Искусственные экосистемы
Apr. 18th, 2012 11:36 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
vitus_wagnerТут 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.
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.
no subject
Date: 2012-04-20 06:18 am (UTC)А если строить - то понятно. Там жить можно.
no subject
Date: 2012-04-20 06:25 am (UTC)no subject
Date: 2012-04-20 06:31 am (UTC)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.
no subject
Date: 2012-04-20 06:40 am (UTC)Ну если разрушения дожли до этого пункта, то следует понимать, что прилитевший 10кг метеорит сделает отнюдь не дырочку, поскольку несет в себе много своих тротиловых эквивалентов, а вся энергия уйдет в воздух купола (поскольку нескольких сотен км. разрешенных слоев для плавного торможения нет). Но проблема не в этом, а в том, что такая конструкция инженерно уязвима и может быть выстроена только на пределе конструкционных возможностей материалов. Нет запаса.
>При этом на Марсе этот купол будет освещаться естественным образом, а в подземелье придется еще и об освещении заботиться.
Об освещении придется заботиться в любом случае. Людям свет нужен, да и света на Марсе несколько меньше, чем на земле.
>Вообще нужно стремиться к тому, чтобы экосистемой можно было вообще не управлять.
Зачем?
>А если постараться, можно попытаться и что-то вроде льюисовского хандрамита устроить - затянуть пленкой какую-нибудь здоровую рифтовую долину и развести экосистему там.
пленкой затягивать вредно. Уязвима она. Если уж баловаться терраформированием, то нужно бухать астероид и делать долину 10+ км глубины от поверхности.
no subject
Date: 2012-04-20 06:45 am (UTC)Почему как неуязвимые экосистемы делать, так не надо, а как неуязвимые купола (в смысле долины глубиной в 10 км) так надо?
Бухать астероид - не получится. Нет таких технологий, чтобы астероиду орбиту поменять. А несколько квадратных километров пленки произвести - получится. Это мы умеем.
no subject
Date: 2012-04-20 06:53 am (UTC)Их не нужно, там где-то первые сотни метров нужны, если не меньше. Опять же, при столкновении с материалов купола плотность энергии достаточна для взрывного испарения существенной доли массы взаимодействующих веществ.
>Почему как неуязвимые экосистемы делать, так не надо, а как неуязвимые купола (в смысле долины глубиной в 10 км) так надо?
Что значит неуязвимые? Купол уязвим, сломай купол - сломаешь и экосистему. А это не так сложно. Сломать глубокую долину - проблематично.
>Бухать астероид - не получится. Нет таких технологий, чтобы астероиду орбиту поменять.
Технологий для постройки куполов 10-км диаметра тоже нет. И нервущейся пленки тоже нет.
no subject
Date: 2012-04-20 07:01 am (UTC)На Земле живут миллиарды людей, площадь построенных ими зданий на много порядков превосходит площадь куполов которые за несколько столетий сумеют построить марсианские колонисты. И сколько у нас за ТЫСЯЧИ лет наблюдений попаданий метеоритов в здания? Единицы. А метеорит в десятки кг уже имеет шансы до поверхности Земли долететь.
Поэтому попадания на попадания метеоритов размером даже не в десятки килограммов, а килограммы следует расчитывать только в плане "как мы будем народ из этого купола эвакуировать в соседний и чем народ будет дышать в процессе эвакуации".
Притом, что повторяю, сотни килограмм тротилового эквивалента это далеко не ужас-ужас, а типичный снаряд крупнокалиберной артиллерии. В Ютландском бою таких снарядов корабли десятки в небронированные оконечности получали. И ничего, продолжали бой, А размером эти корабли были ни разу не в километры.
Заклейка дырочек - это про метеориты весом граммы или сотни милиграмм. Вот их может быть достаточно много, чтобы стоило позаботиться об обеспечении продолжения функционирования купола при их попадании. И то, судя по количеству царапин на внешней обшивке МКС эта угроза фантастами сильно преувеличена.
no subject
Date: 2012-04-20 10:12 am (UTC)Ну ок, допустим. Тем не менее: какие есть рациональные доводы к отстройке купола против отстройки чего-то не столь циклопического?
no subject
Date: 2012-04-20 10:26 am (UTC)а) обитаемое сооружение на Марсе обязано быть герметичным.
