984-ben közzétett tanulmány eredményei (amelyet még 1979-ben a Rand Corporation egyik alkalmazottja végzett kérdőíves felmérésen, amelyben 15 vezető szakember vett részt az Egyesült Államokban és Nagy-Britanniában) az alábbi táblázatban látható képet mutatta:
| évek | Színpadi tartalom |
| 2020 –2030 | A Hold és a világűr kolonizálása nagy létszámú embercsoport által (több mint 1000 ember). |
| 2020 – 2071 | Mesterséges emberi intelligencia fejlesztése. |
| 2024 – 2037 | Az első emberes repülés a Jupiterbe. |
| 2030 – 2050 | Repülések a Naprendszeren belül, a Naprendszer természeti erőforrásainak felhasználásával, beleértve a Holdat is. |
| 2045 – 2060 | Egy pilóta nélküli szonda első repülése a Naprendszeren kívül. |
| 2045 – 2070 | Az első emberes repülés a Naprendszer határaira. |
| 2050 – 2100 | Kapcsolatok létrehozása a földönkívüli intelligenciával. |
Az ismert amerikai fizikus, J. O "Neill, aki az emberiség jövőbeli űrtelepeinek problémáival foglalkozik, még 1974-ben tette közzé előrejelzését, amelyben 1988-ban 10 ezer embernek kellett volna dolgoznia az űrben. Ez az előrejelzés nem vált be, de ma már sok szakértő úgy véli, hogy 1990-re folyamatosan 50-100 ember fog dolgozni az űrben.
Az ismert szakember, Dr. Puttkamer (Németország) úgy véli, hogy az 1990-től 2000-ig tartó időszakot a Földközeli tér betelepülésének kezdete fogja jellemezni, 2000 után pedig biztosítani kell az űrlakók autonómiáját, és ökológiailag zárt élőhelyrendszert kell kialakítani.
A számítások azt mutatják, hogy az ember űrben való tartózkodásának időtartamának növekedésével (akár több évig), a személyzet számának növekedésével és az űrhajó Földtől való távolságának növekedésével szükségessé válik a fogyóeszközök és elsősorban az élelmiszerek biológiai regenerációja közvetlenül az űrhajó fedélzetén. Ugyanakkor nemcsak a műszaki és gazdasági (tömeg- és energia) mutatók tanúskodnak a biológiai LSS mellett, hanem nem kevésbé fontosak az ember biológiai megbízhatóságának mutatói is, mint egy mesterséges űrökoszisztéma meghatározó láncszeme. Utóbbit fejtsük ki részletesebben.
Számos vizsgált (és eddig feltáratlan) összefüggés van az emberi szervezetnek a vadon élő állatokkal, amelyek nélkül lehetetlen hosszú távú sikeres élete. Ide tartoznak például a természetes trofikus kapcsolatai, amelyeket a hajón tárolt készletekből táplálékkal nem lehet teljesen pótolni. Tehát néhány vitamin, amelyre az embernek kötelezően szüksége van (ételmi karotinoidok, aszkorbinsav stb.), instabil a tárolás során: szárazföldi körülmények között például a C- és P-vitaminok eltarthatósága 5-6 hónap. A kozmikus körülmények hatására idővel a vitaminok kémiai átstrukturálódása következik be, aminek következtében elvesztik élettani aktivitásukat. Emiatt vagy folyamatosan biológiailag kell szaporítani őket (friss élelmiszerek, például zöldségek formájában), vagy rendszeresen ki kell szállítani őket a Földről, ahogyan az a Mir állomáson az éves űrrepülés során történt. Ezenkívül orvosi és biológiai vizsgálatok kimutatták, hogy az űrrepülés körülményei között az űrhajósoknak fokozott vitaminbevitelre van szükségük. Így a Skylab program keretében végzett repülések során az űrhajósok B-vitamin és C-vitamin (aszkorbinsav) fogyasztása körülbelül 10-szeresére, az A-vitamin (axerofthol) 2-szeresére, a D-vitamin (kalciferol) fogyasztása valamivel meghaladta a földi normát. Mostanra azt is megállapították, hogy a biológiai eredetű vitaminok egyértelmű előnyökkel rendelkeznek az azonos vitaminokból kémiai úton előállított tisztított készítményekkel szemben. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a vitaminok a biomassza összetételében számos más anyaggal, köztük stimulánsokkal kombinálva találhatók meg, és elfogyasztásukkor több. hatékony fellépés az élő szervezet anyagcseréjéről.
Ismeretes, hogy a természetes növényi élelmiszerek tartalmazzák az összes növényi fehérjét (aminosavakat), lipideket (esszenciális zsírsavakat), a vízben oldódó és részben zsírban oldódó vitaminok, szénhidrátok, biológiailag aktív anyagok és rostok teljes komplexét, amelyre az embernek szüksége van. Ezen élelmiszer-összetevők szerepe az anyagcserében óriási (V. I. Yazdovsky, 1988). Természetesen az űradagok elkészítésének jelenlegi folyamata, amely szigorú feldolgozási módokat (mechanikus, termikus, kémiai) foglal magában, nem tehet mást, mint csökkenti az egyes fontos élelmiszer-összetevők hatékonyságát az emberi anyagcserében.
Nyilvánvalóan figyelembe kell venni a kozmikus radioaktív sugárzás lehetséges halmozott hatását a hosszú ideig a hajón tárolt élelmiszerekre.
Ebből következően nem elég csak az élelmiszerek kalóriatartalmát teljesíteni a megállapított normával, hanem az is szükséges, hogy az űrhajós tápláléka minél változatosabb és frissebb legyen.
A francia biológusok felfedezése, miszerint a tiszta víz képes „emlékezni” a biológiailag aktív molekulák bizonyos tulajdonságaira, majd ezt az információt az élő sejtekbe továbbítani, kezd tisztázni az „élő” és „holt” vízről szóló ősi népi mesebeli bölcsességet. Ha ez a felfedezés beigazolódik, akkor felmerül a vízregeneráció alapvető problémája a hosszú távú űrhajókon: a tisztított vagy fizikai-kémiai módszerekkel több izolált ciklusban nyert víz képes-e helyettesíteni a biológiailag aktív "élő" vizet?
Feltételezhető az is, hogy a kémiai úton előállított mesterséges gáznemű élőhellyel rendelkező űrhajó izolált térfogatában való hosszú tartózkodás sem közömbös az emberi szervezet számára, amelynek minden generációja biogén eredetű, összetétele változatosabb összetételű légkörben élt. Aligha véletlen, hogy az élő szervezetek képesek megkülönböztetni egyes kémiai elemek izotópjait (beleértve a stabil oxigén izotópokat az O 16, O 17, O 18), valamint megragadni az izotópok kémiai kötéseinek erőssége kismértékű különbségét a H 2 O, CO 2 stb. molekulákban. Ismeretes, hogy a levegő oxigéntermelésénél az oxigén atomtömege a víz forrásától kissé függ. Az élő szervezetek „érzik” ezt a különbséget, bár mennyiségileg csak speciális műszerekkel, tömegspektrométerekkel lehet meghatározni. A vegytiszta oxigén hosszan tartó légzése űrrepülési körülmények között felerősödéshez vezethet oxidatív folyamatok az emberi szervezetben és a tüdőszövet kóros elváltozásaihoz.
Tudni kell, hogy a biogén eredetű, növényi fitoncidekkel dúsított levegő különleges szerepet tölt be az ember számára. A fitoncidek olyan biológiailag aktív anyagok, amelyeket folyamatosan képződnek a növények, amelyek elpusztítják vagy elnyomják a baktériumokat, mikroszkopikus gombákat és protozoákat. A fitoncidek jelenléte a környezeti levegőben általában jótékony hatással van az emberi szervezetre, és frissességet okoz a levegőben. Így például a Skylab állomás harmadik amerikai legénységének parancsnoka hangsúlyozta, hogy legénysége élvezettel szívta be a citrom fitoncidekkel dúsított levegőt.
Az emberek klímaberendezésekben megtelepedő baktériumokkal való fertőzésének ("legionárius betegség") ismert eseteiben a fitoncidek erős fertőtlenítő hatásúak lennének, és a zárt ökoszisztémákban lévő légkondicionáló rendszerekkel kapcsolatban kizárhatják ennek lehetőségét. Amint azt M. T. Dmitriev tanulmányai kimutatták, a fitoncidek nemcsak közvetlenül, hanem közvetve is hathatnak, növelve a levegő baktericid hatását és növelve a könnyű negatív ionok tartalmát, amelyek jótékony hatással vannak az emberi szervezetre. Így csökken a levegőben lévő nem kívánt nehéz pozitív ionok száma. A fitoncidek, amelyek egyfajta hordozói a növények védő funkciójának a környezet mikroflórájától, nemcsak a növényt körülvevő levegőbe kerülnek, hanem magukban a növények biomasszájában is. A fokhagyma, a hagyma, a mustár és sok más növény a leggazdagabb fitoncidekben. Elfogyasztásukkal az ember észrevehetetlen, de nagyon hatékony küzdelmet folytat a szervezetbe kerülő fertőző mikroflóra ellen.
Ha a mesterséges űrökoszisztémában az ember számára fennálló biológiai kapcsolatok fontosságáról beszélünk, nem szabad figyelmen kívül hagyni a magasabb rendű növények különleges pozitív szerepét az űrhajósok érzelmi stresszének csökkentésében és a pszichológiai komfort javításában. Minden űrhajós, akinek magasabb növényekkel kellett kísérleteket végeznie az űrállomások fedélzetén, egyöntetű volt az értékelésében. Tehát L. Popov és V. Ryumin a Szaljut-6 orbitális állomáson jól gondozta a növényeket a Malachite (belső ólomüveg üvegház trópusi orchideákkal) és az Oasis (kísérleti üvegház zöldség- és vitaminnövénykultúrákkal) kísérleti üvegházakban. Öntöztek, figyelemmel kísérték a növények növekedését és fejlődését, rutinellenőrzést végeztek és az üvegházak műszaki részével dolgoztak, és a pihenés ritka pillanataiban egyszerűen megcsodálták az orchideák élő belsejét. „A biológiai kutatások sok örömet szereztek nekünk. Nálunk volt például a Malachit installáció orchideákkal, és amikor a Földre küldtük, valamiféle veszteséget éreztünk, kevésbé volt kényelmes az állomáson. Így mondta leszállás után L. Popov. „A Malachittal végzett munka az űrkomplexum fedélzetén mindig is különleges elégedettséggel töltött el bennünket” – tette hozzá V. Ryumin L. Popovának.
Az 1985. október 14-i sajtótájékoztatón, amelyet V. Dzsanibekov és G. Grecsko űrhajósok, a Szaljut-7 orbitális állomás fedélzetén végzett munka eredményeinek szenteltek, a repülőmérnök (G. Grecsko) azt mondta: „Minden élőlényhez, minden hajtáshoz az űrben a hozzáállás különleges, óvatos: a Földre emlékeztetnek.”
Így az űrhajósoknak nem csak egy mesterséges ökológiai rendszer láncszemeként vagy tudományos kutatás tárgyaként van szükségük a magasabb rendű növényekre, hanem az ismerős földi környezet esztétikai elemére, egy űrhajós élő társára is hosszú, nehéz és intenzív küldetése során. És nem ez az űrhajó fedélzetén lévő üvegház esztétikai oldala és pszichológiai szerepe, amelyre S. P. Koroljev gondolt, amikor a közelgő űrrepülésekre készülve egy másikként fogalmazta meg következő kérdés: "Mit lehet egy nehéz bolygóközi hajón vagy egy nehéz orbitális állomáson (vagy üvegházban) olyan dísznövényekből, amelyek minimális költséget és gondozást igényelnek?" Erre a kérdésre pedig már ma megérkezett az első válasz: trópusi orchideákról van szó, amelyeknek úgy tűnik, tetszik az űrállomás hangulata.
O. G. Gazenko és munkatársai (1987) a hosszú távú űrrepülések megbízhatóságának és biztonságának biztosításának problémáját tárgyalva helyesen mutatják rá, hogy „néha a vadvilággal való érintkezés tudattalan lelki szükséglete válik valóságos erővé, amelyet szigorú tudományos tények támasztanak alá, jelezve a mesterséges bioszférák minél közelebbi közelítésének gazdasági hatékonyságát és műszaki megvalósíthatóságát. természetes környezet ami felemelte az emberiséget. Ebből a szempontból a biológiai LSS létrehozása felé vezető stratégiai irány nagyon helyesnek tűnik.” És tovább: „Az embert a természettől való elszigetelésére irányuló kísérletek rendkívül gazdaságtalanok. A biológiai rendszerek minden másnál jobban biztosítják majd az anyagok keringését a nagy űrtelepüléseken.
A biológiai rendszerek egyik alapvető előnye a nem biológiai rendszerekhez képest a stabil működésük potenciális lehetősége, minimális ellenőrzési és irányítási funkciók mellett (E. Ya. Shepelev, 1975). Ez az előny a környezettel állandó kölcsönhatásban lévő élő rendszerek természetes képességének köszönhető, hogy a túlélési folyamatok korrekcióját minden biológiai szinten végrehajtsák - egyetlen szervezet egyetlen sejtétől a populációkig és a biogeocenózisokig -, függetlenül attól, hogy az ember adott pillanatban mennyire érti ezeket a folyamatokat, és mennyire képes vagy képtelen (vagy inkább készsége) az anyagok keringési folyamatának mesterséges kiigazítására.
A mesterséges űrökoszisztémák összetettségi foka eltérő lehet: a legegyszerűbb állományrendszerektől, az anyagok fizikai és kémiai regenerálódását és egyedi biológiai kapcsolatokat alkalmazó rendszerektől a gyakorlatilag zárt biológiai körforgású anyagokig. A biológiai kapcsolatok és trófikus láncok száma, valamint az egyes láncszemekben lévő egyedek száma, amint már említettük, az űrhajó céljától és műszaki jellemzőitől függ.
A mesterséges űrökoszisztéma hatékonysága és fő paraméterei, beleértve a biológiai kapcsolatokat is, előre meghatározhatók és kiszámíthatók a természetben lévő anyagok biológiai körforgásának folyamatainak kvantitatív elemzése és a helyi természetes ökoszisztémák energiahatékonyságának felmérése alapján. A következő rész ennek a kérdésnek szól.
AZ ANYAGOK RELÉSE A BIOLÓGIAI CIKLUSBAN
A biológiai kapcsolatok alapján kialakított zárt ökológiai rendszer ideális LSS-nek tekinthető a jövőbeli nagy űrtelepülések számára. Az ilyen rendszerek létrehozása ma még a számítások, az elméleti konstrukciók és a földi tesztelés stádiumában tart, hogy az egyes biológiai kapcsolatokat párosítsák a tesztcsoporttal.
