Замкнені системи життєзабезпечення: Підтримка життя в екстремальних умовах та за їх межами

Замкнені системи життєзабезпечення (ЗСЖ) являють собою парадигмальний зсув у нашому підході до підтримки людського життя в ізольованих середовищах з обмеженими ресурсами. Спочатку розроблені для довготривалих космічних місій, ці технології все більше визнаються за їхній потенціал у вирішенні нагальних проблем сталого розвитку на Землі. Ця стаття надає комплексний огляд ЗСЖ, досліджуючи їхні принципи, компоненти, застосування та передові дослідження, що формують їхнє майбутнє.

Що таке замкнена система життєзабезпечення?

ЗСЖ — це автономна екологічна система, призначена для рециркуляції ресурсів — повітря, води та відходів — з метою мінімізації потреби у зовнішніх поставках. По суті, вона імітує природні біогеохімічні цикли Землі в замкненому або частково замкненому середовищі. Мета полягає у створенні сталого середовища існування, яке може забезпечити всі необхідні ресурси для виживання та добробуту людини.

На відміну від систем з розімкненим циклом, які значною мірою залежать від поповнення запасів, ЗСЖ прагнуть до майже повної регенерації ресурсів. Це робить їх незамінними для:

• Довготривалих космічних місій: Зменшення логістичного навантаження та вартості транспортування припасів до віддалених пунктів призначення, таких як Марс.
• Планетарних аванпостів та поселень: Створення самодостатніх середовищ існування на інших планетах.
• Екстремальних середовищ на Землі: Підтримка дослідницьких станцій в Антарктиді, підводних середовищ існування та підземних бункерів.
• Сталого сільського господарства та управління ресурсами: Розробка систем із замкненим циклом для виробництва їжі, очищення води та переробки відходів у міських умовах та віддалених громадах.

Ключові компоненти замкненої системи життєзабезпечення

ЗСЖ зазвичай складається з кількох взаємопов'язаних компонентів, кожен з яких відповідає за певну функцію:

1. Ревіталізація повітря

Цей компонент зосереджений на підтримці придатної для дихання атмосфери шляхом видалення вуглекислого газу (CO2) та поповнення кисню (O2). Традиційні методи, такі як хімічні скрубери, вимагають поповнення хімікатів. Передові ЗСЖ використовують:

• Фізико-хімічні методи: Використання хімічних реакцій, адсорбції або мембранних технологій для видалення CO2 та генерації O2. Прикладами є реактор Сабатьє (перетворення CO2 та водню на метан і воду) та твердооксидні електролізери (SOEC), які розщеплюють воду на водень та кисень.
• Біорегенеративні методи: Використання рослин або водоростей для поглинання CO2 через фотосинтез та виділення O2. Це також забезпечує джерело їжі та допомагає очищувати воду.

Приклад: Проєкт Європейського космічного агентства (ЄКА) MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) інтегрує як фізико-хімічні, так і біорегенеративні методи для ревіталізації повітря.

2. Очищення та рециркуляція води

Вода є дорогоцінним ресурсом, особливо в замкнених середовищах. ЗСЖ використовують складні системи очищення та рециркуляції води для відновлення води з різних джерел, зокрема:

• Сеча та стічні води: Використання мембранної фільтрації, дистиляції та біологічної обробки для видалення забруднювачів та патогенів.
• Конденсат вологи: Збір водяної пари з повітря.
• Транспірація рослин: Відновлення води, що випаровується рослинами.

Очищена вода потім повторно використовується для пиття, гігієни та поливу рослин.

Приклад: Міжнародна космічна станція (МКС) використовує систему відновлення води (WRS), яка може переробляти до 93% води на борту.

3. Виробництво їжі

Забезпечення сталого постачання їжі є критично важливим для довготривалого проживання. ЗСЖ інтегрують системи сільського господарства в контрольованому середовищі (CEA) для вирощування врожаю в приміщенні з використанням штучного освітлення, гідропоніки або аеропоніки. Ключові аспекти включають:

• Кругообіг поживних речовин: Відновлення поживних речовин з відходів та їх повернення в систему виробництва їжі.
• Вибір культур: Вибір культур, які є поживними, легкими у вирощуванні та ефективними у перетворенні CO2 на біомасу. Приклади включають пшеницю, рис, сою, картоплю, салат та спіруліну.
• Оптимізація ресурсів: Мінімізація споживання води та енергії.

Приклад: Дослідження в Центрі сільського господарства в контрольованому середовищі Університету Аризони зосереджені на розробці ефективних та сталих систем виробництва їжі для космічних досліджень та міського сільського господарства.