б) давление воздуха внутри обитаемого сооружения не менее чем на 0.2 атмосферы превосходит наружное (0.2 это если чистым кислородом надувать. В соседнем треде я агитирую за 0.5 с 40% кислорода и 60 азота).
Очевидно, что при таком раскладе купол из пленки в несущих конструкциях не нуждается и оказывается самой дешевой и быстровозводимой разновидностью конструкций с большим пролетом.
Фирмы, которые продают воздухоопорные сооружения с пролетами порядка сотен метров для использования на Земле, утверждают что срок строительства от 2 до 4 недель.
no subject
Date: 2012-04-20 11:51 am (UTC)no subject
Date: 2012-04-20 11:56 am (UTC)no subject
Date: 2012-04-20 12:04 pm (UTC)no subject
Date: 2012-04-20 12:11 pm (UTC)См также эксперимент Биосфера-2. Как показал этот эксперимент, "просто оранжереи" имеют недостаточный объем воздуха, чтобы демпферировать колебания содаржания углекислоты в суточном цикле.
Поэтому нужны купола высотой сотни метров.
no subject
Date: 2012-04-20 12:17 pm (UTC)Кстати, еще одна засада - это диффузия газа напрямую через полимерную пленку и через стыки листов. Полностью от неё избавиться не получиться хоть ты тресни.
no subject
Date: 2012-04-20 12:23 pm (UTC)При таком подходе любой разрыв пленки будет упираться в ячейку сетки и на этом останавливаться.
А что утечка будет, и ее будет необходимо восполнять, так на это сразу закладываться надо. Мы же не собираеся везти воздух с Земли, в любом случае придется кислород и азот из местных ресурсов добывать.
Ну и еще надо учесть, по опыту того же проекта Биосфера-2, что заметные количества кислорода и/или углекислоты будут связываться химически с грунтом, который мы туда внутрь насыпем. Ведь этот грунт, как и бетонные конструкции проекта Биосфера-2, неравновесен кислородной атмосфере. В марсианском грунте, например, может запросто неокисленное железо присутствовать, а то и сульфиды.
no subject
Date: 2012-04-20 01:43 pm (UTC)Угу. осталось выяснить, какое там будет натяжение канатов. Или нагрузки на несущие конструкции. Вы попробуйте прикинуть, серьезно.
no subject
Date: 2012-04-20 10:54 am (UTC)no subject
Date: 2012-04-20 12:03 pm (UTC)А базовый цикл косможилища будет строиться или на водорослях (если есть много дармого света) или на водородокисляющих хемосинтетиках (водород и кислород из электричества можно вырабатывать с меньшими потерями, чем свет).
no subject
Date: 2012-04-20 12:26 pm (UTC)no subject
Date: 2012-04-20 01:42 pm (UTC)Вот с этим я буду спорить. Пока нет заведомо достоверных данных о некотором месте на марсе, где есть минимально необходимый набор для бустрапа - людям делать там нечего совершенно.
При этом георазведка поверхностного слоя оптимистична: железо, хром, марганец, кремний, фосфор, алюминий, сера, магний, кальций - есть, т.е. минимально необходимый набор для бутстрапа электроники, электротехники и механики представлен. Проблема в энергетике.
no subject
Date: 2012-04-20 04:03 pm (UTC)С энергетикой - два варианта: либо солнечный, либо ядерный. Ядерный требует охлаждения. Солнечного - хватит на обеспечение собственных потребностей, но вряд ли на промышленность.
К сожалению, одной энергии для бутстрапа промышленности мало. Вот, например, аллюминий получают с помощью электролиза, но для этого процесса нужен криолит, резко снижающий температуру плавления оксида алюминия. Есть он на Марсе? Если есть, то где? Неизвестно. Ну и т.п.
no subject
Date: 2012-04-20 04:14 pm (UTC)Криолита и на земле нет, если чё. Его делают. И потом, это не единственный вариант - есть и другие.