"Podobnie jak wszystkie organizmy żyją na Ziemi w tej samej objętości gazów, cieczy i ciał stałych które nigdy nie ubywają i nie przybywają, tak my możemy żyć w międzyplanetarnym statku dzięki zabranym na pokład zapasom."

-- Konstanty Ciołkowski.
 
 

Pytanie czy można stworzyć zamknięty ekosystem na podobieństwo Ziemi w Kosmosie nurtowało ludzi od zarania dziejów. Na tym właśnie przekonaniu bazuje wiara w znalezienie planety, która dzięki swoim warunkom stałaby się drugą Ziemią. Konstanty Ciołkowski powiedział: Ziemia jest kolebką ludzkości, ale człowiek nie zostaje przecież całe życie w kolebce. Jest zatem jasne, że próby stworzenia zamkniętego ekosystemu, który zapewniłby dogodne warunki egzystencji roślin, zwierząt i człowieka są wielkim wyzwaniem dla naukowców wielu dziedzin. Trzeba jednakże spełnić kilka podstawowych warunków:

1)  zapewnić cyrkulację powietrza, w sposób naturalny bądź sztuczny,

2)  zapewnić cyrkulację wody,

3)  zapewnić cyrkulację materii organicznej,

4) stworzyć takie warunki aby wszystkie procesy regeneracyjne wyżej wymienionych czynników odbywały się na zasadzie naturalnej przemiany i reakcji biochemicznych,

5) zapewnić oświetlenie, naturalne lub sztuczne odpowiadające  parametrami naturalnemu,

6) zapewnić odpowiednie podłoże do rozwoju upraw.

Rozpatrując ww. zagadnienia pod względem technicznym można stwierdzić, że:

1)  cyrkulacja powietrza może być osiągnięta w najprostszy sposób, tj. przy użyciu wentylatorów i całego systemu przewodów gazowych. Jego regenerację częściową zapewniałyby  filtry dwutlenku węgla, a także jonizatory. Niestety nie daje to możliwości uzupełniania tlenu. Wymagane są wówczas duże nakłady  finansowe na źródła energii elektrycznej do zasilania.  Naturalna cyrkulacja jest możliwa tam gdzie obiekt ma dużą objętość, gdzie występują duże wahania temperatury pomiędzy regionami  takiego układu. Jak wiadomo nagrzane powietrze zwiększa swą objętość, a będąc w zamkniętej przestrzeni spręża się. Jeżeli wówczas  połączymy taki obiekt z drugim, gdzie powietrze ma niższą temperaturę, a zatem niższe ciśnienie, to zadziała wtedy zasada naczyń  połączonych, która głosi że każdy układ dąży do równowagi.

2)  cyrkulację wody można zapewnić także w sposób sztuczny przy  pomocy całego systemu pomp, filtrów i rur. Powoduje to  duże zapotrzebowanie na energię elektryczną. W przypadku naturalnej cyrkulacji wody kluczowym elementem jest występowanie  regionów ekosystemu o różnym nasyceniu parą wodną. Konieczny jest wówczas otwarty zbiornik wodny, tak usytuowany aby znajdował się w regionach o dużej różnicy temperatur. Albo też kilka zbiorników, które umieszczone w różnych regionach spełniałyby swoją rolę.

3)  cyrkulację materii organicznej można zapewnić tylko w sposób naturalny tj. wszelkie procesy niszczenia i odnowy są realizowane poprzez organizmy żywe. Powstaje pytanie jakie organizmy? Wszystko zależy od skali obiektu. Im jest on większy i zajmuje większą objętość tym wyższe organizmy można do niego wprowadzić. Jednym z takich modelowych systemów dla niższych organizmów jest układ drożdże-chlorella, umieszczonych w oddzielnych pojemnikach połączonych rurkami. W tym zestawieniu drożdże produkowałyby dwutlenek węgla, który byłby zużywany przez chlorellę w procesie fotosyntezy. Ona zaś produkowałaby jako produkt odpadowy tlen pobierany przez grzyby. Układ ten jest, można by rzec, samonapędzającym się ekosystemem.

