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.
Комментарии (29)
Valerij56
19.09.2023 15:50+4Один 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.
Вот как раз на Марсе замкнутой экосистемы не требуется, потому, что вокруг целая планета ресурсов, и производство топлива предоставляет для населения колонии в огромном количестве необходимые углекислый газ, кислород, азот и воду в огромных количествах. Замкнутые биотехнологические системы очень интересны для экологов, потому, что являются очень упрощённой моделью планетарной экосистемы Земли, и позволяют уточнить её параметры, взаимосвязи и закономерности. Например, "Биосфера-2" дала множество данных о жизни в почве, недооцененной при подготовке проекта.
densss2
19.09.2023 15:50Вот как раз на Марсе замкнутой экосистемы не требуется, потому, что
вокруг целая планета ресурсов, и производство топлива предоставляет для
населения колонии в огромном количестве необходимые углекислый газ,
кислород, азот и воду в огромных количествах.Это был сарказм?
Radisto
19.09.2023 15:50+6Почему сарказм? Так и есть. В биосфере-2 начал быстро накапливаться углекислый газ из-за разложения органики, потому что система была замкнута. В незамкнутой лишнее можно было просто выкинуть за порог. Если потом понадобится - можно внести, хотя для растений углерод нужен в виде углекислого газа, а там его целая атмосфера. То же и с остальными факторами: одолел грибок почву - обеззараживаем семенной материал и садим в новую почву, накопанную снаружи, а старую выкидываем: система незамкнута, и того и другого есть
densss2
19.09.2023 15:50Теперь понял, о чём Вы. Да, согласен с Вами. Я думал, Вы о терраформировании всего Марса.
azTotMD
19.09.2023 15:50Какая такая почва? Базальт с магнетитом? Атмосфера на Марсе в 160 раз разряженнее земной и в основном из углекислого газа. А ещё температуры. На Марсе настолько холодно, что на полюсах замерзает CO2. Вот где можно действительно насобирать CO2, так это в полярных шапках. Но без всего остального он бесполезен. Воды на Марсе можно сказать что нет, молекулярного кислорода - нет. Чтобы кислород восстанавливать из оксидов нужна колоссальная энергия, чтобы согреть - нужна энергия, чтобы сконденсировать из разряженной атмосферы те крохи воды что там есть нужна энергия. Без хорошего источника энергии на Марсе делать нечего.
Radisto
19.09.2023 15:50+1Вода там есть. В виде льда, мало и надо копать, но есть. Углекислота в атмосфере, зачем искать ее на шапках, растениям так много не надо. Расти они будут понятно не под открытым грунтом. Почва есть. Ну базальт. На базальтовой минвате растения растут. А керамзите растут - гидропоника. Чтобы восстановить кислород из окислов (из окислов углерода, которого полно) нужен свет и теплица с травой. Источник энергии само собой. Реактор же собираются с собой тащить, что-то вроде килопауэра
Valerij56
19.09.2023 15:50Какая такая почва? Базальт с магнетитом?
Существует понятие "почвоподобный субстрат" (смотри Яндекс), который на Марсе можно произвести из мелкого промытого/прокаленного реголита (для разложения перхлоратов) как наполнителя и компоста из органических отходов. Это для тех случаев, когда без почвы совсем никак.
Воды на Марсе полно, если всю растопить то покроет Марс глубиной в пятнадцать метров. Первые посадки Старшипов намечены именно там, где вода в большом количестве обнаружена с орбиты. Другое дело, что эта вода может быть в разных формах - прикрытый реголитом лёд, мерзлота или вода в составе кристаллогидратов.
Без хорошего источника энергии на Марсе делать нечего.
Вот с этим согласен. И Килоповер для серьёзных задач очень слаб. На первое время - большая солнечная ферма, потом реактор.
Wizard_of_light
19.09.2023 15:50Песок или мелкий гравий с внесёнными удобрениями. А лишайники и некоторые виды мхов могут расти прямо на камне, им надо только близкие к земным условия обеспечить.
Jianke
19.09.2023 15:50на Марсе замкнутой экосистемы не требуется, потому, что вокруг целая планета ресурсов
Аральское море высохло меньше, чем за 50 лет. :-(
И, если, не беречь воду и влагу в воздухе, то колония тоже рискует остаться без воды исчерпав близкодоступные месторождения. :-(
Выбрасывать можно только углекислый газ (которого полно в атмосфере), а влагу нужно беречь всеми способами.
