Quand, enfin, nos traces resteront-elles sur les chemins poussiéreux des planètes lointaines? L'humanité prépare constamment une réponse à cette question, menant des recherches à grande échelle et créant des technologies pour le développement d'autres mondes.
Les mots de Konstantin Tsiolkovsky, dit il y a plus d'un siècle, "L'humanité ne restera pas éternellement sur Terre …" commencent en fait à se réaliser. Alors qu'une personne n'a pu s'éloigner de sa planète d'origine que pour atteindre la distance de l'orbite lunaire, mais même sur des orbites inférieures, les technologies modernes ne peuvent pas fournir un vol habité entièrement autonome d'une durée de plus de 3-4 mois: après cette période, l'équipage du vaisseau spatial aura certainement besoin de consommables livrés. de la terre.
Il n'est toujours pas possible d'organiser une nutrition adéquate, un approvisionnement en eau, un approvisionnement constant en oxygène et une élimination efficace des déchets indépendamment de la biosphère terrestre.
A ce stade, la réponse à la question "Comment survivre dans l'espace lointain?" sonne comme ceci: «emportez avec vous» une certaine partie minimale nécessaire de cette biosphère, la «forçant» à fonctionner dans des conditions de faible gravité, de petits espaces confinés et un excès de rayonnement de haute énergie.
Malheureusement, toutes les tentatives de mise en œuvre d'un tel cycle fermé, même dans des conditions «au sol» plus douces, ne peuvent pas être qualifiées de réussies. Le plus célèbre d'entre eux est sans aucun doute le projet américain "Biosphere-2", réalisé par Space Biosphere Ventures (financé principalement par le milliardaire Edward Bass).
Le sort de la "biosphère"
À l'été 1991, dans une zone désertique près de la ville d'Oracle (Arizona), la construction d'une structure à grande échelle a été achevée, qui comprenait une énorme structure de verre-métal qui couvrait une superficie de 1,27 hectare.
Vidéo promotionelle:
Avec les bâtiments auxiliaires, il s'agissait d'un système hermétique d'un volume de 203 760 m3. Une gamme de biomes a été modélisée dans ce volume: forêt tropicale, savane, buisson raide méditerranéen, désert, marais d'eau douce et salée (mangrove), et même un mini-océan avec un récif de corail vivant.
MARS-500
En préparation d'un vol habité vers Mars, des spécialistes russes ont lancé une expérience à grande échelle "Mars-500". L'objectif principal du projet est d'étudier les caractéristiques de la coexistence de six personnes dans une pièce isolée pendant longtemps dans des conditions de communication limitée avec la Terre. Le complexe Mars-500 n'était pas un système biologiquement fermé, la tâche d'étudier la possibilité d'autosuffisance de l'équipage ne s'est pas posée depuis longtemps. L'expérience a duré 519 jours - du 3 juin 2010 au 4 novembre 2011.
Certes, leur «représentation» relative était très différente de la vraie - en particulier, l'océan représentait moins d'un tiers de la «biosphère», tandis que sur Terre, les espaces aquatiques occupent 71% de la surface. Toute cette biodiversité a été «peuplée» de près de quatre mille espèces d'animaux, de plantes et de micro-organismes.
Leur composition en espèces a été choisie de manière à simuler au mieux le cycle biosphérique des substances, y compris la production et la décomposition de la matière organique (y compris la décomposition naturelle des déchets humains). Les compresseurs géants ajustaient la pression interne pour correspondre à la pression externe, minimisant les fuites d'air.
Le 26 septembre 1991, huit personnes - quatre hommes et quatre femmes - sont devenues une partie de la biosphère artificielle. Ils devaient passer exactement deux ans à l'écart du monde extérieur (ayant cependant la possibilité de communiquer avec lui au téléphone). Ils ont dû utiliser d'autres habitants de "Biosphère-2" comme produits alimentaires - poissons, crevettes, chèvres, poulets et porcs, ainsi que des légumes et des fruits cultivés dans des zones spécialement désignées.