4)  ww. przykład jest stosunkowo prosty, ale jednak nie na tyle żeby go bez problemów przenieść do większego obiektu. Problem powstaje gdy  trzeba zbudować układ, w którym jako jego element występowałby człowiek. Trzebaby mu zapewnić pożywienie, tlen i wodę. Co się tyczy odpadów przemiany organicznej (dwutlenek  węgla, mocz, kał, woda z procesów higienicznych), musiałyby być one tak przetwarzane w ekosystemie, aby produkty przemiany można było ponownie puścić w obieg.

Dobowy bilans wody dla jednego człowieka (dane orientacyjne) [11].

 
Jednym z takich pierwszych doświadczeń był przeprowadzony w byłym Związku Radzieckim eksperymentu pod nazwą BIOS-3 . Eksperyment przeprowadzono w latach 1967-68 w Krasnojarskim Instytucie Biofizyki Syberyjskiego Oddziału Akademii Nauk ZSRR.   Trwał pół roku [13]. Według innych źródeł eksperyment trwał jeden rok do 5.11.1967r [4,9].

Rys 1. Wewnątrz kompleksu BIOS-3 [11]

Jego uczestnikami byli:

A. G. Manowcew - lekarz, B. N. Ułybyszew - technik, A. N. Bożko - biolog [4,11].

Układ badany znajdował się w szczelnym metalowym pomieszczeniu o wymiarach 15*8,4*2,5 m i kubaturze 315 m^3 [9], który był podzielony na cztery główne pomieszczenia :

1. fitotron (kultywator wodny , w którym rośliny rozwijają się w
      środowisku wodnym) z pszenicą 20m2,

2.   fitotron z hodowlą warzyw min: buraki, por, marchew, kapusta i
     rzepa  20m2,

3.  kultywatory wodne chlorelli 2szt po 20l każdy suchej rośliny,

4.  pomieszczenia mieszkalnego dla trzech osób (kabiny jednoosobowe,
      kuchnia, toaleta i łazienka) [13],

Celem eksperymentu było sprawdzenie, czy jest możliwe utrzymanie dzięki tego typu ekosystemowi osób stanowiących załogę. W tym systemie chlorella zapewniała stały dopływ tlenu, wydajność dwóch jej kultywatorów wynosiła 2000 litrów na dobę (człowiek potrzebuje 4 razy mniej). Fitotrony z pszenicą i warzywami były oświetlone przez 20 lamp ksenonowych każdy. Uprawy te służyły do regeneracji produktów przemiany materii załogi. I tak, ciekłe i stałe odchody ludzkie po mineralizacji (rozłożeniu na tlenki, sole mineralne i wodę) były dostarczane do chlorelli (niewykorzystywanej tutaj jako źródło żywności). Cała zaś woda ściekowa była kierowana do pszenicy i warzyw. Źródłem wody w systemie był kondensator pary wodnej w pomieszczeniach upraw. Po przefiltrowaniu i uzdatnieniu woda ta  nadawała się do picia [13].

Rys 2. Schemat kompleksu badawczego BIOS-3 [13]
 

Kompleks BIOS-3 tylko częściowo zapewniał samowystarczalność. Wydajność kultywatorów pszenicy i warzyw pozwalała na  zaspokojenie 20% potrzeb. Dzienna produkcja to 200g ziarna pszenicy i 388g warzyw na głowę (pozwalało to na pieczenie chleba). Reszta pochodziła z zapasów. Sprawność regeneracji powietrza wynosiła 100%, doszło nawet do tego, że bionauci musieli zbudować specjalny piec do spalania słomy gdyż nie można było utrzymać równowagi tlenu (było go za dużo).  Regeneracja wody zapewniała 95% jej recyklingu [13].