A kísérleti biotechnikai LSS fejlesztésének fő célja egy stabil, gyakorlatilag zárt anyagkeringés elérése egy ökoszisztémában személyzettel és egy mesterségesen kialakított biocenózis viszonylag független megléte a túlnyomórészt belső kontrollmechanizmusokon alapuló, hosszú távú dinamikus egyensúlyi módban. Ezért a Föld bioszférájában lévő anyagok biológiai körforgásának folyamatainak alapos tanulmányozása szükséges ahhoz, hogy a biotechnikai LSS-ben a leghatékonyabbakat felhasználhassuk.
A természetben a biológiai körforgás az anyagok és kémiai elemek körkörös váltóversenye (keringése) talaj, növények, állatok és mikroorganizmusok között. Ennek lényege a következő. A növények (autotróf organizmusok) felszívják az élettelen természet energiaszegény ásványi anyagait és a légköri szén-dioxidot. Ezek az anyagok a növényi szervezetek szerves biomasszájának összetételében szerepelnek, amely nagy energiaellátással rendelkezik, amelyet a Nap sugárzási energiájának a fotoszintézis folyamatában történő átalakításával nyernek. A növényi biomassza táplálékláncokon keresztül alakul át az állati és emberi szervezetekben (heterotróf szervezetekben), miközben ezen anyagok és energiák egy részét saját növekedésükhöz, fejlődésükhöz és szaporodásukhoz használják fel. Az elpusztító szervezetek (destruktorok vagy lebontók), beleértve a baktériumokat, gombákat, protozoonokat és az elhalt szerves anyagokkal táplálkozó szervezeteket, a hulladékot mineralizálják. Végül az anyagok, kémiai elemek visszakerülnek a talajba, a légkörbe ill vízi környezet. Ennek eredményeként az anyagok és kémiai elemek többciklusú vándorlása megy végbe az élő szervezetek elágazó láncán keresztül. Ez a vándorlás, amelyet folyamatosan a Nap energiája támogat, alkotja a biológiai körforgást.
Az általános biológiai ciklus egyes ciklusainak szaporodási foka eléri a 90-98% -ot, ezért teljes elszigeteltségéről csak feltételesen beszélhetünk. A bioszféra fő ciklusai a szén, a nitrogén, az oxigén, a foszfor, a kén és más biogén elemek ciklusai.
A természetes biológiai körfolyamat élő és élettelen anyagokat egyaránt magában foglal.
Az élő anyag biogén, mivel csak a Földön már létező élőlények szaporodásával jön létre. A bioszférában jelenlévő élettelen anyag lehet biogén eredetű (lehullott fák kérge és levelei, érett és a növényről levált gyümölcsök, ízeltlábúak kitinszerű borítói, szarvak, állatok fogai és szőrei, madártoll, állati ürülék stb.), vagy abiogén (aktív vulkánokból kibocsátott emisszió termékei). a föld belsejét gázok).
A bolygó élőanyaga tömegénél fogva a bioszféra jelentéktelen részét teszi ki: a Föld teljes biomasszája száraz tömegben a földkéreg tömegének (2 ∙ 10 19 tonna) mindössze százezred százalékát teszi ki. Az élő anyag azonban döntő szerepet játszik a földkéreg „kulturális” rétegének kialakításában, az anyagok és kémiai elemek nagyszámú közvetítőversenyének megvalósításában hatalmas számú élő szervezet között. Ez az élő anyag számos sajátos tulajdonságának köszönhető.
Anyagcsere (anyagcsere). Az élő szervezetben az anyagcsere az anyag és az energia összes átalakulásának összessége a szervezetben folyamatosan zajló biokémiai reakciók folyamatában.
Az élő szervezet és környezete közötti folyamatos anyagcsere az élet leglényegesebb jellemzője.
A szervezetnek a külső környezettel való anyagcseréjének fő mutatói a táplálék mennyisége, összetétele és kalóriatartalma, az élő szervezet által elfogyasztott víz és oxigén mennyisége, valamint az, hogy a szervezet milyen mértékben hasznosítja ezeket az anyagokat és a táplálék energiáját. Az anyagcsere az asszimilációs (a szervezetbe kívülről bejutó anyagok átalakulása) és a disszimiláció (a szervezet életéhez szükséges energiafelszabadítás szükségessége miatti szerves anyagok lebomlása) folyamatokon alapul.
Termodinamikai nem egyensúlyi stabilitás. A termodinamika második főtételének (kezdetének) megfelelően az energia jelenléte önmagában nem elegendő a munkához, hanem szükséges a potenciálkülönbség, vagy az energiaszintek jelenléte is. Az entrópia a potenciálkülönbség bármely energiarendszer általi "veszteségének" mértéke, és ennek megfelelően a rendszer munkavégzési képességének elvesztésének mértéke.
Az élettelen természetben végbemenő folyamatokban a munkavégzés a rendszer entrópiájának növekedéséhez vezet. Tehát a hőátadás szempontjából a folyamat iránya egyértelműen meghatározza a termodinamika második főtételét: a melegebb testtől a kevésbé fűtött felé. Egy nulla hőmérséklet-különbséggel rendelkező rendszerben (a testek azonos hőmérsékletén) a maximális entrópia figyelhető meg.
Az élő anyag, az élő szervezetek, ellentétben az élettelen természettel, ellenzik ezt a törvényt. Soha nem lévén egyensúlyban, állandóan a létrejötte ellen dolgoznak, aminek – úgy tűnik – törvényszerűen meg kellene történnie a fennálló külső feltételeknek való megfelelésként. Az élő szervezetek folyamatosan energiát fordítanak arra, hogy fenntartsák az élő rendszer meghatározott állapotát. Ezt a legfontosabb jellemzőt a szakirodalom Bauer-elvként, vagy az élő rendszerek stabil egyensúlyhiányának elveként ismeri. Ez az elv azt mutatja, hogy az élő szervezetek nyitott, nem egyensúlyi rendszerek, amelyek abban különböznek az élettelenektől, hogy az entrópia csökkenésének irányába fejlődnek.
Ez a tulajdonság a bioszféra egészére jellemző, amely szintén nem egyensúlyi dinamikus rendszer. A rendszer élő anyaga hatalmas potenciális energia hordozója,
Önreprodukciós képesség és nagy intenzitású biomassza-felhalmozódás. Az élő anyagot állandó vágy jellemzi egyedeinek számának növelésére, szaporodására. Az élő anyag, beleértve az embert is, hajlamos betölteni az élet számára elfogadható teret. Az élő szervezetek szaporodásának intenzitása, növekedésük és a biomassza felhalmozódása meglehetősen magas. Az élő szervezetek szaporodási sebessége általában fordítottan arányos méretükkel. Az élő szervezetek méretének változatossága a vadon élő állatok másik jellemzője.
Az élő szervezetekben zajló metabolikus reakciók magas sebessége, amely három-négy nagyságrenddel magasabb, mint az élettelen természetben zajló reakciók sebessége, a biológiai gyorsítók, enzimek anyagcsere-folyamatokban való részvételének köszönhető. Azonban az egyes biomassza-egységek növekedéséhez vagy egy egységnyi energia felhalmozásához az élő szervezetnek a kezdeti tömeget a felhalmozott mennyiségnél egy-két nagyságrenddel nagyobb mennyiségben kell feldolgoznia.
A sokféleség, a megújulás és az evolúció képessége. A bioszféra élőanyagát eltérő, de nagyon rövid (kozmikus léptékű) életciklusok jellemzik. Az élőlények élettartama néhány órától (sőt perctől) több száz évig terjed. Az élőlények élettevékenységük során a litoszféra, a hidroszféra és az atmoszféra kémiai elemeinek atomjait vezetik át magukon, szétválogatják és megkötik a kémiai elemeket egy adott típusú szervezet biomasszájának specifikus anyagaiként. Ugyanakkor még a biokémiai egységesség és egység keretein belül is szerves világ(minden modern élő szervezet főleg fehérjékből épül fel) az élővilágot hatalmas morfológiai sokféleség és sokféle anyagforma jellemzi. Összességében több mint 2 millió szerves vegyület alkotja az élő anyagot. Összehasonlításképpen megjegyezzük, hogy az élettelen anyag természetes vegyületeinek (ásványainak) száma csak körülbelül 2 ezer. A vadon élő állatok morfológiai sokfélesége is nagy: a Föld növényvilága csaknem 500 ezer fajt foglal magában, az állatok pedig 1 millió 500 ezer.
Az egy életcikluson belül kialakult élő szervezet korlátozott alkalmazkodóképességgel rendelkezik a környezeti feltételek változásaihoz. Az élőlények viszonylag rövid életciklusa azonban hozzájárul a nemzedékről nemzedékre való folyamatos megújuláshoz azáltal, hogy az egyes nemzedékek által felhalmozott információkat a genetikai örökletes apparátuson keresztül továbbítják, és a következő generáció ezt figyelembe veszi. Ebből a szempontból az élőlények egy nemzedékének rövid élettartama az az ár, amelyet a faj egészének túléléséért fizetnek a folyamatosan változó környezetben.
Az evolúciós folyamat elsősorban a magasabb rendű szervezetekre jellemző.
A létezés kollektivitása. Az élő anyag valójában biocenózisok formájában létezik a Földön, és nem különálló, elszigetelt fajok (populációk). A populációk kapcsolata az egymástól való trofikus (táplálék) függőségükből adódik, amely nélkül e fajok létezése lehetetlen.
Ezek az anyagok bioszféra biológiai körforgásában részt vevő élő anyagok fő minőségi jellemzői. Kvantitatív értelemben a bioszférában a biomassza felhalmozódásának intenzitása olyan, hogy átlagosan nyolcévente megújul a Föld bioszférájának teljes élőanyaga. Életciklusuk befejeztével az élőlények visszaadják a természetnek mindazt, amit életük során elvettek onnan.
A bioszféra élőanyagának fő funkciói, amelyeket A. V. Lapo orosz geológus (1979) fogalmazott meg, az energia (bioszintézis energiafelhalmozással és energiatranszformációval trofikus láncokban), koncentráció (szelektív anyagfelhalmozódás), destruktív (ásványosodás és anyagok előkészítése a keringésben való részvételhez), környezeti-kémiai paraméterek szállítása (környezet-kémiai paraméterek) ) funkciókat.
VAN HATÉKONYSÁG AZ ÖKOSZISTÉMÁKNAK?
Most próbáljunk meg válaszolni arra a kérdésre: fel lehet-e értékelni az anyagok biológiai körforgásának hatékonyságát abból a szempontból, hogy az ember táplálkozási szükségleteit kielégítse, mint ennek a ciklusnak a legfőbb trofikus láncszemét?
A feltett kérdésre hozzávetőleges választ kaphatunk a biológiai körfolyamatok elemzésének energetikai megközelítése, valamint a természetes ökoszisztémák energiatranszfer és termelékenységének vizsgálata alapján. Valóban, ha a keringés anyagai folyamatos minőségi változásnak vannak kitéve, akkor ezen anyagok energiája nem tűnik el, hanem irányított áramlásokban oszlik el. A biológiai ciklus egyik trofikus szintjéről a másikra átvive a biokémiai energia fokozatosan átalakul és disszipálódik. Az anyag energiájának átalakulása a trofikus szinteken nem önkényesen, hanem ismert minták szerint történik, ezért egy adott biogeocenózison belül szabályozható.
A "biogeocenózis" fogalma hasonló az "ökoszisztéma" fogalmához, de az előbbi szigorúbb szemantikai terhelést hordoz. Ha egy ökoszisztémát szinte bármilyen önállóan létező természetes vagy mesterséges biokomplexumnak nevezünk (hangyaboly, akvárium, mocsár, elhalt fa törzse, erdő, tó, óceán, a Föld bioszférája, űrhajókabin stb.), akkor a biogeocenózist, mint az ökoszisztéma egyik minőségi szintjét, a közösség kötelező cenózisának határai határozzák meg. Az ökoszisztéma, mint az egymással kölcsönhatásban lévő élőlények minden stabil halmaza, bármely biológiai rendszerre csak szupraorganizmus szinten alkalmazható kategória, azaz egyetlen organizmus nem lehet ökoszisztéma.
Az anyagok biológiai körforgása a Föld biogeocenózisának szerves része. A specifikus lokális biogeocenózisok részeként az anyagok biológiai körforgása lehetséges, de nem szükséges.
A biogeocenózisban mindig energiakapcsolatok kísérik a trofikus kapcsolatokat. Ezek együttesen alkotják minden biogeocenózis alapját. Általános esetben a biogeocenózis öt trofikus szintje különböztethető meg (lásd a táblázatot és a 2. ábrát), amelyeken keresztül minden összetevője egymás után eloszlik a lánc mentén. Általában a biogeocenózisokban több ilyen lánc képződik, amelyek sokszor elágazva és keresztezve összetett táplálék- (trofikus) hálózatokat alkotnak.
Trofikus szintek és táplálékláncok a biogeocenózisban
Az első trofikus szint élőlényei - az autotrófoknak (öntáplálóknak) nevezett elsődleges termelők, beleértve a mikroorganizmusokat és a magasabb rendű növényeket is, a szerves anyagok szervetlenekből történő szintézisének folyamatait végzik. Az autotrófok vagy a fény napenergiáját (fototrófok), vagy bizonyos ásványi vegyületek (kemotrófok) oxidációs energiáját használják energiaforrásként ehhez a folyamathoz. A fototrófok szén-dioxidból nyerik ki a szintézishez szükséges szenet.
Hagyományosan a fotoszintézis folyamata zöld növényekben (alsó és magasabb) a következő kémiai reakcióként írható le:
Végső soron az energiaszegény szervetlen anyagokból (szén-dioxid, víz, ásványi sók, mikroelemek) szerves anyagok (főleg szénhidrátok) szintetizálódnak, amelyek a raktározott energiahordozók. kémiai kötések képződött anyag. Ebben a reakcióban egy gramm molekula (180 g glükóz) képződéséhez 673 kcal napenergia szükséges.
A fotoszintézis hatékonysága közvetlenül függ a növények fénybesugárzásának intenzitásától. Átlagosan a sugárzó napenergia mennyisége a Föld felszínén körülbelül 130 W/m 2 . Ugyanakkor a 0,38 és 0,71 mikron közötti hullámhossz-tartományban lévő sugárzásnak csak egy része fotoszintetikusan aktív. A növényi levélre, mikroalgákkal teli vízrétegre eső sugárzás jelentős része visszaverődik, vagy haszontalanul halad át a levélen, rétegen, az elnyelt sugárzás a növényi transzspiráció során többnyire vízpárolgásra fordítódik.
Ennek eredményeként a fotoszintézis folyamatának átlagos energiahatékonysága a Föld teljes növénytakaróján a Földbe jutó napfény energiájának körülbelül 0,3%-a. A zöld növények növekedésének kedvező körülmények között és az ember segítségével az egyes növényültetvények 5-10%-os hatásfokkal képesek megkötni a fényenergiát.