On a supposé que le complexe fonctionnerait de manière autonome, car il avait toutes les conditions pour la circulation normale des substances. La lumière du soleil, selon les scientifiques, aurait dû suffire à la reproduction de l'oxygène par les plantes à la suite de la photosynthèse, vers et micro-organismes fournis traitement des déchets, insectes - pollinisation des plantes, etc. La circulation et la purification de l'eau ont été réalisées grâce au fonctionnement de stores qui régulent l'illumination solaire, ce qui a provoqué des courants de convection d'air chaud, qui ont contribué à l'évaporation de la surface de «l'océan».
L'humidité de condensation a chuté sous forme de pluie sur la "forêt tropicale". De là, il s'est infiltré dans les «marais» et est de nouveau entré dans «l'océan» à travers les filtres du sol. Au cours du processus de photosynthèse, le dioxyde de carbone libéré pendant la respiration était absorbé et, en théorie, la teneur en oxygène requise dans l'air aurait dû être maintenue. Cependant, tant les participants directs à l'expérience que ses dirigeants «de l'extérieur» pourraient interférer dans une certaine mesure dans le fonctionnement des systèmes de survie.
Tous les déchets étaient décomposés par des méthodes biologiques, fournissant de la nutrition aux plantes, dont certaines servaient à leur tour de nourriture aux humains, aux poissons et aux animaux domestiques. L'utilisation de produits chimiques toxiques (insecticides et pesticides) a été complètement exclue. La lutte antiparasitaire a été réalisée par des méthodes «naturelles» - ils ont été collectés et détruits à la main ou élevés leurs ennemis naturels.
L’utilisation de sources d’énergie polluant l’environnement, telles que les flammes nues, n’était pas non plus autorisée. Des panneaux solaires ont fourni de l'énergie pour la cuisson, l'éclairage et l'alimentation de l'équipement.
Il semblait que tout était pris en compte et qu'un monde idéal s'était construit … cependant, les problèmes ne se sont pas fait attendre. La Biosphère-2 s'est avérée être surpeuplée. Les gens n'avaient pas assez de nourriture riche en calories - ils ont dû planter des bananes et de la papaye dans la «jungle», compacter la plantation de céréales sans augmenter la superficie et introduire la distribution de nourriture.
Sur le "désert" sur la verrière le matin, l'eau s'est condensée et la pluie est tombée. Il était impossible de l'éliminer, alors le désert s'est progressivement «transformé» en steppe. Quelques mois plus tard, les cimes de nombreux arbres ont commencé à se briser sous leur propre poids: il s'est avéré que pour la formation normale du bois, un facteur aussi insignifiant que le vent était extrêmement nécessaire.
Potager ukrainien en orbite
Le premier cosmonaute de l'Ukraine indépendante Leonid Kadenyuk était engagé dans des recherches dans le domaine de la biologie spatiale lors de son vol sur la navette Columbia. Ils incluaient notamment des expériences de pollinisation artificielle de graines de soja et de colza afin d'obtenir des graines en apesanteur. Ces études avaient un but pratique: les équipages d'engins spatiaux interplanétaires volant vers des planètes lointaines auront certainement besoin de «jardins spatiaux» qui fourniront aux astronautes de la nourriture et de l'oxygène.
La reproduction rapidement incontrôlée des insectes et des micro-organismes, absorbant activement l'oxygène, a commencé très rapidement. Sa teneur dans l'air a chuté à 14% (à la norme de 21%) - cela correspond à la pression partielle à une altitude de 4080 m au-dessus du niveau de la mer. En conséquence, l'état de santé des habitants de "Biosphère-2" s'est dégradé et leur capacité de travail a sensiblement diminué. Une des femmes a coupé son doigt alors qu'elle travaillait sur du matériel agricole. Il n'a pas été possible de le coudre seul et la victime a dû être évacuée «vers le grand monde».
Plus tard, la "pureté de l'expérience" a été complètement violée: en raison du phénomène climatique excessivement activé "El Niño", le ciel au-dessus de l'Arizona était couvert de nuages beaucoup plus souvent que prévu, et il n'y avait pas assez de soleil pour reproduire l'oxygène pendant la photosynthèse.
Pour éviter de graves conséquences, Edward Base a décidé de commencer à pomper ce gaz sous le dôme depuis l'extérieur. Au total, plus de 20 tonnes ont dû être pompées. Pendant ce temps, les «expérimentaux», en plus de leurs occupations principales, ont massivement exterminé les cafards et les fourmis excessivement élevés (surtout ils ont simplement pressé - ils ne pouvaient pas trouver ces insectes parmi les habitants de la «Biosphère»).
