Искусственные экосистемы

[vitus_wagner]

Тут в одном из предыдущих тредов возник вопрос, что еще ни одна попытка создать искусственную замкнутую экосистему не увенчалась успехом.

Надо бы вообще вспомнить, чему меня четверть века назад на эту тему в университете учили, все-таки геохимия ландшафта имеет прямое отношение к круговоротам в экосистемах.

1. Большая часть попыток создать искусственную экосистему ориентировалась на системы обеспечения для космических кораблей. То есть эта система должна быть маленькой и легкой. Фактически вся биомасса продуцированная такой системой должна была потребляться Homo Sapiens. Такую систему, действительно, хрен стабилизируешь.

Вспомним, что переплыть Атлантику на парусной лодке длиной менее 3 метров удалось только в конце XX века, в то время как корабли всего в десять раз длиннее прекрасно плавали через ту же Атланику за 500 лет до этого. Размер имеет значение. Те же самые проблемы, кстати, сейчас испытывает термоядерная энергетика. Сделать реактор они могут, но добиться устойчивости и положительного выхода энергии теоретически тем проще, чем реактор больше. А на большой реактор как-то денег не дают.

Так и тут. Мы точно знаем, что сферическая экосистема в вакууме диаметром 12 тысяч км обеспечивает приемлемую стабильность. Вопрос в том, насколько можно ее уменьшить чтобы сохранить приемлемую стабильность при приемлемых трудозатратах на управляющие воздействия со стороны людей.

Начинать эксперименты надо, пожалуй, с искусственной экосистемы размером в несколько гектаров, имеющей полноценный почвенный покров (пару метров в глубину) то есть десятки тысяч тонн рыхлого грунта.

Больше - уже сложно изолировать от окружающей среды. Меньше - слишком большой относительно всей экосистемы вес начинают иметь высшие млекопитающие (люди).

А для колоний на других планетах первые сотни метров это как раз подходящий размер куполов. Очевидно, что стометровый купол - это не обиташище для тысяч человек. Максимум для десятков. Но сто стометровых купалов разделенных шлюзами это куда правильнее, чем один километровый - и строить можно постепенно, по мере роста населения, и в случае аварии есть куда отступать.

2. Искусственная экосистема не обязана быть замкнутой. У нас вокруг целая планета есть. Как известно, вулканические пеплы - это очен плодородная почва, осваиваемая высшими растениями в считанные сезоны, и дающая колоссальные урожаи. Реголит по своему составу достаточно близок к вулканическим пеплам. На Марсе с этим дело хуже, там какие-то свои процессы гипергенеза идут, и пока мы не поизучаем его как следует (а как следует - это сотни человеко-лет как минимум) мы не будем толком знать какими элементами эти процессы обогощают почвы, а какими - обедняют. Но в принципе, земная флора способна расти почти на чем угодно.

Запасы воды тоже можно пополнять. Подозреваю, что наибольшие сложности возникнут с пополнением воздуха внутри купола азотом. Экосистема это вам не один Homo Sapiens. Клубеньковые бактерии тоже кушать должны.
Поэтому может быть не 80, но 60% азота (при давлении 0,5атм) в воздухе должно быть.

Comments

[sdfsdf]

> ни одна попытка создать искусственную замкнутую экосистему не увенчалась успехом

А мужики-то не знают!

http://www.hammacher.com/Product/17495?cm_cat=ProductSEM&cm_pla=AdWordsPLA

[vitus_wagner]

Ну вот. Оказывается даже комментаторы, которые утверждали что не удалось - были не правы.

Но я вообще-то про экосистему, компонентом которой является человек.

[beldmit]

Увы. Долгие, но не вечные. Читал где-то.

[eldhenn]

Трёхлитровые банки это давно не новость. А за пределы трёхлитровых банок вышли? Тысяча литров, скажем? Сто тысяч литров?

[vitus_wagner]

Ну было бы финансирование. Может откроем проект на кикстартере? Я, правда, полагаю что речь должна сразу идти о 100 тысячах кубометров.