A heterotróf (állati) szervezetekből álló, következő trofikus szintek élőlényei (fogyasztók) végső soron az első trofikus szinten felhalmozott növényi biomassza rovására biztosítják megélhetésüket. A növényi biomasszában tárolt kémiai energia a szénhidrátok oxigénnel való rekombinációja során felszabadul, hőenergiává alakítható és a környezetbe disszipálható. A növényi biomasszát élelemként használva az állatok légzés közben oxidációnak vannak kitéve. Ebben az esetben a fotoszintézissel ellentétes folyamat játszódik le, amelyben a táplálék energiája felszabadul, és bizonyos hatékonysággal egy heterotróf szervezet növekedésére és élettevékenységére fordítódik.
Mennyiségi értelemben a biogeocenózisban a növényi biomasszának általában legalább két nagyságrenddel "meg kell haladnia" az állati biomasszát. Így az állatok teljes biomasszája a Föld földjén nem haladja meg a növényi biomasszának 1-3%-át.
A heterotróf szervezet energiaanyagcseréjének intenzitása a tömegétől függ. A test méretének növekedésével az anyagcsere intenzitása, egységnyi tömegre számítva és az egységnyi idő alatt felvett oxigén mennyiségében kifejezve, észrevehetően csökken. Ugyanakkor relatív nyugalmi állapotban (standard anyagcsere) az állat anyagcseréjének intenzitásának a tömegétől való függése, amely funkció formájú. y \u003d Ah k (x- az állat súlya, AÉs k- együtthatók), érvényesnek bizonyul mind az azonos fajhoz tartozó szervezetekre, amelyek a növekedés során megváltoztatják a méretüket, mind a különböző súlyú, de egy bizonyos csoportot vagy osztályt képviselő állatokra.
Ugyanakkor a különböző állatcsoportok anyagcsere-szintjének mutatói már jelentősen eltérnek egymástól. Ezek a különbségek különösen jelentősek az aktív anyagcserével rendelkező állatok esetében, amelyeket az izommunka, különösen a motoros funkciók energiaköltsége jellemez.
Egy állati szervezet (bármilyen szintű fogyasztó) energiamérlegét egy bizonyos ideig általános esetben a következő egyenlőséggel fejezhetjük ki:
E = E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E 5 ,
Ahol E- az élelmiszer energiatartalma (kalóriatartalma) (kcal naponta), E 1 - a fő csere energiája, E 2 - a szervezet energiafogyasztása, E 3 - a test "tiszta" termékeinek energiája, E 4 - a fel nem használt élelmiszerek energiája, E 5 - a test ürülékének és ürülékének energiája.
A táplálék az egyetlen forrása az állati és emberi szervezet normál energiabevitelének, amely biztosítja annak létfontosságú tevékenységét. Az "élelmiszer" fogalma a különböző állati szervezetekre eltérő minőségi tartalommal bír, és csak azokat az anyagokat foglalja magában, amelyeket egy adott élő szervezet fogyaszt és hasznosít, ill. szükségesek számára.
Érték E egy személy számára átlagosan 2500 kcal naponta. alapvető anyagcsere energia E Az 1 az anyagcsere energiáját jelenti a test teljes nyugalmi állapotában és az emésztési folyamatok hiányában. A test életének fenntartására fordítják, a testfelület méretétől függ, és a test által a környezetnek leadott hővé alakul át. Mennyiségi mutatók E Az 1-et általában 1 kg tömegre vagy a test felületének 1 m 2 -ére vonatkozó meghatározott mértékegységekben fejezik ki. Igen, egy személynek E 1 32,1 kcal naponta 1 testtömegkilogrammonként. Egységnyi felületre E 1 különböző élőlények (emlősök) szinte azonosak.
Összetevő E 2 tartalmazza a test energiafogyasztását a hőszabályozáshoz a környezeti hőmérséklet változása esetén, valamint a különböző fajták a test tevékenységei és munkája: rágás, táplálék emésztése és asszimilációja, izommunka a test mozgása során stb. E 2-t jelentősen befolyásolja a környezeti hőmérséklet. Amikor a hőmérséklet a szervezet számára optimális szintről emelkedik és csökken, további energiaköltségek szükségesek a szabályozásához. Az állandó testhőmérséklet szabályozásának folyamata különösen a melegvérű állatokban és az emberekben fejlett.
Összetevő E 3 két részből áll: a test saját biomasszája (vagy populációja) növekedési energiájából és a további termelés energiájából.
A saját biomassza növekedése általában egy fiatal, növekvő, folyamatosan hízó szervezetben, valamint egy tartalék tápanyagot képző szervezetben megy végbe. Az alkatrésznek ez a része E A 3 egyenlő lehet nullával, és negatív értékeket is felvehet táplálékhiány esetén (a test fogy).
A további termelés energiája a szervezet által termelt anyagokban rejlik a szaporodás, az ellenségek elleni védelem stb.
Minden egyént korlátoz az élete során előállított termékek minimális mennyisége. A másodlagos termékek keletkezésének viszonylag magas mutatója a 10-15%-os (az elfogyasztott takarmány) mutatónak tekinthető, ami például a sáskákra jellemző. Ugyanez a mutató azon emlősök esetében, amelyek jelentős mennyiségű energiát fordítanak a hőszabályozásra, 1-2% között van.
Összetevő E 4 - ez az élelmiszerben található energia, amelyet a szervezet nem használt fel, és ilyen vagy olyan okból nem jutott be a szervezetbe.
Energia E 5, amely a táplálék hiányos emészthetősége és asszimilációja következtében a szervezet ürülékében található, az elfogyasztott táplálék 30-60%-ától (nagy patás állatoknál) 1-20%-ig (rágcsálóknál) terjed.
Az állati szervezet energiaátalakításának hatékonyságát mennyiségileg a nettó (másodlagos) termelésnek az elfogyasztott táplálék teljes mennyiségéhez viszonyított aránya vagy a nettó termelés és az emésztett táplálék mennyiségének aránya határozza meg. A táplálékláncban az egyes trofikus láncszemek (szintek) hatékonysága (COP) átlagosan körülbelül 10%. Ez azt jelenti, hogy az élelmiszercél minden következő trofikus szintjén olyan termékek képződnek, amelyek kalóriában (vagy tömegben) nem haladják meg az előző energia 10%-át. Ilyen mutatókkal a primer napenergia felhasználásának általános hatékonysága egy négyszintű ökoszisztéma táplálékláncában a százalék töredéke lesz: átlagosan csak 0,001%.
A termékreprodukció összhatékonyságának látszólag alacsony értéke ellenére a Föld lakosságának nagy része nem csak az elsődleges, hanem a másodlagos termelőkön keresztül is teljes mértékben biztosítja magát a kiegyensúlyozott táplálkozásról. Ami egy élő szervezetet külön-külön illeti, az élelmiszerek (energia) felhasználásának hatékonysága némelyikükben meglehetősen magas, és számos technikai eszköz hatékonyságát meghaladja. Például egy sertés az elfogyasztott táplálékenergia 20%-át kalóriadús hússá alakítja.
A fogyasztók élelmiszer-energia felhasználásának hatékonyságát az ökológiában általában ökológiai energiapiramisok segítségével értékelik. Az ilyen piramisok lényege a tápláléklánc láncszemeinek vizuális megjelenítése téglalapok egymás feletti alárendelt elrendezése formájában, amelynek hossza vagy területe megfelel a megfelelő trofikus szint egységnyi idő alatti energiaegyenértékének. A táplálékláncok jellemzésére számpiramisokat is használnak (a téglalapok területei a tápláléklánc egyes szintjein lévő egyedek számának felelnek meg) és biomassza piramisokat (ugyanez vonatkozik az egyes szinteken élő szervezetek teljes biomasszájának mennyiségére is).
A legteljesebb képet azonban az energiák piramisa adja funkcionális szervezet biológiai közösségek egy adott élelmiszerláncon belül, mivel lehetővé teszi az élelmiszer-biomassza e láncon belüli áthaladásának dinamikáját.
MESTERSÉGES ÉS TERMÉSZETES BIOSFÉRA ÖKOSZISTÉMÁK: HASONLÓSÁGOK ÉS KÜLÖNBSÉGEK
K. E. Tsiolkovsky volt az első, aki azt javasolta, hogy egy űrrakétában hozzanak létre a legénység életéhez szükséges összes anyag zárt keringési rendszerét, azaz egy zárt ökoszisztémát. Úgy vélte, hogy egy miniatűr űrhajóban a Föld bioszférájában végbemenő anyagok átalakulásának minden fő folyamatát reprodukálni kell. Ez a javaslat azonban csaknem fél évszázadon át tudományos-fantasztikus hipotézisként létezett.
Az USA-ban, a Szovjetunióban és néhány más országban az 50-es évek végén és a 60-as évek elején gyorsan kifejlődött anyagok biológiai körforgásának folyamatain alapuló mesterséges űrökoszisztémák létrehozásának gyakorlati munkája. Ezt kétségtelenül elősegítették a kozmonautika sikerei, amelyek az első mesterséges Föld-műhold 1957-es felbocsátásával nyitották meg az űrkutatás korszakát.
A következő években, ahogy ezeket a munkákat bővítették és elmélyítették, a legtöbb kutató meggyőződhetett arról, hogy a felvetett probléma sokkal összetettebbnek bizonyult, mint azt eredetileg gondolták. Nemcsak földi, hanem űrkutatást is igényelt, ami viszont jelentős anyagi és anyagi költségeket igényelt, és hátráltatta a nagy űrhajók vagy kutatóállomások hiánya. Mindazonáltal a Szovjetunióban ebben az időszakban az ökoszisztémák külön szárazföldi kísérleti mintáit hoztak létre, egyes biológiai kapcsolatok és az emberek bevonásával e rendszerek anyagainak jelenlegi keringési ciklusába. Tudományos tanulmányok komplexumát is végezték a biológiai objektumok súlytalanságban történő tenyésztésének technológiáinak kidolgozására űrműholdak, hajók és állomások fedélzetén: Kozmosz-92, Kozmosz-605, Kozmosz-782, Kozmosz-936, Szaljut-6 stb. A mai kutatási eredmények lehetővé teszik, hogy olyan rendelkezéseket fogalmazzunk meg, amelyek a zárt űrkutatási rendszerek és a zárt életrendszerek építésének alapjául szolgálnak.
Tehát mi a közös a nagy mesterséges űrökoszisztémákban és a természetes bioszférában. ökoszisztémák? Először is ez a viszonylagos elszigeteltségük, főszereplők az ember és más élő biológiai kapcsolatok, az anyagok biológiai körforgása és az energiaforrás igénye.
Zárva ökológiai rendszerek- ezek egy szervezett elemciklussal rendelkező rendszerek, amelyekben az anyagokat bizonyos sebességgel bizonyos láncszemek biológiai cseréjére használnak fel, átlagsebesség metabolizmusuk végtermékeiből más kapcsolatok révén regenerálódnak a kiindulási állapotba, és a biológiai csere ugyanazokban a ciklusaiban újra felhasználhatók (Gitelzon et al., 1975).
Ugyanakkor egy ökoszisztéma zárva maradhat az anyagok teljes körforgása nélkül is, visszafordíthatatlanul elfogyasztva a korábban létrehozott tartalékokból származó anyagok egy részét.
A természetes szárazföldi ökoszisztéma gyakorlatilag zárt az anyagban, mivel a keringési ciklusokban csak a szárazföldi anyagok és kémiai elemek vesznek részt (a kozmikus anyagnak a Földre évente eső részaránya nem haladja meg a Föld tömegének 2∙ 10-14 százalékát). A földi anyagok és elemek részvételének mértéke a Föld keringésének ismétlődő kémiai ciklusaiban meglehetősen nagy, és amint már említettük, 90-98% -kal biztosítja az egyes ciklusok reprodukálását.
Egy mesterségesen zárt ökoszisztémában lehetetlen megismételni a földi bioszféra folyamatainak sokféleségét. Erre azonban nem szabad törekedni, hiszen a bioszféra egésze nem szolgálhat az anyagok biológiai körforgásán alapuló mesterséges zárt ökoszisztéma eszményeként egy személlyel. Számos alapvető különbség jellemzi a korlátozottan zárt térben, az emberi élet fenntartása céljából mesterségesen létrehozott anyagok biológiai körforgását.
Mik ezek a fő különbségek?
Az anyagok mesterséges biológiai körforgása, mint az emberi életet egy korlátozottan zárt térben biztosító eszköz mérete nem hasonlítható össze a földi biológiai körforgás léptékével, bár az egyes biológiai kapcsolataiban a folyamatok lefolyását és hatékonyságát meghatározó főbb minták alkalmazhatók egy mesterséges ökoszisztéma ilyen kapcsolatainak jellemzésére. A Föld bioszférájában szereplők közel 500 ezer növény- és 1,5 millió állatfaj van, amely bizonyos kritikus körülmények között (például egy faj vagy populáció elpusztulása esetén) képes helyettesíteni egymást, fenntartva a bioszféra stabilitását. Mesterséges ökoszisztémában a fajok reprezentativitása és az egyedszám nagyon korlátozott, ami drámaian megnöveli a mesterséges ökoszisztémába kerülő egyes élőlények "felelősségét", extrém körülmények között pedig fokozott követelményeket támaszt biológiai stabilitásával szemben.
A Föld bioszférájában az anyagok és kémiai elemek keringése hatalmas számú, egymástól független és keresztezett, időben és térben nem koordinált cikluson alapul, amelyek mindegyike a rá jellemző sebességgel megy végbe. Egy mesterséges ökoszisztémában az ilyen ciklusok száma korlátozott, az egyes ciklusok szerepe az anyagok keringésében; sokszorosára nő, és a rendszerben zajló folyamatok összehangolt ütemét szigorúan be kell tartani, mint a biológiai LSS stabil működésének szükséges feltételét.
A zsákutcás folyamatok jelenléte a bioszférában nem befolyásolja jelentősen a természetes anyagok körforgását, mivel a Földön még mindig vannak jelentős anyagtartalékok, amelyek először vesznek részt a körforgásban. Ráadásul a zsákutcás folyamatok anyagtömege mérhetetlenül kisebb, mint a Föld pufferkapacitása. A mesterséges űrbeli LSS-ben a mindig fennálló általános tömeg-, térfogat- és energiafogyasztási korlátozások megfelelő korlátozásokat írnak elő a biológiai LSS ciklusában részt vevő anyagok tömegére vonatkozóan. Bármilyen zsákutcás folyamat jelenléte vagy kialakulása ebben az esetben jelentősen csökkenti a rendszer egészének hatékonyságát, csökkenti annak elszigeteltségének mutatóját, megfelelő kompenzációt igényel a kiindulási anyagok készleteiből, és ennek következtében ezeknek a készleteknek a növekedése a rendszerben.
