Главная » 2016 » Август » 25 » Вышла книга "Автономные жилые модули"
20:42
Вышла книга "Автономные жилые модули"

Ткаченко Ю.Л. Автономные жилые модули для экстремальных условий окружающей среды. Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publishing, 2016.- 105 с. (ISBN 978-3-659-93274-8).   

ВВЕДЕНИЕ

При решении ряда задач, связанных с обороной страны, защитой населения в чрезвычайных ситуациях, природопользованием и восстановлением окружающей среды, часто возникает проблема обеспечения жизнедеятельности людей в экстремальных условиях. Неблагоприятные для человека внешние условия характерны, например, для территорий арктических и аридных пустынь, зон химического и радиационного загрязнения. Поэтому, представляется весьма актуальной разработка технических средств, позволяющих создать безопасную и комфортную жилую среду на таких неблагополучных территориях.

Для решения указанной проблемы предлагается использовать автономные жилые модули, построенные на основе принципа замкнутости внутренних материальных потоков. Так как этот принцип характерен для природной среды обитания, то внутреннюю среду создаваемого жилого модуля можно назвать искусственной экосистемой (ИЭС). Наиболее значимые результаты в области создания замкнутых ИЭС получены при работе над проектами космических обитаемых биологических модулей.

Институтом биофизики СО РАН (г. Красноярск) в 1972-1973 гг. на установке «Биос-3» проводились опыты по полной изоляции от внешней среды экипажа из 3-х человек. Наиболее длительный эксперимент продолжался в течение 180 суток [1]. В результате была доказана возможность получения необходимого человеку кислорода, растительного питания и чистой воды за счёт культивирования высших и низших растений в фототрофном звене ИЭС. Извне такие замкнутые системы требуют только поступления энергии.

В настоящее время, в результате развития нового научного направления «Функциональная экология» и опытов, проведённых на установке «Экотрон» в Институте фундаментальных проблем биологии РАН (г. Пущино), доказано, что для поддержания устойчивости химических и физических параметров внутренней среды, в ИЭС необходимо воспроизвести гетеротрофное звено в виде почвоподобного субстрата, содержащего микробоценоз и другие сообщества почвенной биоты [2].

Международным центром замкнутых экосистем [3] разработан проект лунной базы, рассчитанной на жизнеобеспечение экипажа, состоящего из 20 человек, при полном обеспечении их кислородом, растительной пищей и очищенной водой [4]. Современные схемы и модели ИЭС биологических систем жизнеобеспечения включают в себя фототрофное и гетеротрофное звено. Фототрофное звено представлено биологическими видами как высших, так и низших растений. Высшие обеспечивают растительную часть рациона обитателей, а низшие, например микроводоросли хлореллы обыкновенной, вырабатывают необходимый для дыхания кислород и опресняют воду. Гетеротрофное звено содержит почвенную биоту, перерабатывающую твёрдые органические отходы и формирующую почвоподобный субстрат, пригодный для культивирования высших зелёных растений.

Весь имеющийся опыт создания ИЭС космического назначения может быть вполне применён для создания безопасной и комфортной жилой среды в земных условиях. При этом достижение полной замкнутости внутренней среды ИЭС нецелесообразно. Простым и менее затратным решением является разработка серии автономных жилых модулей, различающихся типом источника энергообеспечения, составом оборудования и конструкционными материалами возводимых сооружений.

В данной работе рассмотрен инженерный проект такой серии конструкций автономных жилых модулей. Выбор источника энергоснабжения и используемого оборудования определяется на основе анализа главных факторов, ограничивающих жизнедеятельность человека на территории размещения автономного модуля. Степень замкнутости ИЭС определяется назначением модуля, наибольшей замкнутостью обладает модуль, предназначенный для использования в зонах радиационного загрязнения.

Заключение

Создание жилой среды, построенной по принципу замкнутости материальных потоков, не сводится только к решению прикладных задач, а имеет глобальные перспективы, поэтому важность работ по созданию ИЭС для будущего страны может быть сопоставима с имевшими место в нашей истории атомному и космическому проектам. В результате постройки и успешной апробации серии модулей будет сделан первый шаг к экологизации техносферы Земли, то есть к формированию экологически грамотной техносферы (экотехносферы), построенной по тем же принципам, что и природная среда, поэтому не наносящей ущерба, а гармонично сосуществующей с биосферой планеты и региональными экосистемами.

