Hoe 's werelds eerste installatie voor autonoom overleven in de ruimte werd gemaakt in Krasnoyarsk
In de film "The Martian" moest de held wachten tot de volgende expeditie op de Rode Planeet arriveerde met een kleine voorraad water, voedsel en lucht. De Amerikaanse cinema probeerde erachter te komen hoe ze dit moesten doen, en Sovjetwetenschappers losten een soortgelijk probleem op nog voordat Andy Weyer een boek schreef over overleven op Mars.
Een halve eeuw geleden werd in het Krasnoyarsk Institute of Physics van de SB RAS een apparaat gemaakt dat een astronaut zou helpen overleven op elke planeet zonder speciale problemen en hulp van buitenaf. Het revolutionaire BIOS-3 closed-loop voedingssysteem, dat geen analogen heeft in de wereld, voorzag de mensen erin bijna volledig van water, zuurstof en voedsel. Het was genoeg om een heel kleine voorraad mee te nemen, en toen werd alles door het systeem zelf geproduceerd en schoongemaakt.
Russian Planet ontdekte hoe Siberische wetenschappers hun tijd en collega's voor konden blijven.
Adem met algen
- De eerste experimenten met het creëren van gesloten autonome levensondersteunende systemen begonnen eind jaren zestig in Krasnoyarsk, - de leidende onderzoeker, wetenschappelijk secretaris van het Instituut voor Biofysica van de Siberische afdeling van de Russische Academie van Wetenschappen, Kandidaat voor Biologische Wetenschappen Yegor Zadereev vertelt de RP-correspondent. - Wetenschappers hebben ontdekt dat om twee mensen een jaar te laten leven, ze ongeveer 300 kg zuurstof, 2,5 ton water en 400 kg voedsel nodig hebben. Tegelijkertijd stoten ze in dezelfde periode 350 kg koolstofdioxide en een ton afval uit, dat moet worden gerecycled. Het bleef om erachter te komen hoe ze dit alles konden bieden in een omgeving die geïsoleerd was van de buitenwereld.
Experts voerden experimenten uit en bevestigden de hypothese dat het ontwikkelingspotentieel van een levend organisme hoger is dan de realiseerbare mogelijkheden. Toen de eencellige alg Chlorella in ideale omstandigheden werd geplaatst, begon het veel sneller te groeien en meer zuurstof te produceren dan in zijn natuurlijke omgeving, en ook actiever kooldioxide te recyclen.
Algen in een kleine tank begonnen te volstaan, zodat een persoon de hele dag normaal kon ademen, zijn gezicht in een speciaal gat plaatsend dat geen lucht van buiten toelaat. Dus in 1964 creëerden ze een systeem met een gesloten cyclus van zuurstofreproductie "BIOS-1", die een persoon hielp om in een luchtloze ruimte te ademen, bijvoorbeeld in de ruimte. Toen konden wetenschappers de tijd die ze in een afgesloten ruimte doorbrachten, verlengen van 12 uur naar 30 dagen. Later werd ook de wateruitwisseling gesloten, waardoor een experiment van 45 dagen kon worden uitgevoerd.
Algen waren echter alleen nuttig om een persoon van zuurstof te voorzien en kooldioxide kwijt te raken. Als er geen andere planten in een besloten ruimte staan, dan zul je ook algen moeten eten. Er zijn misschien voldoende voedingsstoffen voor het menselijk lichaam, maar het handhaven van de geestelijke gezondheid op een dergelijk dieet zal problematisch zijn.
In 1966 lanceerden wetenschappers experimenten met groenten en granen en bouwden als resultaat de BIOS-2-installatie. Het bleek dat als voor dezelfde tarwe ideale groeiomstandigheden worden gecreëerd - zonder temperatuurveranderingen, weersveranderingen, onkruid, het zes keer per jaar zal opleveren, en meerdere keren meer dan in natuurlijke omstandigheden. Onderweg stelden de onderzoekers vast hoeveel tarwe er gezaaid moet worden om één persoon te voeden.
