Das wichtigste, was, das wir brauchen, um im Weltraum überleben

Keiner von uns wäre heute ohne Pflanzen am Leben, und wenn Menschen jenseits der Erde langfristig überleben wollen, müssen wir unsere Blattgemüse mit uns zu bringen. Schließlich werden Astronauten Platz Bauern geworden.

Erstens gibt es das offensichtliche Argument für den Anbau von Pflanzen im Weltraum:, wenn wir genügend eingeschweißte Proteinriegel zum letzten bis das Ende der Zeit verpacken möchten, benötigen wir eine selbst nachfüllen Versorgung mit Lebensmitteln. Aber es noch größeren Grund gibt, pflanzlichen Lebens mit uns in das Kosmische Vakuum zu bringen, und es hat zu tun mit unseren Raumschiffen in Ökosystemen zu verwandeln. Wir brauchen Pflanzen um zu sparen und Ressourcen zu recyceln helfen eine atembare Atmosphäre und ein Trinkwasser zu erhalten.

Viel leichter gesagt als getan. Um ein Raum-Gewächshaus zu bauen, die schließlich uns nicht umbringt, müssen wir zuerst verstehen, wie Pflanzen einen Lebensunterhalt zu verdienen und wie sie unseren Planeten geformt haben. Danach müssen wir einige der seltsamen Herausforderungen des Lebens in einer geschlossenen Umgebung bewältigen.

Wie Pflanzen die Erde bewohnbar gemacht

Gibt es eine Menge auf dem Planeten Erde für uns selbstverständlich. Sauerstoff zum Atmen. Wasser zu trinken. Unsichtbaren Chemikalien in unserer Atmosphäre, die Erde zu wärmen, andere, die verhindern, dass die Sonne uns braten. Die Erde ist unsere gemütliche blaue Murmel war nicht, aber Leben auf diesem Planeten immer so ein Picknick. In der Tat für viel seiner Geschichte war die Welt, die wir zu Hause eine miserable Ödland bedeckt mit einer dünnen, erstickende Atmosphäre und Überfluss in UV-Bestrahlung Sterilisation.

Heute tauschen Wälder wie Amazonas riesige Mengen an CO2 und Sauerstoff mit der Atmosphäre.

War es die Vorfahren der Pflanzen — Cyanobakterien unter Verwendung der gleichen Photosynthese-Maschinen – das zum ersten Mal verwandelt die Erde in etwas bewohnbar für Tiere wie uns. Rund 2,3 bis 2,7 Milliarden Jahren vor und dauerhafte für fast 1 Milliarde mehr ab, füllten die Cyanos unserer Atmosphäre mit Sauerstoff, ein Abfallprodukt der Photosynthese, als sie Kohlendioxid und Sonnenlicht zu Zucker getränkt. Bei komplexeren Anlagen kam auf die Szene rund eine halbe Milliarde Jahre vor, sie nahm die Photosynthese Fackel und begann Gestaltung unserer Atmosphäre dramatischer, zeichnen sich größere Mengen an Kohlenstoff und speit auch mehr Sauerstoff.

Schließlich wurde die Atmosphäre wurde sauerstoffreiche genug für große, komplexe Tiere mit hohen Stoffwechselrate (wie wir) zu entwickeln und auf dem ganzen Planeten zu verbreiten.

Das ist alle alte Geschichte, und Sie Fragen sich vielleicht, was es mit Platz Gärten zu tun hat. Die Antwort lautet: alles. Photosynthese hält unsere Atmosphäre im Gleichgewicht. Es ist der Grund, warum wir leben in einer Welt, die nicht aus Sauerstoff und wo das CO2, das wir ausatmen nicht ansammeln, bis zu dem Punkt, den jeder erstickt. (Die Ozeane helfen CO2 zu zeichnen, wie gut und über viel längere Zeiträume, also der Erde Kruste). Diese wirken wie große, abstrakte Bedenken, können aber sicher sein, wenn wir Sie in einem verschlossenen Metall stecken können, sie würden nicht sein.

Das ist natürlich um ganz zu schweigen von der Tatsache, dass Photosynthese bildet die Basis der fast jeden Nahrungsnetzes auf unserem Planeten. Wenn Sie nie eine Pflanze für das halten Sie Würgen und hungern gedankt haben, können Sie gehen, dies jetzt zu tun.

