Первым
Манифестом
"экологической революции"
можно считать доклад "Экологизация техносферы", сделанный Ткаченко Ю.Л.
на заседании социо-культурного семинара "Культура. Народ. Экосфера" им. В.В. Бугровского 27 апреля 2013 года в Институте географии РАН
Полная версия материалов доклада опубликована в Сборнике № 8 Трудов семинара
Одним из противоречий современного мирового развития является противоречие между природной средой (биосферой) и созданной человеком искусственной средой обитания – техносферой. Под техносферой понимается часть природной среды (биосферы), преобразованная человеком с помощью прямого или косвенного технического воздействия с целью удовлетворения своих материальных и культурных потребностей за счёт разрушения естественных экосистем.
Техносфера создавалась человечеством стихийно, при отсутствии знаний о принципах средообразования биосферы. Поэтому техносфера получилась экологически неграмотной. Воздействие техносферы на биосферу абсолютно негативно. Масштабы дестабилизирующего влияния искусственной среды на природную превышают все допустимые пределы (слайд 1). Это привело биосферу в неустойчивое состояние – естественной среде всё труднее поддерживать привычные для нас условия жизни на Земле – в первую очередь климатические факторы и параметры химического состава воздуха, воды и почвы.
Человечество столкнулось с проблемой, не имеющей исторических аналогов и прецедентов решения, то есть – оказалось в мировоззренческом тупике. Наметить путь выхода из этого тупика, сыграв роль «спасителя человечества» и став лидером процесса мирового развития вполне достойна Россия. Мы можем предложить разумному человечеству выход – учиться у Природы тому, как правильно строить свой образ жизни и свою среду обитания. Для этого предлагается проект экологизации техносферы. Целью проекта является решение проблемы экологического кризиса путём перестройки искусственной среды.
Техносфера должна работать по тем же принципам, по которым функционирует среда природная (слайд 2), то есть техносфера должна стать экотехносферой. Подобно биосфере, техносфера должна быть замкнутой и сбалансированной. Уже сейчас в Красноярске разработаны искусственные замкнутые экосистемы, доказавшие возможность получать от растений всё питание, кислород и воду, необходимые человеку (экспериментальная установка «Биос-3»). Такие техноэкосистемы извне требуют только поступления энергии, которую можно получить, например, от Солнца. Создатели «Биоса» использовали научно-инженерный подход, в котором заранее рассчитывалась продуктивность всех звеньев, так что среда обитания строилась как «машина с биологическими блоками», о правильной работе которых надо думать человеку. Успешность отечественного подхода как раз показала несостоятельность идей о «самоорганизации» существующей техносферы без значительных интеллектуальных усилий со стороны человечества.
Работы Международного центра замкнутых экосистем (Красноярск) показали возможность создания жилой среды, полностью замкнутой по дыханию, питанию и по водообороту (слайд 2), то есть, обладающей нулевой эмиссией углерода в окружающую среду. Замкнутость по дыханию обеспечивается, если растения техноэкосистемы обеспечивают ассимиляционный коэффициент равный дыхательному коэффициенту человека. У масличных растений ассимиляционный коэффициент меньше дыхательного коэффициента человека. Это происходит потому, что при фотосинтезе жиров выделяется больше молекул О2, чем при синтезе белков и углеводов. На примере биосинтеза пальмитиновой (жирной) кислоты:
16 СО2 + 16 Н2О = СН3(СН2)14СООН + 23 О2.
Из этой химической реакции видно, что молекул кислорода образуется намного больше, чем потребляется молекул углекислого газа. Избыточные атомы кислорода берутся при этом из воды. Таким образом, для растения, производящего фотосинтез жирных кислот: А = 16/23 = 0,7, что существенно меньше дыхательного коэффициента человека. Таким образом, присоединив к посадкам пшеницы и овощей в надлежащей пропорции масличную культуру, можно сделать ассимиляционный коэффициент равный дыхательному коэффициенту человека. В установке «Биос-3» для этой цели использовалось среднеазиатское масличное растение «чуфа». При этом, из чуфы можно получать растительное масло, содержащее незаменимые для питания человека жиры.
Замкнутость жилой среды по питанию обеспечивается в виде вегетарианского рациона с коррекцией (небольшими добавками животных аминокислот или поставок молока и мяса извне), так как использование чисто растительного питания длительное время невозможно, потому что соотношение аминокислот в растениях не совпадает с соотношением, необходимым для питания человека. В качестве пищевых растений нужно использовать виды, не требующие «ночного отдыха», то есть непрерывно растущих при круглосуточном освещении. Это – пшеница, овощи и упоминавшаяся выше масличная культура чуфа. Для выращивания растений применяются фитотронные установки на основе «гидроаэропоники». При таком способе выращивания корни растений периодически заливаются питательной жидкостью. В установке «Биос-3» пшеница, при круглосуточном освещении мощными лампами, давала урожай уже через 2 месяца после посева.
