Замкнутые системы жизнеобеспечения: поддержание жизни в экстремальных условиях и за их пределами

Замкнутые системы жизнеобеспечения (ЗСЖО) представляют собой сдвиг парадигмы в нашем подходе к поддержанию человеческой жизни в изолированных и ресурсоограниченных средах. Изначально разработанные для длительных космических миссий, эти технологии всё больше признаются за их потенциал в решении насущных проблем устойчивого развития на Земле. В этой статье представлен всесторонний обзор ЗСЖО, исследующий их принципы, компоненты, применение и передовые исследования, формирующие их будущее.

Что такое замкнутая система жизнеобеспечения?

ЗСЖО — это автономная экологическая система, предназначенная для рециркуляции ресурсов — воздуха, воды и отходов — с целью минимизации потребности во внешних поставках. По сути, она имитирует природные биогеохимические циклы Земли в замкнутой или частично замкнутой среде. Цель состоит в создании устойчивой среды обитания, способной обеспечить все необходимые ресурсы для выживания и благополучия человека.

В отличие от систем с открытым циклом, которые в значительной степени зависят от пополнения запасов, ЗСЖО нацелены на почти полную регенерацию ресурсов. Это делает их незаменимыми для:

• Длительных космических миссий: Снижение логистической нагрузки и стоимости транспортировки припасов в отдаленные места, такие как Марс.
• Планетарных аванпостов и поселений: Создание самодостаточных сред обитания на других планетах.
• Экстремальных сред на Земле: Поддержка исследовательских станций в Антарктиде, подводных сред обитания и подземных бункеров.
• Устойчивого сельского хозяйства и управления ресурсами: Разработка замкнутых систем для производства продуктов питания, очистки воды и переработки отходов в городских условиях и отдаленных сообществах.

Ключевые компоненты замкнутой системы жизнеобеспечения

ЗСЖО обычно состоит из нескольких взаимосвязанных компонентов, каждый из которых отвечает за определенную функцию:

1. Ревитализация воздуха

Этот компонент направлен на поддержание пригодной для дыхания атмосферы путем удаления углекислого газа (CO2) и пополнения кислорода (O2). Традиционные методы, такие как химические поглотители, требуют пополнения химикатов. В передовых ЗСЖО используются:

• Физико-химические методы: Использование химических реакций, адсорбции или мембранных технологий для удаления CO2 и генерации O2. Примеры включают реактор Сабатье (преобразующий CO2 и водород в метан и воду) и твердооксидные электролизеры (SOEC), которые расщепляют воду на водород и кислород.
• Биорегенеративные методы: Использование растений или водорослей для поглощения CO2 в процессе фотосинтеза и выделения O2. Это также обеспечивает источник пищи и помогает очищать воду.

Пример: Проект Европейского космического агентства (ЕКА) MELiSSA (Альтернативная микроэкологическая система жизнеобеспечения) объединяет как физико-химические, так и биорегенеративные методы для ревитализации воздуха.

2. Очистка и рециркуляция воды

Вода — это ценный ресурс, особенно в замкнутых средах. В ЗСЖО используются сложные системы очистки и рециркуляции воды для восстановления воды из различных источников, включая:

• Моча и сточные воды: Использование мембранной фильтрации, дистилляции и биологической очистки для удаления загрязняющих веществ и патогенов.
• Конденсат влаги: Сбор водяного пара из воздуха.
• Транспирация растений: Восстановление воды, испаряемой растениями.

Очищенная вода затем повторно используется для питья, гигиены и полива растений.

Пример: На Международной космической станции (МКС) используется Система регенерации воды (WRS), которая может рециркулировать до 93% воды на борту.

3. Производство продуктов питания

Обеспечение устойчивого снабжения продуктами питания имеет решающее значение для долгосрочного проживания. В ЗСЖО интегрированы системы сельского хозяйства в контролируемой среде (CEA) для выращивания сельскохозяйственных культур в помещении с использованием искусственного освещения, гидропоники или аэропоники. Ключевые соображения включают:

• Круговорот питательных веществ: Восстановление питательных веществ из отходов и их возвращение в систему производства продуктов питания.
• Выбор культур: Выбор культур, которые питательны, просты в выращивании и эффективно преобразуют CO2 в биомассу. Примеры включают пшеницу, рис, сою, картофель, салат и спирулину.
• Оптимизация ресурсов: Минимизация потребления воды и энергии.