A vizsgált mesterséges ökoszisztémákban az anyagok biológiai körforgásának legfontosabb jellemzője az ember meghatározó szerepe a minőségi, ill. mennyiségi jellemzők az anyag körforgása. A ciklus ebben az esetben végső soron egy személy (legénység) szükségleteinek kielégítése érdekében történik, amely a fő meghatározó láncszem. A fennmaradó biológiai objektumok az emberi környezet fenntartásának funkcióit látják el. Ebből kiindulva egy mesterséges ökoszisztémában minden biológiai faj számára a létezés legoptimálisabb feltételei jönnek létre a faj maximális termőképességének eléréséhez. A Föld bioszférájában a bioszintézis folyamatok intenzitását főként a napenergia egy adott régióba való beáramlása határozza meg. A legtöbb esetben ezek a lehetőségek korlátozottak: a napsugárzás intenzitása a Föld felszínén körülbelül 10-szer alacsonyabb, mint a Föld légkörén kívül. Emellett a túlélés és a fejlődés érdekében minden élő szervezetnek folyamatosan alkalmazkodnia kell az életkörülményekhez, gondoskodnia kell az élelem megtalálásáról, létfontosságú energiáinak jelentős részét erre fordítva. Ezért a bioszintézis intenzitása a Föld bioszférájában nem tekinthető optimálisnak a biológiai LSS fő funkciója - az emberi táplálkozási szükségletek kielégítése - szempontjából.
A földi bioszférától eltérően a mesterséges ökoszisztémákban nagy léptékű abiotikus folyamatok és tényezők, amelyek észrevehető, de gyakran vak szerepet játszanak a bioszféra és elemeinek kialakulásában (időjárási és éghajlati hatások, kimerült talajok és alkalmatlan területek, pl. Kémiai tulajdonságok víz stb.).
Ezek és más különbségek hozzájárulnak ahhoz, hogy a mesterséges ökoszisztémákban lényegesen nagyobb hatékonyságot érjenek el az anyagátalakítás, a keringési ciklusok gyorsabb végrehajtása, valamint a biológiai emberi életfenntartó rendszer hatékonyságának magasabb értékei.
AZ ŰRSZEMÉLYZET ÉLETTÁMOGATÁSÁNAK BIOLÓGIAI RENDSZERÉRŐL
A biológiai LSS bizonyos kiválasztott, egymással összefüggő és egymásra utalt biológiai objektumok (mikroorganizmusok, magasabbrendű növények, állatok), fogyasztható anyagok és technikai eszközök mesterséges kombinációja, amely korlátozottan zárt térben biztosítja az alapvető emberi élettani szükségleteket élelmiszerre, vízre és oxigénre, elsősorban az anyagok stabil biológiai keringése alapján.
Az élő szervezetek (biológiai objektumok) és a technikai eszközök biológiai LSS-ben szükséges kombinációja lehetővé teszi, hogy ezeket a rendszereket biotechnikainak is nevezzük. Ugyanakkor alatta technikai eszközökkel olyan alrendszerekre, blokkokra és eszközökre vonatkozik, amelyek biztosítják a biokomplexumban lévő biológiai objektumok normál élettartamához szükséges feltételeket (a gáznemű környezet összetétele, nyomása, hőmérséklete és páratartalma, lakótér megvilágítása, vízminőség egészségügyi és higiéniai mutatói, a hulladékok operatív gyűjtése, feldolgozása vagy ártalmatlanítása stb.). A biológiai LSS fő technikai eszközei közé tartoznak az energiaellátás és az energia fénnyé alakításának alrendszerei, a légkör gázösszetételének szabályozása és fenntartása korlátozott zárt térben, a hőszabályozás, az üvegházi egységek, a konyhák, valamint a víz és a levegő fizikai és kémiai regenerálására szolgáló eszközök, hulladékok feldolgozására, szállítására és mineralizálására szolgáló eszközök, stb.
Az LSS biológiai objektumai egy személlyel együtt biokomplexumot alkotnak. A biokomplexumba kerülő élőlények faj- és számösszetételét úgy határozzuk meg, hogy az a teljes meghatározott időszakban stabil, kiegyensúlyozott és szabályozott anyagcserét biztosítson a biokomplexum élőlényei és legénysége között. A biokomplexum mérete (méretaránya) és a biokomplexumban képviselt élő szervezetek fajainak száma a szükséges termelékenységtől, az LSS zártsági fokától függ, és a térszerkezet specifikus műszaki és energetikai képességeihez, működési időtartamához, valamint a személyzet létszámához kapcsolódik. A biokomplexum összetételében az élő szervezetek kiválasztásának elvei a természetes szárazföldi közösségek ökológiájából és a szabályozott biogeocenózisokból kölcsönözhetők, a biológiai objektumok megállapított trofikus kapcsolatai alapján.
A biológiai fajok kiválasztása a biológiai LSS trofikus ciklusainak kialakításához a legnehezebb feladat.
Minden biológiai LSS-ben részt vevő biológiai objektum élettevékenységéhez bizonyos életteret (ökológiai rést) igényel, amely nemcsak egy tisztán fizikai teret foglal magában, hanem az adott biológiai faj számára szükséges életfeltételek összességét is: életmódjának, táplálkozási módjának és környezeti feltételeinek biztosítását. Ezért ahhoz, hogy az élő szervezetek a biológiai LSS-ben láncszemként működjenek, az általuk elfoglalt terület térfogatát nem szabad túlságosan korlátozni. Más szóval, az emberes űrhajónak korlátozó minimális méreteinek kell lenniük, amelyek alatt a biológiai LSS-kapcsolatok használatának lehetősége kizárt.
Ideális esetben a teljes eredetileg tárolt anyagtömegnek, amelyet a legénység életfenntartására szánnak, beleértve az összes élő lakost, részt kell vennie az anyagok keringésében ezen az űrobjektumon belül anélkül, hogy további tömegeket vezetnének be. Ugyanakkor egy ilyen zárt biológiai LSS az ember számára szükséges összes anyag regenerációjával és korlátlan működési idejével ma már inkább elméleti, mint gyakorlatilag valós rendszer, ha szem előtt tartjuk azokat a lehetőségeket, amelyeket a közeljövő űrexpedícióinál mérlegelnek.
Termodinamikai értelemben (energia szempontjából) egyetlen ökoszisztéma sem zárható be, hiszen létezésének elengedhetetlen feltétele az ökoszisztéma élő láncszemeinek a környező térrel való folyamatos energiacseréje. A Nap szabad energiaforrásként szolgálhat az űrhajók biológiai LSS-éhez a napközeli térben, azonban a nagyméretű biológiai LSS működéséhez jelentős energiaigény hatékony technikai megoldásokat igényel a napenergia folyamatos gyűjtése, koncentrálása és űrhajóba való bevitele, valamint az alacsony potenciálú hőenergia világűrbe történő kibocsátása problémájára.
Külön kérdésként merül fel az élő szervezetek űrrepülésekben való felhasználása kapcsán, hogy hogyan hat rájuk a tartós súlytalanság? Az űrrepülés és a világűr egyéb tényezőitől eltérően, amelyeknek az élő szervezetekre gyakorolt hatása a Földön szimulálható és tanulmányozható, a súlytalanság hatása csak közvetlenül az űrrepülésben állapítható meg.
A ZÖLD NÖVÉNYEK MINT A BIOLÓGIAI ÉLETTÁMOGATÓ RENDSZEREK FŐ KAPCSOLATA
A magasabb szárazföldi növények a biológiai életfenntartó rendszer fő és legvalószínűbb elemei. Nemcsak olyan élelmiszert képesek előállítani, amely a legtöbb kritérium szerint teljes az ember számára, hanem a víz és a légkör regenerálására is. Az állatokkal ellentétben a növények egyszerű vegyületekből képesek vitaminokat szintetizálni. Szinte minden vitamin a növények leveleiben és más zöld részeiben képződik.
A magasabb rendű növények bioszintézisének hatékonyságát elsősorban a fényviszonyok határozzák meg: a fényáram erejének növekedésével a fotoszintézis intenzitása növekszik. bizonyos szint ezt követi a fotoszintézis fénytelítettsége. A fotoszintézis maximális (elméleti) hatékonysága napfényben 28%. Valós körülmények között jó termesztési feltételek mellett sűrű növénykultúrák esetén elérheti a 15%-ot.
A mesterséges körülmények között maximális fotoszintézist biztosító fiziológiás (fotoszintetikusan aktív) sugárzás (PAR) optimális intenzitása 150-200 W/m 2 volt (Nichiporovich, 1966). A növények (tavaszi búza, árpa) termőképessége elérte az 50 g biomassza/nap/1 m 2 (legfeljebb a 17 g gabona/1 m 2/nap) biomasszát. Más, zárt rendszerű retektermesztési fényviszonyok megválasztásával végzett kísérletekben a gyökérnövények hozama 22–24 nap alatt 6 kg/1 m 2 volt, biológiai termőképessége pedig 30 g biomassza (száraz tömegben)/1 m 2/nap (Lisovsky, Shilenko, 1970). Összehasonlításképpen megjegyezzük, hogy szántóföldön a növények átlagos napi termőképessége 10 g/1 m 2.
A biociklus: "magasabb növények - ember" akkor lenne ideális az ember életfenntartására, ha egy hosszú űrrepülés során csak növényi eredetű fehérjék és zsírok táplálkozásával lehetne megelégedni, és ha a növények minden emberi hulladékot sikeresen mineralizálni és hasznosítani tudnának.
Az űrüvegház azonban nem lesz képes megoldani a biológiai LSS-hez rendelt problémák teljes körét. Ismeretes például, hogy a magasabb rendű növények nem képesek részt venni számos anyag és elem keringésében. Így a nátriumot a növények nem fogyasztják, így nyitva marad a NaCl (konyhasó) körforgás problémája. A molekuláris nitrogén növények általi megkötése nem lehetséges göbös talajbaktériumok segítsége nélkül. Az is ismert, hogy a Szovjetunióban jóváhagyott emberi táplálkozás fiziológiai normáival összhangban az étkezési fehérjék napi normájának legalább felének állati eredetű fehérjéknek, az állati zsíroknak pedig az étrendben lévő zsírok teljes normájának legfeljebb 75% -ának kell lennie.
Ha az étrend növényi részének kalóriatartalma a fent említett normáknak megfelelően az étrend teljes kalóriatartalmának 65%-a (egy űrhajós napi étrendjének átlagos kalóriatartalma a Szaljut-6 állomáson 3150 kcal volt), akkor a szükséges mennyiségű növényi biomassza megszerzéséhez legalább 1-5 m2 alapterületű üvegház szükséges. Figyelembe véve az el nem fogyasztott növényi hulladékot (körülbelül 50%), valamint az élelmiszer-szállítószalag szükségességét a biomassza folyamatos napi reprodukálásához, az üvegház tényleges területét legalább 2-3-szorosára kell növelni.
Az üvegház hatásfoka jelentősen növelhető a keletkező biomassza ehetetlen részének további felhasználásával. A biomassza hasznosításának többféle módja van: tápanyag kinyerése extrakcióval vagy hidrolízissel, fizikai-kémiai vagy biológiai mineralizáció, megfelelő főzés utáni közvetlen felhasználás, állati takarmányként történő felhasználás. Ezen módszerek megvalósítása megfelelő további technikai eszközök és energiaköltségek kialakítását igényli, így az optimális megoldás csak az ökoszisztéma egészének összesített műszaki és energetikai mutatóinak figyelembevételével érhető el.
A biológiai LSS létrehozásának és használatának kezdeti szakaszában az anyagok teljes körforgásának egyedi kérdései még nem oldódtak meg, a fogyóanyagok egy részét az űrhajó fedélzetén lévő tartalékokból veszik el. Ezekben az esetekben az üvegház feladata a vitaminokat tartalmazó friss fűszernövények minimális szükséges mennyiségének reprodukálása. Egy 3-4 m 2 ültetési területű üvegház teljes mértékben kielégíti egy ember vitaminszükségletét. Az ilyen ökoszisztémákban a magasabbrendű növények - az ember - biociklusának részleges felhasználása alapján az anyagok regenerációjának és a legénység életfenntartásának fő terhelését fizikai-kémiai feldolgozási módszerekkel rendelkező rendszerek végzik.
A gyakorlati űrhajózás megalapítója, S. P. Koroljev olyan űrrepülésről álmodott, amelyet semmilyen korlátozás nem kötött. S. P. Koroljev szerint csak egy ilyen repülés jelent majd győzelmet az elemek felett. 1962-ben a következőképpen fogalmazta meg az űrbiotechnológia kiemelt feladatait: „El kell kezdeni a „Ciolkovszkij szerinti üvegház” kialakítását, fokozatosan láncszemek vagy blokkok kiépítésével, és el kell kezdeni az „űrbetakarítással”. Milyen összetételűek ezek a termények, milyen növények? Hatékonyságuk, hasznosságuk? A saját magvakból termesztett növények visszafordíthatósága (ismételhetősége) az üvegház hosszú távú fennállása alapján? Mely szervezetek végzik el ezeket a munkákat: a növénytermesztés területén (és talaj-, nedvesség-, stb. kérdések), a gépesítés és a „fény-hő-napenergia” technológia és üvegházak vezérlőrendszerei stb. területén?
Ez a megfogalmazás valójában azokat a fő tudományos és gyakorlati célokat és célkitűzéseket tükrözi, amelyek elérését és megoldását biztosítani kell a „Ciolkovszkij üvegház” létrehozása előtt, vagyis egy olyan üvegházat, amely hosszú űrrepülés során ellátja az embert a szükséges friss növényi eredetű élelmiszerrel, valamint tisztítja a vizet és a levegőt. A jövőbeli bolygóközi űrhajók űrüvegháza tervezésük szerves részévé válik. Egy ilyen üvegházban optimális feltételeket kell biztosítani a magasabb növények vetéséhez, növekedéséhez, fejlődéséhez és begyűjtéséhez. Az üvegházat fel kell szerelni fényelosztó és légkondicionáló berendezésekkel, tápoldatok készítésére, elosztására és adagolására szolgáló blokkokkal, a párologtatási nedvesség összegyűjtésére stb. A szovjet és külföldi tudósok sikeresen dolgoznak a közeljövőben ilyen nagyméretű üvegházak létrehozásán űrhajók számára.
Az űrnövénytermesztés ma még fejlődésének kezdeti szakaszában jár, és új speciális vizsgálatokat igényel, hiszen a magasabb rendű növényeknek az űrrepülés szélsőséges körülményeire, elsősorban a súlytalanságra adott válaszaival kapcsolatos számos kérdés még mindig megfejtetlen. A súlytalanság állapota nagyon jelentős hatással van számos fizikai jelenségre, az élő szervezetek élettevékenységére, viselkedésére, sőt a fedélzeti berendezések működésére is. A dinamikus súlytalanság hatásának hatékonysága ezért csak a közvetlenül orbitális űrállomásokon végzett, úgynevezett teljes körű kísérletekben értékelhető.