Klar dann Pflanzen bieten einige ernsthafte Vorteile – ohne sie müssten unsere Raum-Lebensräume eine künstliche Mittel zur Auffüllung ihrer Atmosphäre, die kostbare Energie und Ressourcen Kosten würde. Aber Pflanzen sind ein zweischneidiges Schwert. Sie die Biosphäre der Erde im Gleichgewicht halten, aber auf mehr engstem Raum, die Gase, die sie austauschen können schnell aus dem Gleichgewicht geraten.

Das ist zu sagen, wir können nicht einfach kleben ein paar Tomatenpflanzen und wachsen Lampen in der Ladebucht und erwarten unser Raumschiff Umgebung reibungslos ablaufen. Geschlossene Räumen müssen sehr wissenschaftlich angegangen werden, da zwei Lektionen helfen, zu veranschaulichen.

Biosphäre 2 und Mars One

Vielleicht ehrgeizigste (sicherlich die größte) geschlossenen Ökosystem Menschen haben je erdacht ist Biosphere 2, ein 3,14 Hektar große Erde System Forschung Komplex mitten in der Wüste außerhalb von Tuscon, Arizona. Gebaut in den frühen 90er Jahren von der mittlerweile aufgelösten Firma Raum Biosphäre Ventures, diese massive Glas und Metall Gewächshausanlage, gefüllt mit repräsentativen "Biome" aus dem ganzen Planeten, sollte als Simulation für zukünftige Lebensräume dienen. Sie wurde erbaut als materiell geschlossenes System, was bedeutet, es gab kein Austausch der Atmosphäre oder des Wassers mit der Außenwelt nur Sonnenlicht.

Komplex der Biosphäre 2.

Eine Biosphäre 2 lebenden Experiment begann im Jahr 1991, wenn acht Männer und Frauen sich im Inneren des Komplexes mit nichts als einfache Werkzeuge versiegelt. Der Plan war, wachsen alle ihr eigenes Essen und aus dem Land für so lange wie möglich überleben. Es war ein totales Zugunglück.

Im Laufe der zwei Jahre, die das Leben Experiment dauerte, schwankte CO2-Gehalt in den Lebensraum von mehr als 600 Teile pro million täglich durch die Inanspruchnahme von Kohlenstoff während der Sonnenstunden durch Photosynthese und seine anschließende Freisetzung in der Nacht durch den Stoffwechsel der Pflanze. (Die CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre heute liegt nördlich von 400 ppm). CO2 auch variiert saisonal mit leichten Verfügbarkeit erreichen Konzentrationen von 4.500 ppm im Winter und 1.000 ppm im Sommer. Die meisten der Komplex Wirbeltier Leben und bestäubenden Insekten starben, während Populationen von Treibhausgasen Ameisen und Kakerlaken explodierte. Winden, alle anderen Pflanzen zu ersticken drohte. Filtrationen Systeme verstopft und unerwartete Kondenswasser aus der Wüste matschig.

Schlimmsten Fall Sauerstoffkonzentrationen in der Anlage fiel stetig, von gesunden 20 % am Anfang auf 14,5 % 16 Monate in — entspricht in etwa der Sauerstoffgehalt auf einer Höhe von 13.400 Fuß. Begann die halbverhungerten Biosphärianer leiden unter Schlafapnoe und chronische Müdigkeit, beschlossen die Verwaltungsgruppe zu intervenieren und die O2 künstlich zu erhöhen.

Der Grund für den Sauerstoffmangel war damals unklar, aber spätere Studien würden zeigen, dass der Täter vermutlich Zersetzung Mikroorganismen im Boden war. Wenn die Biosphärianer das System gebaut, schlossen sie die Bio-reichen Böden möglich, den Pflanzen ihre beste Chance auf Überleben geben. Aber die fruchtbaren Böden auch hegte große Populationen von Sauerstoff verbrauchenden Mikroben. Dieses Problem – und viele des Experiments der andere Probleme – möglicherweise verhindert worden hatte das System mit mehr wissenschaftlichen Aufsicht entworfen worden.

Meeresumwelt innen Biosphäre 2.

Und doch waren die Bemühungen der unerschrockenen Menschen, die sich in Biosphäre 2 versiegelt, keine totale Verschwendung, weil wir eine Menge gelernt. Biosphäre 2 Fehler wurde eine wichtige warnendes Wohnzimmermöbel wie leicht geschlossene Ökosysteme außer Kontrolle geraten können, wenn die Anfangsbedingungen des Systems nicht sorgfältig gemessen und ausgerichtet sind. (Nach mehr als einem Jahrzehnt der Inaktivität, die Anlage wurde im Jahr 2007 von der University of Arizona erworben und hat seither als State-of-the-Art Earth Science Laboratorium umgewidmet worden).