Assez rapidement, l'équipe s'est scindée en deux groupes opposés, dont l'un a exigé l'arrêt immédiat de l'expérience, et le second a insisté sur la nécessité de «s'accrocher à la fin». La volonté de "tenir" étant partagée par la direction du projet, les deux groupes ont été contraints de coexister sous un même toit jusqu'au 26 septembre 1993, date à laquelle sept habitants émaciés et épuisés du "paradis terrestre" l'ont finalement quitté. Mais même 20 ans plus tard, les représentants de différents groupes évitent avec diligence les réunions et toute autre communication.
Les scientifiques ne voulaient pas abandonner le complexe unique, c'est pourquoi, déjà à la fin de 1993, sa restauration a commencé: en deux ans d'expérience, la conception de "Biosphère-2" et beaucoup de ses systèmes ont été sérieusement épuisés. Le 6 mars 1994, le dôme a accueilli sept nouveaux «résidents», dont une femme. Compte tenu de l'expérience de leurs prédécesseurs, cinq d'entre eux ont pu passer six mois en système fermé - jusqu'au 6 septembre (bien qu'une expérience de dix mois ait été initialement annoncée) - et ont réussi à organiser l'autosuffisance alimentaire, mais les problèmes de reproduction incontrôlée de microbes et d'insectes n'ont pas pu être résolus.
Le 5 avril 1994, Abigail Elling et Mark Van Thillo, deux participants à la première expérience, ont réussi à ouvrir un sas et trois portes de sortie de secours, brisant l'étanchéité du complexe pendant un quart d'heure. Ils ont également brisé cinq panneaux de toit en verre. Elling a expliqué son action par le fait qu'elle voulait donner aux gens à l'intérieur le choix entre la liberté et «l'emprisonnement».
Le 1er juin 1994, Space Biospheres Ventures a officiellement cessé d'exister, transférant toutes les activités (y compris la deuxième expérience) à une équipe de gestion temporaire embauchée par Decisions Investment Co.
Au milieu de 1996, après le transfert de la gestion de la "Biosphère" à l'Université de Columbia (New York), les scientifiques y ont lancé une nouvelle expérience, cette fois sans la participation des gens. Ils allaient savoir si le rendement augmente réellement avec une augmentation du pourcentage de dioxyde de carbone (et dans quelle limite), ce qui arrive à l'excès de dioxyde de carbone et où il s'accumule, et aussi si un processus inverse catastrophique est possible avec une augmentation incontrôlée de la teneur en CO2 dans l'atmosphère. Il n’a été possible d’obtenir des réponses claires à aucune de ces questions.
Pendant longtemps, le complexe scientifique a été utilisé pour la pratique des étudiants, et en 2005, il a été mis en vente. Un acheteur n'a été trouvé qu'à l'été 2007. C'était Ranching & Development, qui avait l'intention de construire un hôtel et un complexe éducatif à proximité, et Biosphere-2 elle-même allait devenir une attraction touristique accessible au public. Le 26 juillet 2007, le laboratoire unique a été transféré à la disposition de l'Université d'Arizona.
… Sur l'un des murs intérieurs de la "Biosphère", il y a encore plusieurs lignes écrites par l'un des participants de la première mission: "C'est seulement ici que nous avons senti à quel point nous dépendions de la nature environnante. S'il n'y a pas d'arbres, nous n'aurons rien à respirer; si l'eau est polluée, nous n'aurons rien à boire. " Cette sagesse durement acquise est peut-être le résultat le plus important d'une expérience ambitieuse.
Projet BIOS
La recherche sur la possibilité de créer des systèmes biophysiques stables de biosynthèse continue a commencé peu après les premiers vols spatiaux habités. L'un des travaux les plus intéressants et les plus réussis dans cette direction a été le projet BIOS, qui a été lancé par des employés de l'Institut de biophysique de Krasnoïarsk (URSS, aujourd'hui Fédération de Russie). Là, des systèmes de survie ont été développés pour le séjour humain dans l'espace, dans des conditions extrêmes de latitudes polaires, déserts, hautes terres, sous l'eau.
