Системи за поддържане на живота със затворен цикъл: Поддържане на живота в екстремни среди и отвъд тях

Системите за поддържане на живота със затворен цикъл (CLSS) представляват промяна в парадигмата за това как поддържаме човешкия живот в изолирани и с ограничени ресурси среди. Първоначално замислени за дългосрочни космически мисии, тези технологии все повече се признават заради потенциала им да се справят с належащи предизвикателства, свързани с устойчивостта на Земята. Тази статия предоставя цялостен преглед на CLSS, като изследва техните принципи, компоненти, приложения и най-съвременните изследвания, които оформят бъдещето им.

Какво е система за поддържане на живота със затворен цикъл?

CLSS е самоподдържаща се екологична система, предназначена да рециклира ресурси – въздух, вода и отпадъци – за да сведе до минимум нуждата от външни доставки. По същество тя имитира естествените биогеохимични цикли на Земята в затворена или частично затворена среда. Целта е да се създаде устойчиво местообитание, което може да осигури всички необходими ресурси за оцеляването и благосъстоянието на човека.

За разлика от системите с отворен цикъл, които разчитат в голяма степен на повторно снабдяване, CLSS се стремят към почти пълна регенерация на ресурсите. Това ги прави съществени за:

• Дългосрочни космически мисии: Намаляване на логистичната тежест и разходите за транспортиране на доставки до далечни дестинации като Марс.
• Планетарни предни постове и селища: Създаване на самодостатъчни местообитания на други планети.
• Екстремни среди на Земята: Подпомагане на изследователски станции в Антарктида, подводни местообитания и подземни бункери.
• Устойчиво земеделие и управление на ресурсите: Разработване на системи със затворен цикъл за производство на храни, пречистване на вода и рециклиране на отпадъци в градски среди и отдалечени общности.

Ключови компоненти на система за поддържане на живота със затворен цикъл

CLSS обикновено се състои от няколко взаимосвързани компонента, всеки от които е отговорен за определена функция:

1. Ревитализация на въздуха

Този компонент се фокусира върху поддържането на дихателна атмосфера чрез премахване на въглероден диоксид (CO2) и попълване на кислород (O2). Традиционните методи, като химическите скрубери, изискват повторно снабдяване с химикали. Усъвършенстваните CLSS използват:

• Физикохимични методи: Използване на химични реакции, адсорбция или мембранни технологии за отстраняване на CO2 и генериране на O2. Примерите включват реактора на Сабатие (превръщащ CO2 и водород в метан и вода) и електролизни клетки с твърд оксид (SOEC), които разделят водата на водород и кислород.
• Биорегенеративни методи: Използване на растения или водорасли за абсорбиране на CO2 чрез фотосинтеза и освобождаване на O2. Това също така осигурява източник на храна и помага за пречистването на водата.

Пример: Проектът MELiSSA (Микро-екологична алтернативна система за поддържане на живота) на Европейската космическа агенция (ЕКА) интегрира както физикохимични, така и биорегенеративни методи за ревитализация на въздуха.

2. Пречистване и рециклиране на вода

Водата е ценен ресурс, особено в затворени среди. CLSS използват сложни системи за пречистване и рециклиране на вода за възстановяване на вода от различни източници, включително:

• Урина и отпадъчни води: Използване на мембранна филтрация, дестилация и биологично пречистване за отстраняване на замърсители и патогени.
• Кондензат от влажност: Събиране на водни пари от въздуха.
• Транспирация на растенията: Възстановяване на водата, транспирирана от растенията.

Пречистената вода след това се използва повторно за пиене, хигиена и напояване на растенията.

Пример: Международната космическа станция (МКС) използва система за възстановяване на вода (WRS), която може да рециклира до 93% от водата на борда.

3. Производство на храна

Осигуряването на устойчиво снабдяване с храна е от решаващо значение за дългосрочното обитаване. CLSS интегрират системи за земеделие в контролирана среда (CEA) за отглеждане на култури на закрито, като се използва изкуствено осветление, хидропоника или аеропоника. Основните съображения включват:

• Циркулация на хранителни вещества: Възстановяване на хранителни вещества от отпадъчни материали и рециклирането им обратно в системата за производство на храни.
• Избор на култури: Избор на култури, които са хранителни, лесни за отглеждане и ефективни при преобразуването на CO2 в биомаса. Примерите включват пшеница, ориз, соя, картофи, маруля и спирулина.
• Оптимизация на ресурсите: Минимизиране на потреблението на вода и енергия.