Természetes körülmények között növényekkel végzett kísérleteket korábban a Cosmos sorozat Salyut állomásain és műholdain végeztek (Cosmos-92, 605, 782, 936, 1129 stb.). Különös figyelmet fordítottak a magasabb növények termesztésével kapcsolatos kísérletekre. Erre a célra különféle speciális eszközöket használtak, amelyek mindegyike egy adott nevet kapott, például „Vazon”, „Svetoblok”, „Fiton”, „Biogravistat” stb. Minden eszközt általában egy probléma megoldására szántak. Így egy kis centrifuga "Biogravistat" szolgált a palántanevelési folyamatok összehasonlító értékelésére súlytalanságban és a cselekvési területen. centrifugális erők. A "Vazon" készülékben az űrhajósok étrendjének vitamin-kiegészítőjeként dolgozták ki a hagyma tollas termesztésének folyamatait. Az izolált kamrában mesterséges táptalajra ültetett Arabidopsis először virágzott súlytalanság körülményei között a "Svetoblok" készülékben, az Arabidopsis magvakat pedig a "Fiton" készülékben szerezték be. Az Oázis kutatóhelyiségében szélesebb körű feladatokat oldottak meg, amelyek termesztési, világítási, vízellátási, kényszerszellőztetési és telemetriás hőmérsékletszabályozó egységekből álltak. Az "Oasis" üzemben a borsó- és búzanövényeken elektromos stimulációval járó művelési módokat gyakoroltak, hogy csökkentsék a gravitáció hiányával összefüggő kedvezőtlen tényezők hatását.
Számos kísérletet végeztek magasabb növényekkel űrrepülési körülmények között az USA-ban a Skylab és a Spacelab állomásokon, valamint a Columbia (Shuttle) fedélzetén.
Számos kísérlet kimutatta, hogy még nem sikerült teljesen megoldani azt a problémát, hogy a növényeket űrobjektumokon a szokásos földi körülményektől jelentősen eltérő körülmények között neveljük. Még mindig nem ritka az olyan eset, amikor a növények a fejlődés generatív szakaszában leállnak. Jelentős mennyiségű tudományos kísérletet kell még végeznünk ahhoz, hogy a növények termesztésének technológiáját kidolgozzuk növekedésük és fejlődésük minden szakaszában. Szükség lesz továbbá a növénykultivátorok és egyedi műszaki eszközök kialakításának kidolgozására és tesztelésére, amelyek segítik a negatív hatások kiküszöbölését. különféle tényezőkűrrepülés növényeken.
A magasabb szárazföldi növények mellett az alacsonyabb rendű növények is a zárt ökoszisztémák autotróf kapcsolatának elemei. Ide tartoznak a vízi fototrófok – egysejtű algák: zöld, kékeszöld, kovamoszat stb. Ezek a tengerek és óceánok elsődleges szervesanyag-termelői. A legszélesebb körben ismert édesvízi mikroszkopikus Chlorella alga, amelyet sok tudós előnyben részesít, mint a zárt űrökoszisztéma létrejöttének fő biológiai tárgyát.
A Chlorella kultúrát számos pozitív tulajdonság jellemzi. A szén-dioxid asszimilációja, a kultúra oxigént szabadít fel. Intenzív termesztéssel 30-40 liter chlorella szuszpenzió egy személyre képes teljesen gázcserét biztosítani. Ebben az esetben biomassza képződik, amely biokémiai összetétele szerint takarmány-adalékanyagként, megfelelő feldolgozás mellett az emberi táplálkozás adalékanyagaként is használható. A fehérjék, zsírok és szénhidrátok aránya a chlorella biomasszában a termesztési körülményektől függően változhat, ami lehetővé teszi a szabályozott bioszintézis folyamat lebonyolítását. Az intenzív chlorella tenyészetek termőképessége laboratóriumi tenyésztésben napi 30-60 g szárazanyag/1 m 2 között mozog. Speciális, nagy megvilágítású laboratóriumi kultivátorokon végzett kísérletekben a chlorella hozama eléri a 100 g szárazanyagot 1 m 2 -enként naponta. A Chlorellát a súlytalanság érinti a legkevésbé. Sejtjei erős cellulóztartalmú membránnal rendelkeznek, és leginkább ellenállnak a kedvezőtlen létfeltételeknek.
A chlorella, mint mesterséges ökoszisztéma láncszemének hátrányai közé tartozik a CO 2 asszimilációs együttható és az emberi légzési együttható közötti eltérés, a gázfázisban a CO 2 koncentráció növelésének szükségessége a biológiai regenerációs kapcsolat hatékony működéséhez, némi eltérés a chlorella algák biogén elemek iránti szükségletében, ezen elemek jelenléte az emberi ürülékek speciális emészthetőségének eléréséhez. Az egysejtű algák általában (különösen a chlorella), ellentétben a magasabb rendű növényekkel, mentesek a szabályozó eszközöktől, és a bioszintézis folyamatának automatizált vezérlését igénylik a kultúrában való megbízható és hatékony működéshez.
A kísérletekben a maximális hatékonysági értékek minden típusú algánál 11-16% tartományban vannak (a mikroalgák fényenergia-hasznosításának elméleti hatékonysága 28%). A magas tenyésztési termelékenység és az alacsony energiafogyasztás azonban általában egymásnak ellentmondó követelmények, mivel a maximális hatékonysági értékeket viszonylag alacsony tenyésztési optikai sűrűség mellett érik el.
Jelenleg a Chlorella egysejtű algák, valamint néhány más típusú mikroalgák (scenedesmus, spirulina stb.) a mesterséges ökoszisztémák autotróf kapcsolatának biológiai modellobjektumai.
EREDMÉNYEK ÉS KITEKINTÉSEK
A földközeli űrkutatás és fejlesztés gyakorlati tapasztalatainak felhalmozásával az űrkutatási programok egyre bonyolultabbá válnak. A biológiai LSS kialakulásának fő kérdéseit a jövőbeni hosszú távú űrexpedíciók számára már ma meg kell oldani, mivel a biológiai LSS kapcsolataival végzett tudományos kísérleteket a kezdetektől a végső eredmény megszerzéséig terjedő hosszú időtartam jellemzi. Ez elsősorban a viszonylag hosszú fejlődési ciklusoknak köszönhető, amelyek objektíven léteznek számos, a biológiai LSS linkjeként kiválasztott élő szervezetben, valamint annak szükségessége, hogy megbízható információkat szerezzenek a trofikus és egyéb biolinkek hosszú távú következményeiről, amelyek az élő szervezetek számára általában csak a következő generációkban nyilvánulhatnak meg. Az ilyen biológiai kísérletek gyorsított elvégzésére szolgáló módszerek még nem léteznek. Ez a körülmény szükségessé teszi a biológiai LSS energia- és tömegtranszfer folyamatainak tanulmányozására irányuló kísérletek jelentős idő előtti lefektetését, beleértve az embert is.
Nyilvánvaló, hogy a biológiai LSS létrehozásának fő kérdéseit az űrszemélyzetek számára előzetesen ki kell dolgozni és földi körülmények között kell megoldani. E célból speciális műszaki és orvosbiológiai központokat hoztak létre és hoznak létre, beleértve a nagy teljesítményű kutató- és vizsgálóbázisokat, nagy kapacitású nyomáskamrákat, az űrrepülési körülményeket szimuláló állványokat stb. döntéseket, és a biológiai LSS-változat kiválasztása történik annak végső, mélyreható vizsgálatához egy konkrét vonatkozásban. űrobjektum vagy repülés.
Az 1960-as és 1970-es években számos egyedülálló tudományos kísérletet végeztek a Szovjetunióban, amelyek célja biológiai LSS létrehozása volt a mesterséges űrökoszisztémák legénysége számára. 1968 novemberében a Szovjetunióban egy hosszú (egyéves) kísérletet fejeztek be három tesztelő részvételével. Fő célja egy komplex LSS technikai eszközeinek és technológiáinak tesztelése és fejlesztése volt, amely az anyagok regenerációjának fiziko-kémiai módszerein, valamint egy olyan biológiai módszeren alapul, amely az emberi vitamin- és rostszükségletet pótolja üvegházi zöld növények termesztése során. A terménykészletben Khibiny káposzta, borágó, vízitorma és kapor szerepelt.
A kísérlet során megállapították a magasabb rendű növények normál, zárt térben történő, bent tartózkodó személlyel történő termesztését, valamint a transzspirációs víz regenerálás nélküli ismételt felhasználását az aljzat öntözésére. Az anyagok részleges regenerációját az üvegházban hajtották végre, minimális élelmiszer- és oxigénszigetelést biztosítva - 3-4%.
1970-ben a Szovjetunió VDNKh-jában bemutatták az életfenntartó rendszer kísérleti modelljét, amelyet a Szovjetunió Glavmikrobioprom Össz-Uniós Biotechnikai Kutatóintézete mutatott be, és amelynek célja a biotechnikai blokkok optimális összetételének és működési módjának meghatározása volt. Az elrendezés életfenntartó rendszerét úgy alakították ki, hogy három személy víz, oxigén és friss növényi termékek szükségleteit korlátlan ideig kielégítse. A rendszerben a fő regenerációs blokkokat egy 50 literes algás kultivátor és egy körülbelül 20 m2 hasznos területű üvegház képviselte (3. ábra). Az állati eredetű élelmiszerek szaporítását a csirketermesztőre bízták.
 Rizs. 3. Kinézetüvegházak |
Sorozat kísérleti tanulmányokökoszisztémák, beleértve az embert is. Egy 45 napig tartó, kétláncú „ember-mikroalgák” (chlorella) rendszerrel végzett kísérlet lehetővé tette a rendszer kapcsolatai és a környezet közötti tömegtranszfer tanulmányozását, és az anyagok keringésének teljes lezárásának 38%-os mutatóját (a légkör és a víz regenerációja).
A kísérletet az „ember – magasabb rendű növények – mikroalgák” háromláncú rendszerrel 30 napig végezték. A cél annak tanulmányozása, hogy egy személy kompatibilis-e magasabb rendű növényekkel teljesen zárt gázcserével és részben zárt vízcserével. Ugyanakkor kísérletet tettek a tápláléklánc lezárására a növényi (növényi) biomasszával. A kísérlet eredményei azt mutatták, hogy a kísérlet ideje alatt a rendszer láncszemei a közös atmoszférán keresztül nem gyakoroltak kölcsönös nyomasztó hatást. Az egybefüggő zöldségtermés ültetési területének minimális méretét úgy határozták meg, hogy a választott termesztési mód mellett (2,5-3 m 2) teljes mértékben kielégítse egy ember friss zöldségszükségletét.
A negyedik láncszem bevezetésével a rendszerbe - egy mikrobiális kultivátort, amelyet a nem élelmiszer jellegű növényi hulladék feldolgozására és a rendszerbe való visszajuttatására terveztek - új kísérlet indult egy személlyel, amely 73 napig tartott. A kísérlet során a láncszemek gázcseréje teljesen zárt, a vízcsere pedig szinte teljesen zárt volt (kivéve a kémiai elemzés) és részben az élelmiszer-anyagcserét. A kísérlet során a magasabb rendű növények (búza) termőképességének romlása derült ki, ami a tápközegben a növényi anyagcseretermékek vagy a kapcsolódó mikroflóra felhalmozódásával magyarázható. Az emberi szilárd ürülék mineralizációs láncolatának beépítése a rendszerbe egy négyláncú biológiai rendszer műszaki és gazdasági mutatói alapján következtetést vontak le.
1973-ban egy hat hónapos kísérlet zárt, összesen mintegy 300 m 3 össztérfogatú, háromfős legénység életfenntartásán fejeződött be, amely a tesztelőkön kívül magasabb és alacsonyabb növények láncszemeit is magába foglalta. A kísérletet három szakaszban hajtották végre. A két hónapig tartó első szakaszban a legénység összes oxigén- és vízszükségletét magasabb rendű növények fedezték: búza, cékla, sárgarépa, kapor, fehérrépa, kelkáposzta, retek, uborka, hagyma és sóska. A háztartási rekesz szennyvizét a búza tápközegébe táplálták. A legénység szilárd és folyékony váladékát a túlnyomásos térfogatból kifelé távolították el. A legénység tápanyagszükségletét részben magasabb rendű növények, részben készletekből származó dehidratált élelmiszerek fedezték. A magasabban fekvő növények láncolatában egy körülbelül 40 m 2 ültetési területről naponta 1953 g biomassza (száraz tömegben) szintetizálódott, ebből 624 g ehető, ami a teljes személyzeti igény 30%-át tette ki. Ugyanakkor három személy oxigénszükséglete teljes mértékben biztosított (kb. 1500 liter naponta). Az "ember - magasabb üzemek" rendszer bezárása ebben a szakaszban 82% volt.
A kísérlet második szakaszában az üvegház egy részét alsóbbrendű növények láncszemével - chlorella - helyettesítették. A legénység víz- és oxigénigényét magasabb (búza és zöldségfélék) és alacsonyabb rendű növények elégítették ki, a személyzet folyékony ürülékét az algareaktorba küldték, a szilárd ürüléket pedig megszárították, hogy a vizet visszajuttassa a körforgásba. A legénységi étkezések az első szakaszhoz hasonlóan zajlottak. A búza növekedésének romlása az egységnyi ültetési területre jutó tápközeggel ellátott szennyvíz mennyiségének a felére csökkentése miatt derült ki.
A harmadik szakaszban a magasabb rendű növények láncszemében már csak a zöldségfélék maradtak, a hermetikus térfogat légkörének regenerálásában pedig az algareaktor látta el a fő terhelést. A növényi tápoldathoz szennyvizet nem adtak. Mindazonáltal a kísérletnek ebben a szakaszában a növényeket a hermetikus légkör részegítette. A rendszer zártsága, beleértve az emberi folyékony ürüléket hasznosító chlorellát is, 91%-ra emelkedett.
A kísérlet során különös figyelmet fordítottak a legénységben az exometabolitok cseréjének időbeli ingadozásainak kiegyenlítésének kérdésére. Ennek érdekében a tesztelők olyan ütemterv szerint éltek, amely az ökoszisztéma autonóm létezésének folyamatában biztosította az ökoszisztéma-kezelés folytonosságát és a tömegtranszfer szintjének egységességét. A kísérlet 6 hónapja alatt 4 tesztelő volt a rendszerben, akik közül egy folyamatosan benne élt, három pedig 6 hónapig, ütemterv szerint cserélve.
A kísérlet fő eredménye egy olyan biológiai életfenntartó rendszer megvalósításának lehetőségének bizonyítéka, amelyet belülről autonóm vezérelnek, korlátozottan zárt térben. A tesztelők élettani, biokémiai és technológiai funkcióinak mutatóinak elemzése nem mutatott ki a mesterséges ökoszisztémában való tartózkodásuk okozta irányított változásokat.
1977-ben a Szovjetunió Tudományos Akadémia Szibériai Fiókjának Fizikai Intézetében négy hónapig tartó kísérletet végeztek egy mesterséges zárt ökoszisztémával "ember - magasabb növények". A fő feladat a zárt ökoszisztéma magasabb rendű növények termőképességének megőrzésének módja. Ugyanakkor vizsgálták annak lehetőségét is, hogy a legénység táplálékadagjának benne reprodukciós részarányának növelésével növelhető-e a rendszer zártsága. Két tesztelő vett részt a kísérletben (az első 27 napban - három tesztelő). A fitotron vetésterülete körülbelül 40 m2 volt. A magasabb rendű növénykultúrák halmazába búza, csufa, cékla, sárgarépa, retek, hagyma, kapor, káposzta, uborka, burgonya és sóska tartozott. A kísérletben a belső légkör kényszerkeringését az „élőtér – fitotronok (üvegház) – lakótér” körvonal mentén szerveztük meg. A kísérlet az előző kísérlet folytatása volt egy zárt ökoszisztémával "ember - magasabb növények - alacsonyabb növények".