En 1964, dans le système BIOS-1, un système de survie humain-chlorelle à deux liaisons, fermé sur échange de gaz, a été mis en œuvre. Les algues absorbaient le dioxyde de carbone et produisaient de l'oxygène, mais elles ne pouvaient pas être utilisées pour la nourriture.
Dans le complexe BIOS-2, qui a commencé à être créé en 1965, en plus des algues, des plantes supérieures étaient impliquées - blé, légumes. En 1968, les premières expériences ont été menées dans le système à trois liaisons «homme - microalgues - plantes supérieures». Réutilisation de l'eau à 85%. Sur la base de ces expériences, BIOS-3 a été créé - un système de soutien de la vie humaine écologique fermé avec contrôle autonome.
Schéma d'échange de gaz et d'eau dans le complexe expérimental "Bios-3". Les trajets de gaz sont représentés par des lignes orange, eau - noir. Les flèches bleues indiquent le sens de la marche. Les lettres indiquent: B - cultivateurs d'algues chlorella, G - ventilateur à gaz, U - filtre à charbon, C - collecteurs d'eaux usées dans la cuisine et les toilettes, Q - collecteur de récupération des condensats d'humidité dans le phytotron, D - réservoir pour faire bouillir et stocker l'eau domestique, M - collecteur urine, F - unité de purification par sorption de l'eau potable.
La construction du complexe BIOS-3 a été achevée en 1972. Dans le sous-sol de l'Institut de biophysique de Krasnoyarsk Academgorodok, une salle scellée de 14x9x2,5 m et d'un volume d'environ 315 m3 a été construite. Il était divisé en 4 compartiments égaux, dont deux étaient occupés par des phytotrons pour la culture de plantes, un par des cultivateurs de microalgues, et le dernier était un bloc vivant avec des cabines d'équipage, des équipements ménagers et auxiliaires. Les compartiments étaient reliés par des portes scellées.
Sur la base du BIOS-Z, 10 expériences ont été menées avec des équipages de une à trois personnes. Le plus long d'entre eux a duré 180 jours (1972-1973). Il a été possible de réaliser une «fermeture» complète du système de gaz et d'eau, les besoins alimentaires de l'équipage étant satisfaits à 80% par les ressources internes. L'ingénieur Nikolai Bugreev a vécu dans le complexe le plus longtemps (13 mois au total).
Dans les serres sous éclairage artificiel, des variétés spéciales de blé, de soja, de laitue, de chufa (oléagineux d'Asie centrale), de carottes, de radis, de betteraves, de pommes de terre, de concombres, d'oseille, de chou, d'aneth et d'oignons ont été cultivées. Le blé nain, élevé par le professeur G. M. Lisovsky, a des tiges raccourcies, ce qui a permis de réduire la quantité de déchets. Les aliments en conserve contenant des produits animaux étaient également utilisés pour l'alimentation.
À la fin des années 80, les expériences de BIOS-Z ont été temporairement arrêtées.
En 1991, le Centre international pour les systèmes écologiques fermés a été créé sous la direction de l'académicien I. I. Gitelzon, qui est devenu une subdivision structurelle de l'Institut de biophysique de Krasnoïarsk, branche sibérienne de l'Académie des sciences de Russie. Le but de ses recherches est de créer des prototypes et des modèles fonctionnels d'écosystèmes fermés pour le maintien de la vie humaine à long terme dans des conditions terrestres et spatiales extrêmes sur la base de l'étude des processus de circulation de substances dans la biosphère terrestre.
Le développement d'un nouveau modèle de biosystème a commencé à Krasnoïarsk en 2005 avec le soutien de l'Agence spatiale européenne. Actuellement, dans le cadre de ce projet, des recherches sont menées dans le domaine du traitement des déchets et de la culture des plantes en écosystèmes fermés.
La NASA conçoit des biosystèmes
Les spécialistes de la NASA, bien sûr, ne pouvaient pas rester à l'écart du développement de biosystèmes fermés, qui pourraient plus tard être utilisés pour soutenir les équipages des stations spatiales et des navires interplanétaires. Leurs réalisations dans ce domaine sont beaucoup plus modestes, mais elles ont un succès commercial tangible.