Пример: Исследования в Центре сельского хозяйства в контролируемой среде Университета Аризоны сосредоточены на разработке эффективных и устойчивых систем производства продуктов питания для освоения космоса и городского сельского хозяйства.

4. Управление отходами

Эффективное управление отходами необходимо для поддержания здоровой и санитарной среды. В ЗСЖО используются различные технологии для обработки и переработки отходов, в том числе:

• Компостирование: Использование микроорганизмов для разложения органических отходов в богатое питательными веществами удобрение.
• Анаэробное сбраживание: Разложение органических отходов в отсутствие кислорода для производства биогаза (метан и CO2).
• Пиролиз: Нагревание отходов в отсутствие кислорода для производства био-масла, биоугля и синтез-газа.
• Сжигание: Сжигание отходов при высоких температурах для уменьшения их объема и выработки энергии (с соответствующими системами контроля выбросов).

Обработанные отходы затем могут использоваться в качестве удобрения для роста растений или как источник энергии.

Пример: Исследовательский центр Эймса НАСА разрабатывает передовые системы управления отходами для будущих лунных и марсианских баз.

5. Контроль и мониторинг окружающей среды

Поддержание стабильной и комфортной среды имеет решающее значение для здоровья и продуктивности человека. ЗСЖО включают в себя сложные системы контроля окружающей среды для регулирования температуры, влажности, давления воздуха и освещения. Они также включают датчики и системы мониторинга для отслеживания ключевых параметров и обнаружения любых аномалий.

Типы замкнутых систем жизнеобеспечения

ЗСЖО можно условно разделить на две категории:

1. Физико-химические системы жизнеобеспечения (ФХСЖО)

Эти системы в основном полагаются на химические и физические процессы для регенерации ресурсов. Они, как правило, более компактны и надежны, чем биорегенеративные системы, но требуют больше энергии и могут производить токсичные побочные продукты.

Преимущества:

• Высокая эффективность и надежность
• Компактный размер
• Хорошо зарекомендовавшая себя технология

Недостатки:

• Высокое энергопотребление
• Возможность образования токсичных побочных продуктов
• Ограниченная способность адаптироваться к изменяющимся условиям

2. Биорегенеративные системы жизнеобеспечения (БСЖО)

Эти системы используют биологические организмы, такие как растения, водоросли и микроорганизмы, для рециркуляции ресурсов. Они предлагают потенциал для большей устойчивости и отказоустойчивости, но они более сложны и требуют тщательного управления.

Преимущества:

• Устойчивая регенерация ресурсов
• Удаление CO2 и производство O2
• Производство продуктов питания
• Очистка воды
• Переработка отходов
• Потенциальные психологические преимущества (например, присутствие растений)

Недостатки:

• Сложность и нестабильность
• Чувствительность к изменениям окружающей среды
• Медленное время отклика
• Возможность загрязнения
• Большие требования к пространству

Текущие исследования и разработки

В настоящее время ведутся значительные исследования и разработки для повышения эффективности, надежности и устойчивости ЗСЖО. Ключевые направления включают:

• Передовые биореакторы: Разработка более эффективных и компактных биореакторов для ревитализации воздуха, очистки воды и обработки отходов.
• Оптимизированный выбор культур: Определение культур, наиболее подходящих для сред ЗСЖО, с учетом пищевой ценности, скорости роста и потребностей в ресурсах.
• Искусственный интеллект и машинное обучение: Использование ИИ и машинного обучения для оптимизации производительности системы, прогнозирования сбоев и автоматизации процессов управления.
• Микробная экология: Понимание сложных взаимодействий между микроорганизмами в ЗСЖО и способов управления ими для оптимального круговорота ресурсов.
• Замкнутая аквакультура: Интеграция систем аквакультуры в ЗСЖО для производства рыбы и других водных организмов в качестве источника белка.
• 3D-печать: Использование 3D-печати для создания индивидуальных компонентов для ЗСЖО, таких как биореакторы, гидропонные системы и устройства для управления отходами.

Применение замкнутых систем жизнеобеспечения

1. Освоение космоса

Основным стимулом для разработки ЗСЖО была необходимость поддержания жизнедеятельности астронавтов во время длительных космических миссий. ЗСЖО необходимы для уменьшения зависимости от пополнения запасов и обеспечения освоения человеком Марса и других планет.

Пример: Программа НАСА «Передовые исследовательские системы» (AES) разрабатывает технологии ЗСЖО для будущих миссий на Луну и Марс.

