"Podobnie jak wszystkie organizmy żyjš na Ziemi w tej samej objętoci gazów, cieczy i ciał stałych które nigdy nie ubywajš i nie przybywajš, tak my możemy żyć w międzyplanetarnym statku dzięki zabranym na pokład zapasom."
-- Konstanty Ciołkowski.
Pytanie czy można stworzyć zamknięty ekosystem na podobieństwo Ziemi w Kosmosie nurtowało ludzi od zarania dziejów. Na tym włanie przekonaniu bazuje wiara w znalezienie planety, która dzięki swoim warunkom stałaby się drugš Ziemiš. Konstanty Ciołkowski powiedział: Ziemia jest kolebkš ludzkoci, ale człowiek nie zostaje przecież całe życie w kolebce. Jest zatem jasne, że próby stworzenia zamkniętego ekosystemu, który zapewniłby dogodne warunki egzystencji rolin, zwierzšt i człowieka sš wielkim wyzwaniem dla naukowców wielu dziedzin. Trzeba jednakże spełnić kilka podstawowych warunków:
1) zapewnić cyrkulację powietrza, w sposób naturalny bšd sztuczny,
2) zapewnić cyrkulację wody,
3) zapewnić cyrkulację materii organicznej,
4) stworzyć takie warunki aby wszystkie procesy regeneracyjne wyżej wymienionych czynników odbywały się na zasadzie naturalnej przemiany i reakcji biochemicznych,
5) zapewnić owietlenie, naturalne lub sztuczne odpowiadajšce parametrami naturalnemu,
6) zapewnić odpowiednie podłoże do rozwoju upraw.
Rozpatrujšc ww. zagadnienia pod względem technicznym można stwierdzić, że:
1) cyrkulacja powietrza może być osišgnięta w najprostszy sposób, tj. przy użyciu wentylatorów i całego systemu przewodów gazowych. Jego regenerację częciowš zapewniałyby filtry dwutlenku węgla, a także jonizatory. Niestety nie daje to możliwoci uzupełniania tlenu. Wymagane sš wówczas duże nakłady finansowe na ródła energii elektrycznej do zasilania. Naturalna cyrkulacja jest możliwa tam gdzie obiekt ma dużš objętoć, gdzie występujš duże wahania temperatury pomiędzy regionami takiego układu. Jak wiadomo nagrzane powietrze zwiększa swš objętoć, a będšc w zamkniętej przestrzeni spręża się. Jeżeli wówczas połšczymy taki obiekt z drugim, gdzie powietrze ma niższš temperaturę, a zatem niższe cinienie, to zadziała wtedy zasada naczyń połšczonych, która głosi że każdy układ dšży do równowagi.
2) cyrkulację wody można zapewnić także w sposób sztuczny przy pomocy całego systemu pomp, filtrów i rur. Powoduje to duże zapotrzebowanie na energię elektrycznš. W przypadku naturalnej cyrkulacji wody kluczowym elementem jest występowanie regionów ekosystemu o różnym nasyceniu parš wodnš. Konieczny jest wówczas otwarty zbiornik wodny, tak usytuowany aby znajdował się w regionach o dużej różnicy temperatur. Albo też kilka zbiorników, które umieszczone w różnych regionach spełniałyby swojš rolę.
3) cyrkulację materii organicznej można zapewnić tylko w sposób naturalny tj. wszelkie procesy niszczenia i odnowy sš realizowane poprzez organizmy żywe. Powstaje pytanie jakie organizmy? Wszystko zależy od skali obiektu. Im jest on większy i zajmuje większš objętoć tym wyższe organizmy można do niego wprowadzić. Jednym z takich modelowych systemów dla niższych organizmów jest układ drożdże-chlorella, umieszczonych w oddzielnych pojemnikach połšczonych rurkami. W tym zestawieniu drożdże produkowałyby dwutlenek węgla, który byłby zużywany przez chlorellę w procesie fotosyntezy. Ona za produkowałaby jako produkt odpadowy tlen pobierany przez grzyby. Układ ten jest, można by rzec, samonapędzajšcym się ekosystemem.