Наличие систем биологической очистки стоков позволяет создать внутри экотехносферы замкнутую систему водооборота. Коммунальные стоки проходят через аэротенк, где вода очищается от остатков органического загрязнения в результате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов и в котором образуется высококачественный компост – натуральное органическое удобрение для почвы лесной зоны, субстрат для выращивания грибов и подкормка для культиваторов микроводорослей, очищающих водные объекты. Подпитка системы осуществляется за счёт использования талой воды и осадков, падающих на наружную поверхность купольных сооружений. Таяние снега осуществляется за счёт обдува наружной поверхности куполов тёплым подкупольным воздухом.
Сбалансированность экотехносферы заключается в создании устойчивых природно-промышленных комплексов (ППК). ППК – это совокупность производственно-технических объектов и технологических процессов, размещенных на ограниченной территории техносферы и связанных с природными компонентами (воздушной, водной, почвенной средой и экосистемами) взаимоподдерживающими потоками вещества и энергии. Под устойчивостью ППК понимается согласование главных параметров производственно-технических объектов (землеёмкость, ресурсоёмкость и отходность) с возможностями самоочищения и самовосстановления природной среды.
При работе производственно-технических объектов на полную мощность, природная среда на территории сбалансированных ППК сможет эффективно самоочищаться и самовосстанавливаться. Экосистемы в этом случае не будут деградировать, а будут сохранять свои функции в течение неопределённо долгого времени. Новая индустрия, создаваемая путём интеграции устойчивых ППК делает возможным дальнейшее материальное, научно-техническое и культурное развитие человечества, но происходящее не стихийно, а логистически, то есть в полном согласии с принципами построения и ограничениями биосферы.
В результате, с точки зрения средообразования, экотехносфера, как и естественные экосистемы будет обладать свойствами синтетрофности, самоочищения и самовосстановления. Синтетрофность среды состоит в том, что пищевые ресурсы для человека автоматически, без значительных усилий с его стороны, будут синтезироваться самой средой обитания. Человек станет замыкающим звеном всех физико-химических и биологических процессов в техноэкосистеме. Самоочищение означает, что в экотехносфере отсутствуют понятия «отходы» и «загрязнители». Благодаря скоординированному взаимодействию продуцентов, консументов и редуцентов (пусть даже искусственно воспроизведенных), те вещества, которые являются отходами для одной группы организмов, одновременно будут являться пищевым ресурсом для другой группы. Таким образом, в искусственной среде должно перерабатываться и возвращаться в биогенный поток более 99,999 % оказавшегося ненужным её обитателям вещества. Самовосстановление проявляется в том, что среда обитания будет способна длительно противостоять воздействию внешних возмущающих факторов, поддерживая необходимые для человека объёмы синтеза биомассы и балансы круговоротов вещества.
Для создания экотехносферы потребуется развитие новых направлений техники и технологий, то есть создание принципиально нового технологического уклада в экономике. Экотехносфера будет способна заместить функции биосферы по фотосинтезу биомассы и поддержанию баланса круговоротов химических элементов, выбывающие вследствие изъятия человеком территории суши под техносферное строительство. Это замещение утраченных функций будет тем полнее, чем выше будет достигнуто экологическое совершенство техносферы. Таким образом, экологизация техносферы позволит решить проблему мирового кризиса путём стабилизации основных химических и климатических факторов планеты за счёт смешанной биосферно-техносферной их регуляции. Оставшаяся на сегодня часть биосферы, в первую очередь – на территории России, должна быть любой ценой сохранена в интересах выживания всего человечества. Создание экотехносферы будет способствовать изменению способа жизнедеятельности человека от несовместимого с природой на природо- или биосферосовместимый способ жизнедеятельности и развития.
Реализация проекта экологизации позволит развивать отечественную науку за счёт госзаказа на НИОКР новых образцов техники и технологий грамотного техносферного строительства, природоохранных, природосберегающих и природовосстанавливающих технологий. Конечно, создать экотехносферу одномоментно на базе исключительно новых технологий невозможно. Её формирование будет происходить постепенно, путём вытеснения устаревающих технологий новыми технологиями. Критерием эволюции технической базы грамотного техносферного строительства должно выступать повышение «индекса экологического совершенства техносферы», представляющего собой величину замкнутости круговоротов основных биогенных химических элементов, в первую очередь – углерода. Так будет обеспечен поступательный научно-технический прогресс России.
Решение главных задач экологизации техносферы обеспечит России лидирующую роль в международных отношениях и будет способствовать трансформации России в ведущую научную и экологическую державу мира. Для этого необходима демонстрация и пропаганда наших достижений на международном уровне. Создание экотехносферного демонстратора представляет собой строительство за счёт госбюджета жилого микрорайона Красноярского Академгородка в виде образцового самоподдерживающегося городка усадебного типа, с целью практической отработки технологий, разработанных Международным центром замкнутых экологических систем. Компоновка экотехносферного демонстратора показана на слайде 3. Состав демонстратора описан на слайде 4.