Aber auch die Biosphäre 2 ist riesig und weit komplexer als alles, was wir hoffen auf der ersten oder zweiten Generation Raum Lebensräume aufbauen. Im Raum werden wir wahrscheinlich wachsen Pflanzen ohne Schmutz, so dass wir nicht über unsichtbare Boden Viecher mucking Dinge kümmern. Wir sicherlich (auf Holz klopfen!) wird nicht mit Kakerlaken befassen muss. Sicherlich kein kleines Grundstück von Kartoffeln und Sojabohnen abstürzen und brennen wie diese riesigen Erde-in-a-Flasche?

Na ja... seien wir nicht ganz sicher. Nehmen Sie wir zum Beispiel ein Mars. Eines der Welt am meisten gehypten (und planlos) Raum Kolonisation Initiativen, Mars One wurde ein bekannter Name im Jahr 2012, wenn das Unternehmen in der Welt angekündigt, wäre es Versand Menschen Weg zum roten Planeten in der Mitte der 2020er Jahre, den Rest ihres Lebens in kleinen, aufblasbaren Bläschen auszuleben. Noch ehrgeiziger als Mars eine Timeline, ist jedoch das Unternehmen Plan, um seine Kolonisten 100 % ihrer Nahrung vor Ort wachsen. Leider hat dieser Plan alle das Zeug zu einer Katastrophe, die Biosphäre 2 Tat und überraschend aus ähnlichen Gründen.

Die vorgeschlagenen Mars eine Kolonie, eine Reihe von aufblasbaren Lebensräume.

Mars One — vielleicht besorgt darüber, dass andere Gruppen ihre großartige Ideen stehlen werden – hat sich geweigert, uns so gut wie nichts über die technischen Details ihrer geplanten Mission erzählen. Dies veranlasste eine Gruppe von MIT-Doktoranden ihre eigenen Machbarkeitsanalyse im Herbst letzten Jahres veröffentlichen. Unter Verwendung aller verfügbaren Informationen auf der Website des Unternehmens, die Forscher berechnet die Ressourcen, um die Kolonisten zu erhalten und lief Modelle, um die Stabilität der Lebensräume im Laufe der Zeit zu bewerten.

Es war nicht schön. Zuerst fand ab, die Studie, dass Zuschneiden Innenraum der Lebensraum von den Mars One vorgeschlagene war fast groß genug, um die kalorischen und ernährungsphysiologischen Anforderungen der Crew war. Da die Mission ausgelegt war, würde jeder wahrscheinlich verhungern. Wenn sie nicht verhungern, zeigte Modellsimulationen, dass die Pflanzen im Laufe der Zeit gefährliche Konzentrationen von Sauerstoff, produzieren würde, die die Atmosphäre zu spontan verbrennen (auch schlechte) verursachen könnte. Die zusätzlichen Sauerstoff entgegenzuwirken, wäre die Atmosphäre eher sumpfig, weil Transpiration der Pflanze die Relative Luftfeuchtigkeit auf 100 % erhöhen würde. (Möchte noch anmelden? Schicken sie einen Scheck!)

Aber die MIT-Forscher nahm noch einen Schritt weiter. Anstatt einfach zeigen uns die vielen Möglichkeiten, die Mars One zum Scheitern verurteilt war, gestaltet sie die Mission um die Astronauten am Leben zu halten.

Wir haben viel gesprochen, was schief gehen kann. Wie sieht eine erfolgreiche Raum landwirtschaftliche Kolonie aus?

Wie ein geschlossenes Ökosystem funktionieren könnte

Wir haben bekommen einen Vorgeschmack, wie Raum Lebensräume außer Kontrolle geraten können, wenn wir beginnen, Ökologie einzuführen versuchen. Um ein geschlossenes Ökosystem arbeiten zu machen, wir haben Umarmung und profitieren Sie von diesem geschlossen Teil. Das heißt, Dinge in getrennten Kammern und controlling und die Flüsse zwischen ihnen zu messen.

Für Mars Kolonisten ihre Nahrung vor Ort wachsen vorgeschlagen die MIT-Forscher setzen die Pflanzen in einem separaten geschlossenen Kammer effektiv Entkopplung ihrer Nutzung der Ressourcen von der Besatzung. Ein System zur Entfernung von Sauerstoff würde O2 aus der Pflanze Kammer in einen speziellen Tank für die spätere Verwendung siphon. Das CO2 ausgeatmet durch die Besatzung würde ebenfalls gesammelt und in der Ernte-Einheit geschickt, um die Pflanzen zu ernähren. Im Idealfall würde Roboter Küchenmaschinen bereitgestellt werden, so dass die Crew nie hatte, überhaupt mit dem Garten zu interagieren.

