Катастрофы в природе и обществе

Хлебопрос Р. Г.

В одном из проектов лунной базы с системой жизнеобеспечения, аналогичной системе "Биос-3", экипаж из двадцати человек обеспечивается компактным растительным звеном в форме цилиндра высотой 2м и диаметром 8м, довольно плотно заполненного растениями; этого будет достаточно для снабжения людей кислородом, растительной пищей и очищенной водой. В системе "Биос-3" не было необходимости детально следить за составом атмосферы, так как система была замкнута по дыханию. Если бы экипаж базы был ориентирован на "вегетарианский" рацион с коррекцией небольшими добавками животных аминокислот, что реально в космических условиях, то баланс питания также соблюдался бы автоматически и не требовал бы расчета, причем на человека понадобилось бы 25 кв.м площади растений (При этом не употребляемые в пищу остатки

сжигались бы, или перерабатывались бы, как указано выше).

Для фотосинтеза растений требуется освещение; для полного жизнеобеспечения одного человека нужно около трех киловатт круглосуточной освещенности в соответствующем надобностям растений диапазоне. В среднем космосе такое количество света можно собрать с поверхности около 40 кв.м, а на Земле, где условия освещенности зависят от широты, можно указать ориентировочную величину в 200 кв.м. Для теплоотвода в системе "Биос-3" использовалась холодная речная вода, охлаждавшая снаружи элементы конструкции системы, на внутренней стороне которых конденсировалась вода из атмосферы системы. Как уже говорилось, в космосе проблема теплоотвода была бы сложнее.

Среди многих событий, случившихся в ходе экспериментов, упомянем небольшую "экологическую катастрофу". Сейчас экологи часто обсуждают проблему "озонных дыр": в тонком слое озона, расположенном в верхних слоях атмосферы и охраняющем поверхность Земли от вредного для жизни ультрафиолетового излучения, время от времени возникают прорывы –связанные с образованием вихрей в стратосфере и, возможно. также с техническим загрязнением воздуха. Лампы, использовавшиеся в "Биосе-3", так же как и Солнце, излучали не только видимый свет, но и ультрафиолетовый; вместо озонного слоя этот ультрафиолет экранировался специальными стеклянными оболочками на лампах. Однажды в оболочке одной из ламп возникла трещина (аналог озонной дыры!). В несколько часов ультрафиолет убил часть растений, и в системе начался рост углекислого газа. Испытатели сменили оболочку (закрыли "озонную дыру"), посадили новые растения и стали ждать, что произойдет дальше: выйдут ли растения в фазу активного фотосинтеза, или концентрация углекислого газа поднимется выше допустимой. В конце концов все обошлось: растения успели спасти положение, и через десять дней концентрация углекислого газа стала падать.

Система "Биос-3" была создана в Красноярске в конце шестидесятых годов и в начале семидесятых годов, в рамках советских космических программ; аналогичные установки затем испытывались в Москве, где баланса по атмосфере достичь не удалось, и в Соединенных Штатах, где дыхательный коэффициент растений был больше 0,9 и излишнее количество СO₂ поглощалось химически, а поглотитель удалялся. Аналог "Биоса-3" нигде не был осуществлен. В системе "Биос-3" испытатели находились до шести месяцев непрерывно.

Технология проектирования систем жизнеобеспечения для космических миссий должна быть тесно связана с типом миссии и ее длительностью. Например, для лунной базы, рассчитанной на длительное функционирование, вес системы не играет большой роли – часть компонент конструкции может составлять лунный грунт, а поставки оборудования с Земли делаются один раз. При этом желательно снизить ежегодные поставки на базу и, что значительно важнее, снизить вероятность гибели экипажа базы, поскольку космонавтика была и остается опасной профессией. При этом главная опасность связана с риском аварии во время старта и посадки на Земле и на Луне: по нынешней статистике, вероятность катастрофы при каждом старте с последующей посадкой составляет около двух процентов. Поэтому, чтобы по возможности уменьшить риск гибели людей, выгодно отправлять космонавтов на длительные сроки – около трех лет. Слишком затягивать эти сроки тоже опасно, поскольку возрастает усталость и вместе с нею вероятность ошибок. Выгодно устраивать на базе высокий комфорт, чтобы космонавты не так быстро уставали и могли дольше там оставаться.

