В ближайшие десятилетия космические агентства со всего мира отправятся в космос дальше, чем когда-либо прежде. Это включает в себя возвращение на Луну (возможно, чтобы остаться на этот раз), исследование Марса и, возможно, даже создание человеческих поселений на обоих. Кроме того, есть даже предложения по созданию в космосе мест обитания, в которых могли бы разместиться миллионы людей.
Эти планы основаны на десятилетиях планирования, восходящих к заре космической эры. В некоторых случаях планы вдохновлены предложениями, сделанными более чем за полвека до этого. Хотя эти грандиозные планы по исследованию космоса и колонизации создают много проблем, они также вдохновляют на инновационные решения.
В частности, полеты в дальний космос требуют свежего осмысления систем контроля окружающей среды и жизнеобеспечения (ECLSS), способных обеспечить самообеспечение воздухом, водой, пищей, а также защиту от радиации и опасности космоса. Это важно, поскольку миссии, которые уносят астронавтов далеко от Земли, не могут зависеть от миссий по пополнению запасов с поверхности на низкую околоземную орбиту (НОО).
Все больше и больше исследователей обращают внимание на особый тип ECLSS, называемый биорегенеративной системой жизнеобеспечения (BLSS). BLSS имитирует природную среду, используя биологические (то есть живые) элементы. Привлекательность BLSS для разработчиков космических систем жизнеобеспечения заключается в том, что теоретически они могут быть спроектированы так, чтобы быть устойчивыми.
Из-за угрозы изменения климата поиск устойчивых решений на Земле многие считают вопросом жизни и смерти. Однако, в отличие от Земли, вероятность отказа в космосе и во враждебных внеземных средах равна нулю! Благодаря разработке устойчивых технологий и стратегий для космических сред, враждебных жизни, полученные приложения, вероятно, также будут полезны на Земле.
К сожалению, эти усилия и их включение в архитектуру миссии страдают от особой проблемы. Когда дело доходит до этого, не хватает ясности в отношении «устойчивости» и того, что она означает для будущего освоения космоса. Эта проблема преследует все: от создания долговременных мест обитания до планов терраформирования!
Эти вопросы были подняты в недавнем исследовании под названием «Структура оценки устойчивости Terraform для биорегенеративных систем жизнеобеспечения». По словам авторов исследования Моргана Айронса и Ли Айронса, «Система оценки устойчивости Terraform» (TSAF) необходима для оценки технологий и методов, чтобы гарантировать, что ECLSS и BLSS действительно устойчивы.
Почвоведение и космос
Ли Айронс - исполнительный директор Норфолкского института в Вирджинии, научно-исследовательской фирмы, специализирующейся на решениях по обеспечению «человеческой устойчивости» для Земли и космоса. Он имеет многолетний опыт работы в области физики космической плазмы, производства энергии, дезактивации и реабилитации опасных сред, а также крупномасштабных инженерных и строительных проектов.
Морган Айронс - доктор философии. кандидат наук о почве и растениеводстве в Корнельском университете, научный сотрудник Института Карла Сагана, аспирант Национального научного фонда (NSF) 2020 года и лауреат Мемориальной премии Кена Соуза за космический полет 2019 года.
Вместе Ли и Морган основали Deep Space Ecology Inc. (DSE) в 2016 году для разработки и проектирования агроэкологических систем для устойчивого улучшения продуктов питания на Земле и за ее пределами. Плоды их работы включали предварительную обработку марсианским реголитом, чтобы помочь растениям расти в нем, которую Морган разработала во время учебы в Университете Дьюка.
В 2018 году Морган также запатентовал модель закрытой экологической системы (CES) для марсианской среды обитания, состоящей из зоны проживания людей, экологической буферной зоны и сельскохозяйственной зоны. Эти усилия были направлены на обеспечение устойчивых методов ведения сельского хозяйства и продовольственной безопасности для фермеров за пределами Земли и на Земле.
Однако Моргану и Ли быстро стало очевидно, что для проверки инженерных и проектных работ CES необходимо разработать гораздо более научное понимание. Итак, Морган начала работать над своей докторской диссертацией. в области почвоведения в 2018 году, а Ли основал Норфолкский институт в 2019 году. В 2020 году они собрали команду и финансирование, необходимое для запуска на МКС эксперимента с почвой, целью которого является определение гравитационного воздействия на устойчивость почвы - также известного как эксперимент «Здоровье почвы в космосе».
