Введение
Контролируемые (или замкнутые) экологические системы жизнеобеспечения (сокращение CELSS) — это самодостаточные системы жизнеобеспечения для космических станций и колоний, как правило, реализуемые посредством контролируемых замкнутых экологических систем, таких как BioHome, BIOS 3, Biosphere 2, Марсианская исследовательская станция и Yuegong 1.
Первоначальная концепция
CELSS впервые была разработана в Советском Союзе во время знаменитой "Космической гонки" в 1950-х – 1960-х годах. Зародившись в работах Константина Циолковского и получив дальнейшее развитие благодаря В. И. Вернадскому, первые шаги в этой науке заключались в использовании замкнутых беспилотных экосистем, которые затем расширились до исследовательской станции БИОС-3. В 1965 году в БИОС-3 начались эксперименты с участием людей.
Обоснование
До сих пор присутствие человека в космосе ограничивалось системой Земля-Луна. Кроме того, всё необходимое для жизнеобеспечения астронавтов (воздух, вода и пища) доставлялось им извне. Это может быть экономически оправдано для краткосрочных космических миссий, но не является оптимальным решением применительно к системам жизнеобеспечения долгосрочных аппаратов (например, межзвездных кораблей-поколений) или поселений. Цель CELSS – создание самовосстанавливающейся среды, способной поддерживать и обеспечивать жизнедеятельность человека посредством сельскохозяйственных методов.
Восстановление воздуха
В средах, не являющихся CELSS, пополнение и очистка воздуха обычно осуществляются за счет запасов сжатого воздуха и скрубберов. Недостатком этого метода является необходимость повторного заполнения резервуаров после их опустошения, а также замена скрубберов по мере потери ими эффективности. Существует также проблема с обработкой токсичных паров, выделяемых синтетическими материалами, используемыми при строительстве жилых модулей. Таким образом, поддержание качества воздуха требует особого внимания; эксперименты показали, что растения также удаляют летучие органические соединения, выделяемые синтетическими материалами, которые использовались для строительства и поддержания всех искусственных сред обитания. В системах CELSS воздух первоначально подается из внешних источников, но затем поддерживается за счет использования растений с листвой, которые производят кислород в процессе фотосинтеза (используя углекислый газ, выделяемый при дыхании человека, как побочный продукт). В конечном итоге, основная цель системы CELSS – обеспечить полную автономию в производстве кислорода посредством растений с листвой, что превратит систему из контролируемой в замкнутую.
Производство продуктов питания / расходных материалов
Как и во всех современных космических миссиях, экипажам необходимо было запасать все необходимые расходные материалы перед стартом. Обычно твердую пищу лиофилизировали, чтобы уменьшить вес космического корабля. Разумеется, в самодостаточной экосистеме предусматривалось бы место для выращивания сельскохозяйственных культур, позволяющее производить и культивировать продукты питания. Чем больше численность группы людей, тем больший урожай следовало бы выращивать. Что касается воды, эксперименты показали, что её можно получать из конденсата в воздухе (побочного продукта работы систем кондиционирования и испарения), а также из избыточной влаги растений. Затем её необходимо было бы фильтровать, либо естественным путем, либо с помощью технических средств.
Очистка сточных вод
В первые годы космических полетов космонавты либо избавлялись от отходов в открытом космосе, либо сохраняли их для возвращения на Землю. CELSS изучала способы разложения человеческих отходов и, по возможности, возвращения переработанных продуктов в замкнутую экосистему. Например, мочу перерабатывали в воду, пригодную для использования в туалетах и для полива растений. Очистка сточных вод осуществляется с помощью растений, особенно водных, для их переработки. Было установлено, что чем больше сточных вод обрабатывается водными растениями (или, точнее, их корневой системой), тем интенсивнее растут сами растения. В ходе испытаний, таких как те, что проводились в BioHome, растения также производили жизнеспособный компост, который можно использовать в качестве среды для выращивания сельскохозяйственных культур.
Закрытое и контролируемое
Закрытые системы полностью самодостаточны, перерабатывая все бесконечно без какого-либо внешнего взаимодействия. Продолжительность существования такой системы ограничена, поскольку энтропия замкнутой системы может только возрастать со временем. Однако, если замкнутой системе позволено принимать высокотемпературную лучистую энергию из внешнего источника (например, солнечный свет) и рассеивать низкотемпературное тепло в открытый космос, она может существовать неопределенно долго. Примером такой системы является сама Земля. В отличие от них, управляемые системы зависят от определенных внешних воздействий, таких как периодическое техническое обслуживание. Примером такой системы является МКС.