Doświadczenie to przeprowadzono prawie 30 lat temu w związku z zamierzeniami budowy stałej bazy na Księżycu po spektakularnym lądowaniu (miał tego dokonać Aleksiej Leonow). Jednak do lądowania nie doszło w wyniku niedoskonałości konstrukcji rakiety księżycowej N-1 (na pięć startów żaden się nie udał). Astronautyka Związku Radzieckiego, przełknąwszy gorzką pigułkę, skoncentrowała się na długotrwałych lotach załogowych na pokładach stacji orbitalnych Salut 1-7 i Mir.

Jednak nie zakończono badań z użyciem kompleksu BIOS-3. W latach siedemdziesiątych przeprowadzano takie eksperymenty, których maksymalny czas trwania wynosił do 6 miesięcy, zaś załogę stanowiło do trzech osób. Przykładowo, w 1977 roku przeprowadzono 4-miesięczny eksperyment, w którym zapewniono dzięki wykorzystaniu wyższych roślin pełną recyrkulację tlenu, wody i częściowo żywności. Jeszcze w 1984 roku przeprowadzono 5-miesięczny eksperyment, w którym brali udział pracownicy instytutu: N. Burgjejew i S. Aljeksjejew [4].

W czasie lotów kosmicznych są przeprowadzane eksperymenty związane z biomedycyną i botaniką. Mają one odpowiedzieć na pytanie jaki jest wpływ nieważkości na organizmy przystosowane przez Naturę do życia w warunkach powszechnego ciążenia. Poznanie mechanizmów, które rządzą  powstawaniem jakichkolwiek zmian pozwoli na ukierunkowanie badań w celu ich przezwyciężenia. Oprócz tego przybliży się odpowiedź, czy na stacjach kosmicznych i statkach międzyplanetarnych można stworzyć sprawne ekosystemy.

Inną próbą zamkniętego ekosystemu był eksperyment BIOSFERA-2 przeprowadzony od 26 września 1991 roku do 26 września 1993 roku na pustyni w Arizonie w Stanach Zjednoczonych [1]. Polem badań był zamknięty rejon umieszczony pod metalowo-szklanymi konstrukcjami o powierzchni całkowitej 1,28 hektara (66 tys m^2). Był on odizolowany od podłoża warstwą betonu i pokryty szkłem. Na ekosystem składały się następujące elementy:

1. pustynia o powierzchni 1400 m^2 , z dobową amplitudą temperatur 40(C, na której miało
   egzystować 200 gatunków roślin,

2. bagno o powierzchni 3600m2 ,

3. zbiornik wodny imitujący ocean o maksymalnej głębokości 8,75m z rafą koralową,

4. sawanna,

5. las tropikalny o powierzchni 1900m2 ,

6. poletka upraw o powierzchni 2200m2 z 50 gatunkami warzyw i owoców.
 

Wymiary kompleksu BIOSFERA-2:

Długość: 154 m.
Szerokość: 110 m.
Wysokość maksymalna: 28 m.
 

Pierwszą załogę stanowili:

Bernd Zabel - inżynier elektronik, kierownik ekipy,
Abigail Alling - zastępczyni kierownika,
Linda Leigh - botanik,
Sally Silverstone - media łączności,
Taber MacCallum - inż. informatyk,
Mark van Thillo - mechanik,
Jane Poytner - odpowiedzialna za uprawy roślin, diabetyk ekipy,
Roy Walford - prof. patologii z Uniwersytetu w Los Angeles, lekarz zespołu.

Rys 3. Schemat BIOSFERY-2 [7]
 

Ponieważ projektanci chcieli stworzyć prawie pełną agrokulturę, bionauci hodowali drób, trzodę chlewną, ryby a także kukurydzę, sorgo, zboże, pomidory, banany i inne. Cały kompleks był zasilany przez dwa generatory elektryczne o mocy całkowitej 3,5 MW. Jednakże i tym razem nie był to całkowity sukces. BIOSFERA-2 nie osiągnęła bowiem równowagi gazowej. W wyniku nadmiernego wzbogacenia gleby nawozami, rozwinęły się mikroorganizmy które pochłaniając duże ilości tlenu (trzeba go było dwukrotnie dostarczać z zewnątrz) wydzielały ogromne ilości dwutlenku węgla. Całe szczęście, że konstrukcja składająca się w dużej mierze betonu pochłonęła ten gaz podczas procesu schnięcia.

