Письменники-фантасти, що описують міжзоряні «кораблі поколінь», зазвичай поміщають в них оранжереї, які постачають космонавтів не тільки продуктами харчування, але і киснем, очищаючи повітря від вуглекислого газу.
Ми, живучи на дні кисневої атмосфери, як правило, не дбаємо про створення повністю замкнутих екосистем. Навіть тепличні господарства повідомляються з атмосферою, в них регулярно замінюють родючий грунт. Втім, круговорот речовини в оранжереях і тепличних господарствах і повинен бути розімкнений - адже вони призначені для отримання товарної продукції, яка споживається поза ними. Куди більше схожі на замкнуті системи великі акваріуми. Там зазвичай крім риб мешкає старанно підібраний набір водоростей, равликів і інших безхребетних, завдання яких - забезпечувати чистоту води. Деякі ентузіасти роблять маленькі замкнуті екосистеми в запаяних банках, як водні, так і складаються з сухопутних рослин і дрібних комах. Такі системи можуть функціонувати протягом кількох років.
Протягом XX століття було вироблено кілька вельми амбітних експериментів зі створення замкнутих екосистем, що включають в себе людину. Найбільш широко відомий американський проект «Біосфера-2», що стартував на початку 90-х років ХХ століття ( http://biosphere2.org ).
Це грандіозна оранжерея площею в півтора гектара і обсягом 200 тисяч кубічних метрів, всередині якої були змодельовані різноманітні природні зони Землі. У ній поселили понад 3000 видів рослин і тварин. Передбачалося, що ця маленька екосистема зможе забезпечувати їжею, водою і киснем вісім чоловік.
На жаль, цей експеримент вийшов не надто вдалим. З одного боку, не вдалося забезпечити контроль чисельності мікроорганізмів і комах. З іншого - був допущений ряд прорахунків при моделюванні «неживої природи». Так, наприклад, постійне падіння вмісту кисню під час першого експерименту пояснюють тим, що вуглекислий газ з атмосфери поглинався бетонними конструкціями, позбавляючи рослини матеріалу для вироблення кисню. Крім того, волога, конденсованих під скляним дахом, приводила до випадання штучного дощу. Тому «пустеля», старанно створена в комплексі, заросла травою.
Після перших невдалих експериментів з повністю автономним функціонуванням цей комплекс використовували для інших досліджень, не пов'язаних з повною ізоляцією від великої біосфери Землі. Вийшов унікальний полігон для моделювання біологічних процесів, нехай навіть не повністю замкнутий.
Кілька більш успішними виявилися менш амбітні експерименти красноярського Інституту біофізики СО РАН ( http://www.ibp.ru/labs/mc.php ). Там не ставилося завдання створення цілої біосфери, а розроблялася саме біологічна система життєзабезпечення для космічних кораблів. Більш того, не передбачалося, що вона буде повністю забезпечувати екіпаж їжею, консерви на борту все-таки повинні бути.
В результаті вийшов помітно більш компактний комплекс БІОС-3, площею всього 126 квадратних метрів і об'ємом 315 кубометрів, здатний забезпечити життєдіяльність цілих трьох осіб. Правда, для цього довелося піти на використання високопродуктивних гідропонних систем вегетації, які вимагають постійного контролю з боку людини або техніки, - на природну біологічну саморегуляцію вирішили не покладатися. Щоб забезпечити достатню продуктивність, використовували рослини спеціальних сортів.
З 1972 року до середини 80-х в цьому комплексі було проведено більше десяти експериментів, досягнута 100% -ва автономність по воді і кисню і 50% -ва по їжі. Правда, на додаток до біологічної очистки повітря і води потрібні були іонообмінні водяні і термокаталітіческіе повітряні фільтри. Втім, як ми знаємо, у великій біосфері Землі отримання чистої питної води - джерельної або артезіанської - теж пов'язано з використанням величезних, багатокілометрових піщаних фільтрів.
Автори цього комплексу в 80-х вже почали підготовку до проведення аналогічного експерименту на орбітальній станції, але розпад СРСР не дозволив реалізувати цей план. У 2005 році комплекс, покинутий в роки перебудови, почали відновлювати.