Главной проблемой экотехносферы является обеспечение её энергией. Для функционирования синтетрофной зоны возможно использование электричества, получаемого путём преобразования солнечной энергии с помощью облицовки строительных конструкций солнечными батареями. Соответственно, для организации бесперебойного электроснабжения от неравномерно работающих солнечных батарей, необходимо размещение в жилых модулях аккумуляторов большой мощности. Для обеспечения электроэнергией общегородских нужд, горячего водоснабжения и отопления возможно использование мини ТЭЦ, работающих на биогазе. Для утилизации выбросов СО2 от мини ТЭЦ в месте их размещения должна быть предусмотрена лесная зона. В древесине леса целлюлоза и лигнин сотни лет остаются в неразложенном состоянии, что позволяет снизить концентрацию углекислого газа в подкупольной атмосфере. В этом отношении леса абсолютно незаменимы.
Для выбросов ТЭЦ так же предусматривается система глубокой очистки от монооксида углерода, оксидов азота и несгоревших углеводородов. Уловленные таким образом соединения могут быть использованы для приготовления питательного раствора для «гидроаэропонных» фитотронов синтетрофной зоны жилых модулей. Необходима система мониторинга состава подкупольной атмосферы с возможностью автоматического включения системы выравнивания химического состава подкупольного воздуха за счёт обмена с атмосферой, для чего предусматривается раздвижная крыша над местом размещения мини ТЭЦ.
Получение биогаза производится путём гидросепарации бытовых отходов и последующего сбраживания образующихся стоков в метантенках. Одновременно решается проблема очистки коммунальных стоков и утилизации несъедобных частей растений. На выходе из гидросепаратора получается жидкий органический раствор, который помещается в первый биореактор системы очистки стоков - метантенк, где раствор подвергается анаэробной обработке микроорганизмами без доступа света и воздуха. На завершающей стадии цикла брожения, под воздействием метанобразующих бактерий, выделяется горючий биогаз. Полученный биогаз подлежит очистке от сероводорода в адсорбционных установках. Для возможности бесперебойного запуска мини ТЭЦ в любой момент времени, необходимо предусмотреть газгольдерные хранилища биогаза.
Для обеспечения комфортных условий проживания жилые модули покрываются лёгкими купольными сооружениями. Для строительства жилых помещений и инфраструктуры жилых модулей используются новые технологии и материалы. На основе опыта создания установки «Биос-3», необходим отказ от почвы в жилых модулях с целью обеспечения благоприятной санитарно-эпидемиологической обстановки. Для создания покрытий в жилых модулях возможно использование технологий «песок и камень».
Необходимо использовать новые технологии водоснабжения и канализации стоков. По технологии «песок и камень» возможно создание «вечных» керамических подземных акведуков путём спрессовывания и спекания глины в виде внутренних стенок с образованием подземных прямоугольных или цилиндрических полостей большой протяженности. По ним возможно обеспечение холодного и горячего водоснабжения жилых помещений, а так же канализация стоков и гидротранспорт несъедобных частей растений и прочих бытовых отходов в централизованные системы гидросепарации, получения биогаза и очистки стоков.
Большая часть населения города, не занятая работой по жизнеобеспечению и поддержанию социальной сферы, будет осуществлять научное творчество в созданном институте Экологии Техносферы. Производственно-лабораторный комплекс института является центральной частью города, управление жизнедеятельностью которого осуществляется так же из здания института. Главная задача института – разработка научных основ и создание опытных образцов техники и технологий экологически грамотного техносферного строительства.
Общее образование детей младшего и среднего возраста обеспечивается в детском образовательном учреждении и в школе. Выпускники школы с целью адаптации к условиям внешнего мира направляются на учёбу в ведущие университеты России. В дальнейшем, по мере развития сети экотехносферных поселений, возможно создание специализированных «университетских» экогородов.
Формирование социальной среды обеспечивается размещением в городе медицинского центра, киноконцертного и выставочного залов, универсального спортивного комплекса. Досуг жителей может обеспечиваться размещением отдельного центра для занятий личным творчеством, интеллектуальными играми, проведения выставок и обмена произведений личного творчества.
Для обеспечения отдыха предусматривается внутренний искусственный «Океан» с песчаным пляжем. Прототип устройства океанской зоны может быть разработан по аналогии с установкой «Биосфера-2», имевшей мини-океан с живым коралловым рифом. «Океан» должен так же содержать культиваторы микроводорослей, использующих в качестве источника азота выделения человека и других организмов, что обеспечит самоочищение водной среды.