A kísérlet során, amelynek első szakasza az előző állapotát reprodukálta, a növényi fotoszintézis csökkenése derült ki, amely az 5. naptól kezdődött és 24 napig tartott. Továbbá bekapcsolták a légkör termikus katalitikus tisztítását (a felhalmozódott mérgező gáznemű szennyeződések utóégetése), melynek eredményeként megszűnt a légkör növényekre gyakorolt gátló hatása, és helyreállt a fitotronok fotoszintetikus termelékenysége. A szalma és cellulóz elégetésével nyert további szén-dioxidnak köszönhetően a legénység táplálékának újratermelt része 60 tömegszázalékra (kalóriatartalom szerint 52 százalékra) emelkedett.
A rendszerben a vízcsere részben zárt volt: a növények légnedvességének kondenzátuma szolgált ivó- és részben egészségügyi vízforrásként; táptalaj háztartási szennyvíz hozzáadásával, a vízháztartást pedig olyan mennyiségben desztillált víz bevezetésével tartották fenn, amely kompenzálta az emberi folyékony ürülékek rendszerből való kivonását.
A kísérlet befejezése után nem találtunk negatív reakciót a tesztelők szervezetében a zárt rendszer körülményeinek összetett hatására. A növények teljes mértékben ellátták a tesztelőket oxigénnel, vízzel és a növényi táplálék nagy részével.
Ugyanebben az évben, 1977-ben, a Szovjetunió Egészségügyi Minisztériumának Orvosbiológiai Problémái Intézetében másfél hónapos kísérletet végeztek két tesztelővel. A kísérletet egy zárt ökoszisztéma modelljének tanulmányozására végezték, amely egy üvegházat és egy chlorellát tartalmazó növényt tartalmazott.
Az elvégzett kísérletek azt mutatták, hogy a mesterséges ökoszisztémában a légkör és a víz biológiai regenerációja zöld növények segítségével, az alacsonyabb rendű növények (chlorella) nagyobb biológiai kompatibilitást mutatnak az emberrel, mint a magasabbak. Ez abból adódik, hogy az élőtér légköre és az emberi ürülékek kedvezőtlenül befolyásolták a magasabb rendű növények fejlődését, és az üvegházba kerülő levegő további fizikai-kémiai kezelésére volt szükség.
Külföldön az ígéretes LSS létrehozására irányuló munka a legintenzívebben az USA-ban folyik. A kutatás három irányban folyik: elméleti (a szerkezet, összetétel és számított jellemzők meghatározása), kísérleti földi (egyedi biológiai egységek tesztelése) és kísérleti repülési (biológiai kísérletek előkészítése és lebonyolítása emberes űrhajókon) irányban. A NASA központjai és cégek, amelyek űrhajókat és rendszereket fejlesztenek számukra, a biológiai LSS létrehozásának problémájával foglalkoznak. Az egyetemek számos prospektív tanulmányban vesznek részt. A NASA-nál létrehoztak egy bioszisztémák osztályát, amely koordinálja az ellenőrzött biotechnikai LSS létrehozására irányuló program munkáját.
A "Biosphere-2" nevű grandiózus mesterséges szerkezet létrehozásának projektje az Egyesült Államokban nagy érdeklődést váltott ki a környezetvédelmi szakemberek körében. Ez az üvegből, acélból és betonból álló szerkezet 150 000 m 3 teljesen zárt térfogatú, és 10 000 m 2 területet fed le. A teljes kötet nagyméretű rekeszekre van osztva, amelyekben a Föld különböző éghajlati övezeteinek fizikai modelljei képződnek, beleértve a trópusi erdőt, a trópusi szavannát, a lagúnát, az óceán sekély- és mélyvízi zónáit, sivatagot stb. A Bioszféra-2-ben a tesztelők lakóhelyiségei, laboratóriumok, műhelyek és hulladékfeldolgozó rendszerek, mezőgazdasági üzemek és egyéb kiszolgáló rendszerek, mezőgazdasági üzemek és egyéb üzemek. A Bioszféra-2 rekeszeinek üvegmennyezetének és falának biztosítania kell a sugárzó napenergia áramlását a lakóihoz, akik között az első két évben nyolc önkéntes tesztelő lesz. Bizonyítaniuk kell az aktív élet és tevékenység lehetőségét izolált körülmények között az anyagok belső bioszféra-keringése alapján.
Az Ökotechnikai Intézet, amely 1986-ban vezette a Bioszféra-2 létrehozását, az építkezés befejezését az idén tervezi. Számos neves tudós és műszaki szakember csatlakozott a projekt megvalósításához.
A munkálatok jelentős költsége (legalább 30 millió dollár) ellenére a projekt megvalósítása lehetővé teszi, hogy egyedülálló Tudományos kutatás az ökológia és a Föld bioszférája területén a „Biosphere-2” egyes elemeinek felhasználási lehetőségének meghatározása különféle iparágak gazdaságosság (víz, levegő és élelmiszer biológiai tisztítása és regenerálása). „Az ilyen szerkezetekre szükség lesz a világűrben települések létrehozásához, és talán bizonyos típusú élőlények megőrzéséhez a Földön” – mondja R. Schweikart amerikai űrhajós.
A fenti kísérletek gyakorlati jelentősége nem csak abban rejlik, hogy megoldják a zárt tér ökoszisztémák, köztük az ember létrehozásának bizonyos kérdéseit. Nem kevésbé fontosak ezeknek a kísérleteknek az eredményei az ökológia törvényszerűségeinek és az emberi alkalmazkodás extrém környezeti feltételekhez való alkalmazkodásának orvosbiológiai alapjainak megértéséhez, a biológiai objektumok potenciális képességeinek tisztázásához intenzív termesztési módokban, hulladékmentes és környezetbarát technológiák kidolgozásához a magas minőségű élelmiszer, víz és levegő emberi szükségleteinek biztosítására mesterségesen izolált északi védelmi struktúrákban (víz alatti telepek, települések, stb.).
A jövőben teljes hulladékmentes és környezetbarát városokat lehet elképzelni. A Nemzetközi Rendszerelemző Intézet igazgatója, C. Marchetti például úgy véli: „Civilizációnk képes lesz békésen, ráadásul a jelenleginél jobb körülmények között létezni, olyan szigetvárosokba zárva, amelyek teljesen önellátóak, nem függenek a természet viszontagságaitól, nem igényelnek sem természetes nyersanyagokat, sem természetes energiát, és garantáltan a szennyeződéstől is.” Tegyük hozzá, ehhez egyetlen feltétel teljesítése szükséges: az egész emberiség erőfeszítéseinek egyesítése a békés teremtő munkában a Földön és az űrben.
KÖVETKEZTETÉS
A nagy mesterséges ökoszisztémák – köztük az ember – létrehozásának problémájának sikeres megoldása az anyagok teljesen vagy részben zárt biológiai körforgásán alapuló megoldása nemcsak az űrhajózás további fejlődése szempontjából fontos. Abban a korszakban, amikor „olyan ijesztő világossággal láttuk, hogy egy második, az ökológiai front közeledik a nukleáris és űrfenyegetettség frontjához, és ezzel egyenrangú” (E. A. Shevardnadze, a Szovjetunió külügyminiszterének beszédéből az ENSZ Közgyűlésének 43. ülésszakán), az egyik igazi kiút a környezeti-intenzív környezet- és agrotrisztikus krízis közeledő útjából lehet a környezeti termelés-mentesség-mentesség. al technológiák, amelyeknek az anyagok biológiai körforgásán és a napenergia hatékonyabb felhasználásán kell alapulniuk.
Ez egy alapvetően új tudományos-technikai probléma, amelynek megoldásának eredményei nagy jelentőséggel bírhatnak a környezetvédelem és a környezet megóvása, az új intenzív és hulladékmentes biotechnológiák fejlesztése és széleskörű elterjedése, az élelmiszer-biomassza előállítására szolgáló autonóm automatizált és robotizált komplexumok létrehozása, valamint az élelmiszerprogram magas, modern tudományos és műszaki színvonalú megoldása szempontjából. A kozmikus elválaszthatatlan a földitől, ezért az űrprogramok eredményei ma is jelentős gazdasági-társadalmi hatást fejtenek ki leginkább. különböző területek Nemzetgazdaság.
A kozmosz az embereket szolgálja és szolgálnia kell.
IRODALOM
Blinkin S. A., Rudnitskaya T. V. Phytoncides körülöttünk. – M.: Tudás, 1981.
Gazenko O. G., Pestov I. D., Makarov V. I. Az emberiség és a tér. – M.: Nauka, 1987.
Dadykin V.P. Űrnövénytermesztés. – M.: Tudás, 1968.
Dazho R. Az ökológia alapjai. – M.: Haladás, 1975.
Zárt rendszer: ember - magasabb rendű növények (négy hónapos kísérlet) / Szerk. G. M. Lisovsky. - Novoszibirszk-Nauka, 1979.
Űrhajózás. Enciklopédia. / Szerk. V. P. Glushko - M .: Szovjet Enciklopédia, 1985.
Lapo A. V. Letűnt bioszférák nyomai. – M.: Tudás, 1987.
Nyicsiporovics A.A. zöld levél hatékonysága. - M .: Tudás 1964.
Az űrbiológia és az orvostudomány alapjai. / Szerk. O G Gazenko (Szovjetunió) és M. Calvin (USA). - T. 3 - M .: Nauka, 1975.
Plotnikov VV Az ökológia válaszútján. - M.: Gondolat, 1985
Sytnik K. M., Brion A. V., Gordetsky A. V. Bioszféra, ökológia, természetvédelem. - Kijev: Naukova Dumka, 1987.
Kísérleti ökológiai rendszerek, beleértve az embert / Szerk. V. N. Csernyigovszkij. - M.: Nauka, 1975
Yazdovsky V. I. Mesterséges bioszféra. - M.: Nauka, 1976
Alkalmazás
ŰRTURIZMUS
V. P. MIHAILOV
A 60-as években mindenütt megindult turisztikai fellendülés kapcsán a szakemberek felhívták a figyelmet a turisztikai célú űrutazás lehetőségére.
Az űrturizmus két irányban fejlődik. Az egyik tisztán földi – űrrepülések nélkül. A turisták felkeresik a földi objektumokat - űrkikötőket, repülésirányító központokat, "sztár" városokat, űrtechnológiai elemek fejlesztésével és gyártásával foglalkozó vállalkozásokat, jelen vannak és megfigyelik a repülő űrhajók és hordozórakéták felbocsátását.
A szárazföldi űrturizmus 1966 júliusában kezdődött, amikor megszervezték az első buszos túrákat a NASA Kennedy-fokozatú kilövőhelyein. Az 1970-es évek elején buszos turisták keresték fel a 39-es számú komplexumot, ahonnan az űrhajósok a Holdra repülve indultak, a függőleges szerelőépületet (100 m feletti hangár), ahol a Saturn-V hordozórakétát összeszerelték és tesztelték, az Apollo űrszondát pedig kikötötték, az egyedülálló lánctalpas hordozórakéta parkolóját. Indítóállás, és még sok más. Egy különleges moziban nézték az űrrendezvények híradóját. Akkoriban nyáron napi 6-7 ezer, utószezonban mintegy 2 ezer turista tett ilyen kirándulást.A szervezetlen turisták kb.
A kezdetektől fogva az ilyen kirándulások nagy népszerűségre tettek szert. Már 1971-ben rögzítették a négymilliomodik résztvevőjüket. Egyes kilövések során (például a Holdra) a turisták száma elérte a százezreket.
Egy másik irány a közvetlen űrturizmus. Bár ma még gyerekcipőben jár, a kilátások szélesek. A tisztán turisztikai szempontok mellett itt a stratégiai és gazdasági szempontokat is szem előtt kell tartanunk.
A stratégiai szempont az emberiség lehetséges részleges megtelepedése a Naprendszerben. Ez persze a távoli jövő kérdése. A letelepedés több száz éven és évezreden keresztül fog megtörténni. Az embernek hozzá kell szoknia a világűrben való élethez, le kell telepednie benne, fel kell gyűjtenie bizonyos tapasztalatokat – hacsak természetesen nem történik földi vagy kozmikus kataklizma, amikor ezt a folyamatot fel kell gyorsítani. Az űrturizmus pedig jó modell ennek a folyamatnak a kidolgozására. Másrészt a turistautak során felhalmozott emberi élet biztosításának tapasztalata az űrben, az űrben lévő berendezések, életfenntartó eszközök ismerete lehetővé teszi az ember számára, hogy sikeresebben éljen és dolgozzon a Földön a környezet romlása körülményei között, az űrben "földelt" technikai eszközök és rendszerek használatát.
Az űrturizmus gazdasági vetülete is nagyon fontos az űrhajózás szempontjából. Egyes szakértők az űrturisták személyes pénzeszközeinek felhasználására irányuló űrturizmust tekintik az űrprogramok jelentős finanszírozási forrásának. Véleményük szerint az űrturizmus eredményeként a világűrbe irányuló teherforgalom 100-szoros növekedése a jelenlegihez képest (ami reális) viszont 100-200-szorosára csökkenti egy rakomány egységnyi költségét az összes űrhajózás egésze számára anélkül, hogy további állami beruházásokat vonna maga után.
Szakértők szerint az emberiség éves turizmusra fordított kiadásait mintegy 200 milliárd fontban fejezik ki. Művészet. A következő évtizedekben ennek a számnak az 5%-át, azaz 10 milliárd fontot tehet ki az űrturizmus. Művészet. Úgy gondolják, hogy ha egy űrtúra költsége optimálisan kiegyensúlyozott, és egyúttal kellően magas repülésbiztonság is biztosított (legalábbis egy modern utasszállító repülőgép repülésbiztonsági szintjéhez mérhető), akkor körülbelül 100 millió ember fejezné ki űrutazási szándékát a következő évtizedekben. Más becslések szerint 2025-re az űrturisták áramlása eléri a 100 ezer főt évente, és a következő 50 évben az űrben tartózkodók száma eléri a 120 millió főt.
Mennyibe kerülhet manapság egy űrtúra? Becsüljük meg a túracsomag felső határát. A Szovjetunióban egy űrhajós képzése körülbelül 1 millió rubel, egy soros hordozórakéta 2–3 millió rubel, egy kétüléses űrhajó 7–8 millió rubelbe kerül. Így egy "két személyre szóló repülés" körülbelül 11-13 millió rubel lesz, nem számítva az úgynevezett földi támogatást. Ezt a számot jelentősen csökkenteni lehetne, ha az űrrepülőgépet pusztán turisztikai változatban készítenék: nem tömik meg bonyolult tudományos felszereléssel, ezáltal növelik az utasok számát, nem a kozmonauta program szerint készítik fel őket a repülésre, hanem egy egyszerűbbre stb. Érdekes lenne pontosabban meghatározni egy túrarepülés költségét, de ezt meg kell tenni. közgazdászok a rakéta- és űrtechnológia területén.