Bionauten in de bunker
"Toen de grondlegger van de Russische kosmonauten, Sergei Korolev, kennis kreeg van de experimenten die werden uitgevoerd aan het Instituut voor Fysica van de SB RAS, raakte hij erin geïnteresseerd en ontmoette hij de oprichter en directeur van het Krasnoyarsk Instituut, academicus Leonid Kirensky," vervolgt Yegor Zadereev. - Op persoonlijk bevel van Korolev, die een autonoom levensondersteunend systeem nodig had voor het station op de maan, werden fondsen toegewezen om het onderzoek voort te zetten. Ze hebben het mogelijk gemaakt om in een recordtijd, in slechts zeven jaar, een kunstmatig ecosysteem "BIOS-3" te creëren.
Biofysici uit Krasnoyarsk ontvingen voor die tijd enorm veel geld - 1 miljoen roebel. Met deze fondsen bouwden ze in 1972 een speciale bunker, geïsoleerd van de buitenwereld met roestvrijstalen wanden, met een totale inhoud van 315 kubieke meter. m, en de oppervlakte is 14x9x2, 5 m.
De bunker was ontworpen voor drie personen en was opgedeeld in vier delen. Een daarvan bevatte woonhutten met bedden, een keuken-eetkamer, een badkamer en een werkruimte - een werkplaats-laboratorium met apparatuur voor het verwerken van gewassen, gebruikmakend van niet-eetbare biomassa, evenals met water- en luchtzuiveringssystemen. De andere drie delen waren voor planten. In een afgesloten ruimte en onder kunstlicht groeiden algen, evenals kweekvariëteiten van sojabonen, sla, komkommers, radijs, wortelen, bieten, dille, kool, aardappelen en uien. Ze regenereerden water en zuurstof en voorzagen de "bionauten" ook van alle voedingsstoffen, vitamines en micro-elementen die nodig waren voor hun bestaan. Dwergtarwe met een zeer korte steel, speciaal gekweekt door de Krasnoyarsk-fokker Henrikh Lisovsky, groeide daar ook: het oneetbare deel van het oor was minimaal in omvang en er was weinig afval. Ze gaf een oogst van 200-300 centners per hectare. En de Centraal-Aziatische kruidenchufa voorzag mensen van plantaardige olie.
Zodat mensen binnen "BIOS" met de buitenwereld konden communiceren, werd een afgesloten bunker voorzien van een tv en een telefoon. Er werd een koel- en stroomvoorzieningssysteem geïnstalleerd.
- Begin jaren zeventig woonden drie vrijwilligers uit de werknemers voor het eerst zes maanden - 180 dagen, van 24 december 1972 tot 22 juni 1973 - in de bunker, zegt Yegor Zadereev. “Alle zuurstof die ze inademden kwam van de planten die ze kweekten. Ze verwerkten ook kooldioxide. Aanvankelijk werd de beschikbare watervoorraad verwerkt en gezuiverd om vele malen te worden gebruikt.
De volgende communicatiesessie met testers in de BIOS-3-installatie is aan de gang. Tester V. V. Terskikh (in het raam), foto 1973. Foto: photo.kirensky.ru
Deelnemers aan het experiment aten groenten die ze zelf verbouwden, verzamelden en maalden tarwe en bakten er brood van. Dus kregen ze 300 gram brood en 400 gram groenten per dag. Dierlijke eiwit-"bionauten" zorgden voor voorraden ingeblikt voedsel en gevriesdroogd vlees. Constante medische observaties toonden aan dat een dergelijk dieet, evenals verwerkt en gezuiverd water en lucht, de gezondheid van de vrijwilligers niet nadelig beïnvloedde.