Valerij56
19.09.2023 15:50И, если, не беречь воду и влагу в воздухе, то колония тоже рискует остаться без воды исчерпав близкодоступные месторождения. :-(
Термин "замкнутая экосистема" говорит о том, что в ней используются исключительно ресурсы, возобновляемые внутри экосистемы. Для Марсианской Колонии замкнутая экосистема не требуется, потому, что необходимые кислород, азот и вода будут поступать с топливного завода из окружающей среды. Это не означает, что воду будут бездумно расходовать, но для производства горючего (метана) необходим водород, который планируется получать из воды.
Выбрасывать можно только углекислый газ (которого полно в атмосфере), а влагу нужно беречь всеми способами.
Кислород с азотом тоже будут выбрасываться в большем или меньшем количестве при каждом шлюзовании. Азот тоже есть в атмосфере Марса, кислород будет производиться электролизом воды или электрохимическим разложением углекислого газа в установках МОКСИ, прототип которых уже испытан на Марсе. Многие другие местные ресурсы будут использоваться.
Jianke
19.09.2023 15:50Если не пытаться беречь ресурсы, то не будет разработок технологий позволяющих эти ресурсы сберечь. И когда близкодоступное месторождение закончится, то обнаружится, что технологий нет, другое ближайшее месторождения в сотнях километрах, и транспортировать слишком дорого, потому колонию придётся бросить из-за исчерпания воды. :-(
PS самый большой расход воды будет на обогащение руды, и другие тому подобные техпроцессы по причине отсутствия безводных технологий.
Valerij56
19.09.2023 15:50PS самый большой расход воды будет на обогащение руды, и другие тому подобные техпроцессы по причине отсутствия безводных технологий.
Ничто не мешает отправить воду после обогащения руды на электролиз для получения из неё водорода, необходимого для производства горючего (метана).
Если не пытаться беречь ресурсы, то не будет разработок технологий позволяющих эти ресурсы сберечь.
Никто не говорил, что ресурсы не собираются экономить и расходовать бережно. Добыча ресурсов на Марсе по определению дороже, тем больше стимул их экономить.
raamid
19.09.2023 15:50Главное здесь - это продолжать проводить эксперименты. Потому что как бы мы не планировали, все равно что-то обязательно пойдет не так. И хорошо, если это "что-то" касается только комфорта.
А для этого, уже сейчас пора думать про полностью автономные биосферы на базе растений и небольшого количества животных. Начать можно с околоземной орбиты.
Если описать проект простыми словами, то выводим в космос кусок земли на котором роботы садят растения и кормят ими животных. И вылавливаем баги в этом процессе. Далее фиксим баги и проверяем. Если все работает, то масштабируем и фиксим новые баги.
На мой вгляд, очень важно иметь работающие версии автономной биосферы разных масштабов. Это нужно для того, чтобы иметь возможность откатиться на более примитивный вариант, если что-то пойдет не так. Кстати, для нашей планеты это тоже актуально.
Moog_Prodigy
19.09.2023 15:50Ну эксперименты "биосфера" неоднократно проводились (проводятся?) на МКС а до этого на МИРе. Судя по молчанию в этой области, там или все секретно, или все печально.
Valerij56
19.09.2023 15:50Не так печально, как кажется, эксперименты идут, вместе с китайцами. И, прежде всего, на земле, не на МКС. Но былого задора нет.
И, повторю - замкнутые экосистемы, прежде всего, интересны биологам и экологам. В реальных космических колониях будут использовать местные ресурсы.
Valerij56
19.09.2023 15:50Если описать проект простыми словами, то выводим в космос кусок земли на котором роботы садят растения и кормят ими животных. И вылавливаем баги в этом процессе. Далее фиксим баги и проверяем. Если все работает, то масштабируем и фиксим новые баги.
Всё великолепно проверяется на Земле в специальных герметичных камерах, нет проблем замкнуть систему по воздуху, воде и питанию на 80% и более. Но есть другие проблемы - рано или поздно возникают заболевания растений и приходится стерилизовать оранжерею, загружать новый грунт и запускать севооборот снова.
OldFisher
19.09.2023 15:50+1Тут недавно товарищ Винерсмит (который "учёный изнасиловал журналиста") с женой выпустили замечательную книгу под названием "Город на Марсе" (https://www.acityonmars.com) как раз на эту тему. Там рассматривается колонизация с большого количества разных сторон и описываются разные возникающие проблемы и возможные способы их преодоления.
Johnneek
19.09.2023 15:50Углекислый газ для установок подаётся из первого отсека и боевого отделения.
Что-что?
DimPal
19.09.2023 15:50С радиацией проблем вобще никаких?
Valerij56
19.09.2023 15:50Гораздо меньше, чем кажется.