Почему почва, спросите вы, если большинство экспериментов с растениями на МКС связаны с гидропоникой и аэропоникой (вода и воздух)? Морган и Ли объясняют в своей новой статье, что окружающая среда Земли, поддерживающая жизнь, в целом является результатом биогеохимических циклов, действующих через почву, где вода, воздух, геологические минералы, органическое вещество, микробы, растения и другие организмы взаимодействуют химически и физически. солнечной, гравитационной и геотермальной энергии.
Результатом на Земле являются экосистемы, составляющие естественную среду Земли. Когда ученые-экологи говорят об устойчивости, они имеют в виду фундаментальную способность почвенной биосферы поддерживать жизнь, особенно жизнь человека.
Подразумевается, что для того, чтобы BLSS предоставляла необходимые услуги, необходимые для поддержания жизнедеятельности человека, BLSS должна основываться на природной среде и «корневой» почвенной основе, из которой происходят биологические элементы BLSS получены. Другими словами, чтобы BLSS в космосе был устойчивым, ему требуется собственная грунтовая основа, подобная Земле.
Необходимость и инновации
До конца этого десятилетия НАСА планирует отправить на Луну первые пилотируемые миссии со времен эры Аполлона - проект Артемида. Другие, такие как Европейское космическое агентство (ЕКА), Роскосмос (Россия), CNSA (Китай), ISRO (Индия), JAXA (Япония) и CSA (Канада), планируют отправить свои первые пилотируемые миссии на Землю. Луна.
Во всех случаях эти планы подразумевают создание постоянной инфраструктуры, которая позволит космонавтам оставаться там в течение длительного времени. Сюда входят Международная лунная деревня ЕКА, базовый лагерь Артемиды НАСА и Лунные ворота. Цитируя НАСА, цель состоит в том, чтобы создать «устойчивую программу исследования Луны».
К 2030-м годам НАСА и Китай намерены организовать миссии с экипажем на Марс, которые будут запущены в 2033, 2035 и 2037 годах. 26 месяцев или около того, когда Земля и Марс находятся ближе всего друг к другу. Поскольку это значительно сокращает время в пути, миссии на Марс должны запускаться в одно из этих окон.
Для этих и других планов подчеркивается необходимость устойчивости и самодостаточности. В то время как Международная космическая станция (МКС) может быть пополнена в течение нескольких часов с Земли, лунным обитателям придется ждать несколько дней, пока прибудут миссии по пополнению запасов. Для Марса возможности для миссий по пополнению запасов еще реже, они происходят примерно каждые 26 месяцев с оппозицией.
Для достижения этого НАСА и другие космические агентства разработали архитектуру своих миссий на основе принципа использования ресурсов на месте (ISRU). Грубо говоря, это означает использование местных ресурсов для удовлетворения требований миссии и потребностей астронавтов, включая пищу, воду, воздух, топливо, строительные материалы и т. д.
Но когда дело доходит до устойчивого развития, не хватает определения. План НАСА по устойчивому исследованию и освоению Луны, опубликованный в 2020 году, закладывает основу для целей и требований программы Artemis. Термин «устойчивое развитие» часто используется в этом списке, но документ не определяет, что это влечет за собой.
В отчете НАСА за 2012 г. «Путешествия: определение курса устойчивого исследования космоса человеком» термин «устойчивое развитие» также используется неоднократно. В разделе, озаглавленном «Возможности проживания и назначения», НАСА дает краткое описание долгосрочных потребностей в жилье для:
«Возможность долговременного проживания - это набор технологий, которые поддерживают человеческий экипаж, когда они путешествуют или исследуют космос и живут на поверхности планет. Будь то космическая или наземная среда обитания, эта возможность будет интегрировать основные сквозные системы, в том числе высоконадежные системы контроля окружающей среды и жизнеобеспечения (ECLSS), хранение, приготовление и производство продуктов питания, радиационную защиту и технологии, поддерживающие физическое и психическое здоровье экипажа."
По определению, системы жизнеобеспечения ECLSS не являются биологическими. Эти системы предназначены для очистки воздуха в сосуде под давлением, будь то космический корабль или космическая станция. Хотя НАСА использует термин «регенеративный» при описании версии, используемой на борту МКС, конкретного определения не хватает.
