Slēgta cikla dzīvības uzturēšanas sistēmas: Dzīvības uzturēšana ekstremālos apstākļos un ārpus tiem

Slēgta cikla dzīvības uzturēšanas sistēmas (SCdzUS) ir paradigmas maiņa mūsu pieejā cilvēka dzīvības uzturēšanai izolētā un ierobežotu resursu vidē. Sākotnēji izstrādātas ilgtermiņa kosmosa misijām, šīs tehnoloģijas arvien vairāk tiek atzītas par to potenciālu risināt aktuālas ilgtspējas problēmas uz Zemes. Šis raksts sniedz visaptverošu pārskatu par SCdzUS, pētot to principus, sastāvdaļas, pielietojumu un progresīvos pētījumus, kas veido to nākotni.

Kas ir slēgta cikla dzīvības uzturēšanas sistēma?

SCdzUS ir autonoma ekoloģiska sistēma, kas paredzēta resursu – gaisa, ūdens un atkritumu – pārstrādei, lai samazinātu nepieciešamību pēc ārējiem resursiem. Būtībā tā atdarina Zemes dabiskos bioģeoķīmiskos ciklus slēgtā vai daļēji slēgtā vidē. Mērķis ir izveidot ilgtspējīgu dzīvotni, kas spēj nodrošināt visus nepieciešamos resursus cilvēka izdzīvošanai un labklājībai.

Atšķirībā no atvērta cikla sistēmām, kas lielā mērā ir atkarīgas no piegādēm, SCdzUS mērķis ir gandrīz pilnīga resursu reģenerācija. Tādēļ tās ir būtiskas:

• Ilgtermiņa kosmosa misijām: Samazinot loģistikas slogu un izmaksas, kas saistītas ar piegāžu transportēšanu uz tāliem galamērķiem, piemēram, Marsu.
• Planetārām bāzēm un apmetnēm: Veidojot pašpietiekamas dzīvotnes uz citām planētām.
• Ekstremāliem apstākļiem uz Zemes: Atbalstot pētniecības stacijas Antarktīdā, zemūdens dzīvotnes un pazemes bunkurus.
• Ilgtspējīgai lauksaimniecībai un resursu pārvaldībai: Izstrādājot slēgta cikla sistēmas pārtikas ražošanai, ūdens attīrīšanai un atkritumu pārstrādei pilsētvidē un attālās kopienās.

Slēgta cikla dzīvības uzturēšanas sistēmas galvenās sastāvdaļas

A SCdzUS parasti sastāv no vairākām savstarpēji savienotām sastāvdaļām, no kurām katra ir atbildīga par konkrētu funkciju:

1. Gaisa atjaunošana

Šī sastāvdaļa koncentrējas uz elpošanai piemērotas atmosfēras uzturēšanu, noņemot oglekļa dioksīdu (CO2) un papildinot skābekli (O2). Tradicionālās metodes, piemēram, ķīmiskie skruberiem, prasa ķimikāliju piegādi. Progresīvās SCdzUS izmanto:

• Fizikāli ķīmiskās metodes: Izmantojot ķīmiskas reakcijas, adsorbciju vai membrānu tehnoloģijas, lai noņemtu CO2 un radītu O2. Piemēri ietver Sabatjē reaktoru (pārvēršot CO2 un ūdeņradi metānā un ūdenī) un cietā oksīda elektrolīzes šūnas (SOEC), kas sadala ūdeni ūdeņradī un skābeklī.
• Bioreģeneratīvās metodes: Izmantojot augus vai aļģes, lai absorbētu CO2 fotosintēzes procesā un izdalītu O2. Tas nodrošina arī pārtikas avotu un palīdz attīrīt ūdeni.

Piemērs: Eiropas Kosmosa aģentūras (EKA) projekts MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) integrē gan fizikāli ķīmiskās, gan bioreģeneratīvās metodes gaisa atjaunošanai.

2. Ūdens attīrīšana un pārstrāde

Ūdens ir dārgs resurss, īpaši slēgtās vidēs. SCdzUS izmanto sarežģītas ūdens attīrīšanas un pārstrādes sistēmas, lai atgūtu ūdeni no dažādiem avotiem, tostarp:

• Urīns un notekūdeņi: Izmantojot membrānu filtrāciju, destilāciju un bioloģisko attīrīšanu, lai noņemtu piesārņotājus un patogēnus.
• Mitruma kondensāts: Savācot ūdens tvaikus no gaisa.
• Augu transpirācija: Atgūstot ūdeni, ko augi izdala transpirācijas procesā.

