Projekt Biosphere 2 – a miało być tak pięknie
Biosphere 2 to jeden z najbardziej słynnych eksperymentów mających udowodnić, że człowiek w skrajnie trudnych, izolowanych warunkach jest w stanie przetrwać długi czas bez jakiejkolwiek pomocy z zewnątrz. Mimo olbrzymich środków, ambitnych planów i założeń trudno uznać misję za udaną. Zacznijmy jednak od początku.
Od momentu, kiedy 8 naukowców zdecydowało się na dwuletnią, całkowitą izolację wewnątrz kompleksu badawczego, który miał udawać ludzki habitat na obcej planecie minęło ponad ćwierć wieku. Zamknięty kompleks badawczy Biosphere 2 wybudowano w latach 1987-1991 w miejscowości Oracle, w stanie Arizona. Zajmował on powierzchnię 12 748 metrów kwadratowych. Zamknięto w nim niemal 4000 tysiące gatunków roślin i zwierząt, w tym 8 sztuk homo sapiens (4 kobiety i 4 mężczyzn), którzy weszli do kompleksu w 1991 roku.
Mimo ambitnych założeń i wysokich kosztów (sama budowa kompleksu pochłonęła ok. 200 milionów dolarów), nie udało się udowodnić, że Biosfera 2 jest w stanie utrzymać ludzi w zamkniętym środowisku. Zgodnie ze słowami Jayne Poynter, jednej z uczestniczek tego eksperymentu, problemem okazał się tlen. Mimo wysiłków przebywających w kompleksie naukowców, by zoptymalizować obieg materii w zamkniętym cyklu biologicznym tlenu wciąż ubywało. Doszło nawet do tego, że atmosfera, którą oddychali naukowcy zamknięci w kompleksie zawierała tak mało tlenu, że miało to wpływ na funkcje poznawcze samych badawczy. Jayne Poynter podaje m.in. przykład lekarza wchodzącego w skład ekipy badawczej, który na skutek niedotlenienia miał problemy z najprostszymi działaniami, choćby dodawaniem. Z pewnością nikt nie chciałby być diagnozowany przez takiego lekarza. Kłopoty mieli wszyscy uczestnicy eksperymentu.
W stosunku do obliczeń symulujących obieg tlenu w Biosferze 2 okazało się, że w trakcie eksperymentu “gdzieś” uleciało aż 7 ton tego gazu! Ponieważ w Biosferze 2 zamknięci byli naukowcy, zbadanie, gdzie znikła tak duża ilość tlenu było jednym z priorytetów. Ostatecznie udało się to ustalić – tlen był pochłaniany przez znaczne ilości betonu będącego składnikiem konstrukcji zastosowanych wewnątrz kompleksu. Beton zawierał wodorotlenek wapnia. To oznacza, że nadmiar dwutlenku węgla, zamiast być pochłaniany przez rośliny, które produkowały by więcej tlenu, reagował z wodorotlenkiem wapnia w betonowych ścianach, tworząc węglan wapnia i wodę. Reakcja ta wyglądała następująco:
Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 + H2O
Rośliny nie otrzymywały więc dostatecznej ilości dwutlenku węgla, nie produkowały wystarczającej ilości tlenu. W efekcie ludzie (i zwierzęta znajdujące się w Biosferze 2) mieli problem.
Eksperyment po dwóch latach przerwano, a i sam jego przebieg nie był całkowicie izolowany. Badacze musieli mieć dostarczane co jakiś czas surowce z zewnątrz. Kompletne fiasko? W pewnym sensie tak – gdyby taki konstrukt jak Biosfera 2 powstał na innej planecie jego załoga najpewniej by zginęła. Jednak największą zaletą naszego gatunku, będącą zarazem sednem inteligencji, jest zdolność do uczenia się na błędach. Dziś wiemy, że ewentualny pozaziemski habitat ludzki nie może wyglądać jak Biosfera 2. Projekt pozwolił na uzyskanie kilku istotnych odpowiedzi dotyczących sposobu uprawiania niewielkich plantacji roślin w zamkniętych środowiskach. Niektóre gatunki roślin udało się również utrzymać przy życiu na nieistniejącej już rosyjskiej stacji Mir, czy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Od 1 lipca 2011 roku jedynym właścicielem kompleksu Biosphere 2 został Uniwersytet Arizony. Obecnie kompleks ten nie pełni już roli badawczej, od ponad 10 lat budowla nie jest już szczelna, więc nie spełnia założeń środowiska izolowanego. Aby jednak wykorzystać wyłożone na ten cel siły i środki, Biosphere 2 funkcjonuje obecnie w formie edukacyjnego parku dostępnego dla zwiedzających. Powyższy film autorstwa University of Arizona prezentuje ten ośrodek.
