Когда США и СССР вступили в космическую гонку, они начали разрабатывать замкнутые экологические системы. С их помощью человек может получать кислород и выращивать пищу — в космосе или экстремальных ситуациях на Земле. Эксперименты в этой сфере идут более 30 лет и продолжаются до сих пор.
1960 годы: начало советских разработок
Первая экспериментальная установка «БИОС-1» появилась в 1964 году. Она представляла собой культиватор с водорослями, кислород от которых подавался через воздуховод в кабину объёмом 12 м³. При этом сам культиватор занимал площадь в 8 м², которые подсвечивались тремя шестикиловатными ксеноновыми лампами. Всего этого было достаточно для обеспечения одного человека кислородом от 12 часов до 45 суток. Эксперимент признали удачным, потому разработки были продолжены.
В 1966 году начались эксперименты в трёхзвенной системе «человек — микроводоросли — высшие растения» на установке «БИОС-2». Для этого к существующей камере «БИОС-1» пристроили второе помещение — камеру размером 2 на 2,5 на 1,7 м. В ней размещались овощные культуры, в том числе пшеница, — рассматриваемые как средство восстановления атмосферы на 100%, а также как источник пищи.
Через два года прошли эксперименты уже с экипажем из двух человек продолжительностью 30, 73 и 90 суток. Получилось достигнуть 85% автономности системы.
Поскольку эксперименты прошли удачно, в 1972 году советские учёные создали полномасштабную установку «БИОС-3». Главная цель — полная автономность замкнутой экосистемы в течение года для шести испытуемых. К работе над этим проектом привлекли конструкторов предыдущих систем. Установка представляла собой комплекс стоимостью 1 млн рублей, который построили в подвале корпуса отделения биофизики. Пространство имело объём в 315 м³. Оно было разделено на четыре отсека, и только один из них был жилой. В нём располагались кухня, санузел, каюты и лаборатория для переработки отходов и урожая с системой доочистки воды и воздуха. Остальные три отсека выполняли роль восстановительных для высших растений и микроводорослей. Вся структура соединялась герметизируемыми дверями, а всё управление осуществлялось экипажем изнутри. Единственная связь с внешним миром была через воздушный шлюз.
Всего за год прошло три эксперимента с экипажами до трёх человек. Максимальное время нахождения людей в системе — 180 дней. Тогда три добровольца из числа сотрудников впервые прожили в бункере полгода. Большую часть времени команды занимались посевом и уходом за растениями, сбором урожая и выпечкой хлеба. Участники эксперимента ели овощи, которые сами вырастили, собирали и мололи пшеницу и пекли из неё хлеб. Оранжерея комплекса давала за сутки около 300 граммов хлеба и около 400 граммов овощей. Экипаж получал всю необходимую растительную пищу, однако в еде не хватало калорий (всего удалось достигнуть чуть более 20% необходимых пищевых веществ), оставшуюся часть заменяли обезвоженные консервы. Однако в ходе дальнейших испытаний воспроизводимую часть рациона экипажа удалось довести до 52% по калорийности. В итоге система смогла воспроизвести до 91% круговорота веществ, а по воде, кислороду и углекислому газу система замкнулась до 95%.
Эксперименты с «БИОС» показали, что даже с технологиями 1960-1970 годов создание замкнутой системы возможно. В идеале остаётся только придумать, как сделать систему полностью замкнутой по еде.
В ноябре 1983 года состоялся последний эксперимент. Он закрепил результаты, которые давали основания полагать, что существует принципиальная возможность итогового регулирования воспроизводства и полного замыкания экосистемы. Ухудшение состояния здоровья испытуемых не наблюдалось, а их взаимодействие с растительной средой не вызывало опасений.
В конце 1980 годов финансирование «БИОС-3» практически прекратилось — и проект был заморожен.
Сейчас идёт возрождение общественного и государственного интереса к «БИОС». Главным итогом экспериментов стало понимание важности контроля баланса всех компонентов биосферы, в том числе и микрофлоры. Незнание этих деталей и обусловили неудачи в последующих экосистемах, работу над которыми перехватили США.
В конце 1980 годов эколог и инженер Джон Аллен решил создать полностью замкнутую и автономную биосистему под непроницаемыми куполами, чтобы проверить, реально ли создать идеально подходящую среду обитания для человека в условиях межпланетных колоний. В этом ему вызвался помочь миллиардер Эд Басс, вложивший в проект около $150 млн.