На пути к биологической системе жизнеобеспечения
NASA использовало одноразовые версии этой технологии для своих программ Mercury, Gemini и Apollo. Для Skylab был разработан вариант с длительным сроком службы, который сейчас используется на борту МКС. ECLSS МКС состоит из системы рекуперации воды (WRS) и системы генерации кислорода (OGS).
WRS обеспечивает чистую питьевую воду и воду для орошения за счет рециркуляции и очистки мочи, влаги в кабине и других отходов с помощью химикатов. OGS производит кислород путем электролиза воды, поставляемой WRS, с получением кислорода и водорода в качестве побочных продуктов. Короче говоря, система жизнеобеспечения ECLSS зависит от технического обслуживания и пополнения с течением времени.
Или, как Морган и Ли Айронс характеризуют эти системы в своем исследовании, ECLSS не имеет врожденной способности поддерживать или ремонтировать себя. Для этого требуется вмешательство человека, стоимость которого в конечном итоге превысит стоимость полной замены ECLSS. Одна метрика, с помощью которой можно измерить надежность систем ECLSS, - это Generalized Resilient Design Framework (GRDF).
Эта структура была разработана доктором Хосе Мателли, приглашенным ученым из Исследовательского центра Эймса НАСА. Как объяснил Ли Айронс журналу «Интересная инженерия» через Zoom:
"[Я] не рассматриваю конкретно только сбои, связанные с характером отказов частей. Итак, у вас есть часть оборудования, и часть выходит из строя, и это приводит к тому, что система становится менее эффективной или ломается, и вы должны починить его и снова запустить.
"Это пример того, как отрасль рассматривает устойчивость в большей степени с точки зрения отказоустойчивости оборудования и с точки зрения инженерной отказоустойчивости - насколько хорошо вы спроектировали свою систему, чтобы максимизировать время ее работы и минимизировать время ее простоя".
Глядя в будущее, НАСА и другие космические агентства работают над биорегенеративными системами жизнеобеспечения (BLSS), которые определяются тем, как они включают один или несколько биологических компонентов. Преимущество этих систем в том, что они теоретически неопределенны. Вместо того, чтобы заменять части и требовать цепочки поставок для поддержки этого, биологическая система регенерирует сама себя с течением времени.
Исследования BLSS в настоящее время включают проведение экспериментов на борту МКС с участием растений, микроводорослей, бактерий и других фотосинтезирующих организмов. НАСА также исследует теплицы, которые могли бы давать пищу экипажам и пополнять системы жизнеобеспечения в миссиях на Луну, Марс и в другие места за пределами Земли. Примеры включают проект «Прототип лунной/марсианской теплицы», курируемый группой Кеннеди по перспективным исследованиям в области жизнеобеспечения в Космическом центре Кеннеди НАСА во Флориде.
На сегодняшний день подавляющее большинство растительных и биорегенеративных систем выполнено на борту МКС. Как Морган также объяснил «Интересному инжинирингу» через Zoom:
"Большинство исследований растений, которые были проведены на данный момент, проводились на Международной космической станции. Как мы видели, они проделали большую работу по гидропонике, беспочвенным системам, некоторые работы с подушками для семян, которые были до систем на основе гидропоники."
«Таким образом, на Международной космической станции определенно было проделано много садоводческой работы, чтобы понять фундаментальную биологическую систему - обработку и воспроизводство, а также дать астронавтам и космонавтам возможность подкрепиться свежей зеленью».
Эти эксперименты направлены на создание замкнутых систем, которые могут поддерживать здоровье и долголетие астронавтов, имитируя биологические системы здесь, на Земле. Они также являются ключевым компонентом будущих архитектур миссий, где потребность в самодостаточности является обязательной и подчеркивается «устойчивость».
«Выращивание сельскохозяйственных культур в космосе - один из наиболее очевидных видов биорегенеративных систем жизнеобеспечения», - добавил Ли Айронс. «Если вы можете выращивать урожай и собирать семена, чтобы вырастить больше урожая, и поддерживать этот цикл, то вы эффективно запускаете биорегенеративный процесс, который может стать самоподдерживающимся - по крайней мере, с точки зрения производства семян и продуктов питания».
Однако производство продуктов питания - это всего лишь один из сотен или тысяч элементов, которые необходимо учитывать. Чтобы создать целостную биорегенеративную систему жизнеобеспечения, необходимо учитывать все факторы окружающей среды здесь, на Земле, от которых зависит выживание людей (и само понятие устойчивости). Метрика для определения того, насколько «устойчивыми» являются эти системы, - это все, чего не хватает.