4. Управління відходами

Ефективне управління відходами є важливим для підтримки здорового та санітарного середовища. ЗСЖ використовують різні технології для обробки та переробки відходів, зокрема:

• Компостування: Використання мікроорганізмів для розкладання органічних відходів на багате поживними речовинами добриво.
• Анаеробне зброджування: Розщеплення органічних відходів за відсутності кисню для виробництва біогазу (метан та CO2).
• Піроліз: Нагрівання відходів за відсутності кисню для виробництва біоолії, біовугілля та синтез-газу.
• Спалювання: Спалювання відходів при високих температурах для зменшення їхнього об'єму та генерації енергії (з відповідними системами контролю викидів).

Перероблені відходи потім можуть бути використані як добриво для росту рослин або як джерело енергії.

Приклад: Дослідницький центр Еймса NASA розробляє передові системи управління відходами для майбутніх місячних та марсіанських баз.

5. Контроль та моніторинг навколишнього середовища

Підтримка стабільного та комфортного середовища є критично важливою для здоров'я та продуктивності людини. ЗСЖ включають складні системи контролю навколишнього середовища для регулювання температури, вологості, тиску повітря та освітлення. Вони також містять датчики та системи моніторингу для відстеження ключових параметрів та виявлення будь-яких аномалій.

Типи замкнених систем життєзабезпечення

ЗСЖ можна умовно поділити на дві категорії:

1. Фізико-хімічні системи життєзабезпечення (ФХСЖ)

Ці системи покладаються переважно на хімічні та фізичні процеси для регенерації ресурсів. Вони, як правило, компактніші та надійніші за біорегенеративні системи, але вимагають більше енергії та можуть виробляти токсичні побічні продукти.

Переваги:

• Висока ефективність та надійність
• Компактний розмір
• Добре відпрацьована технологія

Недоліки:

• Високе енергоспоживання
• Потенціал утворення токсичних побічних продуктів
• Обмежена здатність адаптуватися до мінливих умов

2. Біорегенеративні системи життєзабезпечення (БРСЖ)

Ці системи використовують біологічні організми, такі як рослини, водорості та мікроорганізми, для переробки ресурсів. Вони пропонують потенціал для більшої сталості та стійкості, але є складнішими та вимагають ретельного управління.

Переваги:

• Стала регенерація ресурсів
• Видалення CO2 та виробництво O2
• Виробництво їжі
• Очищення води
• Переробка відходів
• Потенційні психологічні переваги (наприклад, присутність рослин)

Недоліки:

• Складність та нестабільність
• Чутливість до змін навколишнього середовища
• Повільний час реакції
• Потенціал забруднення
• Великі вимоги до простору

Поточні дослідження та розробки

Ведуться значні дослідження та розробки для підвищення ефективності, надійності та сталості ЗСЖ. Ключові напрямки фокусування включають:

• Передові біореактори: Розробка більш ефективних та компактних біореакторів для ревіталізації повітря, очищення води та обробки відходів.
• Оптимізований вибір культур: Визначення культур, які найкраще підходять для умов ЗСЖ, враховуючи поживну цінність, швидкість росту та вимоги до ресурсів.
• Штучний інтелект та машинне навчання: Використання ШІ та машинного навчання для оптимізації продуктивності системи, прогнозування збоїв та автоматизації процесів управління.
• Мікробна екологія: Розуміння складних взаємодій між мікроорганізмами в ЗСЖ та способів управління ними для оптимального кругообігу ресурсів.
• Аквакультура замкненого циклу: Інтеграція систем аквакультури в ЗСЖ для виробництва риби та інших водних організмів як джерела білка.
• 3D-друк: Використання 3D-друку для створення індивідуальних компонентів для ЗСЖ, таких як біореактори, гідропонні системи та пристрої для управління відходами.

Застосування замкнених систем життєзабезпечення

1. Освоєння космосу

Основним рушієм розвитку ЗСЖ була потреба в підтримці астронавтів під час довготривалих космічних місій. ЗСЖ є важливими для зменшення залежності від поповнення запасів та уможливлення дослідження людиною Марса та поза його межами.

Приклад: Програма NASA Advanced Exploration Systems (AES) розробляє технології ЗСЖ для майбутніх місій на Місяць та Марс.

2. Планетарні аванпости та поселення

ЗСЖ будуть критично важливими для створення самодостатніх середовищ існування на інших планетах. Ці системи повинні будуть забезпечувати всі необхідні ресурси для виживання людини, включаючи повітря, воду, їжу та управління відходами.

