Экосистема космического корабля

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение

2.Человек в  естественной экосистеме

3.Космический  корабль с экипажем – искусственная  экосистема

4.Искусственные  и естественные биосферные экосистемы: сходство и отличия

5.достижения  и перспективы

6.Заключение

7.Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

    Начало XXI века может войти в историю  развития земной цивилизации  как качественно новая ступень  освоения околосолнечного космического  пространства: непосредственное заселение  естественных и искусственно  созданных космических объектов с продолжительным пребыванием людей на этих объектах.

   Кажется,  еще совсем недавно был выведен  на околоземную космическую орбиту  первый искусственный спутник  Земли (1957), совершен первый облет  и фотографирование обратной  стороны Луны (1959), побывал в космосе первый человек (Ю. А. Гагарин, 1961), показан по телевидению захватывающий момент выхода человека в открытый космос (А. А. Леонов, 1965) и продемонстрированы первые шаги космонавтов по поверхности Луны (Н. Армстронг и Э. Олдрин, 1969). Но с каждым годом уходят в прошлое и становятся достоянием истории эти и многие другие выдающиеся события космической эры. Они, по сути, лишь начало воплощения идей, сформулированных великим К. Э. Циолковским, который рассматривал космос не только как астрономическое пространство, но и как среду обитания и жизни человека в будущем. Он полагал, что «если бы жизнь не распространялась по всей Вселенной, если бы она была привязана к планете, то эта жизнь была бы часто несовершенной и подверженной печальному концу» (1928).

   Сегодня  уже прогнозируются возможные  варианты биологической эволюции  человека в связи с расселением  значительной части популяции  вне Земли, разрабатываются возможные  модели освоения космоса, оценивается  преобразующее влияние космических программ на природу, экономику и общественные отношения. Рассматриваются и решаются также проблемы частичного или полного самообеспечения поселений в космосе с помощью замкнутых биотехнических систем жизнеобеспечения, вопросы создания лунных и планетных баз, космической индустрии и строительства, использования внеземных источников энергии и материалов.

   Начинают  сбываться слова К. Э. Циолковского  о том, что «человечество не  останется вечно на Земле, а  в погоне за светом и пространством  сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а потом завоюет все околосолнечное пространство» (1911).

   Одно  из важнейших условий дальнейшего  освоения человеком космического  пространства – обеспечение жизни  и безопасной деятельности людей  при продолжительном их пребывании и работе на удаленных от Земли космических станциях, космических кораблях, планетных и лунных базах.

   Наиболее  целесообразный путь решения  этой важнейшей проблемы, как  считают сегодня многие отечественные  и зарубежные исследователи, –  это создание в длительно функционирующих обитаемых космических сооружениях замкнутых биотехнических систем жизнеобеспечения, т. е. искусственных космических экологических систем, включающих человека и другие биологические звенья.

   В этой  брошюре мы попытаемся изложить основные принципы построения таких систем, приведем сведения о результатах крупных наземных экспериментов, выполненных в плане подготовки к созданию космических биотехнических систем жизнеобеспечения, укажем проблемы, которые еще предстоит решить на Земле и в космосе, чтобы обеспечить требуемую надежность функционирования этих систем в космических условиях. 

1

ЧЕЛОВЕК В ЕСТЕСТВЕННОЙ ЭКОСИСТЕМЕ

   Нашу Землю мы с полным правом можем рассматривать как огромный космический корабль естественного происхождения, совершающий на протяжении вот уже 4,6 млрд. лет свой бесконечный орбитальный космический полет вокруг Солнца. Экипаж этого корабля состоит сегодня из 5 млрд. человек. Быстро возрастающая численность населения Земли, которая к началу XX в. составляла 1,63 млрд. человек, а на пороге XXI в. должна достигнуть уже 6 млрд., лучше всего свидетельствует о наличии достаточно эффективного и надежного механизма жизнеобеспечения человека на Земле.

   Удовлетворение потребностей человека в пище, воде и воздухе, относящихся к основным физиологическим потребностям, является главным условием его нормальной жизни и деятельности. Однако это условие неразрывно связано с другим: организм человека, как и любой другой живой организм, активно существует благодаря обмену веществ внутри организма и с внешней средой.

   Потребляя из окружающей среды кислород, воду, питательные вещества, витамины, минеральные соли, человеческий организм использует их для построения и обновления своих органов и тканей, получая при этом всю необходимую для жизни энергию из белков, жиров и углеводов пищи. Продукты жизнедеятельности выводятся из организма в окружающую среду.