[silly-sad.livejournal.com]

у вас есть аквариум?
аквариум это система не замкнутая, но очень забавная:
чем больше его объём, тем он стабильнее, и тем меньше связей с внешним миром ему нужно.

[eldhenn]

Всё-таки незамкнутая. И я повторю вопрос - большие банки делали? Тысячи литров?

[toman_k]

Всё-таки они несколько лукавят. Замкнутой она была бы, если бы и креветка там устойчиво размножалась (т.е. воспроизводилась).

[dys206]

"сферическая экосистема в вакууме диаметром 12 тысяч км"
в мемориз!

[sergey_cheban]

В том-то и дело, что размер имеет значение. Сотни метров - это уже не папанинские размеры. Даже если не считать почву.
Ну и да, азот-фосфор-калий нужно где-то брать.

[vitus_wagner]

А этот пост уже и не про папанинскую палатку. А про то, что должно быть построено силами освоителей. Из местных материалов.

С фосфором и калием проблем явно не будет. В вулканических пеплах они найдутся в достаточном количестве. Чай не Земля где они уже полностью вовлечены в биологический круговорот. Вот с азотом - сложнее. Геохимия азота на Марсе или Луне будет принципиально другая, чем на Земле. И где его там искать в достаточных количествах чтобы заполнить купола - мне пока не очевидно.

[sergey_cheban]

Ну азот, допустим, в каком-то количестве есть в атмосфере Марса. При достаточном количестве энергии его можно будет оттуда извлечь. Может, и в почве что-нибудь найдётся.
А вот строительство купола из местных материалов... Терзают меня сомнения. Тем более, что с местными ресурсами полной ясности нет, и задача первых колонистов - разведка.
С другой стороны, там и без местных материалов проблем хватит. Атмосферное давление - 10 тонн на кв. метр. Ну пусть под куполом будет 5 тонн (это примерно 6 км над уровнем моря, но поскольку кислорода будет с избытком, то нормально). Это значит, что каждый квадратный метр крыши купола должен быть прикреплен либо к поверхности, либо к днищу так, чтобы выдерживать 5 земных тонн (или 15 марсианских, поскольку они легче). Я не знаю, какой кевлар для этого нужен, но подозреваю, что его легче будет превезти с Земли, чем готовить на месте.
Кстати, там ещё и ультрафиолет, его не все материалы хорошо переносят...

[toman_k]

> Это значит, что каждый квадратный метр крыши купола должен быть прикреплен либо к поверхности, либо к днищу так, чтобы выдерживать 5 земных тонн (или 15 марсианских, поскольку они легче). Я не знаю, какой кевлар для этого нужен, но подозреваю, что его легче будет превезти с Земли, чем готовить на месте.

А вариант, что, допустим, этот квадратный метр крыши сам весит 15 марсианских тонн (или, ещё лучше, много более), он вообще не рассматривается? Заодно и вопрос повышенной радиации решается хоть в какой-то степени, и УФ такого плана крыше как-то явно глубоко пофигу.

Ну или действительно в глубине грунта строить это сооружение - в общем-то, совсем неясно, чем так уж плох вариант жить в искуственной большой пещере.