Определение устойчивого развития
Термин «устойчивое развитие» приобрел огромное значение во второй половине 20-го века, в период быстрой индустриализации и урбанизации. За это время наука об окружающей среде и растущая озабоченность по поводу воздействия человеческой деятельности заставили многих подвергнуть сомнению и отвергнуть традиционные представления о «прогрессе» и неограниченном экономическом росте.
Якобус Дю Пизани, профессор истории Школы социальных и государственных исследований Северо-Западного университета (Южная Африка), изложил эту тему в статье 2006 года («Устойчивое развитие - исторические корни концепт».) Как он писал:
«В период беспрецедентного промышленного и коммерческого роста после Второй мировой войны люди осознали угрозы, которые быстрый рост населения, загрязнение и истощение ресурсов представляли для окружающей среды и их собственного выживания как людей…
В растущем объеме академической литературы выражалось беспокойство по поводу того, что «если мы продолжим нашу нынешнюю практику, мы столкнемся с неуклонным ухудшением условий, в которых мы живем», и по поводу реальной опасности того, что человечество «может уничтожить способность Земли поддерживать жизнь.'"
Но, как объясняют Морган и Ли, важно понимать, как определение устойчивости на Земле применимо к предложениям по обитаемости человека во внеземной среде. В этом контексте устойчивость должна измеряться с точки зрения ресурсов, которые люди потребляют, чтобы выжить. Устойчивость - это краткосрочная и долгосрочная стабильность таких ресурсов при номинальных, а иногда и аномальных антропогенных нагрузках, в то время как они подвержены натиску ожидаемых и незапланированных нарушений.
В своей статье Морган и Ли объединяют многочисленные теоретические построения науки об окружающей среде, чтобы применить такие свойства устойчивости, как устойчивость, сопротивление, постоянство и постоянство. Применительно к ресурсам, предоставляемым BLSS в космосе для потребления человеком, эти свойства стабильности становятся мерами устойчивости. Теперь это дает возможность количественно оценить устойчивость любого BLSS или ECLSS и сравнить планы НАСА и коммерческих космических компаний с их заявлениями и целями.
Но, как отмечают Морган и Ли, у экосистем есть еще одно потенциальное свойство, которое плохо изучено: изменчивость. Сказал Ли:
Именно это свойство говорит о том, что в экосистемах существуют критические факторы, которые в течение длительных периодов времени не обязательно остаются постоянными. Они меняются. И они не обязательно меняются вокруг среднего значения. большое блуждание. Вся экосистема может эволюционировать от каменистого субстрата до лугов, лесов и чего-то еще в процессе экологической сукцессии. Таким образом, это свойство изменчивости кажется естественным свойством экосистемы».
" Таким образом, когда вы думаете о дисперсии и думаете о расчете устойчивости, которая является долгосрочным фактором устойчивости (или расчете устойчивости, которая также является долгосрочным) Если вы не принимаете во внимание тот факт, что эти факторы могут меняться, может показаться, что ваша система не является устойчивой, но на самом деле она такова, потому что она просто меняется естественным образом."
Проблема с измерением этих свойств заключается в том, что их трудно определить количественно, отчасти из-за отсутствия ясности и понимания. «Опасность заключается в том, что мы на самом деле не знаем - мы думаем, что понимаем, - но на самом деле мы не понимаем, что значит иметь устойчивую систему», - добавил Ли. «Здесь, на Земле, вокруг нас происходит так много вещей, которые мы принимаем как должное».
К фреймворку Terraform
По этой причине Морган и Ли делают еще один шаг вперед в своем теоретическом развитии, представляя то, что они называют Структурой оценки устойчивости Terraform (TSAF). Основа для этой схемы проста: если вы можете создать биорегенеративную систему в космосе, которая будет по крайней мере столь же устойчивой, как аналогичная система на Земле, то вы эффективно сформировали земную систему в космосе (т.т. е. вы «терраформировали».)
В частности, TSAF означает взятие значений устойчивости, сопротивления, постоянства и постоянства и их деление на те же значения аналогичной системы Земли. Таким образом, эта структура эффективно контролирует дисперсию, возникающую в обеих системах, и выделяет ее из общего уравнения.