У 2014 році схожий комплекс «Місячний палац-1» (Юегун-1, Yuegong-1) був випробуваний в Китаї. Особливості національної китайської кухні дозволили зробити спробу забезпечити екіпаж цього комплексу тваринними білками. Якщо американці в «Біосфері-2» розводили кіз, то китайці обмежилися борошняними хробаками. Проте рівень автономності по їжі в «Місячному палаці» приблизно такий же, як в БІОС-3. Розробка цього комплексу проводиться в рамках китайської місячної програми, так що, можливо, ми побачимо подібні системи на місячних станціях.
Якщо розглянути можливі області застосування цих автономних систем, то «Біосферу-2» можна вважати прототипом місячної або марсіанської колонії, яка повинна забезпечити існування людей необмежений час, а БІОС-3 і «Місячний палац» - прототипами систем життєзабезпечення для невеликих довгострокових баз і міжпланетних кораблів, які можуть собі дозволити завозити з Землі до половини продовольства.
А так чи потрібна 100% -ва продовольча автономність кораблю або базі? Полярні експедиції, що йшли в XX столітті в Арктику і Антарктику на кілька років, брали з собою все продовольство, не дуже розраховуючи на поповнення запасів полюванням. У досвідчених і передбачливих мандрівників, таких, як Нансен, проблем з неповноцінністю харчування не виникало. Так що можна сказати з упевненістю, що зберігати продовольство протягом строків, необхідних для експедицій до планет Сонячної системи, ми вміємо. Тому якщо штучна екосистема може забезпечити кругообіг кисню і води і тільки частково харчування членів екіпажу, цього вже цілком достатньо і для міжпланетних польотів, і для довготривалих баз.
Конструкції автономних екосистем розміром з місто, площею в десятки і сотні гектарів, здатні забезпечити життя тисяч людей, теж коли-небудь доведеться розробляти. На жаль, ці експерименти коштують досить дорого. Навіть полуторагектарная «Біосфера-2» обійшлася більш ніж в 200 мільйонів доларів. А ймовірно, буде потрібно ще не одна невдала спроба, перш ніж вдасться створити систему, яка з мінімальним втручанням людини буде підтримувати себе і виробляти достатньо продуктів харчування.
Судячи з усього, подібні системи будуть вимагати декількох років, а то й десятиліть для виходу на режим - щоб встановилося хімічна рівновага між атмосферою, водоймами і грунтом, щоб сформувалися стійкі рослинні і мікробні спільноти. А потім ще треба буде відпрацювати методику створення цих систем з інопланетних матеріалів. Адже ми не зможемо привезти на Марс десятки тисяч тонн родючого грунту. Значить, доведеться використовувати місцеві ґрунти, які повинні будуть заселятися рослинами приблизно так само, як на Землі рослини освоюють вулканічний попіл або голу землю на місці рекультивованих кар'єрів. Вулканічний попіл вважається дуже родючим, хлібороби здавна селяться неподалік від діючих вулканів, незважаючи на небезпеку виверження. Але це тому, що більша частина поверхневих гірських порід, в так званій зоні гіпергенезу, збіднена біогенними елементами - вона постійно промивається атмосферними опадами, на ній тисячоліттями ростуть рослини, які поглинають ці речовини. Викинуті з надр вулканічні породи збагачені ними, і вони привабливі для рослин, хоча містять і деякі отруйні речовини, наприклад сульфіди. У кисневій атмосфері, що промиваються дощами, пірокластичні породи буквально через місяці стають придатними для життя грунтових мікроорганізмів, а потім і рослин.
Дослідження вчених Вагенінгенского університету (Нідерланди) показують, що місячний реголіт і марсіанські породи, змодельовані за даними марсохода «Патфайндер», по можливості підтримувати рослинне життя схожі на земні вулканічні попелу ( PLoS ONE, 2014 року, 9, 8, e103138, doi: 10.1371 / journal.pone.0103138 ).
Представляють інтерес і ще більш компактні системи, які вимагають помітно менше площі на людину, ніж 40 квадратних метрів, але забезпечують в основному кисень і воду. Такі конструкції можна створити на основі фотореакторов з мікроводоростями. Якщо створення штучних екосистем, які виробляють їстівні для людини рослини, вимагає зусиль цілих науково-дослідних інститутів, то ці фотореактори цілком під силу непрофесіоналам. Існують аматорські спільноти, що займаються вирощуванням хлорели і спіруліни в домашніх умовах. Хоча любителі і не дихають виключно тим киснем, який вироблений їх водоростями, а тільки вживають ці водорості в їжу.
А так чи потрібна 100% -ва продовольча автономність кораблю або базі?