Het experiment duurde slechts zes maanden. Het werd duidelijk dat het geen zin had om ermee door te gaan: het in BIOS gecreëerde gesloten levensondersteunende systeem werkt feilloos. Een kunstmatig gecreëerde transportband voor de productie van water, zuurstof en voedsel faalt niet. Mits er natuurlijk een grote hoeveelheid elektriciteit van buiten komt, maar dit probleem in de ruimte of op een van de planeten is eenvoudig op te lossen met behulp van een kerncentrale of zonnepanelen.
Een jaar achter een gesloten deur
Op het station "BIOS-3", dat een buitenaardse nederzetting simuleert, vonden 10 experimenten plaats met autonome overleving. Bemanningen van één tot drie personen namen eraan deel. Ingenieur Nikolai Bugreev leefde langer in BIOS-3 dan de rest van de "bionauten" - in totaal 13 maanden.
In 1968 werd de ontwikkeling van Krasnoyarsk op het XIX-congres van de Internationale Astronautische Federatie beschouwd als een van de mogelijke prototypes van een biologisch systeem om het leven van mensen in een nieuwe fase in de verkenning van de ruimte te verzekeren - tijdens lange expedities. Dit is een wereldwijde erkenning geworden van de prestaties van Siberische biofysici.
Wetenschappers moesten nog een fundamenteel probleem oplossen: hoe kunnen mensen in een besloten ruimte niet alleen plantaardig voedsel krijgen, maar ook eiwitrijk voedsel. Een van de makers van BIOS-3, academicus Iosif Gitelzon, kwam destijds met een revolutionair idee om hiervoor genetisch gemodificeerde planten te gebruiken, die het gewenste dierlijke eiwit zouden produceren. De problemen van natuurlijk gebruik van plantaardige biomassa en de terugkeer van zout dat door het menselijk lichaam wordt uitgescheiden naar de intrasystemische massa-uitwisseling bleven ook onopgelost.
Wetenschappers besloten een succesvol experiment op aarde in de ruimte te herhalen. Het Krasnoyarsk Institute begon met het voorbereiden van de eerste containers voor het kweken van planten zonder zwaartekracht, maar toen brak de perestrojka uit. Vanwege het volledige gebrek aan financiering moest het unieke onderzoek dat op dat moment geen analogen in de wereld had, worden stopgezet en werd BIOS-3 stilgelegd.
Van links naar rechts - deelnemers aan het 6 maanden durende experiment in BIOS-3: M. P. Shilenko, V. V. Terskikh, N. I. Petrov, foto 1973. Foto: photo.kirensky.ru
Woestijnark
Pas 15 jaar later, in 1985, werd in de Verenigde Staten een poging ondernomen om een soortgelijk experiment uit te voeren.
Met het geld van de multimiljonair Ed Bass werd in Arizona een gigantische basis "Biosphere-2" gebouwd van luchtdichte koepels met een oppervlakte van 12.000 vierkante meter. m. Op dit uitgestrekte gebied hebben wetenschappers terrestrische landschappen gereproduceerd - woestijn, tropisch bos, savanne, zelfs een kleine oceaan met een koraalrif, planten geplant en honderden diersoorten binnengebracht. Er werd aangenomen dat dit alles vanzelf zou groeien en zich zou vermenigvuldigen en de vrijwilligers van het experiment alles zou geven wat nodig is voor het leven.
"Maar al snel werd duidelijk dat er een kritiek gebrek aan zuurstof was, we moesten de ramen openen zodat lucht van buiten naar binnen kon", zegt corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen, doctor in de biologische wetenschappen Sergei Olenin. - Toen begonnen de planten pijn te doen en stierven, sommige diersoorten stierven uit. Een ongelooflijk aantal kakkerlakken en mieren gefokt. Er was niet genoeg voedsel, het moest van buiten worden aangevoerd. Twee jaar later werd het experiment beëindigd, hoewel de makers van "Biosphere-2" hoopten dat het kunstmatige ecosysteem minstens 100 jaar in een autonome modus zou kunnen bestaan.
