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

[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.

[vitus_wagner]

Жить в пещере плохо тем, что непонятно, зачем для этого лететь на Марс. Вон тут какие-то сектанты недавно в пензенской области пещеру выкопали.

На Марсе и так будут некоторые проблемы с обеспечением достаточного количества солнечного света для растений, а в пещере, где надо собирать свет на поверхности солнечными батареями, передавать его внутрь в виде электричества и с нестопроцентным КПД опять преобразовывать в солнечный свет...

[toman_k]

> Жить в пещере плохо тем, что непонятно, зачем для этого лететь на Марс. Вон тут какие-то сектанты недавно в пензенской области пещеру выкопали.

Так вроде о том, зачем на Марс - это Вы же говорите, что потому, что на Земле кое-кто кое-кому мешает. Вот, и сектантов тех из этой пещеры вытащили. Хотя они, конечно, жить в этой пещере и не собирались. Если бы они не просто пещеру выкопали, а ещё и закрепились бы так, что их оттуда выковырять не могли бы даже военной силой, и заимели себе собственную экономику, да ещё такую, чтобы она не была подвержена блокаде со стороны государства - тогда был бы им респект, конечно.

> а в пещере, где надо собирать свет на поверхности солнечными батареями, передавать его внутрь в виде электричества и с нестопроцентным КПД опять преобразовывать в солнечный свет...

Ой, ужас какой. Это если бы спектральный состав света был негодным, приходилось бы заниматься такими преобразованиями. Но поскольку свет тот же самый солнечный (и в основном прямой), то можно его зеркалами в колодцы-световоды запихивать.

[vitus_wagner]

Есть у меня сильное подозрение, что КПД зеркал и световодов может оказаться меньше, чем у солнечных батарей + лампочек.

[sergey_cheban]

В пещерах и под толстыми крышами не бывает солнечного света. Потребность в энергии сильно увеличится, тут уже и АЭС может не хватить. Кроме того, на каждый квадратный метр такой крыши придётся положить 15 тонн марсианского грунта. Ну или метрострой придётся устраивать, это тоже не просто.
Главный вывод: оранжерея на Марсе - это совсем не то, что на Земле.

[toman_k]

Ну так мы же на Земле тоже не в оранжерее живём, строго говоря. По крайней мере, абсолютное большинство. Некоторые любители, может быть, и живут в доме с прозрачной крышей. Но живётся им там, видимо, нелегко.
В общем, оранжерею можно и отдельно устроить, в куполах (или "мячиках") меньшего размера, уже явно надувных, но с менее нагруженной оболочкой. Если там вообще получится организовать подходящий температурный режим.
Или же оранжерея в общей пещере/тяжёлом куполе, при условии, что приняты специальные меры для ввода туда света снаружи.

[vitus_wagner]

Некоторые из тех, которые на Земле живут, почему-то под крышей в основном спят. А, скажем едят - под открытым на дастархане под грозььями винограда.

[sergey_cheban]

Ну мы же вроде замкнутую биосферу строить собрались? Ей без света никак. И размер нужен хотя бы такой, чтобы урожай удобно было собирать (и для стабилизации биосферы, наверное, тоже должно быть важно, чтобы она вся была в одном объёме).

С температурой, по идее, проблем быть не должно. Снаружи холодно, но почти вакуум. Главное, чтобы под парником какая-нибудь вечная углекислая мерзлота таять не начала.

[permea-kra.livejournal.com]

>Потребность в энергии сильно увеличится, тут уже и АЭС может не хватить.

Ой. На марсе и так света немного, а легким и тонким купол делать нельзя как раз в целях защиты от радиации. В итоге выйде, что до растений дойдет где-то 100 В/м**2 , что маловато.

[vitus_wagner]

Чего-чего? Солнечная постоянная (энергия на квадрат на уровне орбиты Земли) 1370 Вт/м².
Радиус орбиты Марса 1.5 а.е. Энергия уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Соответственно, на уровне орбины Марса на квадрат будет приходиться всегдо в два c четвертью раза меньше, чем на уровне орбиты Земли.

Получается 600Ватт/м₂.

Этого более чем достаточно для многих земных растений, привыкших, например расти в тени более высоких растений, или просто живущих на широте косинус которой равен 1/2.

А насчет радиации вы мне подали хорошую идею - покрыть купол люминофором, который будет преобразовывать вредную радиацию в полезную (то есть видимый свет).
Этак мы еще ват 300 отыграем.

[permea-kra.livejournal.com]

Емнип, до поверхности земли вмесо 1370 доходит только 700 - остальное отфильтровывается как вредное. Нам их тоже придется фильтровать.

Проблема не в том, что расти не будет, а в том, что продуктивность на гектар жидковата выйдет. А купол вряд ли выйдет дешевым.

[sergey_cheban]

На экваторе Марса со светом должно быть не хуже, чем, скажем, в Краснодаре. Людей вполне можно спрятать в отдельный купол меньшего размера, в том числе и под землю. А растениям и прочим червям и насекомым радиация, по идее, не очень страшна?

[permea-kra.livejournal.com]

Ну, может и так.

Правда, Витус как раз хочет в большом куполе жить, как я понимаю.