«Если вы получаете специфичную для терраформы стабильность, равную единице, то у вас есть биорегенеративная система, которая по крайней мере так же устойчива, как и ваша аналогичная земная система», - сказал Ли. «Мы не рассчитываем создать в космосе биорегенеративную систему, которая теоретически будет более совершенной, чем земная система, но если мы сможем сделать ее хотя бы такой же хорошей, как Земля, тогда это и есть наша цель».
Они также признают, что единственный способ создать такую систему - обеспечить ее полную независимость от земных цепочек поставок, потому что такие цепочки поставок по своей сути неустойчивы. Это уместно, поскольку цель BLSS - гарантировать, что люди могут жить в среде, где миссии по пополнению запасов нерегулярны. При этом, по словам Ли, ученые будут заниматься тем, что выглядит как научная фантастика терраформирования:
"На самом деле вы берете часть поверхности планеты, на которой есть гравитация, и превращаете ее в то, что люди любят называть "Эдемским садом". В нем есть естественно функционирующие биогеохимические циклы, управляемые поступающим излучением солнечной энергии и задействованной гравитационной и планетарной динамикой. Вы получаете всю физику, всю химию, всю биологию, всю геологию, всю метеорологию система окружающей среды, функционирующая так, как она функционировала бы на Земле."
Это описание дает довольно хорошее представление о том, как будет выглядеть будущее освоения человеком космоса: куполообразные ограждения, где весь жизненный цикл, подобный тому, что мы видим на Земле, был спроектирован так, чтобы ничто идет впустую. В других случаях это может выглядеть немного похоже на то, что мы видим в мини-сериалах научной фантастики, таких как The Expanse.
Как и во многих произведениях научной фантастики, на космических кораблях и станциях есть растения и деревья, которые дают пищу и помогают производить кислород для экипажей. Но чтобы получить представление о том, что ждет нас в будущем, следует выйти за рамки концепции теплиц или городских ферм. Как объяснил Морган Айронс:
"Мы должны продолжать напоминать дизайнерам, что растения многофункциональны. Они не просто пища. Их можно использовать для создания симбиотических отношений с другими растениями или микроорганизмами для фиксации азота, например бобовые и ризобиальные бактерии. Они создают симбиотические отношения и фиксируют необходимый вам азот."
"Вы можете использовать растения для приготовления растительного масла, для создания ткани. Их можно использовать для контроля над атмосферными элементами, будь то кислород, углекислый газ, даже контроль температуры. Когда мы ищем в этих системах дело не только в том, что мы их едим, но и в том, какие другие функции они выполняют, которые полезны для людей, но также полезны для создания более стабильной, целостной среды."
Сегодня многие сторонники освоения космоса подчеркивают, что будущее человечества зависит от его способности выйти за пределы Земли. Очевидно, что для этого нам нужно «взять Землю с собой», что означает создание среды, подобной Земле, везде, где мы планируем жить в долгосрочной перспективе. Это не только позволит людям жить и процветать без пополнения запасов с Земли. Это также расширит экологическое присутствие Земли вместе с человечеством.
Более того, проверка нашей способности терраформироваться за пределами Земли, где погрешность равна нулю, также может найти применение для жизни здесь, на Земле. Изучение того, как работает экология Земли на самом мелком уровне, и воспроизведение этих эффектов в других местах, гарантирует, что будущие поколения будут вооружены знаниями, необходимыми для устойчивой жизни на нашей родной планете - то, что Фрэнк Герберт назвал «экологической грамотностью».
Как резюмировал Морган Айронс, ключом к достижению этого благородного предприятия является достижение лучшего понимания посредством сотрудничества:
Вот почему очень важно иметь междисциплинарные совместные команды. Вы не можете просто иметь команды инженеров, которые у вас традиционно работали над этим. Вам нужны почвоведы. Вам нужен эколог, ученые-экологи, агрохимики и фермеры. Вам нужны люди, которые активно исследуют это вокруг Земли, и люди, которые активно работают в сельскохозяйственных системах.
"Таким образом, вам действительно нужны эти разные точки зрения, чтобы привнести их знания о том, над чем они работают, а также чтобы они помогли контекстуализировать задаваемые вопросы, будь то фундаментальные или прикладные. Потому что люди могут не осознавать, что проблема Земли, над которой они работают, на самом деле также применима к космической проблеме и что есть возможность для пересечения и развития знаний и потенциальных технологий, что может помочь провести параллель между двумя направлениями решения на Земле и решением для космоса."