Привет, Хабр! Сегодня поговорим о колонизации Марса, точнее, о подготовке к развитию самодостаточной колонии на Красной планете. Один из основных вопросов, которые нужно для этого решить, — создание экосистемы, причём замкнутой, которая позволяла бы более-менее комфортно существовать всем — как самим колонистам, так и «кирпичикам» этой экосистемы.
Чисто в теории здесь нет ничего невозможного. Впервые человек создал замкнутую экосистему, хотя и очень маленькую, в 1829 году. Это был врач из Лондона, который закинул несколько семян травы и спор папоротника в бутылку, предварительно засыпав в неё увлажнённую почву. Бутылку врач запечатал, но с жизнью всё было хорошо — растения взошли и продолжительное время нормально существовали, используя в качестве источника энергии солнечный свет. Теперь пришло время создать примерно такую же бутылку, только большего размера и с большим количеством участников. Но нужно всё это не на Земле, а на других планетах — например, Марсе, который тот же Маск собирается колонизировать в ближайшие пару десятилетий. Как это сделать?
История экосистем и космических полётов
Идея о создании замкнутой системы, которая бы поддерживала жизнь космонавтов или колонистов, не новая. Сначала появилась концепция биосферы. Это оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности, а также совокупность её свойств как планеты, где создаются условия для развития биологических систем. Биосфера — глобальная экосистема нашей планеты. Концепцию в 1926 году предложил академик Владимир Иванович Вернадский.
Затем другой известный учёный, Константин Эдуардович Циолковский, предложил создать небольшие замкнутые биосферы, т. е. экосистемы для поддержания жизни на кораблях во время длительных и не очень перелётов. Эта идея затем была растиражирована писателями-фантастами, причём в самых разных формах.
Впервые реализовать идею решили советские учёные, сотрудники Красноярского института биофизики во главе с профессором Борисом Ковровым. В 1964 году была испытана система «БИОС-1», в которой осуществлялось восстановление кислорода с помощью одноклеточной водоросли хлореллы. При этом практически сразу установили, что хлорелла малопригодна для питания. Через год в эксперименте «БИОС-2» кроме водорослей использовались и высшие растения — пшеница, овощи. К сожалению, оказалось, что хлорелла не особенно хорошо усваивается организмом человека.
Чуть позже, с ноября 1967 по ноябрь 1968 года, проводился ещё один эксперимент, который получил название «Год в земном звездолёте». О нём рассказывали не раз и не два. Если кратко, то продолжительное время в замкнутом пространстве находились три добровольца, которые проводили испытания систем жизнеобеспечения. Они включали, например, гидропонную оранжерею.
Ну и ещё один известный эксперимент из ранних — это «БИОС-3», который был проведён в подвале Института биофизики. В «БИОС-3» были проведены десять экспериментов с экипажами от одного до трёх человек. Самый продолжительный эксперимент проходил 180 дней. Удалось достичь воспроизводства кислорода, воды и до 80 процентов потребностей экипажа в питании. В оранжереях при искусственном освещении выращивались пшеница, соя, салат, чуфа. К сожалению, в 90-х годах ХХ века эксперимент пришлось прекратить из-за проблем с финансированием.
Ну а после похожие эксперименты проводили и американцы, которые создали, например, самую крупную замкнутую экосистему в истории. Эксперимент получил название Biosphere 2. Восемь человек (четыре женщины и четверо мужчин) пробыли в Biosphere 2 два года (с 26 сентября 1991 года по 26 сентября 1993 года). Но здесь что-то пошло не так, и экосистема стала неуправляемой, из-за чего начало страдать здоровье участников эксперимента. Его пришлось прекратить.
Тем не менее все эти и последующие эксперименты показали, что, в общем-то, ничего невозможного в создании замкнутой, пусть и небольшой, экосистемы нет. И на другой планете при определённых условиях всё это можно реализовать. Кроме того, учёные решили проверить ещё одну концепцию.
Проект MELiSSA
Так называется проект Micro-Ecological Life Support System Alternative. В его рамках вместо растений используются бактерии, которые и являются основным потребителем и продуцентом биомассы и других ресурсов. Учёные разработали биореакторы, в которых и «работали» бактерии. Причём управлять процессом можно было при помощи цифрового интерфейса. Так, если нужно изменить состав атмосферы, выбираем один режим работы биореактора. Потребуется больше еды — используем другой режим. Понятно, что разработать всё это с нуля за пару месяцев невозможно, требовались годы и даже десятилетия труда.
Европейское космическое агентство решило дать зелёный свет этому проекту, к которому присоединились команды учёных из 50 университетов 14 стран, а также представители разных компаний.
«Несколько научных команд начали вместе работать над этой концепцией, предоставляя необходимые ноу-хау в области биологии и техники. Мы все согласились с тем, что нам необходимо полагаться на фундаментальные знания о том, как функционируют наши организмы, как работает их метаболизм, как они усваивают питательные вещества, как они реагируют на различные условия освещения или изменения в составе атмосферы и т. д.», — заявил Франческо Годиа Касабланка, руководитель опытного завода MELiSSA, расположенного в Барселоне, Испания.
Как всё это работает?
Главное здесь, как и было указано выше, — биореактор, в котором поддерживается постоянная температура 55 °C. В нём и происходит вся «магия». Он перерабатывает отходы, образующиеся в результате работы экипажа, такие как человеческие фекалии, моча, туалетная бумага, несъедобные части растений, биоразлагаемые полимеры — всё то, что экипаж волей-неволей «производит» каждый день. Он постоянно контролируется датчиками и управляется программным обеспечением, которое может регулировать всё — от температуры до pH.
Жидкость подаётся во второй отсек — освещённый фотобиореактор с культурами Rhodospirillum rubrum — бактериями розового цвета, которые могут либо участвовать в фотосинтезе, либо питаться жирными кислотами. Интенсивность освещения контролируется автоматически и используется для регулирования роста бактерий. Основными продуктами второго отсека являются водосодержащие минералы, аммоний и биомасса, которые потенциально могут быть использованы в качестве источника белка. Крысы, которых кормили им в течение нескольких недель во время исследования пищевой приемлемости, оказались в порядке, никаких проблем с ними не возникло.
Превращаем отходы в воздух и еду
Раствор солей переходит в третий отсек, где со всем этим работают две другие культуры бактерий — Nitrosomonas europea и Nitrobacter winogradsky. Сначала N. europea окисляют аммиак в нитрит. Далее N. winogradsky окисляют нитрит в нитрат, который является важнейшим питательным веществом для всех живых организмов. Вместе эти две стадии образуют важный этап (называемый нитрификацией) азотного цикла, действующего на Земле. Поскольку это аэробный процесс, необходимый кислород возвращается к нему из следующих двух отсеков, которые, в свою очередь, питаются оттоком, богатым нитратами.
«Задача отсеков 4a и 4b — производство кислорода и большей части биомассы, которая используется в пищу», — объяснил Годиа. 4а базируется на культурах Limnospira indica, цианобактерий, известных как спирулина, которые производят кислород и пищу. Выбор не был случайным — спирулина используется в качестве пищевой добавки, предотвращает потерю костной массы, что является одной из самых серьёзных опасностей в космических путешествиях.
Отсек 4b представляет собой камеру для гидропонных растений. Углекислый газ для установок подаётся из первого отсека и боевого отделения. При своей нынешней мощности проект «Мелисса» может производить достаточно атмосферы для поддержания жизни одного человека.
Ну а о том, что происходит дальше, а также как всё это связано с Марсом, поговорим в следующей части.