Сейчас главная проблема техносферы как в России, так и во всем мире заключается в её экологической безграмотности. Искусственная среда обитания формировалась человеком с древнейших времен и до наших дней стихийно – при отсутствии знаний об устройстве и принципах работы естественной среды – биосферы. В результате, техносфера абсолютно не соответствует экологическим правилам и вместо гармоничного взаимодействия с природными экосистемами вызывает дестабилизацию биосферы, что приводит к изменению глобальных параметров среды обитания на Земле.

Функционирование современной техносферы нарушает материальный и энергетический баланс, сложившийся за последние 3 млрд. лет, в результате чего биосфера планеты теряет свою устойчивость. Нестабильное состояние биосферы проявляется в виде экологических проблем – изменении климата, загрязнения воздуха, воды и почвы, опустынивания земель, исчезновения лесов, сокращения видового разнообразия биосферы и многих других. Ни одну из экологических проблем невозможно решить в отдельности, нужно устранить главную причину глобального кризиса и вернуть биосфере устойчивость.

Для этого необходимо преобразовать сложившуюся техносферу с целью гармонизации её взаимодействия с биосферой в целом и региональными экосистемами планеты. Будущее человечества неразрывно связано с единством процесса взаимодополняющего и взаимоподдерживающего развития (коэволюции) биосферы, техносферы и социума. Техносфера будущего должна стать экотехносферой – искусственной средой обитания, «биосфероподобной» или «природоподобной», т.е. основанной на тех же принципах, что и природная среда. В первую очередь, в новой техносфере необходимо обеспечить соблюдение принципа замкнутости материальных потоков.

Непрерывное повышение экологического совершенства техносферы, отражающее достижение всё более высокой замкнутости круговоротов вещества, обеспечит России поступательный научно-технический прогресс и развитие экономики. Проживание в замкнутой среде так же будет способствовать изменению мировоззрения и отношения людей к биосфере Земли в целом. Представленный в работе жилой модуль разработан на основе подхода отечественной науки, рассматривающей среду обитания человека как «машину жизнеобеспечения» с биологическими блоками, о правильной работе которых надо заботиться человеку. Каждый обитатель модуля должен будет понимать принципы его функционирования и будет обязан заниматься работами по самообеспечению растительным питанием. Таким образом, ИЭС будут способствовать формированию новой социально-экономической модели общества, гарантирующей каждому гражданину удовлетворение его базовых потребностей. Поэтому, такую модель общественных отношений можно будет назвать «технологическим коммунизмом» [45].

Пробывшие в модуле достаточно длительное время представители человечества поймут, насколько они зависят от природной среды. Их сознание сдвинется в сторону экоцентричной картины мира, гарантирующей справедливое отношение членов общества к региональным экосистемам и к биосфере Земли в целом. Люди осознают свою ответственность за состояние природной среды планеты, что позволит свершиться экологической цивилизационной революции и изменит вектор развития человечества.

Содержание

Введение

3

Часть 1. Территории с экстремальными условиями среды

1.1. Арктические пустыни

1.2. Аридные пустыни

1.3. Районы химического загрязнения

1.4. Зоны радиационного заражения

 

5

9

10

13

Часть 2. История создания замкнутых искусственных экосистем

2.1. Программа «Биос»

2.2. Эксперимент «Марс-500»

2.3. Проект «Биосфера – 2»

 

15

21

24

Часть 3. Проект автономного жилого модуля

3.1. Схема круговорота вещества и состав оборудования

3.2. Энергообеспечение

3.3. Замкнутость по дыханию

3.4. Производство пищи и утилизация отходов

3.5. Замкнутость по водообороту

 

29

33

44

55

68

Часть 4. Купольные сооружения модулей

4.1. Проектирование купольной конструкции

4.2 Проектирование основания купольной конструкции

4.3 Компоновка и размещение модулей на местности

4.4 Расчёт эритемного освещения

 

79

88

91

95

Заключение

99

Список литературы

101

 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гительзон И.И., Дегерменджи А.Г., Тихомиров А.А. Замкнутые системы жизнеобеспечения // Наука в России. 2011. №6. С. 4 – 10.