4) ww. przykład jest stosunkowo prosty, ale jednak nie na tyle żeby go bez problemów przenieć do większego obiektu. Problem powstaje gdy trzeba zbudować układ, w którym jako jego element występowałby człowiek. Trzebaby mu zapewnić pożywienie, tlen i wodę. Co się tyczy odpadów przemiany organicznej (dwutlenek węgla, mocz, kał, woda z procesów higienicznych), musiałyby być one tak przetwarzane w ekosystemie, aby produkty przemiany można było ponownie pucić w obieg.
Dobowy bilans wody dla jednego człowieka (dane orientacyjne) [11].
Przyjmowanie wody w ml
Wydalanie wody w ml
Napoje 1200
Mocz 1400
Woda zawarta w żywnoci 1000
Kał 200
Woda wytwarzana w organimie w procesie utleniania 300
Woda wydzielana wraz z potem i oddechem 900
RAZEM 2500
RAZEM 2500
Jednym z takich pierwszych dowiadczeń był przeprowadzony w byłym Zwišzku Radzieckim eksperymentu pod nazwš BIOS-3 . Eksperyment przeprowadzono w latach 1967-68 w Krasnojarskim Instytucie Biofizyki Syberyjskiego Oddziału Akademii Nauk ZSRR. Trwał pół roku [13]. Według innych ródeł eksperyment trwał jeden rok do 5.11.1967r [4,9].
Rys 1. Wewnštrz kompleksu BIOS-3 [11]
Jego uczestnikami byli:
A. G. Manowcew - lekarz, B. N. Ułybyszew - technik, A. N. Bożko - biolog [4,11].
Układ badany znajdował się w szczelnym metalowym pomieszczeniu o wymiarach 15*8,4*2,5 m i kubaturze 315 m^3 [9], który był podzielony na cztery główne pomieszczenia :
1. fitotron (kultywator wodny , w którym roliny rozwijajš się w rodowisku wodnym) z pszenicš 20m2,
2. fitotron z hodowlš warzyw min: buraki, por, marchew, kapusta i rzepa 20m2,
3. kultywatory wodne chlorelli 2szt po 20l każdy suchej roliny,
4. pomieszczenia mieszkalnego dla trzech osób (kabiny jednoosobowe, kuchnia, toaleta i łazienka) [13],
Celem eksperymentu było sprawdzenie, czy jest możliwe utrzymanie dzięki tego typu ekosystemowi osób stanowišcych załogę. W tym systemie chlorella zapewniała stały dopływ tlenu, wydajnoć dwóch jej kultywatorów wynosiła 2000 litrów na dobę (człowiek potrzebuje 4 razy mniej). Fitotrony z pszenicš i warzywami były owietlone przez 20 lamp ksenonowych każdy. Uprawy te służyły do regeneracji produktów przemiany materii załogi. I tak, ciekłe i stałe odchody ludzkie po mineralizacji (rozłożeniu na tlenki, sole mineralne i wodę) były dostarczane do chlorelli (niewykorzystywanej tutaj jako ródło żywnoci). Cała za woda ciekowa była kierowana do pszenicy i warzyw. ródłem wody w systemie był kondensator pary wodnej w pomieszczeniach upraw. Po przefiltrowaniu i uzdatnieniu woda ta nadawała się do picia [13].
Rys 2. Schemat kompleksu badawczego BIOS-3 [13]
Kompleks BIOS-3 tylko częciowo zapewniał samowystarczalnoć. Wydajnoć kultywatorów pszenicy i warzyw pozwalała na zaspokojenie 20% potrzeb. Dzienna produkcja to 200g ziarna pszenicy i 388g warzyw na głowę (pozwalało to na pieczenie chleba). Reszta pochodziła z zapasów. Sprawnoć regeneracji powietrza wynosiła 100%, doszło nawet do tego, że bionauci musieli zbudować specjalny piec do spalania słomy gdyż nie można było utrzymać równowagi tlenu (było go za dużo). Regeneracja wody zapewniała 95% jej recyklingu [13].
Dowiadczenie to przeprowadzono prawie 30 lat temu w zwišzku z zamierzeniami budowy stałej bazy na Księżycu po spektakularnym lšdowaniu (miał tego dokonać Aleksiej Leonow). Jednak do lšdowania nie doszło w wyniku niedoskonałoci konstrukcji rakiety księżycowej N-1 (na pięć startów żaden się nie udał). Astronautyka Zwišzku Radzieckiego, przełknšwszy gorzkš pigułkę, skoncentrowała się na długotrwałych lotach załogowych na pokładach stacji orbitalnych Salut 1-7 i Mir.
