Принцип замкнутости материальных потоков в среде обитания человека
Из работ К.Э. Циолковского (1857 - 1935 г.)
Впервые, идею использовать природный принцип замкнутости материальных потоков для построения среды обитания человека, К.Э. Циолковский высказал ещё в 1883 г. применительно к жизнеобеспечению экипажа реактивного космического корабля. Вопросы создания биологической системы жизнеобеспечения человека рассматриваются Циолковским во всех работах, посвященных развитию идей практической космонавтики: «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Часть 2, 1911 г., «Цели звездоплавания», 1929 г.
В неоконченной рукописи «Жизнь в межзвёздной среде», 1933 г. (опубликована в 1964 г.) Циолковским описан проект космического поселения, основанного на биосферных механизмах поддержания круговорота вещества.
«Община содержит до тысячи человек народу обоего пола и всех возрастов. И помещение должно быть приспособлено для такого населения. Цилиндр с большим диаметром нехорош, потому что дает мало света на человека. Я думаю, для цилиндра довольно диаметра в 10 метров. Это соответствует комнате в 5 сажень высотою. Такой потолок, или свод, не покажется низким. На человека полагаем 100 кубических метров, на тысячу человек понадобится 100 000 кубических метров. Длина такого цилиндра будет 1 333 метра. Цилиндр может быть изогнут кольцом (диаметр 420 метров) или оставаться прямым, оканчиваясь полушаровыми поверхностями. Предположим последнее.
Население, согласно статистике, имеет столько-то семейств, столько-то свободных мужчин и свободных женщин. Каждой семье полагается особое отделение из трех камер: для мужа, жены и детей.
Влажность регулируется холодильником. Он же собирает всю излишнюю воду, испаряемую людьми. Общежитие сообщается с оранжереей, из которой получает очищенный кислород, и куда посылает все продукты своих выделений. Одни из них в виде жидкостей и пронизывают почву оранжерей, другие прямо выпускаются в их атмосферу.
Если в жилище находятся и растения, поглощающие углекислоту и другие животные выделения и выделяющие чистый кислород, то и дело упрощается. Холодильник постоянно дает обилие чистой воды. Она сначала употребляется людьми для питья, пищи, омовений, мытья вещей и т. д., а потом пропускается насосами через почву, где поглощается растениями.
Теоретически 1 квадратный метр может дать 14 килограммов кислорода, а 13 квадратных метров — 182 килограмма. Если утилизируется растениями только 1 % [Солнечной энергии] (бананы и корнеплоды дают до 5 %), то кислорода окажется вдвое больше, чем нужно. При этом получится углерода 5 килограммов в сутки на 1 квадратный метр, а на 13 квадратных метров — 65 килограммов углерода, что в виде муки даст 130 килограммов. Что опять-таки вдвое больше, чем нужно для пропитания в тропическом климате эфира, так как даст 3… (?) фунта муки, или 4 с лишком фунта печеного хлеба.
Потом, и это главное, для удержания почвы от рассыпания и распространения в виде пыли и мелких кусочков по всему жилищу нужны особые приспособления. Оранжерея, благодаря этому, должна иметь совсем особое устройство и форму, не вполне подходящие для жилища. Итак, в идеале, жилища, хотя и могут быть соединены в одно целое с оранжереями, но в них может быть только ограниченное количество определенного сорта растений.
Когда третья доля поверхности цилиндра занята окнами, то получается 87 % наибольшего количества света, а 13 % теряется. Везде неудобны проходы…» (На этом рукопись обрывается).
Концепция Циолковского об использовании природоподобных биологических систем для жизнеобеспечения космонавтов была развита в отечественной науке творческими коллективами ИБФ СО РАН (программа «Биос») и ИМБП РАН (эксперимент «Марс-500»).
Из книги «Экология, охрана природы и экологическая безопасность».- М.: МНЭПУ, 2000 г., раздел 1.2.10. Искусственная окружающая среда и проблема космической экологической катастрофы.
На грани третьего тысячелетия начали вырисовываться контуры искусственной окружающей среды как системы, создаваемой человеком в собственной окружающей среде, адаптированной к ней, но позволяющей вести автономное существование в случае катастрофических процессов в биосфере. Создание искусственной окружающей среды характеризуется минимизацией расхода энергии на душу населения, практически полной безотходностью в потреблении воды, воздуха, пищи при поддержании их на физиологически необходимом уровне, пространством для комфортного уровня жизни.
Следующим этапом развития, предназначенным для экспансии человечества в околосолнечное пространство, должно стать решение всего комплекса вопросов по созданию автономной саморегулируемой искусственной среды. Создание квалифицированно построенной искусственной среды, адаптированной с естественной средой, не является антропогенным процессом, ведущим к ее разрушению, уже в силу хотя бы того, что она занимает сравнительно небольшие территории. Эта задача должна решаться цивилизацией не только для освоения околосолнечного пространства, но и на случай непредвиденных космических и экологических катастроф. Предпосылками для решения этой задачи является энергетическая и продовольственная обеспеченность автономно функционирующей системы сколь угодно большое время.
Использование Солнечной энергии, разработка новых принципов получения энергии – все эти задачи так или иначе придется решить человечеству, ибо уже и сегодня просматривается энергетический кризис в следующем столетии. При решении проблемы дыхания, водоснабжения и производства продуктов питания в автономно функционирующей системе придется применить опыт биосферы с полным круговоротом всех необходимых биогенов в замкнутом пространстве. По крайней мере, даже сегодня не видно принципиальных возражений по возможности воплощения этих проектов в жизнь.
Из статьи В.В. Межевикин «Принцип замкнутости и будущее биосферы и человечества», 2010 г.
Главное свойство биосферы — это непрерывный синтез и разложение составляющих ее веществ. Вся совокупность веществ биосферы вовлечена в мощные глобальные потоки и изменения, но эти потоки и изменения практически полностью сбалансированы или, другими словами, замкнуты. Все, что производит живой организм, в том числе и он сам, потребляется организмами других видов, и так далее по цепочке — процессы эти идут циклически без образования тупиковых продуктов за счет использования солнечной энергии.
В современный период также наблюдается сильное снижение степени замкнутости биосферы вследствие производственной деятельности человека. Дотехнологическая деятельность человечества мало влияла на химический состав биосферы: человечество было ее составной частью, хотя, конечно, в результате этой деятельности менялась биологическая структура биосферы. Производственная же деятельность человечества основывается, прежде всего, на повторном вводе в круговорот выведенных ранее веществ — на использовании превратившейся в уголь, нефть и газ биомассы растений. Но еще большую опасность представляют различные вредные химические вещества, образующиеся при сжигании этой биомассы. Такие же вредные вещества образуются в результате деятельности горнодобывающей, металлургической и химической промышленности.
Человечество практически игнорирует принцип замкнутости. Устойчивое существование человечества как цивилизованного сообщества возможно только при переходе биосферы и человечества в состояние ноосферы, основанной на замкнутых циклических техногенных и биологических процессах. Понятие «ноосфера» имеет сугубо материальное наполнение. Конечно, наука, культура, религия, системы мировоззрения должны развиваться по своим законам, однако необходимым следствием их развития должен быть их положительный вклад в создание и поддержание ноосферы как замкнутой по массообмену системы. Сейчас мы не можем сделать вполне определенного прогноза о структуре массопотоков и их замыкании в будущей ноосфере, но если замкнутая ноосфера не будет создана, то о перспективах достойного существования и развития человечества не может быть речи.