Хотя и чисто надувной вариант (когда вес крыши таки в разы меньше нагрузки давления на неё) не требует каких-то этаких безумно прочных материалов, и даже проще устного для прикидочного расчёта (поскольку там только растяжение, и не требуется расчёт устойчивости). Для мысленного эксперимента берём из надувного купола круг радиусом метр. Площадь его равна Пи кв. м., а нагрузка на него (при нормальном атм. давлении образца земного уровня моря) около 10 Пи тс. Длина окружности 2 Пи метров, т.е. на каждый метр окружности приходится около 5 тс нагрузки. Умножаем на отношение радиуса кривизны купола к 1 м, получаем растягивающее усилие на 1 м купола. Например, если радиус кривизны 100 м, то это будет 500 тс = 5 МН на метр купола. Даже если исходить из прочности материала, скажем, 5 кгс/мм кв.=50 МПа, это будет означать необходимую толщину несущей части купола 0,1 м. Если использовать в качестве несущей части металл (как заведомо не боящийся УФ материал), то средняя толщина потребуется ещё меньшая, и можно будет, например, вообще обойтись просто металлической сетью, в ячеях которой натянут более лёгкий материал, напр., более тонкая металлическая же сеть (натянут, разумеется, с большей кривизной прогиба, а значит, и нагрузка на метр там будет в десятки раз меньше), и т.д. иерархически, пока размер ячеи и нагрузки не позволят положить практически любой герметизирующий материал, независимо от его механической прочности.

[toman_k]

> может быть не 80, но 60% азота (при давлении 0,5атм) в воздухе должно быть

А вот тут я бы поостерёгся задирать процент кислорода до 40%. Насколько я понимаю, это очень уж пожароопасная штука. Загораться как спички от малейшей искры начинают даже такие предметы, от которых этого совсем не ожидаешь. Т.е. в частности при таких условиях жителей ожидают большие проблемы с материалом для одежды, которая бы не создавала неприемлемого риска сгореть (и даже с собственным волосяным покровом, пожалуй что - тоже проблемы, а уж о кошечках-собачках и других волосатых существах и говорить нечего).

Давление как таковое снизить можно, примерно как в самолёте, и без изменения процента кислорода. В горах же на 3500 м люди вполне живут. Может быть, до 25-28% кислород и можно поднять, и ещё чуточку понизить давление. Но больше кислорода как-то уже страшновато, даже при усиленных противопожарных мерах.

[vitus_wagner]

Насколько я понимаю, пожароопасность зависит не столько от процента, сколько от парциального давления кислорода.

В одном из наземных тестов Аполлона был пожар поскольку использвался кислород при атмосферном давлении. А потом американцы сколько лет летали с кислородом при давлении 0,2 атмосферы и ничего.

Точно так же и тут я предлагаю сохранить парциальное давление кислорода, но за счет уменьшения парциального давления азота снизить полное атмосферное давление вдвое. Чем меньше давление, тем проще с герметизацией и шлюзованием.

[p_govorun]

американцы сколько лет летали с кислородом при давлении 0,2 атмосферы и ничего

У них очень серьёзные противопожарные требования.

ЕМНИП, при подготовке к "Союз-Аполлон" пришлось переделывать одежду советских космонавтов; та, что у них была, этим правилам не удовлетворяла.

[toman_k]

> Насколько я понимаю, пожароопасность зависит не столько от процента, сколько от парциального давления кислорода.

Боюсь, от парциального давления будет зависеть скорее то, насколько быстрым будет горение. А вот от процентного содержания кислорода - как раз сам факт воспламенения. Т.е. грубо говоря, убрав полностью или частично нейтральный газ, мы отдаём бОльшую долю повышенной энергии продуктов начавшейся (например, в месте удара электрической искры или от ещё чего-то горячего) реакции соседним молекулам кислорода и, возможно, сгораемому веществу. То, что давление понижено вдвое, означает только то, что длина свободного пробега чуть-чуть больше, но за время свободного пробега с возбуждёнными или просто имеющими высокую поступательную скорость частицами ничего не происходит. Т.е. после начала реакции мы от каждого события будем иметь столько же разветвлений цепи в воздухе за счёт возбуждения новых молекул кислорода, сколько имели бы и при атмосферном давлении и тех же 40% кислорода. Только во вдвое большем объёме пространства. Но свою мишень эти возбуждённые молекулы всё равно найдут, и создадут последующие события. Ну или на более поздних стадиях воспламенения, когда уже можно говорить о локальном повышении температуры - прирост температуры в газовой фазе после вступления в реакцию того же количества вещества будет почти вдвое больше, т.к. самого газа вдвое меньше, и теплоёмкости соответственно.