Jednak nie zakończono badań z użyciem kompleksu BIOS-3. W latach siedemdziesištych przeprowadzano takie eksperymenty, których maksymalny czas trwania wynosił do 6 miesięcy, za załogę stanowiło do trzech osób. Przykładowo, w 1977 roku przeprowadzono 4-miesięczny eksperyment, w którym zapewniono dzięki wykorzystaniu wyższych rolin pełnš recyrkulację tlenu, wody i częciowo żywnoci. Jeszcze w 1984 roku przeprowadzono 5-miesięczny eksperyment, w którym brali udział pracownicy instytutu: N. Burgjejew i S. Aljeksjejew [4].
W czasie lotów kosmicznych sš przeprowadzane eksperymenty zwišzane z biomedycynš i botanikš. Majš one odpowiedzieć na pytanie jaki jest wpływ nieważkoci na organizmy przystosowane przez Naturę do życia w warunkach powszechnego cišżenia. Poznanie mechanizmów, które rzšdzš powstawaniem jakichkolwiek zmian pozwoli na ukierunkowanie badań w celu ich przezwyciężenia. Oprócz tego przybliży się odpowied, czy na stacjach kosmicznych i statkach międzyplanetarnych można stworzyć sprawne ekosystemy.
[%sig%]
- 
Biosfera 2 - zlokalizowana na pustyni w Arizonie - jest jednym z najciekawszych architektonicznie i rodowiskowo projektów. Jak mówi koordynator ds. technicznych Bernd Zabel, który spędził 2 lata w Biosferze, jest kompleksem nowego, bioelektronicznego i architektonicznego wiata, który w przyszłoci może stać się rodowiskiem życia człowieka. W założeniach projekt ten miał stanowić miniaturowe, lecz proste do wykonania, sztuczne rodowisko, które byłoby w stanie samodzielnie utrzymać się przy życiu w całkowitej izolacji od wiata zewnętrznego. Widać tu wyrane analogie do programu badań kosmicznych i przyszłego zakładania baz planetarnych. Poczštki projektu sięgajš listopada 1986 r., kiedy to rozpoczęto budowę zamkniętego kompleksu porodku arizońskiej pustyni. Projekt i budowę sfinansował teksański miliarder Edward P. Bass, a całe przedsięwzięcie kosztowało ok. 200 mln USD.
Dzięki stworzeniu Biosfery naukowcy wreszcie uzyskali możliwoć zbadania złożonoci ziemskich ekosystemów. Już w fazie projektowania niezwykle trudnym zadaniem okazało się okrelenie, które z ziemskich ekosystemów sš bardziej istotne dla ludzkiego organizmu i powinny znaleć się w kompleksie. W efekcie analiz, w specjalnych modułach umieszczono zminiaturyzowane wersje wszystkich rodowisk i ekosystemów. Równoczenie pojawiło się pytanie, jakie ekosystemy sš niezbędne, aby zapewnić przetrwanie ludziom zamkniętym w kompleksie.
ZASIEDLANIE
Przez pierwsze trzy lata po wybudowaniu Biosfery 2, cały kompleks był nie zamieszkany. Dopiero we wrzeniu 1991 r. do Biosfery weszła pierwsza grupa omiu badaczy, którzy mieli przeżyć tam 2 lata w zupełnej izolacji od wiata zewnętrznego.
Przed zasiedleniem z atmosfery kompleksu usunięto prawie cały dwutlenek węgla, a także przygotowano specjalnš instalację przeznaczonš do pracy w obiegu zamkniętym - niezbędny do życia tlen miała wytwarzać rosnšca w Biosferze rolinnoć. Przez większoć czasu, poza kilkoma przypadkami, powietrze, woda i żywnoć były wytwarzane i przetwarzane jedynie przez ekosystemy umieszczone w szklanych budynkach.
Zaludnienie miniaturowego wiata przez badaczy wykazało jednak słabe strony projektu. Naukowcy popełnili wiele błędów przy zaopatrywaniu Biosfery w pozyskiwany w zamkniętym obiegu tlen - w stosunkowo krótkim czasie zaobserwowano wyrany jego niedobór. W lutym 1993 r. do kompleksu wpompowano zatem wieży tlen, aby zrekompensować niski poziom tego gazu w atmosferze.
