Когда государства и частные компании заявляют о колонизации Луны, Марса и околоземного пространства, они подразумевают, что системы жизнеобеспечения (СЖО) позволят колониям существовать автономно или обойтись небольшими дополнительными поставками. Действительно, за время существования орбитальных станций накоплен богатый опыт поддержания жизнедеятельности людей и животных во враждебной космической среде.
Итак, для обеспечения жизни вне Земли требуется: энергия, воздух, вода, пища, защита от радиации, привычные для людей температура, гравитация, магнитное поле. Подсчитано, что на одного человека в сутки нужно в среднем 0,96 кг кислорода, 16,9 кг воды (из них 2,5 кг питьевой), 1,75 кг пищи.
Источники энергии могут быть разнообразными - от солнечных батарей на околоземных колониях до приливных и геотермальных станций на спутниках Сатурна. Заметим, что ее потребление окажется гораздо выше, чем на Земле, потому что понадобится энергия для производства кислорода, добычи воды, для оранжерей и так далее.
МКС и другие станции можно считать моделями будущих орбитальных поселений. Это структуры, в которых значительная часть воды (93% на МКС) регенерируется. Обычно, когда упоминается регенерированная вода, разгорается «холивар» относительно получения питьевой воды из мочи, как будто других источников вообще не существует… Действительно, на МКС важна любая капля жидкости. Но даже если говорить о регенерированной воде и забыть о той, которую доставляют с Земли, то основная часть добывается из конденсата атмосферной влаги. Система получения питьевой воды из конденсата «СРВ-К» впервые была опробована еще на станции «Салют-4». Так же, вода, использованная на бытовые и технические нужды, подвергается переработке.
Кислород получают из воды посредством электролиза. Второй компонент – водород – сбрасывают за борт. Как и углекислый газ, и отходы, и излишнее тепло.
СЖО развиваются в нескольких направлениях. Космическим кораблям придется рассчитывать на физико-химические системы. Для колоний, кроме того, нужны биологические. Орбитальная колония – это маленькая планета, и ей придется жить по замкнутому циклу. Колоссальные по размерам оранжереи обеспечат поселенцев кислородом и большей частью пищи.
Несколько лучше обстоят дела на планетах, где есть вода и даже кислород, но их добыча сопряжена с трудностями и запасы куда меньше земных. Роберт Зубрин и Дэвид Бейкер предполагали использовать в условиях марсианской колонии реакцию Сабатье, чтобы из водорода и углекислого газа (которые на МКС просто выбрасываются) получить метан и кислород. Это фактически безотходная технология: метан можно использовать как горючее.
Планетарные поселения будут вынуждены решать еще одну задачу – утилизация отходов. Предположим, на Луне отходы можно просто захоронить, но что, если на Марсе или спутниках планет-гигантов обнаружат микроорганизмы? Придется защищать от них поселенцев, однако аборигенные бактерии и водоросли тоже нужно защищать от пришельцев с их микрофлорой и их техногенной деятельностью.
Эксперименты с замкнутыми биологическими системами на Земле начались в середине прошлого века. Самой известной и самой неудачной оказалась американская «Биосфера-2».
«Биосфера-2»
Идейным вдохновителем проекта был ученый-эколог Джон Аллен. Систему герметичных сооружений площадью 1,5 га построили в 1990-е годы на средства миллиардера Эдварда Басса в Аризонской пустыне. Она включала 5 бионических модулей (тропический лес, болото, саванна, океан, пустыня), сельскохозяйственную ферму, рыбные пруды, жилой отсек с двухкомнатными квартирами. Снаружи поступал солнечный свет и электричество. Механизмы работали над «круговоротом веществ в природе», над океанскими волнами, приливами и отливами. Чтобы расширяющийся от солнечного нагрева воздух не разорвал конструкцию изнутри, установили большие мембраны. Для очистки воды применялась биологическая фильтрация. За состоянием системы следили более 2500 датчиков.