2. Планетарные аванпосты и поселения

ЗСЖО будут иметь решающее значение для создания самодостаточных сред обитания на других планетах. Эти системы должны будут обеспечивать все необходимые ресурсы для выживания человека, включая воздух, воду, пищу и управление отходами.

Пример: Марсианское общество разрабатывает Марсианскую пустынную исследовательскую станцию (MDRS) в штате Юта для моделирования проблем жизни на Марсе и тестирования технологий ЗСЖО.

3. Экстремальные среды на Земле

ЗСЖО также могут использоваться для поддержки проживания человека в экстремальных условиях на Земле, таких как Антарктида, подводные среды обитания и подземные бункеры.

Пример: Исследовательские станции в Антарктиде используют технологии ЗСЖО для снижения своего воздействия на окружающую среду и повышения устойчивости.

4. Устойчивое сельское хозяйство и управление ресурсами

Принципы ЗСЖО могут быть применены для разработки более устойчивых сельскохозяйственных практик и систем управления ресурсами на Земле. Это включает в себя:

• Вертикальное фермерство: Выращивание культур в помещении в несколько ярусов для максимального использования пространства и минимизации потребления воды.
• Аквапоника: Интеграция аквакультуры и гидропоники для создания замкнутой системы, которая рециркулирует питательные вещества и воду.
• Очистка сточных вод: Использование систем биологической очистки для очистки сточных вод и восстановления ценных ресурсов.
• Анаэробное сбраживание: Преобразование органических отходов в биогаз и удобрения.

Пример: Множество компаний и организаций разрабатывают вертикальные фермы и аквапонические системы в городских условиях для обеспечения свежей, локально выращенной пищей при одновременном снижении транспортных расходов и воздействия на окружающую среду.

5. Ликвидация последствий стихийных бедствий и готовность к чрезвычайным ситуациям

ЗСЖО могут использоваться для обеспечения жизненно важных ресурсов в пострадавших от стихийных бедствий районах и во время чрезвычайных ситуаций. Автономные блоки ЗСЖО могут обеспечивать чистую воду, пищу и кров для перемещенного населения.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на значительный прогресс, в разработке и внедрении ЗСЖО остается несколько проблем:

• Сложность и стоимость: ЗСЖО сложны и дороги в проектировании, строительстве и эксплуатации.
• Надежность и прочность: ЗСЖО должны быть высоконадежными и прочными, чтобы выдерживать суровые условия окружающей среды и непредвиденные события.
• Масштабируемость: ЗСЖО должны быть масштабируемыми для поддержки более крупных популяций и более длительных периодов.
• Интеграция: Интеграция различных компонентов ЗСЖО в единую и эффективную систему является серьезной проблемой.
• Общественное признание: Преодоление общественного скептицизма и получение признания технологий ЗСЖО имеет решающее значение для их широкого внедрения.

Будущие исследования и разработки будут сосредоточены на решении этих проблем и повышении производительности и доступности ЗСЖО. Ключевые области инноваций включают:

• Разработка более эффективных и компактных биореакторов.
• Оптимизация выбора культур для сред ЗСЖО.
• Использование искусственного интеллекта и машинного обучения для автоматизации контроля и управления ЗСЖО.
• Интеграция возобновляемых источников энергии в ЗСЖО.
• Разработка замкнутых систем аквакультуры.
• Использование 3D-печати для создания индивидуальных компонентов ЗСЖО.
• Исследование потенциала синтетической биологии для создания новых организмов для регенерации ресурсов.

Заключение

Замкнутые системы жизнеобеспечения представляют собой преобразующую технологию с потенциалом революционизировать освоение космоса и решать критические проблемы устойчивого развития на Земле. Хотя значительные проблемы остаются, текущие исследования и разработки прокладывают путь к более эффективным, надежным и доступным ЗСЖО. По мере того как мы продолжаем исследовать космос и стремиться к более устойчивому будущему, ЗСЖО будут играть все более важную роль в обеспечении выживания и благополучия человечества.

Путь к полностью замкнутым системам — это непрерывный процесс, требующий междисциплинарного сотрудничества инженеров, биологов, экологов и политиков по всему миру. Это инвестиция в наше будущее, как в бескрайних просторах космоса, так и на нашей родной планете, Земле.

Дополнительная литература

• Проект MELiSSA (Европейское космическое агентство): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• Передовые исследовательские системы НАСА (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Центр сельского хозяйства в контролируемой среде (Университет Аризоны): https://ceac.arizona.edu/