Пример: Изследванията в Центъра за земеделие в контролирана среда към Университета на Аризона се фокусират върху разработването на ефективни и устойчиви системи за производство на храни за изследване на космоса и градско земеделие.

4. Управление на отпадъците

Ефективното управление на отпадъците е от съществено значение за поддържането на здравословна и санитарна среда. CLSS използват различни технологии за обработка и рециклиране на отпадъчни материали, включително:

• Компостиране: Използване на микроорганизми за разграждане на органични отпадъци в богат на хранителни вещества тор.
• Анаеробно смилане: Разграждане на органични отпадъци при липса на кислород за производство на биогаз (метан и CO2).
• Пиролиза: Нагряване на отпадъчни материали при липса на кислород за производство на био-масло, био-въглен и синтезен газ.
• Изгаряне: Изгаряне на отпадъци при високи температури за намаляване на обема им и генериране на енергия (с подходящи системи за контрол на емисиите).

Обработените отпадъци след това могат да бъдат използвани като тор за растежа на растенията или като източник на енергия.

Пример: Изследователският център „Еймс“ на НАСА разработва усъвършенствани системи за управление на отпадъците за бъдещи лунни и марсиански местообитания.

5. Контрол и мониторинг на околната среда

Поддържането на стабилна и комфортна среда е от решаващо значение за човешкото здраве и производителност. CLSS включват сложни системи за контрол на околната среда за регулиране на температурата, влажността, налягането на въздуха и осветлението. Те също така включват сензори и системи за мониторинг за проследяване на ключови параметри и откриване на всякакви аномалии.

Видове системи за поддържане на живота със затворен цикъл

CLSS могат да бъдат широко класифицирани в две категории:

1. Физикохимични системи за поддържане на живота (PCLSS)

Тези системи разчитат предимно на химични и физични процеси за регенериране на ресурси. Те обикновено са по-компактни и надеждни от биорегенеративните системи, но изискват повече енергия и могат да произвеждат токсични странични продукти.

Предимства:

• Висока ефективност и надеждност
• Компактен размер
• Добре установена технология

Недостатъци:

• Висока консумация на енергия
• Потенциал за генериране на токсични странични продукти
• Ограничена способност за адаптиране към променящи се условия

2. Биорегенеративни системи за поддържане на живота (BLSS)

Тези системи използват биологични организми, като растения, водорасли и микроорганизми, за рециклиране на ресурси. Те предлагат потенциал за по-голяма устойчивост и издръжливост, но са по-сложни и изискват внимателно управление.

Предимства:

• Устойчива регенерация на ресурси
• Отстраняване на CO2 и производство на O2
• Производство на храна
• Пречистване на вода
• Рециклиране на отпадъци
• Потенциал за психологически ползи (напр. наличието на растения)

Недостатъци:

• Сложност и нестабилност
• Чувствителност към промени в околната среда
• Бавно време за реакция
• Потенциал за замърсяване
• Големи изисквания за пространство

Текущи изследвания и разработки

В ход са значителни изследователски и развойни дейности за подобряване на ефективността, надеждността и устойчивостта на CLSS. Ключовите области на фокус включват:

• Усъвършенствани биореактори: Разработване на по-ефективни и компактни биореактори за ревитализация на въздуха, пречистване на вода и обработка на отпадъци.
• Оптимизиран избор на култури: Идентифициране на култури, които са най-подходящи за среди на CLSS, като се вземат предвид хранителната стойност, скоростта на растеж и изискванията за ресурси.
• Изкуствен интелект и машинно обучение: Използване на ИИ и машинно обучение за оптимизиране на производителността на системата, предвиждане на повреди и автоматизиране на процесите на контрол.
• Микробна екология: Разбиране на сложните взаимодействия между микроорганизмите в CLSS и как да се управляват за оптимално рециклиране на ресурсите.
• Аквакултури със затворен цикъл: Интегриране на аквакултурни системи в CLSS за производство на риба и други водни организми като източник на протеин.
• 3D принтиране: Използване на 3D принтиране за създаване на персонализирани компоненти за CLSS, като биореактори, хидропонни системи и устройства за управление на отпадъци.

Приложения на системите за поддържане на живота със затворен цикъл

1. Изследване на космоса

Основният двигател за развитието на CLSS е необходимостта да се поддържат астронавтите по време на дългосрочни космически мисии. CLSS са от съществено значение за намаляване на зависимостта от повторно снабдяване и за umożliwiaване на човешкото изследване на Марс и отвъд.

Пример: Програмата на НАСА за усъвършенствани изследователски системи (AES) разработва CLSS технологии за бъдещи лунни и марсиански мисии.