W takim szczelnie zamkniętym wiecie najważniejszš sprawš była kwestia podtrzymywania życia, jednak słabš stronš projektu okazała się także ludzka natura. W zamknięciu ludzie zaczęli reagować gwałtownie nawet na najmniejsze nieporozumienia. W rezultacie pewnych niedopatrzeń natury technicznej i konfliktów personalnych załoga naukowców, zamieszkujšca kompleks, wycofała się z udziału w eksperymencie.
DRUGIE PODEJCIE
Rok póniej, na poczštku 1994 r., student Jeffrey Severinghaus z Columbia University odkrył przyczynę gwałtownego niedoboru tlenu. Okazało się, że wszystkiemu winne sš ziemne bakterie, które pochłaniały go w nadmiernych ilociach. Znalezienie i wykluczenie podstawowych niedopatrzeń pozwoliło przygotować stację do nowych eksperymentów.
Już w miesišc po tym odkryciu do kompleksu weszła kolejna załoga badawcza. Zespół ten miał pracować w lepszych warunkach - tym razem przez rok. Równoczenie zwolniono dotychczasowych szefów projektu za złe zarzšdzanie finansami oraz położono większy nacisk ( pod presjš naukowców bioršcych udział w pierwszej częci eksperymentu) na bezpieczeństwo ludzi uczestniczšcych w kolejnej jego fazie.
Ostatecznie w 1996 r. odpowiedzialnoć za zarzšdzanie projektem przejšł Columbia University, a kompleks stopniowo zaczęto przekształcać w orodek prowadzšcy badania ziemskiej biosfery. We wrzeniu 1996 r. dyrektorem kompleksu został William C. Harris. Na stację przybyli też pierwsi studenci na "semestr Ziemi". Od listopada 1996 r. Biosfera 2 jest częciowo dostępna dla zwiedzajšcych. Udostępniono częć znanš poprzednio jako ludzki habitat, kwatery badaczy i stworzono interaktywne muzeum ukazujšce zmiany klimatu ziemskiego.
- 
Naukowcy, zamknięci pod szklanym niebem, przeżyli mierć swej "miniaturowej" Ziemi. Czy fiasko eksperymentu w skali mikro może stanowić ostrzeżenie także i dla nas, mieszkańców całej planety? Może już w przyszłoci czeka nas niedobór tlenu i żywnoci, plaga mrówek, karaluchów i pnšczy, wyginięcie wielu gatunków owadów i narastajšcy konflikt międzyludzki.
NOWY SZKLANY DOM
Biosfera 2 zajmuje obszar 1,6 ha i ma 204 000 metrów szeciennych objętoci (wraz z "płucami"). Pod jej hermetycznš kopułš znajduje się pięć naturalnych i dwa przekształcone przez człowieka biomy: las tropikalny, sawanna, bagna, ocean, pustynia, rodowisko rolnicze i habitat dla ludzi. Atmosfera jest wytwarzana przede wszystkim w tych włanie biomach. Jak widać, obecne sš tu wszystkie istotne dla ziemskiego rodowiska biomy, co pozwoliło na dokładniejsze badania zależnoci, zachodzšcych między nimi. Nie uwzględniono jednak skomplikowanej ziemskiej geologii i geosfery ani występujšcych między nimi współzależnoci - mogłoby to bowiem znacznie utrudnić i tak już niełatwy do zrealizowania projekt. Nie odtworzono tu zatem zbyt dokładnie ziemskiej biosfery, a jedynie jej istotne - zdaniem amerykańskich naukowców - fragmenty.
Habitat dla ludzi ma powierzchnię 2600 metrów kwadratowych i zawiera rodowisko miejskie z publicznie dostępnymi rejonami oraz prywatnymi pomieszczeniami dla uczestników projektu. Jest to jedyna częć Biosfery 2, w której wszystko wykonane zostało z metalu, a nie ze szklanych paneli. Habitat wyposażono w biura, laboratoria, ambulatorium, terminale monitorujšce rodowisko wewnętrzne, magazyny maszyn i drewna, a także kuchnię oraz inne udogodnienia przeznaczone dla stałych mieszkańców.