Характерно, что при оптимизации безопасности требуется разная стратегия на уровне миссии в целом и на уровне отдельного космонавта. Если космонавт находится на базе, он уже не может отменить возвращение на Землю и связанный с этим риск. Находясь на базе, космонавт устает физически и психически, что увеличивает шансы заболеть по возвращении на Землю; следовательно, у него есть индивидуальные причины поскорее вернуться. Тем не менее, космонавта придется задерживать на будущей лунной базе на длительный срок (как и его нынешних коллег на станции "Мир"). Некоторой компенсацией служат престиж и увлекательность космонавтики. Но главную роль играет практическая причина – снижая частоту смены экипажа, тем самым снижают суммарный риск для миссии в целом.

Наряду с научно-инженерным подходом, осуществленным в красноярских биосферах, был предложен и испытан другой подход. Система, в которую Джон Аллен и его коллеги поместили восемь испытателей, называлась "Биосфера-2". Она не проектировалась как реальный прототип космических систем жизнеобеспечения близкого будущего, и работы велись вне рамок космических программ. Но при этом авторы проекта широко рекламировали создаваемую систему, как прообраз будущих поселений на других планетах. Их предприятие финансировалось частными лицами и стоило 162 миллиона долларов. Проектировщики этой системы исходили из философского представления, что система, по составу возможно ближе напоминающая земную биосферу, должна обладать способностью к самоорганизации, и что устроенный таким образом биоценоз будет пригоден для человеческой жизни.

Сооружение в пустыне Аризона, названное "Биосферой-2", имело высоту в 15 м и объем около миллиона куб.м (в три тысячи раз больше "Биоса-3"). Сверху "Биосфера-2" накрыта металлической конструкцией со стеклами, под землей – отделена от грунта листами нержавеющей стали. Эту систему не удалось полностью изолировать: было 5 – 7% обмена с атмосферой. Растения в "Биосфере-2" осуществляют фотосинтез за счет солнечного света. Поступающая солнечная энергия в конце концов переходит в тепло. Для охлаждения в системе имеется огромный подземный кондиционер, который также превращает в воду содержащийся в атмосфере водяной пар. Чтобы оболочка системы не разрушалась при изменениях атмосферного давления, в конструкции предусмотрен подвижный компенсатор разности давлений внутри и снаружи оболочки. Проектировщики "Биосферы-2" собрали вместе типичные компоненты земной биосферы: тропический ("дождевой") лес, саванну, океан с коралловым рифом, мелководное прибрежное море и агроферму. Всего в системе было около четырех тысяч видов животных и растений, а также восемь человек.

Если сравнить "Биос-3" и "Биосферу-2", то мы видим большие различия, и эти различия связаны не только с масштабами эксперимента. Еще до начала экспериментов в "Биосфере-2" оба подхода к моделированию биосферы были сопоставлены в дискуссии, происшедшей в 1989 году в сибирском городе Шушенское. Авторы проектов серии "Биос" и создатели "Биосферы-2" пришли к выводу, что их работы дают начало науке (для которой было принято предложенное американцами название "биосферика"). Но создатели "Биосферы-2" подчеркивали различие основных парадигм, в рамках которых планировались эти две системы. Если при создании "Биоса-3" господствовал научно-инженерный подход, в котором заранее рассчитывалась продуктивность всех звеньев, так что система строилась как "машина с биологическими блоками", о правильной работе которых надо думать человеку, то авторы "Биосферы-2" в огромной степени рассчитывали на самоорганизацию экологических систем из организмов, находившихся в их оболочке.

К числу достижений создателей "Биосферы-2" можно отнести агроферму с очень высокой безотказностью всех процессов и хорошей производительностью. Интересно, что эта агроферма давала заметно больший, с учетом ее размеров, вклад в рециркуляцию веществ в системе, в частности, в производство кислорода, чем "дикие" участки "Биосферы-2", такие, как тропический лес. Поэтому не нужно думать, что наше сельское хозяйство не играет важной позитивной роли в оздоровлении атмосферы планеты, и что на это будто бы способны лишь первозданные леса. Впрочем, в древесине леса целлюлоза и лигнин сотни лет остаются в неразложенном состоянии, что существенно снижает концентрацию углекислого газа в атмосфере. В этом отношении недревесные растения не могут заменить леса.