Na een mislukte eerste poging brachten Amerikaanse onderzoekers veranderingen aan in de kunstmatige wereld die ze creëerden en lanceerden ze in 2007 een tweede experiment. Het werd echter om een andere reden stopgezet: een van de leden van het nieuwe team van vrijwilligers viel anderen aan tijdens een ruzie. Daarna verloor de investeerder zijn interesse in het project en nu wordt deze "Ark van Noach" in het midden van de woestijn alleen bezocht door toeristen.
- Vorig jaar werd in China nog een experiment in autonoom overleven uitgevoerd. Het kreeg de naam "Lunar Palace-1", - vervolgt Sergey Olenin. - Wetenschappers, die de Krasnoyarsk-onderzoeken volledig hebben herhaald, slaagden erin om de deelnemers voor 75% van al het benodigde voedsel te voorzien, omdat de behoefte aan eiwitten werd bevredigd door de wormen die ze kweekten. Zo slaagden ze erin om drie maanden offline te leven.
Een wereld om te experimenteren
Nu begint de European Space Agency interesse te tonen in Krasnoyarsk-onderzoek. Met het ontvangen geld in de vorm van subsidies worden kleine experimenten uitgevoerd bij het Instituut voor Biofysica van de SB RAS, moderne apparatuur wordt aangeschaft voor de bunker, gebouwd in de late jaren zestig. Voor het kweken van planten wordt een kunstmatig grondachtig substraat gecreëerd. Er wordt geëxperimenteerd met de fysisch-chemische technologie van afbraak van organische stoffen tot minerale stoffen, die in de vorm van zouten voor plantengroei weer in de circulatie kunnen worden gebracht. Het gebruik van landslakken voor de productie van eiwitten die mensen nodig hebben, wordt onderzocht.
Er zijn echter niet genoeg middelen voor grootschalig onderzoek - hiervoor zijn enkele tientallen miljoenen dollars nodig. Iedereen begrijpt dat het nodig is om het werk aan het creëren van gesloten levensondersteunende systemen te hervatten, want zonder hen kan er geen sprake zijn van serieuze verkenning van de ruimte, maar alles hangt af van financiën. BIOS-3 is leeg. Hoewel dit het meest succesvolle experimentele systeem is, voldoet het volledig aan de menselijke behoefte aan water, lucht en plantenvoedsel via een gesloten biologische kringloop. Het zou al kunnen worden gebruikt, zij het nog niet op Mars of andere planeten, maar op aarde. Met zijn hulp is het inderdaad mogelijk om de schade aan het milieu honderden keren te verminderen, wat onvermijdelijk wordt veroorzaakt door mensen, aangezien BIOS-3 u in staat stelt een minimum aan hulpbronnen te verbruiken en bijna geen afval te produceren. Gesloten huizen zouden de belasting voor het milieu drastisch verminderen en zouden mensen ook kunnen voorzien van alles wat ze nodig hebben waar het moeilijk of duur is om te bereiken, bijvoorbeeld in afgelegen arctische zones, woestijnen of in de hooglanden, onder water.
- Een andere optie voor het gebruik van "BIOS" is om er experimenten in uit te voeren, die nog niemand ter wereld uitvoert. Iedereen praat gewoon over wat er gebeurt als bijvoorbeeld het methaangehalte in de atmosfeer een kritiek niveau bereikt. Komt er een ramp of niet? En in Krasnojarsk praten ze er misschien niet over, maar kijken wat er zal gebeuren in een klein gesloten ecosysteem, zegt Sergei Olenin. - En dit is slechts een van de mogelijke experimenten, die misschien niet eens een enorme, maar kolossale betekenis hebben voor de hele mensheid. Het is mogelijk om de processen van de circulatie van stoffen in de biosfeer van de aarde te bestuderen en niet alleen mensen te helpen overleven op andere planeten.