Приклад: Марсіанське товариство розробляє Марсіанську пустельну дослідницьку станцію (MDRS) в Юті для симуляції викликів життя на Марсі та тестування технологій ЗСЖ.

3. Екстремальні середовища на Землі

ЗСЖ також можуть використовуватися для підтримки людського проживання в екстремальних середовищах на Землі, таких як Антарктида, підводні середовища існування та підземні бункери.

Приклад: Дослідницькі станції в Антарктиді використовують технології ЗСЖ для зменшення свого впливу на навколишнє середовище та підвищення своєї сталості.

4. Стале сільське господарство та управління ресурсами

Принципи ЗСЖ можуть бути застосовані для розробки більш сталих сільськогосподарських практик та систем управління ресурсами на Землі. Це включає:

• Вертикальне фермерство: Вирощування врожаю в приміщеннях у багатоярусних шарах для максимального використання простору та мінімізації споживання води.
• Аквапоніка: Інтеграція аквакультури та гідропоніки для створення системи замкненого циклу, що переробляє поживні речовини та воду.
• Очищення стічних вод: Використання систем біологічної очистки для очищення стічних вод та відновлення цінних ресурсів.
• Анаеробне зброджування: Перетворення органічних відходів на біогаз та добриво.

Приклад: Численні компанії та організації розробляють вертикальні ферми та системи аквапоніки в міських середовищах для забезпечення свіжою, локально вирощеною їжею, одночасно зменшуючи транспортні витрати та вплив на навколишнє середовище.

5. Допомога при стихійних лихах та готовність до надзвичайних ситуацій

ЗСЖ можуть використовуватися для забезпечення життєво важливими ресурсами в районах, що постраждали від стихійних лих, та під час надзвичайних ситуацій. Автономні блоки ЗСЖ можуть забезпечувати чистою водою, їжею та притулком для переміщених осіб.

Виклики та майбутні напрямки

Незважаючи на значний прогрес, у розробці та впровадженні ЗСЖ залишається кілька викликів:

• Складність та вартість: ЗСЖ є складними та дорогими в проєктуванні, будівництві та експлуатації.
• Надійність та стійкість: ЗСЖ повинні бути високо надійними та стійкими, щоб витримувати суворі умови навколишнього середовища та несподівані події.
• Масштабованість: ЗСЖ повинні бути масштабованими для підтримки більшої кількості населення та довших періодів часу.
• Інтеграція: Інтеграція різних компонентів ЗСЖ у єдину та ефективну систему є серйозним викликом.
• Суспільне визнання: Подолання суспільного скептицизму та здобуття визнання технологій ЗСЖ є вирішальним для їх широкого впровадження.

Майбутні дослідження та розробки будуть зосереджені на вирішенні цих викликів та покращенні продуктивності та доступності ЗСЖ. Ключові напрямки інновацій включають:

• Розробка більш ефективних та компактних біореакторів.
• Оптимізація вибору культур для умов ЗСЖ.
• Використання штучного інтелекту та машинного навчання для автоматизації контролю та управління ЗСЖ.
• Інтеграція відновлюваних джерел енергії в ЗСЖ.
• Розробка систем аквакультури замкненого циклу.
• Використання 3D-друку для створення індивідуальних компонентів ЗСЖ.
• Дослідження потенціалу синтетичної біології для створення нових організмів для регенерації ресурсів.

Висновок

Замкнені системи життєзабезпечення представляють собою трансформаційну технологію з потенціалом революціонізувати дослідження космосу та вирішити критичні проблеми сталого розвитку на Землі. Хоча значні виклики залишаються, поточні дослідження та розробки прокладають шлях до більш ефективних, надійних та доступних ЗСЖ. У міру того, як ми продовжуємо досліджувати космос і прагнемо до більш сталого майбутнього, ЗСЖ відіграватимуть все більш важливу роль у забезпеченні виживання та добробуту людства.

Шлях до повністю замкнених систем є безперервним процесом, що вимагає міждисциплінарної співпраці між інженерами, біологами, екологами та політиками по всьому світу. Це інвестиція в наше майбутнє, як у величезному просторі космосу, так і на нашій рідній планеті, Землі.

Додаткові матеріали

• Проєкт MELiSSA (Європейське космічне агентство): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• NASA Advanced Exploration Systems (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Центр сільського господарства в контрольованому середовищі (Університет Аризони): https://ceac.arizona.edu/