2. Керженцев А.С. Механизм функционирования почвы и устойчивость экосистем // Вестник РАН. 2010. Том 80, № 6. С. 704 –709.

3. Сайт Международного центра замкнутых экосистем – открытой лаборатории Института биофизики СО РАН. Режим доступа: http://www.ibp.ru/labs/mc.php (последнее обращение 01.08.2016 г.)

4. Хлебопрос Р.Г., Фет А.И. Замкнутые экологические системы и земная биосфера / В сб. «Природа и общество». Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. С. 266 – 294.

5. СП 20.13330.2011 Свод правил. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. Приложение Ж. (Рекомендуемое) Карты районирования территории Российской Федерации по климатическим характеристикам.

6. «Факты о пустынях и опустынивании». Статья на официальном сайте ООН. http://www.un.org/ru/development/sustainable/desertification (последнее обращение 01.08.2016 г.).

7. Усачёв В.Ф., Прокачёва В.Г. Загрязнение земли в регионах России. СПб.: Недра, 2004. 106 с.

8. Акимова Т.А., Хаскин В.В., Кузьмин А.П. Экология. Природа, техника, человек. М.: Экономика, 2007. 512 с.

9. Гительзон И.И., Дегерменджи А.Г., Тихомиров А.А. Замкнутые системы жизнеобеспечения // Наука в России. 2011. №6. С. 4 – 10.

10. ИБФ СО РАН Отчёт о научно-организационной деятельности за 2012 г. Красноярск, 2013. 77 с.

11. Сайт проекта «Марс-500». Описание экспериментальной установки. Режим доступа: http://mars500.imbp.ru/nek.html (последнее обращение: 29.04.2016 г.)

12. «Биосфера-2». Рай на Земле. (Фактрум) Режим доступа: http://www.factroom.ru/facts/26185 (последнее обращение: 01.08.2016 г.)

13. Тихомирова Н.А. Влияние внешних факторов среды на газообмен и продуктивность растений Salicornia еuropaea L., как возможной составной части фототрофного звена системы жизнеобеспечения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Томск: ТГУ, 2006. 21 с.

14. В США испытан первый летающий ветрогенератор. Режим доступа: http://supreme2.ru/4744-buoyant-airborne-turbine (последнее обращение 01.08.2016 г.)

15. Сайт «Знания об Энергии» Фонда ALCEN «От технологий к инновациям». Режим доступа: http://www.connaissancedesenergies.org/une-eolienne-prend-son-envol (последнее обращение: 10.05.2016 г.)

16. Технологии DSC. Режим доступа: http://www.ecoteco.ru/?id=286 (последнее обращение 01.08.2016 г.)

17. Андреева К.А. Эпоха Стирлинга // Машины и механизмы. 2015. №4. С.8-15.

18. Open Hydro построил во Франции крупнейшую в мире приливную электростанцию. Режим доступа: http://pronedra.ru/alternative/2011/11/18/krupnejshaya-v-mire-prilivnaya-elektrostanciya (последнее обращение 01.08.2016 г.)

19. На Гавайях открыли электростанцию, генерирующую электричество от разницы температур воды в океане. Режим доступа: http://ecology.md/page/na-gavajjah-otkryli-elektrostanciju-generirujushhuju-elektrichestvo-ot-raznicy-temperatur-vody-v-okeane (последнее обращение 01.08.2016 г.)

20. Микротурбинная установка Calnetix ТА-100 RCHP. Режим доступа: http://www.micro-turbines.ru/service.php?id=2&item=1 (последнее обращение 01.08.2016 г.)

21. Микробы эффективно вырабатывают электричество из сточных вод. Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/9964 (последнее обращение 01.08.2016 г.)

22. Хлебопрос Р.Г., Фет А.И. Замкнутые экологические системы и земная биосфера / В сб. «Природа и общество». Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. С. 266 - 294.

23. Керженцев А.С. Механизм функционирования почвы и устойчивость экосистем // Вестник РАН. 2010. Том 80, №8. С. 704 - 709.

24. Керженцев А.С. Алексеева Т.В., Алексеев А.О. и др. ЭКОТРОН – физическая модель функционирующей экосистемы // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2003. Том 19. С. 157-179.