Vannak más módok is a turista repülés költségeinek csökkentésére az űrbe. Ezek egyike egy speciális újrafelhasználható turistahajó létrehozása. Optimisták úgy vélik, hogy a költségek az űrrepülés szállítóhajók A második és harmadik generációs utasszállító repülőgépek repülési költségeivel arányosak lesznek, ami előre meghatározza a tömeges űrturizmust. Ennek ellenére a szakértők szerint az első turisták számára a túra költsége körülbelül 1 millió dollár lesz. Az elkövetkező évtizedekben gyorsan csökken, és eléri a 100 000 dollárt. Az optimálisan telített űrturisztikai infrastruktúra elérésekor, amely magában foglalja az űrhajók flottáját, a Föld körüli pályán és a Holdon lévő szállodákat, a turisztikai felszerelések tömeggyártását, a biztonsági képzéseket stb. 20 dollár/kg. Jelenleg ez a szám 7-8 ezer.
Még mindig sok nehézség és megoldatlan probléma van az űrturizmus útján. Az űrturizmus azonban a 21. mérföldkő valósága. Időközben a világ tíz országából már 260-an járultak hozzá pénzzel az egyik amerikai szervezethez, amely ilyen irányú munkát kezdett egy űrturista repülés kidolgozására és megvalósítására. Néhány amerikai utazási iroda megkezdte a jegyek árusítását az első Föld-Hold turistajáratra. Indulási dátum nyitva. A jegyre kerül, ahogy mondani szokták, 20-30 év múlva.
Mégsem az amerikaiak az elsők itt. 1927-ben Moszkvában, a Tverszkaja utcában rendezték meg a világ első nemzetközi űrhajókiállítását. Listákat állított össze azokról, akik a Holdra vagy a Marsra szeretnének repülni. Sokan voltak, akik akartak. Talán egyikük még nem veszítette el a reményt, hogy elmenjen az első turistaútra az űrbe.
AZ ŰR KRÓNIKÁJA*
* Folytatás (lásd 1989. 3. sz.). Különböző információs ügynökségek és folyóiratok anyagai alapján néhány mesterséges földi műhold (AES) fellövéséről közölnek adatokat, 1989. november 15-től kezdődően. Az AES "Cosmos" felbocsátásait nem regisztrálják. Rendszeresen beszámol róluk például a „Priroda” folyóirat, vékony és érdeklődő olvasókat küld. Külön függeléket szentelnek az emberes űrrepüléseknek.
1988. NOVEMBER 15-ÉN a Szovjetunióban először hajtották végre az Energia univerzális rakéta és űrszállító rendszer próbaindítását a Buran újrafelhasználható űrhajóval. A kétpályás, pilóta nélküli repülést követően a Buran orbitális űrszonda automatikus üzemmódban sikeresen landolt a Bajkonuri űrűr kifutóján. A Buran hajó egy farok nélküli repülőgép sémája szerint épült, változó szárnyú delta szárnyú. Képes irányított süllyedést végrehajtani a légkörben oldalirányú manőverrel 2000 km-ig. A hajó hossza 36,4 m, szárnyfesztávolsága kb. 24 m, a hajó magassága az alvázon állva több mint 16 m. Az indító tömeg több mint 100 tonna, ebből 14 tonna üzemanyag. Raktere akár 30 tonnás hasznos teher befogadására is alkalmas.Az orrtérbe 70 m 3 -nél nagyobb térfogatú, nyomás alatti kabint építenek be a személyzet és a berendezések számára. A fő propulziós rendszer a hajó farokrészében, a manőverezést szolgáló két motorcsoport a farszakasz végén és a hajótest előtt található. A közel 40 000 egyedi profillapból álló hővédő bevonat speciális anyagokból - magas hőmérsékletű kvarc és szerves szálakból, valamint szén alapú anyagból készül. A Buran újrafelhasználható űrszonda első repülése minőségileg új szakaszt nyit a szovjet űrkutatási programban.
1988. DECEMBER 10-én a Proton hordozórakéta pályára állította a következő (19.) szovjet televíziós sugárzó műholdat, az Ekrant. Geostacionárius pályára bocsátották a keleti 99°-nál. (Nemzetközi regisztrációs index "Stationary T"), ezek a műholdak arra szolgálnak, hogy a deciméteres hullámhossz-tartományban televíziós műsorokat továbbítsanak az Urál és Szibéria régióiba az előfizetői vevőkészülékekhez kollektív használatra.
1988. DECEMBER 11-én a francia-guyanai Kourou kozmodrómból a nyugat-európai Ariane-4 hordozórakéta segítségével két kommunikációs műholdat állítottak geostacionárius pályára - az angol Skynet-4B-t és a SES luxemburgi konzorciumhoz tartozó Astra-1-et. Az Astra-1 műhold televíziós műsorok újrasugárzására szolgál a nyugat-európai országok helyi elosztóközpontjaiban. A műhold 16 közepes teljesítményű transzponderrel rendelkezik, amelyek többségét a British Telecom bérli. Az "Astra-1" műhold becsült álláspontja 19,2 ° ny. e) A brit műholdat eredetileg az amerikai űrrepülőgép segítségével kellett volna felbocsátani. Az 1986. januári Challenger baleset azonban megsértette ezeket a terveket, és úgy döntöttek, hogy az Arian hordozórakétát használják a kilövéshez. Két műhold felbocsátását az Arian-4 hordozórakéta hajtotta végre, két szilárd hajtóanyaggal és két folyékony boosterrel. Az Arianspace konzorcium bejelentette a potenciális fogyasztóknak, hogy ez a rakétamodell 3,7 tonna hasznos teher szállítására képes egy 36 000 km-es csúcsmagasságú transzfer pályára, ebben a változatban az Ariane-4-et másodszor használják. A hordozórakéta első indítása ebben a konfigurációban egy teszt volt. Majd 1988-ban segítségével három műholdat állítottak pályára: a nyugat-európai meteorológiai Meteosat-3-at és az Amsat-3-as amatőrrádiót, valamint az amerikai kommunikációs Panamsat-1-et.
1988. DECEMBER 22-én, a Szovjetunióban a Molnija hordozórakétát 39 042 km-es apogeusmagasságú, erősen elliptikus pályára bocsátották az északi féltekén, a következő (32.) Molnija-3 műholdat pedig a nagy hatótávolságú televízió-műsorok működésének biztosítása érdekében, a telefon és az Orbitta rádió-távíró rendszerének átvitele érdekében.
1988. DECEMBER 23-án a Long March-3 hordozórakéta segítségével felbocsátották a Kínai Népköztársaság 24. műholdját a Kínai Népköztársaságbeli Xichang Cosmodrome-ról. Ez a negyedik kínai kommunikációs műhold, amelyet geostacionárius pályára bocsátottak. A műhold üzembe helyezésével az összes országos televíziós műsor műholdrendszeren keresztül történő továbbsugárzásra kerül. Li Peng, a Kínai Népköztársaság Államtanácsának miniszterelnöke jelen volt a mesterséges műhold fellövésén.
1988. DECEMBER 25-én a Szovjetunióban a Szojuz hordozórakéta pályára állította a Progressz-39 automata teherűrhajót, amelyet a Mir szovjet orbitális állomás ellátására terveztek. A hajó december 27-én kötött ki az állomáson, 1989. február 7-én kötött ki róla, és még aznap belépett a légkörbe és megszűnt létezni.
1988. DECEMBER 28-án a Szovjetunióban a Molnija hordozórakétát a következő (75.) Molija-1 kommunikációs műhold északi féltekén 38 870 km-es apogeusmagasságú, erősen elliptikus pályára bocsátották. Ez a műhold a Szovjetunióban a telefon- és távíró-rádiókommunikációra, valamint az Orbita rendszeren keresztüli televíziós műsorok továbbítására használt műholdas rendszer részeként működik.
1989. JANUÁR 26-ÁN a következő (17.) „Horizont” kommunikációs műholdat a Szovjetunióban a „Proton” hordozórakéta bocsátotta fel. Geostacionárius pályára bocsátották a keleti hosszúság 53°-án. megkapta a „Stationary-5” nemzetközi regisztrációs indexet. A Gorizont műhold televíziós műsorok továbbítására szolgál az Orbita, a Moszkva és az Intersputnik földi állomások hálózatába, valamint további átjátszók segítségével kommunikál hajókkal és repülőgépekkel.
1989. JANUÁR 27-ÉN az Ariane-2 hordozórakétát az Intelsat-5A műhold (F-15 modell) állította transzfer pályára a nemzetközi ITSO konzorcium globális kereskedelmi műholdas kommunikációs rendszerében való felhasználás céljából. Átkerült a geostacionárius pályára a keleti 60°-nál. A műhold az ott található, 1985 szeptemberében felbocsátott Intelsat-5A műholdat (F-12 modell) váltja fel.
1989. FEBRUÁR 10-én a Szovjetunióban a Szojuz hordozórakéta elindította a Progressz-40 automata teherűrhajót, amelyet a Mir szovjet orbitális állomás ellátására terveztek. A hajó február 12-én kötött ki az állomáson, majd március 3-án kötött ki onnan. A kioldás után kísérletet végeztek a Progress-40 űrszonda külső felületén összehajtott két nagyméretű többlengőkaros szerkezet nyílt térben történő elhelyezésével. A fedélzeti automatizálás parancsára ezeket a szerkezeteket egyenként kinyitották. Kihelyezésüket alakmemória effektusú anyagból származó elemek felhasználásával valósították meg. Március 5-én bekapcsolták a meghajtórendszert a hajón. A lassítás hatására a hajó a légkörbe került és megszűnt létezni.
1989. FEBRUÁR 15. Szovjetunió A "Molniya" hordozórakétát a következő (76.) "Molniya-1" kommunikációs műhold északi féltekén 38 937 km magasságú, erősen elliptikus pályára bocsátották. Ez a műhold a Szovjetunióban a telefon- és távíró-rádiókommunikációra, valamint az Orbita rendszeren keresztüli televíziós műsorok továbbítására használt műholdrendszer része.
MÁRCIUS 16-án a Szovjetunióban a Szojuz hordozórakéta elindította a Progressz-41 automata teherűrhajót, amelyet a Mir szovjet orbitális állomás ellátására terveztek. A hajó március 18-án kötött ki az állomáson.
Az emberes repülések krónikája 1
1 Folytatás (lásd 1989. 3. sz.).
2 A zárójelben lévő számok az űrrepülések számát jelzik, beleértve az utolsót is.
3 Expedíció a Mir állomásra.
4 A. Volkov és S. Krikalev űrhajós maradt a Mir állomás legénységében. 1988. december 21-én J.-L. Chretien, V. Titov és M. Manarov a Mir állomásról tértek vissza a Földre, az űrhajózás történetének leghosszabb, 1 éves repülését teljesítve.
CSILLAGSÁGI HÍREK
SZÁLAK CSODAORSZÁGBAN
Rövid jegyzeteinkben már említettük a Nagy Egyesülés egyes modelljeinek egyik kozmológiai következményét - a kozmológiai filamentumok létezésének előrejelzését. Ezek egydimenziós kiterjesztett szerkezetek nagy lineáris tömegsűrűséggel (~Ф 0 2, ahol Ф 0 nem nulla vákuumátlag) és ~1/Ф 0 vastagsággal.
A Grand Unifikáció számos reális modellje közül (mivel vannak nem reálisak is) azok a sémák a legsikeresebbek, amelyek olyan tükörrészecskéket tartalmaznak, amelyek tulajdonságaik szigorúan szimmetrikusak a megfelelő közönséges részecskékkel. A tükörikrek nemcsak anyagrészecskéket (elektronokat, kvarkokat), hanem kölcsönhatás-hordozó részecskéket (fotonokat, W-bozonok, gluonok stb.). Az ilyen sémákban a teljes szimmetria megsértése a közönséges részecskékről a tükörre való átmenethez vezet. Az ezekben a modellekben megjelenő szálakat Alice-szálnak nevezik. A "hétköznapi" kozmológiai szálaktól a következő további tulajdonságuk különbözteti meg őket: a szál megkerülése megváltoztatja a tárgy spekularitását.
Ebből a „tükörszerű” tulajdonságból következik, hogy maga a spekularitás definíciója is viszonylagossá válik: ha egy makroszkopikus tárgyat közönségesnek tekintünk, amikor a bal oldali szálat megkerüljük, akkor az tükröződik, ha a szál a jobb oldalon körbejár (vagy fordítva). Ezenkívül az általunk normálisnak érzékelt elektromágneses sugárzás Alice fonalától balra, attól jobbra tükröződik. Hagyományos elektromágneses vevőink nem fogják tudni regisztrálni.
De mindez elméletben van. Vannak-e lehetséges megfigyelési megnyilvánulások az alice filamentumoknak? Mindazok a tulajdonságok, amelyekkel a közönséges kozmológiai szálak rendelkeznek, Alice szálai is rendelkeznek. De az elsővel ellentétben Alice szálainak meg kell változtatniuk a részecskék és a fénysugarak relatív spekularitását fejlődésük során. A tükörrészecskék megléte oda vezet, hogy a csillagok és valószínűleg a gömbhalmazok egyforma tükörképességűek, míg a galaxisok és a nagyobb inhomogenitások (halmazok, szuperhalmazok) azonos számú tükör és közönséges részecskékből állnak. Ugyanakkor átlagos jellemzőik (spektrum, fényesség, tömeg- és sebességeloszlás stb.) megegyeznek. Ezért ha nem tudjuk „felbontani” a galaxist egyes csillagokra, akkor észre sem vesszük az Alice-szál áthaladását köztük és a galaxis között, mert mind a tükör, mind a hétköznapi fényesség és a galaxis spektruma teljesen szimmetrikus.
Alice filamentumának megnyilvánulását (és egyébként bármilyen természetű kozmológiai filamentumot) az általa keltett lökéshullámban lévő gázfény hatására próbálhatjuk meg kimutatni. Ez utóbbi akkor jön létre, amikor az anyagot megzavarja a fonal kúpos gravitációs tere. Igaz, nehéz elkülöníteni a gáz fényességét az izzószál mögötti lökéshullámban az ilyen gázok általános fényességének hátterétől. Ugyanez vonatkozik az ereklye sugárzás hőmérsékletének az izzószál irányába történő zavarására is. Ezért a teoretikusok szerint a legígéretesebb az Alice-szál miatti gravitációs lencse hatásának keresése.
AZ ÁLLANDÓ ÁLLANDÓ?
Ez a newtoni gravitációs állandó G. Számos elmélet létezik, amely előrevetíti a változtatás szükségességét. Azonban nem csak ez, hanem más alapvető állandók is – például a szuperhúrelmélet egyes modelljeiben ezeknek az állandóknak változniuk kell az Univerzum korával (az Univerzum tágulásával). G például csökkennie kell).