Wróćmy jednak do kwestii przetrwania we wrogim nam środowisku. Ludzie to uparty gatunek. Fiasko tego eksperymentu nie zakończyło prób znalezienia odpowiedzi na pytanie: jak zostać Marsjaninem. I przeżyć.
Mars 500
3 czerwca 2010 roku w Moskiewskim Instytucie Problemów Biomedycznych rozpoczął się ponad 500-dniowy eksperyment mający sprawdzić ludzi podczas długotrwałego odosobnienia, jakie byłoby ich udziałem w trakcie faktycznej podróży na Marsa i z powrotem oraz krótkiego (relatywnie) pobytu badawczego na Czerwonej planecie. Mars 500 był trzecim eksperymentem badawczym w ramach całego projektu. Wcześniej badacze przeprowadzili eksperymenty z izolacją 14-dniową (zakończona w listopadzie 2007 roku) oraz 105-dniową (zakończona w lipcu 2009 roku)
Mars 500 to projekt międzynarodowy powstały z inicjatywy Rosjan i ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) przy współpracy Chin. Głównymi założeniami, jakie miał spełniać, była symulacja długotrwałej podróży na Marsa (250 dni z Ziemi na Marsa), miesięcznego pobytu na Czerwonej Planecie oraz równie długiej podróży powrotnej (240 dni z Marsa na Ziemię). Grupa sześciu badaczy (trzech Rosjan, Francuz, Włoch i Chińczyk) “udających” członków marsjańskiej misji załogowej dobrowolnie zamknęła się w izolowanym środowisku na 17 miesięcy, dokładnie 520 dni.
Uczestnicy eksperymentu nie mieli do dyspozycji tak dużej przestrzeni jak w przypadku projektu Biosfera 2. Symulator zbudowany w Moskwie miał kubaturę 550 metrów sześciennych, był zatem zdecydowanie ciaśniejszy. Ponadto przestrzeń symulatora była podzielona funkcjonalnie – kilka jego modułów symulowało załogowy statek kosmiczny (na powyższym zdjęciu to te podłużne tuby po prawej stronie). Na przykład moduł mieszkalny (jedna z tub) miał rozmiar 3,6 x 20 metrów. “Statek kosmiczny” wyposażony był również w moduł medyczny (3,2 x 11 metrów), w którym zainstalowany był sprzęt umożliwiający przeprowadzanie niektórych zabiegów medycznych bezpośrednio na pokładzie. Z kolei największa przestrzeń (na zdjęciu po lewej stronie) była odpowiednikiem marsjańskiej powierzchni przylegającej bezpośrednio do symulowanego lądownika (6,3 x 6,2 metra). W trakcie misji ludziom zamkniętym w tej przestrzeni przygotowano serię zadań i awarii (np. awaria zasilania w trakcie symulowanego lotu na Marsa), z którymi zamknięci w symulatorze musieli sobie poradzić.
Eksperyment uwzględniał również czasowe opóźnienie komunikacji, która w rzeczywistej podróży miałaby miejsce. Uczestnicy Mars 500 kontaktowała się z centrum dowodzenia misji za pomocą wiadomości e-mail i w zależności od symulowanej “odległości” od Ziemi odpowiedzi przychodziły z różnym opóźnieniem. Gdy symulacja zakładała obecność załogi blisko Marsa lub na samej Czerwonej Planecie, na jakąkolwiek odpowiedź załoga musiała oczekiwać ok. 40 minut.