Wydajność agrokultur pozwalała na zaspokojenie 80% potrzeb żywnościowych. Dieta bionautów z konieczności składała się z  niskokalorycznej diety bogatej w ziarna zbóż, fasoli i warzyw. Wedle ocen, przeprowadzonych po zakończeniu eksperymentu, w kompleksie BIOSFERA-2, z 25 gatunków kręgowców wyginęło 19, zginęły wszystkie rośliny wiatropylne. Wyginęła większość owadów z wyjątkiem mrówek, karaluchów i amerykańskich koników polnych.

Wydaje się że najlepiej spisała się konstrukcja stacji - ubytek gazów nie przekroczył 10% rocznie. Zaprzepaszczono jednak szansę na przeprowadzenie głębokich badań psychologicznych zamkniętej grupy ludzi. Załoga BIOSFERY-2 miała możliwość swobodnej komunikacji ze światem zewnętrznym. Poza tym cała stacja stała się wielką atrakcją turystyczną, co przyczyniło się w dużej mierze do lekkiej nerwowości bionautów [2,7,8,10]. Po zakończeniu eksperymentu BIOSFERA-2 w tym samym obiekcie przeprowadzono od 6 marca 1993r to samo doświadczenie ale przez okres 10 miesięcy. Błędem było jednak otworzenie podwojów dla ludzi z zewnątrz (turystów).

Problem badań nad zamkniętymi ekosystemami jest wciąż aktualny. Jedną z propozycji rozwiązania go jest zgłoszony w styczniu 1996 roku przed Brytyjską Komisją Tysiąclecia (Britain's Millennium Commission) w Londynie projekt o nazwie RAJ, projekt zamknięcia pod przeźroczystą hermetyczną kopułą 8 hektarów gruntu [3]. Składałyby się nań podobnie jak w BIOSFERZE-2 cztery podstawowe strefy klimatyczne: sawanna, półpustynia, las tropikalny i basen a-la Morze Śródziemne. Zadaniem byłoby zbadanie przydatności takiego ekosystemu dla egzystencji człowieka w zamkniętym środowisku. Dałoby to możliwość porównania wyników do eksperymentu  amerykańskiego.
 

5) zagadnienie oświetlenia to jeden z największych problemów, jakie mogą wystąpić przy budowaniu ekosystemów w kosmosie.  Proszę sobie wyobrazić jak potężne musiałoby być źródło energii  elektrycznej, ażeby zapewnić oświetlenie dla np. 8 osób załogi i upraw  hodowanych przez nich podczas podróży w okolice Wielkich Planet. Jak wiadomo, intensywność światła słonecznego już w okolicy Marsa stanowi zaledwie 45% tego przy Ziemi. Oświetlenie sztuczne musiałoby  być przede wszystkim energooszczędne i długotrwałe. W większości ww. eksperymentów oświetlenie było naturalne z jednym wyjątkiem BIOS-3. Podczas jego trwania użyto lamp ksenonowych do oświetlania kultywatorów z uprawami. Jednakże obecnie prowadzone eksperymenty i rozważane nowe technologie budowy baz w kosmosie zakładają maksymalne wykorzystanie światła słonecznego dostępnego na miejscu.

Na przykład w formie tradycyjnego tunelu cieplarnianego: projekt firmy Martin Marietta, użyty w koncepcji projektu "Mars Direct" przez Roberta Zubrina. Drugi, trudniejszy, ale pozwalający zbudować bazę w przypadku występowania szkodliwego oddziaływania promieni kosmicznych np. na Księżycu, przy użyciu tzw. rur świetlnych z wykorzystaniem parabolicznych luster, skupiających światło zaprezentowała firma Lockheed.