Собственно, тут достаточно хорошая аналогия - бензиновый мотор. Насколько он чувствителен к составу смеси в смысле успешности воспламенения и сгорания, и насколько удивительно мало чувствителен к общему давлению, что именно общим давлением и стало принято его регулировать (ну или подняться на самолёте тысяч на 12 метров, с точки зрения двигателя - почти то же, что как будто ему штатным образом газ убавили - плавное снижение мощности).

[vitus_wagner]

По-моему, вести речь о "свободном пробеге молекул" при давлении порядка атмосферного это какая-то альтернативная физика.

Процессы сгорания газовой смеси, содержащей и горючее и окислитель, имеют довольно мало отношения к обычным пожарам, где горит в основном все же твердое вещество.

Легкокипящих горючих жидкостей в обиходе лунной или марсианской базы будет заметно меньше, чем в обиходе землян (из-за нерациональности использования этих жидкостей в качестве источника энергии).

А вот потенциально опасных ситуаций, связанных с перепадом давления - намного больше.
Поэтому это такой trade off. Снижая риск проблем со взрывной разгерметизацией увеличиваем риск пожароопасности.

Американцы пошли на снижение давления в пять раз ценой 100% содержания кислорода. Я считаю осмысленным снижать давление не более чем вдвое, потому что азот тоже нужен.

[beldmit]

Видимо да, вспоминая про Валентина Бондаренко, который погиб именно в барокамере.

[si14.livejournal.com]

На всякий случай спрошу: вы же читали про http://en.wikipedia.org/wiki/Biosphere_2 ? Там достаточно большая площадь была.

[vitus_wagner]

И в общем достаточно успешный эксперимент. С цементом, поглощающим углекислый газ конечно промахнулись. Геологию плохо учили.

Что, впрочем для биологов достаточно характерно. То что основной регулятор карбонаного равновесия - это щелочноземельные металлы, до них не доходит. Я до сих пор регулярно встречаю упоминания что-де основным производителем кислорода являются дождевые леса. Хотя там сколько углерода связывается, столько и освободается. В отличие от торфяных болот.

А что значительная часть земной коры это известняики и доломиты, как биогенные, так и хемогенные, биологи часто забывают.

[permea-kra.livejournal.com]

Строго говоря, вопрос стоит не в том, как строить замкнутую экосистему, а в том, как встроиться в уже имеющуюся. Есть вполне стабильные экосистемы: http://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_mat

Проблема ровно в том, что они 1) маленькие, 2) замкнутые. Совсем замкнутые.

Ну и все это как вишенку на торте венчает вопрос 'нафига'.

[vitus_wagner]

Ну вот если не строить привычных экосистем то и возникает вопрос "нафига".
А если строить - то понятно. Там жить можно.

[permea-kra.livejournal.com]

Жить можно и так. Понимаете, пейзажа там все равно не будет, поскольку купол диаметром 2+ км - это сон разума с точки зрения ОБЖ. А оранжереи вполне можно сделать и в подземной кишке 7*(7*3)*100, выстроенной по технологии для станций метрополитена глубокого залегания.

[vitus_wagner]

Купол диаметром в несколько километров это отнюдь не так страшно, как кажется. Пока из него через дырочку будет воздух уходить, можно десять раз успеть надеть скафандры, найти ту дырочку и заклеить.

При этом на Марсе этот купол будет освещаться естественным образом, а в подземелье придется еще и об освещении заботиться.

Вообще нужно стремиться к тому, чтобы экосистемой можно было вообще не управлять. Чтобы если люди вдруг зачем-то купол на пару десятков лет забросят, то вернувшись они нашли бы там пригоднуе для дыхания атмосферу слегка одичавшие, но съедобыне фрукты и много-много бегающего мяса.

А если постараться, можно попытаться и что-то вроде льюисовского хандрамита устроить - затянуть пленкой какую-нибудь здоровую рифтовую долину и развести экосистему там.