Az eddig elvégzett kísérletek egyike sem szolgáltatott bizonyítékot az állandóságra. G. Egy ilyen változásnak csak a felső határát állapították meg - körülbelül 10-11 rész évente. Nemrég amerikai tudósok megerősítették ezt a becslést egy kettős rádiópulzár megfigyelésével.
Az 1974-ben felfedezett PSR 1913+16 bináris pulzár a következőkből áll: neutroncsillag, amely egy másik kompakt objektum körül forog. Megesik, hogy keringési periódusának változási sebessége elképesztően nagy pontossággal ismert.
Az általános relativitáselmélet előrejelzése szerint egy ilyen bináris rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki. Ebben az esetben a bináris pulzár keringési periódusa megváltozik. Változásának mértéke az állandóság feltételezésével jósolható meg G, jól egyezik a megfigyelttel.
Az amerikai tudósok megfigyelései lehetővé teszik a változékonyság határának becslését G kis különbség a megfigyelések és az előrejelzések között általános elmélet relativitás. Ez a becslés, mint már említettük, évi 10-11 alkatrész nagyságrendű értéket ad. Tehát nagy valószínűséggel G soha nem változik.
"LIGHT ECHO" SUPERNOVA-87
Ausztrál és amerikai csillagászok az LMC-ből származó szupernóva infravörös sugárzásának meglehetősen nagy növekedését észlelték. Önmagában az ilyen sugárzás ténye semmi különös. Kitörése érthetetlen és váratlan.
Számos hipotézist javasoltak. Egyikük szerint egy felrobbant csillag által kidobott gázban "beletelepedve" "világít" egy pulzár (bár a pulzár sugárzása rövidebb hullámhosszúságú legyen). A második hipotézis szerint a robbanásból származó gázok szilárd makrorészecskékké kondenzálódnak, amelyek hevítéskor infravörös sugárzást bocsátanak ki.
A harmadik hipotézis is „poros”. Több ezer és ezer évvel a robbanás előtt az eredeti csillag elvesztette a körülötte összegyűlt gázt. A porhéj csaknem egy fényéven át húzódott a szupernóva körül, annyi idő alatt, ameddig a felrobbanó csillag fénye elérte a porfelhőt. A felhevült por az infravörösben újra kisugárzik, és még egy évbe telik, mire a sugárzás eljut a földi megfigyelőkhöz. Ez magyarázza a szupernóva-robbanás regisztrálásától az infravörös kitörés észleléséig eltelt időt.
HIÁNYZÓ MISE
Ha modern elmélet A csillagok evolúciója igaz (és ebben úgy tűnik, nincs okunk kétségbe vonni), akkor a kis tömegű (a Nap tömegénél kisebb tömegű) csillagoknak nincs "kedve" ahhoz, hogy egy bolygóköd - világító gázfelhő - formájában fejezzék be életüket, amelynek középpontjában az eredeti csillag maradványa található.
Ezt a tilalmat azonban meglehetősen sokáig titokzatosan megszegték - sok esetben a bolygóköd tömege kisebbnek bizonyult, mint a Nap tömege. Angol és holland csillagászok három fényes bolygóködöt (vagy inkább azok gyengén világító héját) tanulmányozták. Az általuk kapott spektrumok segítségével kiszámították mind a héj, mind a köd tömegét. Világossá vált a tömeghiány problémája – sokkal több anyag van a héjban, mint magában a ködben. Kezdetben a csillagoknak - a bolygóködök "szervezőinek" - nehezebbnek kell lenniük. A hiányzó tömeg a héjban van.
Ekkor azonban új rejtély merült fel. A ködre és a héjra számított gázhőmérséklet különbözik - a héj kétszer melegebbnek bizonyult, mint a köd. Úgy tűnik, ennek fordítva kellene lennie, mert a központi csillag köteles felmelegíteni a burokgázt. Az egyik feltevés, amely ezt a paradoxont magyarázza, az, hogy a héj fűtéséhez szükséges energiát a központi csillagból fújó gyors "szél" szolgáltatja.
FIGYELMEZTETÉS – VILLOGÁS
Az amerikai SMM műhold, amelyet a Nap tanulmányozására terveztek, megjósolta a Nap korai "halálát" - depályát. A műhold adatai azt sugallják, hogy a National Oceanic and Atmospheric Administration szerint a következő négy évet megnövekedett környezetben fogjuk tölteni. naptevékenység. Az ebből fakadó összes következménnyel - mágneses viharok, amelyek akadályozzák a rádiókommunikációt és a navigációt, zavarják a radarok működését, nagyon határozott veszélyt jelentenek: az űrrepülőgépek személyzetére, károsítják a műholdak kényes elektronikus részeit stb.
A napkitörések erős ultraibolya sugárzást bocsátanak ki, amely felmelegíti a felső légkört. Ennek eredményeként megnő a felső (feltételes) határának magassága. Röviden: a légkör "zavart", ami elsősorban az alacsony pályán lévő műholdakon tükröződik. Élettartamuk rövidül. Egy időben ez történt az amerikai Skylab állomással, amely a tervezett időpont előtt kiszállt. Ugyanez a sors vár az SMM műholdra, mint már említettük.
A naptevékenység ciklusai régóta ismertek, de a jelenségeket okozó folyamatok természete még mindig nem teljesen ismert.
ÚJ TELESZKÓPOK
A Mauna Kea-hegy (4170 m, Hawaii, USA) hamarosan csillagászati Mekkává válik. A hegyen található obszervatóriumban már meglévő távcsövek mellett új, erősebb optikai teleszkópokat terveznek (és már építenek is).
A Kaliforniai Egyetem 10 méteres teleszkópot épít, amely 1992-ben készül el és kerül felállításra. Ez 36 hatszögletű konjugált tükörből áll majd, amelyek három koncentrikus gyűrűben vannak elhelyezve. A szegmenstükrök minden végére telepített elektronikus érzékelők az aktuális helyzetükről és egymáshoz viszonyított tájolásukról adatokat továbbítanak a számítógépnek, amely parancsokat ad ki az aktív tükörmeghajtóknak. Ennek eredményeként a kompozit felület folytonossága és alakja mechanikai elmozdulások és szélterhelés hatására biztosított.
Ugyanerre a Mauna Keára 1995-ben egy japán tudósok által kifejlesztett 7,5 méteres teleszkópot terveznek telepíteni. Több mint száz méterre lesz az amerikaitól. Ez a "spárga" lesz a legerősebb optikai-interferometrikus rendszer, amely lehetővé teszi, hogy hatalmas távolságokat nézzen, kvazárokat tanulmányozzon, új csillagokat és galaxisokat fedezzen fel.
Négy különálló távcsövet (egyenként 8 m átmérőjű), amelyeket üvegszálas szálak egyetlen fókuszsíkba vonnak össze, a Déli Obszervatóriumban (Chile) 8 nyugat-európai ország – ennek az obszervatóriumnak a társtulajdonosa – állítólag épít. Az első tükör (azaz az első teleszkóp) megépítését 1994-re, a fennmaradó háromat 2000-re tervezik.
MI HONNAN JÖN
Mint tudják, a marsi légkör szén-dioxid-koncentrációja meglehetősen magas. Ez a gáz az űrbe kerül, ezért állandó koncentrációját valamilyen forrásnak kell fenntartania.
A szakemberek szerint ilyen forrás a Földön ritka ásványi szkapolit (bolygónkon a szén mellett szilíciumot, oxigént, nátriumot, kalciumot, klórt, ként, hidrogént is tartalmazó féldrágakő), amely kristályszerkezete (karbonát) részeként nagy mennyiségű szén-dioxidot képes tárolni. Sok szkapolita van a Marson.
Tehát egy ökoszisztémában egy sok szervezetből álló életközösség kölcsönhatását látjuk a közösségre ható jellegzetes környezeti tényezőkkel. Az ökoszisztémákat általában a legfontosabb környezeti tényezők szerint osztályozzák. Tehát beszélnek tengeri, szárazföldi vagy szárazföldi, tengerparti vagy part menti, tavi vagy limnikus ökoszisztémákról és így tovább. Hogyan épül fel az ökoszisztéma?
Általában négy fő elemből áll:
1. Élettelen (abiotikus) környezet. Ezek víz, ásványok, gázok, valamint nem élő anyagok szerves anyagés humusz.
2. Termelők (termelők). Ide tartoznak azok az élőlények, amelyek szervetlen környezeti anyagokból képesek szerves anyagokat felépíteni. Ezt a munkát elsősorban zöld növények végzik, amelyek szén-dioxidból, vízből és ásványi anyagokból állítanak elő szerves vegyületeket napenergia segítségével. Ezt a folyamatot fotoszintézisnek nevezik. Ezzel oxigén (O 2) szabadul fel. A növények által termelt szerves anyagokat az állatok és az emberek élelmiszerként használják fel, az oxigént a légzéshez.
3. Fogyasztók (fogyasztók). Növényi termékeket használnak. A kizárólag növényekkel táplálkozó élőlényeket elsőrendű fogyasztóknak nevezzük. Azokat az állatokat, amelyek csak (vagy főleg) húst esznek, másodrendű fogyasztóknak nevezzük.
4. Redukálók (destruktorok, lebontók). Ez az élőlénycsoport az elhalt lények maradványait, például növényi maradványokat vagy állati tetemeket bontja le, visszaforgatva nyersanyaggá - vízzé, ásványi anyaggá, CO 2 -é, ami a termelők számára megfelelő, újra alkotórészekké alakítva szerves anyagokká.
A lebontók sok féreg, rovarlárva és más apró talajszervezet. Az élő anyagot ásványi anyagokká alakító baktériumokat, gombákat és más mikroorganizmusokat mineralizálóknak nevezzük.
Az ökoszisztéma mesterséges is lehet. A mesterséges ökoszisztéma példája, amely rendkívül leegyszerűsítve és a természetesekhez képest hiányos, az űrhajó. Pilótájának hosszú ideig a hajó zárt terében kell élnie, beérve korlátozott élelmiszer-, oxigén- és energiakészlettel. Ugyanakkor kívánatos lehetőség szerint az elhasznált anyag- és hulladékkészletek helyreállítása és újrahasznosítása. Ehhez speciális regenerációs egységeket biztosítanak az űrrepülőgépben, illetve az utóbbi időben kísérleteket végeztek élő szervezetekkel (növényekkel és állatokkal), amelyeknek a napfény energiáját felhasználva kellene részt venniük az űrhajós salakanyagainak feldolgozásában.
Hasonlítsuk össze egy űrhajó mesterséges ökoszisztémáját bármely természetes ökoszisztémával, például egy tó ökoszisztémájával. A megfigyelések azt mutatják, hogy az élőlények száma ebben a biotópban – némi szezonális ingadozással – alapvetően állandó marad. Az ilyen ökoszisztémát stabilnak nevezzük. Az egyensúly a külső tényezők változásáig fennmarad. A főbbek a víz be- és kiáramlása, a különféle tápanyagok ellátása, valamint a napsugárzás.
A tó ökoszisztémájában különféle organizmusok élnek. Tehát egy mesterséges tározó létrehozása után fokozatosan benépesítik baktériumok, planktonok, majd halak, magasabb rendű növények. Amikor a fejlődés elér egy bizonyos csúcsot, és a külső hatások hosszú ideig változatlanok maradnak (egyrészt a víz, anyagok, sugárzás beáramlása, másrészt a kiáramlás vagy párolgás, az anyagok eltávolítása és az energia kiáramlása), a tó ökoszisztémája stabilizálódik. Az élőlények között egyensúly jön létre.
Az egyszerűsített űrhajós mesterséges ökoszisztémához hasonlóan a tó ökoszisztéma is képes önfenntartásra. A korlátlan növekedést gátolja egyrészt a termelő növények, másrészt a fogyasztó és lebontó állatok és növények közötti kölcsönhatások.
A fogyasztók csak addig tudnak szaporodni, amíg nem használják ki túlzottan a rendelkezésre álló tápanyagkészletet. Ha túlzottan elszaporodnak, számuk növekedése magától leáll, mivel nem lesz elegendő táplálékuk. A termelőknek viszont állandó ásványianyag-utánpótlásra van szükségük. A reduktorok vagy roncsolók lebontják a szerves anyagokat, és ezáltal növelik az ásványi anyagok utánpótlását. Újra hasznosítják a hulladéktermékeket. És újra kezdődik a körforgás: a növények (termelők) felszívják ezeket az ásványi anyagokat, és a napenergia segítségével ismét energiagazdag tápanyagokat állítanak elő belőlük.
A természet működik benne a legmagasabb fokozat gazdaságosan. Az élőlények által létrehozott biomassza (testük anyaga) és a benne lévő energia átkerül az ökoszisztéma többi részébe: az állatok megeszik a növényeket, más állatok megeszik az előbbit, az ember eszik növényeket és állatokat egyaránt. Ezt a folyamatot táplálékláncnak nevezik. Példák táplálékláncra: növények - növényevő - ragadozó; gabona - mezei egér - róka; takarmánynövények - tehén - ember. Általában minden faj egynél több fajjal táplálkozik. Ezért a táplálékláncok összefonódnak, és táplálékhálót alkotnak. Minél szorosabban kapcsolódnak egymáshoz az élőlények a táplálékhálókon és más kölcsönhatásokon keresztül, annál ellenállóbb a közösség az esetleges zavarokkal szemben. A természetes, háborítatlan ökoszisztémák az egyensúlyra törekszenek. Az egyensúlyi állapot biotikus és abiotikus környezeti tényezők kölcsönhatásán alapul.
A természetes ökoszisztémákban a zárt ciklusok fenntartása két tényezőnek köszönhető: a lebontók (bontók) jelenléte, amelyek minden hulladékot és maradékot felhasználnak, valamint a folyamatos napenergia-ellátás. A városi és mesterséges ökoszisztémákban kevés vagy egyáltalán nincs lebontó, a hulladékok - folyékony, szilárd és gáznemű - felhalmozódnak, szennyezik a környezetet. Az ilyen hulladékok leggyorsabb lebontása és újrahasznosítása elősegíthető a lebontó szerek fejlődésének ösztönzésével, például komposztálással. Tehát az ember a természettől tanul.
Az energiabevitel tekintetében a természetes és az antropogén (ember által létrehozott) ökoszisztémák hasonlóak. Mind a természetes, mind a mesterséges ökoszisztémák – otthonok, városok, közlekedési rendszerek – kívülről származó energiát igényelnek. A természetes ökoszisztémák azonban szinte örökkévaló forrásból kapják az energiát - a Naptól, amely ráadásul energiát "termel", nem szennyezi a környezetet. Az ember éppen ellenkezőleg, a termelési és fogyasztási folyamatokat főként a végső energiaforrások – a szén és az olaj – rovására táplálja, amelyek az energiával együtt port, gázokat, hőt és egyéb, a környezetet károsító, a mesterséges ökoszisztémán belül nem feldolgozható hulladékot szolgáltatnak. Ne felejtsük el, hogy olyan "tiszta" energia fogyasztása során, mint az elektromos áram (ha azt hőerőműben állítják elő), akkor légszennyezés és a környezet hőszennyezése következik be.