Rys 4. Koncepcja bazy marsjańskiej firmy Martin Marietta dla programu Mars Direct [12]

6)  zapewnienie odpowiedniego podłoża do rozwoju upraw.

W zależności od użytego sposobu hodowli roślin, kompleks potrzebny do zaopatrzenia ludzi w tlen i wodę, będzie się cechował zmienną wydajnością i potrzebami odnośnie powierzchni, zapotrzebowania na wodę, powietrze i wprowadzane nawozy. W kompleksie BIOS-3 została użyta uprawa hydroponiczna tj. bezglebowa. Dotyczyło to tylko algi chlorella. Pszenica i warzywa były hodowane tradycyjnie. W kompleksie BIOSFERA-2 wszystkie rośliny były hodowane tradycyjnie tj. w glebie. Obecne rozpatrywane sposoby upraw roślin w kosmosie, są w dużej mierze uzależnione od warunków grawitacji. Testowane na promach i stacjach kosmicznych są głównie oparte o uprawę hydroponiczną. Jednakże nie zawsze jest to regułą. Wielce prawdopodobne wydaję się jednak zastosowanie zupełnie nowatorskiego sposobu hodowli roślin. Jest to hodowla w gruncie rodzimym danego ciała kosmicznego np. Księżyca lub Marsa.
 

Rys 6. Hodowla roślin w gruncie księżycowym. Próbki z misji Apollo 15.
Z lewej - sałata, w środku na prawo i na lewo - pomidory, na prawo - drzewko cytrynowe [6]
 

Podsumowując, budowa sztucznej biosfery, nawet w najprostszym wariancie, jest wielce skomplikowana. Ten artykuł nie wyczerpuje całego tematu. Nie uwzględniono w nim wyników badań hodowli roślin jak i zwierząt w kosmosie. Intencją autora było podkreślenie wagi znaczenia tego problemu w długotrwałych misjach kosmicznych.
 
 

Literatura pomocnicza:

1. Baturo.W i Nurkowska.J. BIOSFERA , Wiedza i Życie 12/91r.

2. Co za dużo, to niezdrowo. Wiedza i Życie 5/94r.

3. "Clay-pit to paradise" scheme, NATURE. Vol 379. 25 January 1996r.

4. Głuszko.W.P. Razwitije rakjetostrojenija i kosmonawtiki w SSSR Izdatielstwo Mashinostrojenije. Moskwa 1987r.

5. Lockheed Tests Rewcykling for Needs on Moon, Mars, SPACE NEWS 14-20 Oct, 1991.

6. National Aeronautics and Space Administration.
    NASA Photo ID: S71-51318
    File Name: 10075778.jpg
    JSC Office of Public Affairs.
    http://images.jsc.nasa.gov/iams/html/index.html

7. Perzyński  M. Biosfera 2 , Ocean w kapsule. Morze 1/97r

8. Powrót z raju. Wiedza i Życie1/94r.

9. Rolnictwo kosmiczne. Skrzydlata Polska 30 VII 1989r.

10. Skazani na Ziemię. Gazeta Wyborcza 3.XII.1996r.

11. Staniewski E. Pawlikowski R. 15 lat podboju kosmosu 1957-1972. Wyd. MON-u. W-wa.1974.

12. Tucci Liz, Mars Mission Plans Live Despite Zero Budget, SPACE NEWS 5-11 Oct, 1992.

13. Własow Siergiej, Proobraz kosmiczieskogo doma.  Tiehnika mołodieży  1974r

14. Zonn W. Kopernik, Astronomia, Astronautyka, Przewodnik encyklopedyczny, PWN, Warszawa 1973r.

Webmaster: Piotr Moskal

Ogólne pytania proszę kierować pod adres mspolska@kki.net.pl
Copyright © The Mars Society 1998