Ökologisch kontrollierte Gärten, wie MITS CityFarm bieten eine Vorlage wie wir unseren Platz Gärten Strukturierung sollte.

Machen solche Entwurfsarbeit bedeutet immer eine Anzahl verschiedener Technologien zu beschleunigen. Sauerstoff-Haarentfernung-Systeme verwendet wurden ausgiebig auf der Erde, aber Platz bewertet Versionen nicht noch vorhanden, und Hardware kann auf seltsame Weise nach abheben ausfallen. (Im Jahr 2011, NASA veröffentlichte einen Bericht über hypothetische Technologien helfen, Sauerstoff-Versorgung der ISS zu recyceln, aber ab 2015 Astronauten sind immer noch abhängig von regelmäßigen Sendungen von O2 in Tieftemperaturtanks). CO2-Entfernung-Systeme, die einen synthetische Felsen namens Zeolith verwenden, um Kohlendioxid aus der Luft zu schrubben, sind bereits im Einsatz an Bord der ISS. Während dieser Wäscher Systeme derzeit CO2 Raum Schlot, könnte sie verwendet werden, um das Gas in die Kammer ein Wachstum shuttle.

Wasser ist ein weiteres großes Problem. Pflanzen und Menschen benötigen viel davon, und wie alles andere, auch Wasser aus die Erdanziehungskraft Strahlen ist wild teuer. Astronauten nutzen derzeit eine Vielzahl von Methoden zu erholen und Wasser auf der ISS zu recyceln: aus der Luft, Urin, Heizen und filtern das Zeug um es wieder trinkbar machen sich erinnernd kondensiert. Ein Prozess namens die Sabatier Reaktion, wobei Wasserstoffgas und CO2 zu Wasser kombiniert werden, wird auch von der NASA erforscht.

Biologie kann helfen, noch besser zu machen. Auch Systeme, mit denen Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen um aus dem Wasser überschüssige Nährstoffe, Schwermetalle, Bakterien und Viren zu entfernen sind überall beschneiden. Solche Technologien sind noch nicht gut für Raum Leben entwickelt. Aber in einem Entwurf Technologie-Roadmap veröffentlicht im vergangenen Mai, NASA "bioregenerativen Food Systems" als eine Priorität der R&D identifiziert. Hoffentlich ist das ein Zeichen, dass Forschung, wie Gärten in unserem Raum Lebensräume, ihre Ressource recycling-Potenzial zu maximieren integrieren kommt.

Natürlich, selbst wenn wir unsere Hexenkessel zu recyceln alles tun, sind wir immer noch zu haben, um kleine Mengen an Ressourcen Verlust zu akzeptieren. Die besten verschlossene Fach wird Leck ein wenig der Atmosphäre, und mehr entlüften wird jedes Mal, wenn wir die Luftschleusen öffnen. Schiffsteile werden alt und müssen ersetzt werden. Trace Metal Mangel könnte Nährstoffmangel unter der Mannschaft. Auffüllen von Ressourcen in den tiefen Raum wird wahrscheinlich bedeuten Bergbau Metall und wasserreichen Asteroiden oder auf einem Planeten, Gewinnung von Ressourcen in Situ. Deep Space Industries, NASA und planetarischen Ressourcen entwickeln derzeit diese Technologien jedoch weltraumgestützte Ressource Extraktion Tech hat noch einen langen Weg vor uns.

Machen Platz Gärten und im weiteren Sinne Raum Ökosysteme Arbeit beginnt mit den rechts konzeptionellen Ansatz. Messen Sie alles. Nichts zu verschwenden. So weit wie möglich recyceln. Wenn es richtig gemacht, könnte unsere Gärten werden Sauerstoff Bauernhöfe, CO2-recycling-Zentren, Nährstoff- und Metall Rückgewinnungsanlagen und Wasseraufbereitungssysteme. Aber wenn wir nicht zahlen sorgfältige Aufmerksamkeit zum Lebensraum Design, pflanzlichen Lebens unseren Untergang sein könnte da draußen.

Die Biosphärianer hatten das Glück, Zoll entfernt eine reiche Quelle der frischen Luft zu sein. Millionen von Meilen von der Erde, erhalten wir besser unsere Raum-Ökologie Recht.

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Bilder Credits: Tumblr, Wikimedia, Universität von Arizona, MIT CityFarm

Top-Bild: Raum Gärten im Film Sunshine.