В сентябре 1991 г. группа из восьми ученых и инженеров на два года безвылазно поселилась внутри «Биосферы-2». Казалось, что продуманная до мелочей система обеспечит поселенцам если не райское житье, то спокойное существование.
Действительность внесла коррективы уже через неделю-другую. По неизвестной причине начало снижаться количество кислорода, количество углекислого газа, напротив, повышалось. Приняли решение высадить больше растений и включить резервный поглотитель углекислоты. Но интенсивный физический труд требует больше калорий, на что никто не рассчитывал. Напротив, некоторые участники проекта полагали, что некоторое недоедание идет на пользу организму, и в таком случае «Биосфера-2» вполне может прокормить поселенцев.
Дальше было хуже. Животные на ферме тоже чувствовали себя неважно. Летом 1992 г. рис уничтожили вредители, зима выдалась облачной, и в январе 1993 г. руководители эксперимента были вынуждены поставлять в систему кислород и продукты.
Обнаружились и другие неожиданные проблемы. Расплодились муравьи и тараканы, шли незапланированные дожди из конденсата, стали рушиться деревья. Из-за углекислоты повысилась кислотность океана.
Анализируя итоги, ученые пришли к выводу, что незапланированный расход кислорода произошел по вине микроорганизмов в почве и по причине реакции с материалом перекрытий. Деревья же падали из-за того, что конструкторы не предусмотрели ветер, в результате стволы не выработали необходимую гибкость.
Следующий эксперимент пришлось прервать досрочно, и больше люди в «Биосфере-2» не селились.
Вывод таков: в будущих космических поселениях нельзя бездумно копировать уголок Земли. Нужно создавать особую экосистему, сбалансированную в масштабе колонии.
БИОС-3
На 20 лет раньше в СССР опробовали систему БИОС-3. Эксперименты с ней были не масштабными, но успешными. Ее предшественницы функционировали еще в 1960-е годы. Для системы БИОС-1 кислород вырабатывала водоросль хлорелла. В БИОС-2 добавились высшие растения, служившие также пищей.
Построенный в красноярском Академгородке БИОС-3 был рассчитан на экипаж до 3 человек. Он состоял из 4-х отсеков: для экипажа и оборудования, для культиваторов хлореллы, два отсека для сельскохозяйственных культур. Объем помещений составлял 315 куб. м. Самый долгий эксперимент продолжался 180 дней.
Что касается воздуха и воды, то по газу цикл был замкнутым на 100%, по воде – на 80% и выше. Потребность же в пище растения обеспечивали в среднем на 55%, поэтому без консервов экипаж существовать не мог. В сельскохозяйственных отсеках поселили растения, которые дают меньше отходов – например, карликовая пшеница, с короткими стеблями. Растительное масло получали из чуфы (земляного миндаля).
Постперестроечные события надолго остановили исследования. Уже в нашем веке для работы с БИОС-3 создали Международный центр замкнутых экологических систем (МЦ ЗЭС).
«Юэгун-1»
Как и следовало ожидать, эстафету передали китайцам. На основе технологических разработок БИОС-3 построили систему «Юэгун-1» объемом 500 куб. м. В мае 2015 г. успешно завершился продолжавшийся 105 дней эксперимент. Экипаж также состоял из трех человек, по воде и газу система была практически замкнутой, 30-40% пищи обеспечивали растения. Но китайцы сделали шаг по направлению к производству животного белка: часть диеты составляли мучные черви.
10 июля 2017 г. в рамках лунной программы Китая начался эксперимент «Юэгун-365». Два сменяющих друг друга экипажа должны будут провести внутри системы в общей сложности год (циклы 60, 200 и 105 дней).
Конечно, до полноценных колоний еще далеко. Если базы можно уже сейчас обеспечить водой, воздухом, пищей, энергией и частичной защитой от радиации, то для постоянных обитателей будет нужна близкая к земной гравитация, близкая к земной напряженность магнитного поля и более надежная радиационная защита, которая поможет спастись в периоды повышенной солнечной активности.