   Как известно, интенсивность обмена веществ и энергии в организме человека такова, что без кислорода взрослый человек может существовать лишь несколько минут, без воды – около 10 сут, а без пищи – до 2 мес. Внешнее впечатление о том, что организм человека не претерпевает изменений, обманчиво и неверно. Изменения в организме происходят непрерывно. По данным А. П. Мясникова (1962), в течение суток в организме взрослого человека массой 70 кг заменяются и гибнут 450 млрд. эритроцитов, от 22 до 30 млрд. лейкоцитов, от 270 до 430 млрд. тромбоцитов, расщепляется примерно 125 г белков, 70 г жиров и 450 г углеводов с выделением более 3000 ккал тепла, восстанавливается и гибнет 50% эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта, 1/75 часть костных клеток скелета и 1/20 часть всех покровных кожных клеток тела (т. е. через каждые 20 сут человек полностью «меняет кожу»), выпадает и заменяется новыми приблизительно около 140 волос на голове и 1/150 часть всех ресниц и т. д. При этом в среднем совершается 23 040 вдохов и выдохов, через легкие проходит 11 520 л воздуха, поглощается 460 л кислорода, выводится из организма 403 л углекислоты и 1,2–1,5 л мочи, содержащей до 30 г плотных веществ, испаряется через легкие 0,4 л и выводится с потом около 0,6 л воды, содержащей 10 г плотных веществ, образуется 20 г кожного сала.

   Такова интенсивность обмена веществ у человека всего за одни сутки!

  Таким образом, человек постоянно, в течение всей своей жизни выделяет продукты обмена веществ и тепловую энергию, образующиеся в организме вследствие расщепления и окисления пищи, освобождения и трансформации химической энергии, запасенной в пище. Выделяющиеся продукты обмена веществ и тепло должны -постоянно или периодически отводиться от организма, сохраняя количественный уровень обмена в полном соответствии со степенью его физиологической, физической и умственной активности и обеспечивая баланс обмена организма с окружающей средой по веществу и энергии.

   Всем известно, как реализуются эти основные физиологические потребности человека в повседневной реальной жизни: пятимиллиардный экипаж космического корабля «планета Земля» получает или производит все необходимое для своей жизни на основе запасов и продукции планеты, которая кормит, поит и одевает его, способствует увеличению его численности, защищает своей атмосферой все живое от неблагоприятного действия космических лучей. Приведем несколько цифр, наглядно характеризующих масштабы основного «товарообмена» человека с природой.

   Первейшая постоянная потребность человека – дышать воздухом. «В запас воздухом не надышишься» – гласит русская пословица. Если каждому человеку ежесуточно требуется в среднем 800 г кислорода, то все население Земли должно потреблять 1,5 млрд. т кислорода в год. Атмосфера Земли располагает огромными возобновляемыми запасами кислорода: при общем весе земной атмосферы около 5 ∙ 10¹⁵ т кислород составляет приблизительно ¹/₅, что почти в 700 тыс. раз больше годового потребления кислорода всем населением Земли. Конечно, кроме людей, кислород атмосферы используется животным миром, а также расходуется на другие окислительные процессы, масштабы которых на планете огромны. Однако не менее интенсивны и обратные восстановительные процессы: благодаря фотосинтезу за счет лучистой энергии Солнца в растениях суши, морей и океанов осуществляется постоянное связывание углекислоты, выделяющейся живыми организмами в окислительных процессах, в многообразные органические соединения с одновременным выделением молекулярного кислорода. По подсчетам геохимиков, все растения Земли выделяют ежегодно 400 млрд. т кислорода, связывая при этом 150 млрд. т углерода (из углекислоты) с 25 млрд. т водорода (из воды). Девять десятых этой продукции вырабатывают водные растения.

   Следовательно, вопрос обеспечения человека кислородом воздуха успешно решается на Земле преимущественно с помощью процессов фотосинтеза в растениях.

   Следующая важнейшая потребность человека – вода.

   В организме человека она является той средой, в которой осуществляются многочисленные биохимические реакции обменных процессов. Составляя ²/₃ массы тела человека, вода играет огромную роль в обеспечении его жизнедеятельности. С водой связано не только поступление питательных веществ в организм, их всасывание, распределение и усвоение, но и выделение конечных продуктов обмена веществ.