Cały kompleks zadaszony jest za pomocš 8000 szklanych płyt, pokrytych wzmacniajšcym laminatem. Od spodu, pod fundamentami, budynki sš izolowane przez płyty wykonane ze stali nierdzewnej odpornej na działanie soli morskich. Konstrukcja naziemna okazała się nadzwyczaj odporna - ramki, w których osadzone były tafle szklane, wykonano według specjalnej technologii (po 5 latach do wymiany nadawało się jedynie 50 z 77 000 ramek).
SZALONE MRÓWKI
Biosfera 2 ma też swoje "płuca". Jest to hermetyczny kompleks, toteż niezbędne okazało się wyposażenie go w system sterujšcy cyrkulacjš powietrza w zależnoci od temperatury. Każde z dwóch "płuc" ma pojemnoć 23 tys metrów szeciennych, a cały budynek ok. 150 tys metrów szeciennych.
Budowniczowie zadbali także o to, by powietrza w kompleksie nie zanieczyszczały gazy ze le dobranych materiałów konstrukcyjnych i wykończeniowych. Dlatego też wiele elementów wykonano ze specjalnie wybranej wełny i bawełny (np. wytłumiajšce hałas pokrycia cian i podłóg).
Projektanci kompleksu wykonali też specjalne zabezpieczenia przed termitami sprowadzonymi tu w celu recyklingu celulozy. Jak się jednak okazało, prawdziwš plagš stały się "szalone mrówki" (Paratrechina longicornis), które unicestwiły termity i spowodowały pewne nieszczelnoci w kompleksie.
Zdaniem niezależnych naukowców, nieszczelnoć budowli mogła powodować straty powietrza do 10% rocznie - według NASA - wskanik ten mógł wynosić nawet 10% dziennie (na promach kosmicznych straty takie wynoszš ok. 350% rocznie). W założeniach projektowych straty powietrza, spowodowane nieszczelnociš, miały miecić się w granicach 6% rocznie.
CO POSZŁO NIE TAK?
Choć programu tego nie można nazwać kompletnym fiaskiem, popełniono w nim wiele zarówno błahych, jak i poważnych błędów. To włanie dzięki Biosferze odkryto wiele zjawisk, które majš - jak się okazało - olbrzymi wpływ na zamknięty ekosytem. Pierwszym i zarazem najpoważniejszym zagrożeniem dla zamkniętych w kompleksie badaczy było zbytnie rozmnożenie się żyjšcych w glebie mikrobów, które pochłaniały tlen z atmosfery. Ograniczyły one znacznie zawartoć tlenu - z 21 do 14%. Ponadto duża czeć dwutlenku węgla z atmosfery została zwišzana przez wapień w postaci osadów. Większoć pożytecznych owadów, które miały zapylać roliny, wyginęła. W ten sposób roliny utraciły możliwoć owocowania. Plagš stały się natomiast mrówki i karaluchy oraz pewien rodzaj tropikalnych pnšczy, wypierajšcy inne roliny. Niedocišgnięcia w projekcie odbiły się też na ludziach. Żywnoć produkowano w minimalnych ilociach, co spowodowało znaczny spadek wagi mieszkańców.
Mimo tych problemów, przez pierwsze dwa lata działania projektu rodowisko kompleksu działało sprawnie - utrzymywało przy życiu omiu badaczy i prawie 3800 gatunków rolin i zwierzšt. Biosfera 2 pokazała zatem, że możliwe jest stworzenie zamkniętego, sztucznego systemu, który byłby w stanie zapewnić ludziom warunki wystarczajšce do życia.
Linki:
Biosphere 2 Center - http://192.56.191.28/index.html (oficjalna strona projektu)
Biosphere Information - http://www.biospherics.org/
PopSci.com - The Biosphere 2 http://www.popsci.com/content/science/features/biosphere2/
Walford: Biosphere 2 - http://www.walford.com/biosphere.htm
Biosphere 2 - http://www.cs.arizona.edu/people/andka/KA/Biosphere-2/
Biosphere 2 - http://library.advanced.org/~11967/biosphere2.html.
Ciekawy artykuł jednego z uczestników projektu znajdziemy pod adresem Telepolis Archiv - http://www.heise.de/tp/english
[%sig%]