DimPal
19.09.2023 15:50А можно в этом месте поподробней? На сколько мне известно за время полета до Марса уже набирается облучение радиацией сверх всяких норм. На самой планете ни озонового слоя, ни магнитного поля. Остается закопаться глубже и сидеть не высовываясь?
Valerij56
19.09.2023 15:50Во первых, длительность перелёта на Марс (или обратно) можно снизить с классических восьми месяцев до пяти, почти вдвое, ценой незначительного увеличения скорости перелёта. Во вторых, при перелётах роверов даже без всякой защиты намерили значительно меньшее излучение, чем предполагалось, таким образом перелёт туда и обратно не приводит к превышению допустимой дозы для астронавта за всю карьеру. В третьих, если нет солнечных вспышек, поток излучения которых кратковременный и направленный, то от солнечного излучения можно защититься, элементарно направив в сторону солнца двигатели. Солнечное излучение имеет низкую проникающую способность, поэтому двигатели, топливные баки, топливо и груз в грузовом отсеке - достаточная защита. Если вам не повезло, и Старшип попал в поток от солнечной вспышки, придётся прятаться в тесном отсеке с усиленной защитой, но это несколько дней. Это про радиацию во время перелёта.
Прилетели на Марс, сели. Излучение сразу упало в два раза, потому, что снизу вас защищает Марс. На поверхность выходим утром и вечером. Атмосфера у Марса жидкая, но очень высокая, пухлая, благодаря низкой гравитации. Поэтому пока Солнце невысоко над горизонтом она обеспечивает вполне достаточную защиту от его радиации.
Ну вот, если вкратце.
Wizard_of_light
19.09.2023 15:50По данным "Куриосити" на поверхности накопленная доза 0,21 миллизиверт в сутки, или 76 миллизиверт в год. Меньше чем на МКС, если что, там космонавты получают 0,6 миллизиверт в сутки или 220 миллизиверт в год. Во время полёта доза была намного выше - около 1,8 миллизиверт в сутки. Но это практически в чистом космосе, при какой-никакой радиозащите эти величины можно снизить на порядки.
gans_2
19.09.2023 15:50Что случилось с "Небесным дворцом", который сделали китайцы из "БИОС-3"?
Почему у Мелиссы нет практических результатов? Только картинки и срочносборы?
Вы свой биореактор Хижняку показывали?
xtov0
19.09.2023 15:50Для начала "Колонизируйте" Антарктиду - это гораздо проще :)
Valerij56
19.09.2023 15:50"Колонизовать Антарктиду" намного проще, тем более, что там раньше были города. Но после того, как выбили там китов, когда был подписан "Договор об Антарктиде" только серьёзными экономическими санкциями удалось заставить Аргентину и Чили эвакуировать эти города.
Колонизовать Антарктиду проще, но это не даёт нам такого результата, какой даёт Марсианская Колония. Почему вы хотите решать, куда другие люди тратят свои деньги. Поэтому, если вы хотите колонизовать Антарктиду, пустыни, или дно морское - флаг вам в руки и барабан на шею. Сделайте это, не сидите на диване!
Arerad
При обсуждении колонизации Марса часто забывают гравитацию. А это очень важно. Ускорение свободного падения на Марсе - 3.71 m/s², на Земле - 9.807 m/s², разница большая. Как человеческий организм будет себя чувствовать, если жить при такой пониженной гравитации годами, десятилетиями? Неизвестно. На МКС в невесомости за год у космонавтов начинаются огромные проблемы со здоровьем, организм сыпется на части. Резко падает зрение, кости теряют прочность, начинается хроническое воспаление по всему организму. Может, при марсианской гравитации будет то же самое, и тогда про города на Марсе можно будет забыть навсегда. Тогда уж лучше жить на огромных космических станциях из переплавленных металлических астероидов, где нормальная постоянная сила тяжести будет обеспечиваться за счёт центробежной силы от вращения станции.
Valerij56
Марсианская Колония необходима хотя бы потому, что в Солнечной Системе нет более близкой по условиям жизни к Земле планеты. "Эфирные острова", о которых говорил ещё Циолковский, намного более сложные в реализации конструкции, поэтому несомненно тоже появятся, но позже. И надо понимать, что Марс - это целая планета ресурсов, в том числе азота и углерода, необходимых для создания экосистемы.
MaksIII
Читал где то что одним из вариантов решения подобной проблемы будет то, что колонистам придется носить специальную "утяжеленную одежду" чтобы мышцы были в тонусе. Но честно говоря идея кажется сомнительной, разве что в такой одежде можно периодически тренироваться. Наверняка к условиям Марса организм человека сможет приспособиться, если не в первом поколении поселенцев, то во втором должны быть уже видны изменения. И будут люди выглядеть как белталода из сериала Экспансия.-)