   Вода поступает в организм человека в виде питья и с пищевыми продуктами. Количество воды, требующейся организму взрослого человека, колеблется от 1,5 – 2 до 10 – 15 л в сутки и зависит от его физической активности и условий окружающей среды. Обезвоживание организма или чрезмерное ограничение в приеме воды ведет к резкому расстройству его функций и к отравлению продуктами обмена, в частности азотистого.

   Дополнительное количество воды необходимо человеку для обеспечения санитарно-бытовых и хозяйственных нужд (мытье, стирка, производство, животноводство и др.). Это количество существенно превышает физиологическую норму.

   Пища служит человеческому организму источником энергии и веществ, участвующих в синтезе составных частей тканей, в обновлении клеток и их структурных элементов. В организме непрерывно осуществляются процессы биологического окисления белков, жиров и углеводов, поступающих с пищей. Полноценная пища должна включать необходимые количества аминокислот, витаминов и минеральных веществ.

   Земля еще длительное время в состоянии обеспечить живущих на ней всем необходимым, если человечество более рационально и бережно будет расходовать ресурсы планеты, экологически грамотно решать вопросы преобразования природы, исключит гонку вооружений и покончит с ядерным оружием.

   Научная основа решения проблемы жизнеобеспечения человечества на Земле, сформулированная В. И. Вернадским, заключается в переходе биосферы Земли в ноосферу, т. е. в такую биосферу, которая изменена научной мыслью и преобразована для удовлетворения всех потребностей численно растущего человечества (сфера разума). В. И. Вернадский предполагал, что, зародившись на Земле, ноосфера по мере освоения человеком околозвездного космического пространства должна превратиться в особый структурный элемент космоса.

КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ С ЭКИПАЖЕМ – ИСКУССТВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА

   Как же решить задачи обеспечения экипажа космического корабля свежей разнообразной пищей, чистой водой и живительным воздухом? Естественно, наиболее простой ответ – взять все необходимое с собой. Так и поступают в случаях кратковременных пилотируемых полетов.

   По мере возрастания продолжительности полета запасов требуется все больше.             Поэтому приходится осуществлять регенерацию некоторых расходуемых веществ (например, воды), переработку отходов жизнедеятельности человека и отходов технологических процессов некоторых систем корабля (например, регенерируемых сорбентов углекислого газа) для повторного использования этих веществ и уменьшения исходных запасов.

   Идеальным решением представляется осуществление внутри ограниченного объема обитаемого космического «дома» полного (или почти полного) круговорота веществ. Однако такое сложное решение может быть выгодно и практически осуществимо лишь для крупных космических экспедиций длительностью более 1,5 – 3 лет (А. М. Генин, Д. Тальбот, 1975). Решающая роль в создании круговорота веществ в таких экспедициях отводится, как правило, процессам биосинтеза. Функции снабжения экипажа пищей, водой и кислородом, а также удаления и переработки продуктов обмена веществ и поддержания требуемых параметров среды обитания экипажа на корабле, станции и т. п. возлагаются на так называемые системы жизнеобеспечения (СЖО).

   СЖО космических экипажей представляют собой сложнейшие комплексы. Три десятилетия космической эры подтвердили достаточную эффективность и надежность созданных СЖО, успешно отработавших на советских космических кораблях «Восток» и «Союз», американских «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон», а также на орбитальных станциях «Салют» и «Скайлэб». Продолжается работа научно-исследовательского комплекса «Мир» с усовершенствованной системой жизнеобеспечения на борту. Все эти системы обеспечили полеты уже более 200 космонавтов различных стран.

   Принципы построения и работы СЖО, использовавшихся и использующихся в настоящее время для осуществления космических полетов, широко известны. Они основаны на применении физико-химических процессов регенерации. Вместе с тем проблема применения процессов биосинтеза в космических СЖО, а тем более проблема построения замкнутых биотехнических СЖО для космических полетов пока остаются открытыми.

    Существуют различные, иногда прямо противоположные точки зрения на возможность и целесообразность практической реализации подобных систем вообще и в космических аппаратах в частности. В качестве доводов против приводятся следующие: сложность, неизученность, энергоемкость, ненадежность, неприспособленность и т. д. Однако подавляющее большинство специалистов считают все эти вопросы решаемыми, а применение биотехнических СЖО в составе будущих крупных космических поселений, лунных, планетных и межпланетных баз и других удаленных внеземных сооружений – неизбежным.