Il s'agit d'un module biologique appelé Ecosphere, qui est un aquarium à billes en verre scellé d'un diamètre de 10 à 20 cm, rempli d'eau de mer avec une petite bulle d'air et "habité" avec plusieurs crevettes Halocaridina rubra, des morceaux de corail, des algues vertes et des bactéries qui décomposent les aliments fonctions vitales de la crevette. Au fond de l'aquarium, plutôt pour des raisons esthétiques, du sable et des coquillages sont versés.
Selon les assurances des fabricants, ce monde entier était censé être absolument autonome pour une durée illimitée - il n'avait besoin que de la lumière du soleil et de maintenir une température plus ou moins constante. Les crevettes se sont multipliées et sont mortes, sans dépasser la quantité que les ressources disponibles pouvaient «nourrir». L'écosphère est immédiatement devenue incroyablement populaire.
Certes, il est vite devenu clair que son «éternité» n'était que de 2-3 ans, après quoi l'équilibre biologique à l'intérieur de l'aquarium a été perturbé et ses habitants sont morts. Néanmoins, les aquariums hermétiques sont toujours populaires aujourd'hui - après tout, chaque civilisation a sa propre «durée de vie», et même deux ans selon les normes d'une crevette n'est pas vraiment si mal.
"Space fourmilière" sur votre table
Les fourmis sont des créatures incroyables. On les trouve dans presque toutes les zones naturelles (à l'exception des déserts arctiques). Leurs ancêtres, peu différents des représentants modernes de cette famille, vivaient sur Terre il y a plus de 100 millions d'années, comme en témoignent leurs restes trouvés dans de la boue fossilisée. Il est très probable que même alors ils possédaient les compétences d'une «communauté collective» et étaient subdivisés en «castes» - fourmis ouvrières, guerriers, chasseurs, etc.
Il existe à lui seul plus de 12 500 espèces de fourmis classées, dont le nombre total d'insectes sur Terre peut atteindre un quadrillion (un million de milliards, soit 1015). Avec une masse moyenne d'un spécimen d'environ 3 mg, leur biomasse totale est seulement d'un ordre de grandeur inférieure à la biomasse de l'humanité, alors qu'il y a environ des centaines de milliers de fourmis par personne. Il est évident qu'une si grande famille d'êtres vivants est l'un des éléments les plus importants de la biosphère. Ainsi, les myrmécologues (la myrmécologie est une branche de l'entomologie qui étudie les fourmis) sont activement impliqués dans la plupart des recherches consacrées à la création d'écosystèmes fermés.
La plus grande partie de la vie des fourmis se déroule dans des abris souterrains ou d'autres abris difficiles d'accès, où il est extrêmement difficile de les observer. Les scientifiques ont consacré beaucoup d'efforts à résoudre ce problème. La version la plus simple de «l'observatoire des fourmis» peut être considérée comme une fourmilière artificielle de deux panneaux de verre transparent (plastique) et de sable de remplissage entre eux. Les observations sont effectuées en lumière faible ou en rayons infrarouges.
Comme le sable est opaque, dans une telle fourmilière, vous ne pouvez voir que les tunnels directement adjacents à la paroi de verre. De plus, cette structure est très mal transportable - même avec une légère secousse, les passages alignés par les fourmis s'effondrent et s'effondrent. Par conséquent, pour les expérimenter sur des vaisseaux spatiaux de la navette spatiale, les employés de la NASA ont dû concevoir un habitat dans lequel les fourmis pourraient vivre et construire des tunnels capables de résister aux effets de changements soudains de gravité.
Concept pour le projet Mars One
Pour cela, une charge spéciale en forme de gelée a été développée, adaptée aux fourmis pour y vivre et construire des tunnels. Il leur sert également de source de nourriture. Cette technologie a été utilisée pour construire la "fourmilière de bureau" Antquarium, qui offre à tous les amoureux de la faune une rare occasion d'observer la vie fascinante de ces insectes.
L'Antquarium n'est pas un écosystème fermé, mais l'approvisionnement en eau et en nutriments (autres que l'air) y est limité. La probabilité que des bactéries pathogènes et des parasites de fourmis y pénètrent y pénètre également. Par conséquent, une "fourmilière transparente" peut supporter la vie de ses habitants pendant assez longtemps - à condition que les conditions de lumière et de température spécifiées dans les instructions soient respectées.
Journal "Univers, Space, Time", mars 2014