В стеклянных модулях предполагалось разместить планету в миниатюре: джунгли, небольшой океан с пляжем, саванну. Всего более 4000 видов растений и представителей фауны. Этот проект общей площадью 1,5 гектара был назван «Биосфера-2».
В качестве добровольцев вызвались восемь человек, основная задача которых была не только в том, чтобы просто прожить всё время эксперимента в качестве полноценных колонистов, но и за время подготовки к нему подобрать наиболее подходящие виды почвы, животных и растений для заселения биосферы. Эксперимент начался 26 сентября 1991 года.
Предполагалось достичь полной автономии системы, а единственная связь с внешним миром — это подача электроэнергии. Внутри биосферы учёные стали полноценными колонистами: выращивали урожай, ловили рыбу, кормили домашний скот и следили за тем, чтобы вся искусственная система работала бесперебойно. Однако через неделю проявилась проблема — проектировщики купола ошиблись в расчётах, из-за чего внутри системы началось постепенное сокращение кислорода с одновременным увеличением процента углекислого газа, что не позволило бы довести эксперимент до конца (через год кислород полностью ушёл бы из биосферы).
Поскольку прервать эксперимент уже было нельзя, учёные начали решать проблему изнутри — увеличивать растительность, сажая новые растения. Однако ни это, ни увеличение мощности резервного поглотителя углекислого газа не решали проблему. Дополнительно подвели расчёты в продуктах. Выяснилось, что 20 соток фермы способны обеспечить только 80% потребностей колонистов в пище: ежедневный рацион в 1700 калорий подходил для офисной работы, но не для физической работы в поле. Уровень кислорода снижался быстрее, чем рос уровень углекислого газа, что было довольно неожиданно, поскольку мы наблюдали их согласованные изменения в тестовом модуле. В итоге мы потеряли семь тонн кислорода и не знали, куда они подевались.
Спустя некоторое время учёные заметили многократное увеличение размножения микроорганизмов и насекомых (для почвы биосистемы был выбран чернозём), что уменьшало и так критическое количество кислорода. Из-за этого уменьшались урожаи, отчего команда была вынуждена перейти на низкокалорийную диету с малым содержанием жира. Несмотря на то, что уровень холестерина, инсулина и глюкозы в крови учёных стал идеальным, они постоянно теряли вес, чувствовали голод и неизбежно уменьшали свою эффективность. Через восемь месяцев эксперимента проект начал рушиться. Сначала посевы риса были уничтожены вредителями, отчего рацион колонистов сократился.
Дополнительно температура поверхностного слоя океана начала колебаться, благодаря чему несколько месяцев небо было затянуто облаками. Это ослабило фотосинтез растений, которые снизили выработку кислорода. Из-за накопления воздуха на потолке постоянно шли дожди, потому большая часть растений погибла. Деревья рушились и падали из-за нехватки ветра, укрепляющего молодые стволы, а стоки в прудах забились, уничтожив часть рыбы. Однако быстро размножались тараканы и муравьи. 26 сентября 1993 года эксперимент пришлось прекратить, поскольку уровень кислорода внутри комплекса достиг 15% при норме в 21%.
В течение трёх лет несколько раз пытались восстановить комплекс. Однако за это время спонсоры отказались от проекта, поскольку эксперимент не принёс результатов.
В 1996 году «Биосферу-2» передали под надзор Колумбийского университета, который полностью прекратил эксперимент, сосредоточившись только на единичных исследованиях на основе данных, собранных колонистами внутри системы.
В 2011 году комплекс продали Аризонскому университету, который продолжает исследования по работе с углекислым газом внутри замкнутой экосистемы и использует площадку в качестве выездных школ.
С середины 2000 годов в Китае началась разработка собственной замкнутой экосистемы «Юэгун-1», на которой планировалось воспроизвести условия жизни на лунной базе.
Общая площадь комплекса 160 м². В неё входят сельскохозяйственные модули, одноместные спальни, общая комната и ванна, а также отделение по переработке отходов и выращиванию животных.
Эксперимент начался 10 мая 2017 года и продлился 370 дней. Колонистами были две группы по четыре человека, которые сменяли друг друга. Если первая группа пробыла внутри системы 60 дней, то вторая находилась внутри 200 дней. Затем их сменила первая группа, которая пробыла 110 дней. За это время внутри «Юэгун-1» выросло несколько урожаев.
Воздух и вода внутри системы были замкнуты на 99%, что является лучшим результатом за время создания замкнутых экосистем.