2. Планетарни предни постове и селища

CLSS ще бъдат от решаващо значение за създаването на самодостатъчни местообитания на други планети. Тези системи ще трябва да осигурят всички необходими ресурси за човешкото оцеляване, включително въздух, вода, храна и управление на отпадъците.

Пример: Марсианското общество разработва Марсианска пустинна изследователска станция (MDRS) в Юта, за да симулира предизвикателствата на живота на Марс и да тества CLSS технологии.

3. Екстремни среди на Земята

CLSS могат да се използват и за подпомагане на човешкото обитаване в екстремни среди на Земята, като Антарктида, подводни местообитания и подземни бункери.

Пример: Изследователските станции в Антарктида използват CLSS технологии, за да намалят въздействието си върху околната среда и да подобрят своята устойчивост.

4. Устойчиво земеделие и управление на ресурсите

Принципите на CLSS могат да бъдат приложени за разработване на по-устойчиви земеделски практики и системи за управление на ресурсите на Земята. Това включва:

• Вертикално земеделие: Отглеждане на култури на закрито в подредени слоеве за максимално използване на пространството и минимизиране на консумацията на вода.
• Аквапоника: Интегриране на аквакултури и хидропоника за създаване на система със затворен цикъл, която рециклира хранителни вещества и вода.
• Пречистване на отпадъчни води: Използване на биологични системи за пречистване на отпадъчни води и възстановяване на ценни ресурси.
• Анаеробно смилане: Превръщане на органични отпадъци в биогаз и тор.

Пример: Многобройни компании и организации разработват вертикални ферми и аквапонични системи в градски среди, за да осигурят прясна, местно отгледана храна, като същевременно намаляват транспортните разходи и въздействието върху околната среда.

5. Помощ при бедствия и готовност за извънредни ситуации

CLSS могат да се използват за осигуряване на основни ресурси в пострадали от бедствия райони и по време на извънредни ситуации. Самостоятелните CLSS модули могат да осигурят чиста вода, храна и подслон за разселено население.

Предизвикателства и бъдещи насоки

Въпреки значителния напредък, остават няколко предизвикателства в разработването и внедряването на CLSS:

• Сложност и разходи: CLSS са сложни и скъпи за проектиране, изграждане и експлоатация.
• Надеждност и здравина: CLSS трябва да бъдат изключително надеждни и здрави, за да издържат на сурови условия на околната среда и неочаквани събития.
• Мащабируемост: CLSS трябва да бъдат мащабируеми, за да поддържат по-голямо население и по-дълги периоди.
• Интеграция: Интегрирането на различни компоненти на CLSS в съгласувана и ефективна система е голямо предизвикателство.
• Обществено приемане: Преодоляването на обществения скептицизъм и спечелването на приемане за CLSS технологиите е от решаващо значение за тяхното широко разпространение.

Бъдещите изследователски и развойни дейности ще се фокусират върху справянето с тези предизвикателства и подобряването на производителността и достъпността на CLSS. Ключовите области на иновации включват:

• Разработване на по-ефективни и компактни биореактори.
• Оптимизиране на избора на култури за среди на CLSS.
• Използване на изкуствен интелект и машинно обучение за автоматизиране на контрола и управлението на CLSS.
• Интегриране на възобновяеми енергийни източници в CLSS.
• Разработване на аквакултурни системи със затворен цикъл.
• Използване на 3D принтиране за създаване на персонализирани компоненти на CLSS.
• Изследване на потенциала на синтетичната биология за създаване на нови организми за регенерация на ресурси.

Заключение

Системите за поддържане на живота със затворен цикъл представляват трансформираща технология с потенциал да революционизира изследването на космоса и да се справи с критични предизвикателства пред устойчивостта на Земята. Макар да остават значителни предизвикателства, продължаващите изследователски и развойни дейности проправят пътя към по-ефективни, надеждни и достъпни CLSS. Докато продължаваме да изследваме космоса и да се стремим към по-устойчиво бъдеще, CLSS ще играят все по-важна роля в осигуряването на оцеляването и благосъстоянието на човечеството.

Пътуването към напълно затворени системи е продължаващ процес, изискващ интердисциплинарно сътрудничество между инженери, биолози, учени по околната среда и политици по целия свят. Това е инвестиция в нашето бъдеще, както в необятния космос, така и на нашата родна планета, Земята.

Допълнителна информация за четене

• Проект MELiSSA (Европейска космическа агенция): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• Усъвършенствани изследователски системи на НАСА (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Център за земеделие в контролирана среда (Университет на Аризона): https://ceac.arizona.edu/