25. Алексеева Т.В., Керженцев А.С. Микроморфологическое строение модельного почвенного профиля блока «Педотрон» экспериментальной установки «Экотрон 97» // Почвоведение. 2005. Том 38, №3. С. 314-323.

26. ООО «Дело», сайт производителя оборудования для культивирования хлореллы Режим доступа: http://www.хлорелла.рф/equipment-for-clorella.html (дата обращения 01.08.2016 г.)

27. Синяк Ю.Е. Системы жизнеобеспечения обитаемых космических объектов (Прошлое, настоящее и будущее). М.: ИМБП РАН, 2008. 32 с.

28. Гладышев П.А. Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007. 16 с.

29. Серебряков В.Н. Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. 160 с.

30. Каталог светодиодных светильников Bridgelux LED. Режим доступа: http://deliverygroupp.ru/market/svetil_niki/promyshlennye_svetodiodnye_svetil_niki/12/ (последнее обращение: 01.08.2016 г.)

31. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С., Рейф И.Е. Перед главным вызовом цивилизации. Взгляд из России. М.: ИНФРА-М, 2005. 224 с.

32. Статья «Фотосинтетически активная радиация (ФАР)». Режим доступа: http://power-led.ru/fotosinteticheskaya-aktivnaya-radiaciya-far (последнее обращение: 01.08.2016 г.)

33. Каталог светодиодного оборудования Bridgelux. Режим доступа: http://msk.reled.pro/shop/product/svetodiodnaia-matritsa-200v-200-vt (последнее обращение: 01.08.2016 г.)

34. Левинских М.А. и др. Оранжерея в составе системы жизнеобеспечения эксперимента со 105-суточной изоляцией: биологические, технологические и психологические аспекты // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2010, №4. С. 57 – 61.

35. Основы физиологии человека. Учебник для высших учебных заведений. /Под редакцией академика РАМН Б.И. Ткаченко. В 2-х томах. СПб.: Международный фонд истории науки, 1994. Том 1. 567 с.

36. Сайт компании GrowUp. Режим доступа: http://growup.org.uk/all-posts/photos-and-videos/gallery/the-growup-box (последнее обращение: 01.08.2016 г.)

37. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии: Учебное пособие. Изд. 4-е, стер. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 208 с.

38. Сайт «Автоматические рыбные фермы», раздел «Выращивание хлореллы»: Режим доступа: http://uzv.su/ru/allprojects/cultivation-chlorella (последнее обращение 01.08.2016 г.)

39. Калькулятор для проектирования купольных конструкций Фуллера. Режим доступа: http://acidome.ru/lab/calc/#7/12_Cone_3V_R4.2_beams_150x50 (последнее обращение: 01.08.2016 г.)

40. Внутренние санитарно-технические устройства. Справочник проектировщика. Часть 3, Книга 1 «Вентиляция и кондиционирование воздуха». 4-ое издание, переработанное и дополненное /Под редакцией канд. тех. наук И.Г. Староверова и инж. Ю.И. Шиллера. М.: Стройиздат, 1992. 319 с.

41. Компания «Русфом». Режим доступа: http://www.penolon.ru/mat-ppe-r-3050 (последнее обращение: 01.08.2016 г.)

42. Винтовая свая. Патент на полезную модель № 77618. Режим доступа: http://poleznayamodel.ru/model/7/77618.html (последнее обращение 01.08.2016 г.)

43. Виды производственного освещения и его нормирование. Режим доступа: http://bgdstud.ru/podborka-lekczij-po-bzhd/21-lekcii-po-bezopasnosti-zhiznedeyatelnosti/1090-vidy-proizvodstvennogo-osveshheniya-i-ego.html (дата обращения 01.08.2016).

44. Каталог оборудования компании «Азимут-фотоникс». Режим доступа: http://azimp.ru/catalogue/UV_LED/778/ (дата обращения 01.08.2016 г.)

45. Ткаченко Ю.Л., Керженцев А.С. России нужна экологизация, а не просто модернизация // Энергия: экономика, техника, экология. 2016. № 1. С. 32-39.

Просмотров: 116 | Добавил: ecologizator | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar