Предыдущий пост был посвящён тому, как обеспечить дешёвый и массовый выход человечества за пределы земного притяжения, в космос. Сегодня я хочу поговорить о том, как можно жить в местах, которые изначально не предназначены для биологической жизни.
Сразу хочу оговориться, что являюсь сторонником мнения, что проще изменить самих людей путём биологической или кибернетической модификации, либо их комбинации, чем пытаться выносить земные условия в космос. Однако, данная тема слишком широка, чтобы её охватить, к тому же, изменение людей как вида мне видится более крупномасштабным проектом, чем освоение ближайшего космоса, поэтому всё, что изложено здесь, выводится из предположения, что люди в космосе первое время будут обитать такими, какие они есть сейчас.
Данный пост – обзорный, и касается в первую очередь вещей, которые потребуются в любом месте Солнечной системы. Разумеется, техники колонизации Луны и, скажем, Титана будут сильно различаться, а принципы жизнеобеспечения космической станции – отличаться от тех же принципов на Лунной базе. Поскольку Луна является ближайшим к нам небесным телом, ей будет уделено более пристальное внимание.
Космос – крайне недружелюбная среда для человека, лишённая, на первый взгляд, всего, что требуется нам для поддержания жизни. Кроме того, научная (и не очень) фантастика плодит мифы и заблуждения на счёт того, что и как может убить вас в космосе, однако главная мысль определена вполне чётко – космос вас убьёт.
Чтобы выжить, нам необходимо предусмотреть всё, что требуется для жизни человека, и эти вещи можно ранжировать по критерию насущности.
Кислород
Наиболее важным и самым насущным для нас ресурсом является кислород. В течение суток, человек вдыхает кислород и производит около килограмма двуокиси углерода или углекислого газа (CO₂). Количество требуемого кислорода разнится, разумеется, от человека к человеку, но, в целом, это зависит от количества сожжённых калорий. Здесь сразу стоит развенчать первый миф, связанный с дыханием, якобы разговаривая, мы сжигаем больше кислорода. Если бы разговоры могли сжигать калории, это было бы во всех наставлениях по похуданию. Разница действительно есть, но она настолько мала, что ей вполне можно пренебречь. Если упростить, то потребление кислорода возрастает вместе с частотой вашего пульса и наоборот.
Первейший риск в замкнутом помещении, не ограниченное количество кислорода, а накопление углекислого газа. Предположим, я нахожусь в комнате 5х8 метров с высотой потолка 2,5 м, для ровного счёта 100 куб. м или 100 тыс. литров. Кислород занимает 21% этого объёма или 23% массы всего воздуха. Почти всё остальное – азот, который легче кислорода. При комнатной температуре, плотность воздуха составляет примерно 1,2 кг на куб. м, соответственно в нашей комнате 120 кг воздуха, 28 кг из которых – кислород.
Кислорода в этой комнате теоретически хватило бы одному человеку на 38 дней! Однако, он не сможет прожить там 38 дней, даже если найдёт способ избавляться от углекислого газа, отравление которым в противном случае начнётся весьма скоро. Дело в том, что как только концентрация кислорода в воздухе упадёт вдвое, начнутся проблемы с дыханием, тошнота, обмороки и весьма предсказуемый финал. Если удастся сократить объём комнаты каким-либо образом, снова увеличив концентрацию доступного кислорода, это позволит продлить вам жизнь.
Азот людям для дыхания не нужен, поэтому, например, американцы специально понижали давление в своих космических кораблях, наполняя их кислородом. Это позволяло экономить массу (для удержания пониженного давления требуется менее прочный корпус с более тонкими стенками), кроме того, чем ниже давление тем менее интенсивны будут возможные утечки. Кстати, это создавало определённые инженерные трудности во время стыковки «Союз» – «Апполон» в 1975 году, так как советские космонавты дышали обычным воздухом.
Наверное, стоит упомянуть ещё один миф насчёт утечек воздуха. Если проткнуть в обшивке космического корабля дырку с палец толщиной (1 см²), при нормальном давлении, вы будете терять около 1 кг воздуха в минуту. Даже если вы просто заткнёте дырку пальцем, вы остановите утечку. Вот ещё один миф – нет, вас не «высосет» наружу через эту дырку. Утечка воздуха замедлится по мере падения давления, но вы не упадёте в обморок до момента, пока давление не снизится до половины атмосферы, что для нашей комнаты в 100 кв. м займёт примерно 1 час. При этом, утечку, особенно в условиях невесомости найти очень легко. Скорость утечки растёт приблизительно линейно пропорционально площади отверстия – увеличьте дыру вдвое, скорость утечки так же возрастёт вдвое. Даже если неплотно закрыть отверстие любым предметом, это уменьшит скорость утечки.
Углекислый газ
На МКС, с объёмом примерно 900 кубометров, даже без учёта запасов сжатого кислорода, 6 членам экипажа кислорода хватит где-то на два месяца, но всего около недели до наступления серьёзного отравления углекислотой. Смерть наступит в течение следующей недели.
Углекислый газ представляет более насущную проблему, так как у нас уже начинаются проблемы, когда его массовая доля во вдыхаемом воздухе возрастает до 1%. С этой концентрации уже начинаются головные боли, головокружения, повышается раздражительность, что снижает способность думать рационально над решением проблемы.
При достижении массовой концентрации углекислоты 10% (7% объёма), летальный исход обеспечен в 80% случаев.
Разумеется, на МКС и на подлодках уже сейчас имеются средства для очистки воздуха от углекислого газа, в последние годы, когда выбросы CO₂ в нашу собственную атмосферу заставляют серьёзно задуматься о его утилизации, разрабатываются и новые способы.
Методы очистки воздуха от углекислоты можно подразделить на 2 категории: регенеративный и нерегеративный. Регенеративный метод не расходует какие либо материалы в процессе очистки. Нерегенеративный метод требует расходных материалов.
В случае нерегеративной очистки, обычно используется какое-либо химическое вещество, которое расходуется примерно в равной пропорции по массе, какое количество углекислоты требуется удалить, что из расчёта в 1 кг на человека в сутки весьма накладно.
Например, можно использовать негашёную известь (оксид кальция CaO), который связывает углекислоту в карбонат кальция. Так же можно для этих целей использовать другие минералы, хорошо связывающие углекислоту. Вы вложите в процесс 56 кг оксида кальция и получите в конце 100 кг карбоната кальция, связав 44 кг двуокиси углерода – это всего 44 дня на 1 человека, кроме того, останется 100 кг бесполезного карбоната кальция.
Разумеется, более предпочтительным будет способ фильтрации воздуха и удаления излишков CO₂ из воздуха, а в идеале – разложению его обратно на углерод и кислород.
Из школьного курса природоведения мы знаем, что с этим прекрасно справляются растения. Ещё определённые растения можно есть, и, казалось бы, это прекрасное решение, однако растения занимают много места, процесс регенерации длится довольно долго, а энергия, которая потребуется растениям, будет гораздо выше, чем альтернативные способы очистки воздуха от двуокиси углерода.
Химически очень сложно разложить CO₂ на углерод и кислород (под «сложно» следует понимать «энергозатратно»). Если делать это в промышленных масштабах, то можно выйти на уровень порядка двух сотен киловатт-часов на тонну CO₂, что эквивалентно 720 КДж/кг, либо 8 Вт на человека. Сравнительно недавно (в 2014) так же было обнародовано исследование о разложении углекислого газа при помощи ультрафиолета.
Кроме того, в другом исследовании при использовании того же ультрафиолетового лазера и наночастиц родия как катализатора, учёные добились реакции, позволяющей не только выделять кислород обратно, но и получать метан, который можно использовать как топливо.
Это значит, что мы можем использовать достаточно лёгкую и малогабаритную солнечную батарею для очистки от CO₂ воздуха в нашем скафандре или жилище. Кроме того, необходим аппарат по восстановлению оксидов, чтобы можно было добывать кислород из каменистых пород. Например, Луна по массовой доле почти наполовину состоит из кислорода, связанного в оксидах. Добыча кислорода из них достаточно энергозатратна, нам потребуется порядка 100 МДж энергии на 1 кг добываемого кислорода, что эквивалентно 1 КВт на человека.
Кроме того на Луне достаточно метеоритного льда, соответственно, при энергозатратах порядка 30 МДж/кг, мы вполне сможем добывать кислород из этой воды.
Я постоянно привожу «стоимость» того или иного процесса в ваттах, чтобы подчеркнуть, что в космосе можно раздобыть практически любой ресурс, была бы энергия.
Вода
Как уже было сказано, вода может добываться из ледяных астероидов или метеоритного льда. В Солнечной системе много мест, где воды много, к сожалению, во внутренней её части вода и даже водород встречаются реже. Разумеется, само Солнце – огромный склад водорода, но извлечь его оттуда довольно сложно. Как правило, там где редко встречается вода, там редко встречается и водород, так что воды у вас будет либо более, чем достаточно, либо не будет практически никакой, поэтому регенерация воды останется насущной заботой (см. Обратный осмос).
Хорошие новости состоят в том, что уже сейчас космические агентства добились весьма неплохих результатов по регенерации воды из... продуктов жизнедеятельности человека.
Азот
Продолжим азотом. Азот – главный компонент земной атмосферы, однако, это довольно редкий ресурс в космосе. Хотя мы и не используем азот для дыхания, азот нужен растениям, которые нам в любом случае понадобятся, если мы не хотим умереть с голоду. Потери азота могут в долгосрочной перспективе оказаться более губительны, чем потери кислорода (которого, в том или ином виде полно в лунном грунте). Азота в лунном грунте практически нет (Марс не лучше), впрочем, те крохи, что в нём содержатся, можно будет получать как побочный продукт в процессе спекания реголита для производства строительного материала.
Исходя из этого, следует тщательнейшим образом сберегать каждый грамм азота, так как его следует рассматривать как невосполнимый ресурс (если, конечно, у нас нет «в кустах» термоядерного реактора, наличие которого сделает бессмысленными почти все рассуждения в данном посте).
Еда
Для полноценной жизни и сохранения здоровья человек должен не только иметь достаточное по энергетической ценности питания, но и питаться разнообразно и, что немаловажно – вкусно. Кроме того, в условиях с даже слегка отличающимися условиями по гравитации, составу воздуха и влажности, наши вкусовые предпочтения могут измениться непредсказуемым образом.
Разумеется, для самообеспечения космическое поселение должно иметь возможность выращивать собственную пищу. Есть даже небольшое преимущество по выращиванию еды в космосе, так как там нет ни сорняков, ни вредителей. Мы можем так же экспериментировать с генетическими модификациями растений, не опасаясь загрязнить земную биосферу. Однако, на этом преимущества заканчиваются и начинаются трудности. Мы можем с лёгкостью обеспечить растения светом для фотосинтеза и углекислотой для питания, так же водой, однако, многим растениям так же нужна гравитация (хотя бы небольшая), азот, фосфор и другие элементы.
Естественного солнечного освещения растениям хватит в области, простирающейся до орбиты Сатурна, если мы находимся дальше, потребуется уже искусственный свет.
Если мы хотим приготовить пригодную для культивации растений почву на месте, довольно простым способом это осуществить будет искусственное разведение культур земных микроорганизмов, обитающих в почве, которые придётся предусмотрительно захватить с Земли.
В целях экономии гидропонные сооружения, возможно, будут содержать атмосферу насыщенную углекислым газом.
Хотя некоторые веганы, возможно, будут и счастливы от чисто растительного рациона, человеку так же желательно получать и животный белок.
И, хотя, теоретически, мы могли бы выращивать скот в космосе, это довольно непрактично, поэтому большое внимание уже сейчас уделяется культивируемому мясу (VitroMeat). Уже сейчас исследователи добились в этом направлении определённых успехов – был приготовлен первый гамбургер, котлета для которого создана целиком из выращенного в пробирке мяса. Клетки данного мяса никогда не были частью животного.
Сейчас уже есть возможность производить мясной фарш, а долгосрочной целью является выращивание полноценной культивированной мышечной ткани. Потенциально мышечную ткань любого животного можно выращивать в пробирке.
Мясо из пробирки не следует путать с имитацией мяса, которая является вегетарианским продуктом, произведённым из растительного белка, чаще всего из соевого или пшеничного, коим, впрочем, так же может найтись место на столе будущих колонистов.
Гравитация
К сожалению, сейчас наука располагает весьма скудными данными о долгосрочных (многолетних) последствиях воздействия малой гравитации на организм. На Луне сила тяжести 16% земной, на Марсе — 38%. Тем не менее, даже самая малая гравитация намного лучше её полного отсутствия (хотя бы для того, чтобы принять душ или справить естественную нужду).
Восполнить недостаток гравитации до стандартного 1g можно при помощи центробежной силы, причём, даже на поверхности другой планеты.
Исследования показали, что неподготовленный человек без каких-либо побочных эффектов в виде головокружений и тошноты может переносить вращение до 2 об./мин. К сожалению, центробежная сила увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения и лишь линейно пропорционально радиусу – для достижения 1g при такой скорости вращения, цилиндр должен быть довольно большой 224 метра с длиной окружности 1400 метров. Однако, на поверхности Луны или Марса нам не требуется восполнять все 100%, соответственно, диаметр центрифуги должен составлять, соответственно 85 метров для Луны или 36 метров для Марса. Если люди пройдут соответствующую подготовку и будут спокойно переносить до 4-6 оборотов в минуту, и требования к радиусу сократятся, соответственно до 55-25 м. К сожалению с уменьшением радиуса растёт проявление эффекта Кориолиса, а так же растёт разница между силой тяжести на уровне вашей головы и ваших ног, поэтому центрифуги должны быть относительно большого размера.
Кому интересно, вот здесь есть онлайн-калькулятор, позволяющий поиграть с параметрами космической центрифуги.
Если мы в открытом космосе, нам необязательно иметь даже цилиндр или тор, достаточно взять две капсулы, связанные тросом и раскрутить их друг относительно друга.
Подобные конструкции могут быть подвержены вибрациям, однако они не настолько огромны, чтобы это представляло серьёзную проблему. Для стабилизации можно использовать обратное вращение, гироскопы, и пр.
На поверхности планет имеет смысл заглублять жилые помещения под грунт для защиты от микрометеоритов (особенно, это важно на Луне, лишённой атмосферы). Одним из достоинств планет с малой силой тяжести является то, что экскавация грунта будет проходить гораздо легче, а несущие конструкции подобных сооружений могут иметь меньшую прочность, чем на Земле.
Под поверхностью не будет окон (впрочем, это может быть даже и хорошо, так как вращающееся небо может вызвать головокружение), что подводит нас к следующей теме:
Освещение и температура
До сих пор, наши потребности в энергии оставались весьма скромными. Однако, когда речь заходит об освещении и отоплении, «счёт» за коммунальные услуги может серьёзно увеличиться. Потребности в освещённости на 1 человека довольно скромны, 10 Вт светодиодная лампа вполне способна справиться с задачей, но когда нам требуется освещать большие площади, отведённые под гидропонику, всё меняется. По самым скромным оценкам, требования по мощности освещения гидропонических плантаций, способных прокормить одного человека составляют 2 КВт, и это при том, что энергопотребление идеально оптимизировано – то есть, освещение осуществляется только с теми длинами волн, которые необходимы для фотосинтеза, на плантации поддерживается оптимальная температура, давление, содержание углекислоты и удобрений. Разумеется, если нам доступен солнечный свет, то мы сможем сэкономить на освещении, однако не всегда это может быть хорошей идеей.
В условиях космического вакуума, тепло может как поступать, так и отводиться лишь одним способом – излучением (кстати, вопреки распространённому мнению, по этой причине в космосе гораздо проще получить тепловой удар, чем обморожение). Излучение тепла при помощи радиатора зависит от его температуры и площади поверхности. Типичный скафандр имеет площадь поверхности около 2 кв. м и излучает примерно 1 КВт энергии при температуре 36,6 градусов Цельсия, что эквивалентно 21000 калорий в день. Если нам по какой-то причине недоступен солнечный свет, нам, возможно, и потребуется сохранять это тепло, в противном случае, с отоплением жилища в космосе проблем обычно не возникает.
Если же мы находимся на поверхности Луны, для отвода тепла мы так же можем использовать теплопроводность и конвекцию. Тем не менее, следует принять во внимание, что если длительность суток на Земле и Марсе практически идентичны, на Луне ситуация другая, там сутки длятся почти земной месяц. Так «днём», температура на поверхности может достигать 107 °С, ночью же – опускаться до –153 °С. Наиболее оптимальной стратегией на Луне будет закапывание поглубже, где разница дневной и ночной температуры не настолько сильная. Кроме того, это будет целесообразно и по другой причине – для защиты от метеоритов и радиации. По этой причине, искусственное освещение или освещение при помощи отражённого зеркалами света может оказаться предпочтительнее, чем естественное освещение «из окон». Отражающие поверхности так же могут «фильтровать» ненужные длины волн, например зелёной части спектра, которая практически не нужна растениям.
Осталось осветить три вещи:
Средства связи, строительные и производственные мощности
Если мы находимся недалеко от Земли, связь с ней не представляет особой проблемы, однако по мере удаления, задержка сигнала может достигать минут или даже часов, кроме того (и это немаловажно), нам будет требоваться всё более мощные передатчики для поддержания каналов связи, каждый байт переданной информации будет обходиться всё дороже. Можно иметь на месте инструкцию к сложному оборудованию или медицинский справочник, однако консультация квалифицированного специалиста на Земле может оказаться весьма кстати.
То же касается строительства и производства – всё, что может быть произведено in situ (на месте) сберегает огромное количество денег, времени и энергии. Огромное значение имеет возможность не брать с собой 50 запасных частей, а иметь возможность 3D печати необходимого инструмента и оборудования из подручного материала. Ещё большее значение имеет возможность переработки вышедших из строя частей обратно в строительный материал. Лунный грунт, например, содержит кремний, алюминий, железо, кальций натрий, калий марганец и титан в достаточных количествах для изготовления строительных конструкций, стекла, солнечных батарей, электрических кабелей и трубопроводов.
Необходимый пластик можно производить из водорослей, которые так же можно разводить на месте.
В заключение, хочется остановиться ещё на двух критически важных «ресурсах» в космосе – научное знание и желание жить. Эти две вещи кажутся очевидными не не стоящими упоминания, но, если вы загляните в любое пособие по выживанию где бы то ни было, совет «Успокойтесь» и «Не паникуйте», стоит обычно в самом начале. Во время непосредственной опасности наш рефлекторный инстинкт выживания «работает» и без нашего осознанного участия, но если опасная ситуация длится продолжительное время, люди могут впадать в растерянность и апатию, смиряясь со своей судьбой. Психологический аспект – ресурс не менее важный в критических ситуациях. Если люди сдаются, то всё уже будет кончено до того, как будут действительно исчерпаны все возможности. Кроме того, уныние и апатия, как инфекционное заболевание может передаваться и другим людям, которые, в иных ситуациях, могли бы найти решение проблемы.