Attīrīto ūdeni pēc tam atkārtoti izmanto dzeršanai, higiēnai un augu laistīšanai.

Piemērs: Starptautiskā kosmosa stacija (SKS) izmanto ūdens atgūšanas sistēmu (WRS), kas spēj pārstrādāt līdz pat 93% no ūdens uz klāja.

3. Pārtikas ražošana

Ilgtspējīgas pārtikas piegādes nodrošināšana ir būtiska ilgtermiņa apdzīvošanai. SCdzUS integrē kontrolētas vides lauksaimniecības (CEA) sistēmas, lai audzētu kultūraugus telpās, izmantojot mākslīgo apgaismojumu, hidroponiku vai aeroponiku. Galvenie apsvērumi ietver:

• Uzturvielu cikls: Atgūstot uzturvielas no atkritumiem un pārstrādājot tās atpakaļ pārtikas ražošanas sistēmā.
• Kultūraugu izvēle: Izvēloties kultūraugus, kas ir barojoši, viegli audzējami un efektīvi pārvērš CO2 biomasā. Piemēri ir kvieši, rīsi, sojas pupas, kartupeļi, salāti un spirulīna.
• Resursu optimizācija: Minimizējot ūdens un enerģijas patēriņu.

Piemērs: Arizonas Universitātes Kontrolētās vides lauksaimniecības centra pētījumi koncentrējas uz efektīvu un ilgtspējīgu pārtikas ražošanas sistēmu izstrādi kosmosa izpētei un pilsētu lauksaimniecībai.

4. Atkritumu apsaimniekošana

Efektīva atkritumu apsaimniekošana ir būtiska veselīgas un sanitāras vides uzturēšanai. SCdzUS izmanto dažādas tehnoloģijas, lai apstrādātu un pārstrādātu atkritumus, tostarp:

• Kompostēšana: Izmantojot mikroorganismus, lai sadalītu organiskos atkritumus barības vielām bagātā mēslojumā.
• Anaerobā pārstrāde: Organisko atkritumu sadalīšana bezskābekļa vidē, lai ražotu biogāzi (metānu un CO2).
• Pirolīze: Atkritumu karsēšana bezskābekļa vidē, lai ražotu bioeļļu, bioogli un sintēzes gāzi.
• Sadedzināšana: Atkritumu dedzināšana augstā temperatūrā, lai samazinātu to apjomu un radītu enerģiju (ar atbilstošām emisiju kontroles sistēmām).

Apstrādātos atkritumus pēc tam var izmantot kā mēslojumu augu augšanai vai kā enerģijas avotu.

Piemērs: NASA Eimsa pētniecības centrs izstrādā progresīvas atkritumu apsaimniekošanas sistēmas nākotnes Mēness un Marsa dzīvotnēm.

5. Vides kontrole un uzraudzība

Stabilas un komfortablas vides uzturēšana ir būtiska cilvēka veselībai un produktivitātei. SCdzUS ietver sarežģītas vides kontroles sistēmas, lai regulētu temperatūru, mitrumu, gaisa spiedienu un apgaismojumu. Tās ietver arī sensorus un uzraudzības sistēmas, lai sekotu līdzi galvenajiem parametriem un atklātu jebkādas anomālijas.

Slēgta cikla dzīvības uzturēšanas sistēmu veidi

SCdzUS var plaši iedalīt divās kategorijās:

1. Fizikāli ķīmiskās dzīvības uzturēšanas sistēmas (PCLSS)

Šīs sistēmas galvenokārt balstās uz ķīmiskiem un fizikāliem procesiem, lai reģenerētu resursus. Tās parasti ir kompaktākas un uzticamākas nekā bioreģeneratīvās sistēmas, taču tām nepieciešams vairāk enerģijas un tās var radīt toksiskus blakusproduktus.

Priekšrocības:

• Augsta efektivitāte un uzticamība
• Kompakts izmērs
• Labi izveidota tehnoloģija

Trūkumi:

• Augsts enerģijas patēriņš
• Potenciāla toksisku blakusproduktu rašanās
• Ierobežota spēja pielāgoties mainīgiem apstākļiem

2. Bioreģeneratīvās dzīvības uzturēšanas sistēmas (BLSS)

Šīs sistēmas izmanto bioloģiskus organismus, piemēram, augus, aļģes un mikroorganismus, lai pārstrādātu resursus. Tās piedāvā lielāku ilgtspēju un noturību, taču ir sarežģītākas un prasa rūpīgu pārvaldību.

Priekšrocības:

• Ilgtspējīga resursu reģenerācija
• CO2 noņemšana un O2 ražošana
• Pārtikas ražošana
• Ūdens attīrīšana
• Atkritumu pārstrāde
• Potenciālie psiholoģiskie ieguvumi (piemēram, augu klātbūtne)

Trūkumi:

• Sarežģītība un nestabilitāte
• Jutīgums pret vides izmaiņām
• Lēns reakcijas laiks
• Piesārņojuma potenciāls
• Lielas telpas prasības

Pašreizējie pētījumi un attīstība

Notiek nozīmīgi pētniecības un attīstības darbi, lai uzlabotu SCdzUS efektivitāti, uzticamību un ilgtspēju. Galvenās uzmanības jomas ietver:

• Progresīvi bioreaktori: Efektīvāku un kompaktāku bioreaktoru izstrāde gaisa atjaunošanai, ūdens attīrīšanai un atkritumu apstrādei.
• Optimizēta kultūraugu izvēle: Identificējot kultūraugus, kas vislabāk piemēroti SCdzUS videi, ņemot vērā uzturvērtību, augšanas ātrumu un resursu prasības.
• Mākslīgais intelekts un mašīnmācīšanās: Izmantojot AI un mašīnmācīšanos, lai optimizētu sistēmas veiktspēju, prognozētu kļūmes un automatizētu kontroles procesus.
• Mikrobu ekoloģija: Izprotot sarežģītās mijiedarbības starp mikroorganismiem SCdzUS un kā tos pārvaldīt optimālai resursu aprites nodrošināšanai.
• Slēgta cikla akvakultūra: Integrējot akvakultūras sistēmas SCdzUS, lai ražotu zivis un citus ūdens organismus kā olbaltumvielu avotu.
• 3D druka: Izmantojot 3D druku, lai izveidotu pielāgotas SCdzUS sastāvdaļas, piemēram, bioreaktorus, hidroponiskās sistēmas un atkritumu apsaimniekošanas ierīces.

Slēgta cikla dzīvības uzturēšanas sistēmu pielietojumi

1. Kosmosa izpēte

Galvenais virzītājspēks SCdzUS attīstībai ir bijusi nepieciešamība uzturēt astronautus ilgstošu kosmosa misiju laikā. SCdzUS ir būtiskas, lai samazinātu atkarību no piegādēm un nodrošinātu cilvēka izpēti uz Marsa un tālāk.

Piemērs: NASA programma Advanced Exploration Systems (AES) izstrādā SCdzUS tehnoloģijas nākotnes misijām uz Mēnesi un Marsu.

2. Planetārās bāzes un apmetnes

SCdzUS būs kritiski svarīgas, lai izveidotu pašpietiekamas dzīvotnes uz citām planētām. Šīm sistēmām būs jānodrošina visi nepieciešamie resursi cilvēka izdzīvošanai, tostarp gaiss, ūdens, pārtika un atkritumu apsaimniekošana.

Piemērs: Marsa biedrība (The Mars Society) Jūtā izstrādā Marsa tuksneša pētniecības staciju (MDRS), lai simulētu dzīves izaicinājumus uz Marsa un testētu SCdzUS tehnoloģijas.

3. Ekstremālas vides uz Zemes

SCdzUS var izmantot arī, lai atbalstītu cilvēku apdzīvošanu ekstremālās vidēs uz Zemes, piemēram, Antarktīdā, zemūdens dzīvotnēs un pazemes bunkuros.

Piemērs: Pētniecības stacijas Antarktīdā izmanto SCdzUS tehnoloģijas, lai samazinātu savu ietekmi uz vidi un uzlabotu ilgtspēju.

4. Ilgtspējīga lauksaimniecība un resursu pārvaldība

SCdzUS principus var piemērot, lai izstrādātu ilgtspējīgākas lauksaimniecības prakses un resursu pārvaldības sistēmas uz Zemes. Tas ietver:

• Vertikālā lauksaimniecība: Audzējot kultūraugus iekštelpās sakrautos slāņos, lai maksimāli izmantotu telpu un samazinātu ūdens patēriņu.
• Akvaponika: Integrējot akvakultūru un hidroponiku, lai izveidotu slēgta cikla sistēmu, kas pārstrādā barības vielas un ūdeni.
• Notekūdeņu attīrīšana: Izmantojot bioloģiskās attīrīšanas sistēmas, lai attīrītu notekūdeņus un atgūtu vērtīgus resursus.
• Anaerobā pārstrāde: Pārvēršot organiskos atkritumus biogāzē un mēslojumā.

Piemērs: Daudzi uzņēmumi un organizācijas pilsētvidē attīsta vertikālās fermas un akvaponikas sistēmas, lai nodrošinātu svaigu, lokāli audzētu pārtiku, vienlaikus samazinot transporta izmaksas un ietekmi uz vidi.

5. Katastrofu seku likvidēšana un gatavība ārkārtas situācijām

SCdzUS var izmantot, lai nodrošinātu būtiskus resursus katastrofu skartajās teritorijās un ārkārtas situācijās. Autonomas SCdzUS vienības var nodrošināt tīru ūdeni, pārtiku un pajumti pārvietotajiem iedzīvotājiem.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni

Neskatoties uz ievērojamu progresu, SCdzUS izstrādē un ieviešanā joprojām pastāv vairāki izaicinājumi:

• Sarežģītība un izmaksas: SCdzUS ir sarežģītas un dārgas projektēšanā, būvniecībā un ekspluatācijā.
• Uzticamība un robustums: SCdzUS ir jābūt ļoti uzticamām un robustām, lai izturētu skarbos vides apstākļus un neparedzētus notikumus.
• Mērogojamība: SCdzUS ir jābūt mērogojamām, lai atbalstītu lielākas populācijas un ilgākus laika periodus.
• Integrācija: Dažādu SCdzUS komponentu integrēšana vienotā un efektīvā sistēmā ir liels izaicinājums.
• Sabiedrības pieņemšana: Sabiedrības skepticisma pārvarēšana un SCdzUS tehnoloģiju pieņemšanas veicināšana ir būtiska to plašai ieviešanai.

Nākotnes pētniecības un attīstības centieni koncentrēsies uz šo izaicinājumu risināšanu un SCdzUS veiktspējas un pieejamības uzlabošanu. Galvenās inovāciju jomas ietver:

• Efektīvāku un kompaktāku bioreaktoru izstrādi.
• Kultūraugu izvēles optimizēšanu SCdzUS videi.
• Mākslīgā intelekta un mašīnmācīšanās izmantošanu, lai automatizētu SCdzUS kontroli un pārvaldību.
• Atjaunojamo enerģijas avotu integrēšanu SCdzUS.
• Slēgta cikla akvakultūras sistēmu izstrādi.
• 3D drukas izmantošanu, lai izveidotu pielāgotas SCdzUS sastāvdaļas.
• Sintētiskās bioloģijas potenciāla izpēti, lai radītu jaunus organismus resursu reģenerācijai.

Secinājums

Slēgta cikla dzīvības uzturēšanas sistēmas ir transformējoša tehnoloģija ar potenciālu revolucionizēt kosmosa izpēti un risināt kritiskus ilgtspējas izaicinājumus uz Zemes. Lai gan joprojām pastāv ievērojami izaicinājumi, notiekošie pētniecības un attīstības centieni paver ceļu efektīvākām, uzticamākām un pieejamākām SCdzUS. Turpinot pētīt kosmosu un tiecoties uz ilgtspējīgāku nākotni, SCdzUS spēlēs arvien nozīmīgāku lomu cilvēces izdzīvošanas un labklājības nodrošināšanā.

Ceļš uz pilnībā slēgta cikla sistēmām ir nepārtraukts process, kas prasa starpdisciplināru sadarbību starp inženieriem, biologiem, vides zinātniekiem un politikas veidotājiem visā pasaulē. Tā ir investīcija mūsu nākotnē gan plašajā kosmosa telpā, gan uz mūsu mājas planētas Zemes.

Papildu literatūra

• MELiSSA projekts (Eiropas Kosmosa aģentūra): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• NASA Advanced Exploration Systems (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Kontrolētās vides lauksaimniecības centrs (Arizonas Universitāte): https://ceac.arizona.edu/