Łatwo zauważyć, że Mars 500 miał zupełnie inny charakter, niż Biosfera 2. Tym razem nie chodziło o przeżycie na obcej planecie przez bardzo długi czas, tylko o zbadanie szans przeżycia samej podróży i krótkiego pobytu na innym globie. Mimo to, również w tym przypadku na pokładzie symulowanego statku kosmicznego zainstalowano laboratorium, czy niewielki ogród, w którym przeprowadzano eksperymenty z hodowlą roślin w izolowanym środowisku.
Eksperyment uznano za udany; zakończył się on 4 listopada 2011 roku o godzinie 11:00 polskiego czasu. Nie zabrakło jednak głosów krytycznych, głównie w kwestii psychologicznej – ludzie choć pozostali zamknięci w izolowanej przestrzeni przez ponad 500 dni, wiedzieli, że są na Ziemi. Zdaniem niektórych psychologów świadomość symulacji ma wpływ na podejmowane decyzje. Trudno odmówić im racji.
Oczywiście Mars 500 to nie jedyny tego typu eksperyment przeprowadzony przez ludzi. Podobną symulację przeprowadzili również Amerykanie wykorzystując położony na zboczach wulkanu Mauna Loa na Hawajach izolowany habitat zbudowany na potrzeby eksperymentu HI-SEAS (Hawaii Space Exploration Analog and Simulation). Aktualnie trwa w nim rozpoczęta 19 stycznia 2017 roku ośmiomiesięczna, piąta już z kolei misja badawcza wspierana finansowo przez NASA. Jej wyniki poznamy już niebawem.
Chiński Lunar Palace 365 – rok w 200 dni?
Chińczycy także nie ograniczyli się do umieszczenia przedstawiciela swojego narodu w misji Mars 500. Na początku lipca w Chinach ruszył program o nazwie Lunar Palace 365. Co prawda nazwa sugeruje, że jednym z zadań ludzi biorących udział w chińskim eksperymencie jest przetrwanie w izolowanym środowisku co najmniej rok. Otóż nie. Lunar Palace 365 to projekt badawczy, w którym czterech studentów uniwersytetu pekińskiego będzie próbowało przetrwać 200 dni w odizolowanym środowisku mając do dyspozycji wyłącznie zasoby, którymi dysponowali by oni podczas pobytu na Księżycu lub na Marsie. (tak, też zadajemy sobie pytanie, czemu program nie nazywa się Lunar Palace 200; Aktualizacja: Czytelniczka eerk w komentarzu zwróciła uwagę na pochodzenie nazwy: chiński eksperyment podzielono na trzy tury, 200-dniowa jest jedną z trzech, czas trwania pozostałych to 60 dni i 105 dni, co łącznie daje właśnie 365). Ponieważ eksperyment 200-dniowy dopiero się rozpoczął na jego wyniki przyjdzie nam jeszcze trochę poczekać.
Również polscy naukowcy przeprowadzają badania symulujące pobyt człowieka w skrajnie nieprzyjaznych warunkach, jakie ten napotkałby na obcej planecie. Mają one co prawda nieco mniejszy rozmach od wyżej opisanych, ale i my w zakresie badań zachowania człowieka w skrajnie trudnych warunkach mamy coś do powiedzenia. Oto przykład.
EXO.17 – polski akcent
11 marca 2017 roku rozpoczęła się, krótka, bo zaplanowana na ok. 2 tygodnie misja EXO.17. To efekt współpracy Uniwersytetu SWPS i Fundacji EXORiON założonej przez absolwenta SWPS Jakuba Falacińskiego – psychologa i wynalazcę. Interdyscyplinarny zespół badawczy miał do swojej dyspozycji ośrodek naukowy Mars Desert Research Station (MDSR) zlokalizowany 11 km na południowy wschód od małego miasteczka Hanksville w stanie Utah. Pustynne rejony, w których zlokalizowana jest baza MDSR sprzyja symulowaniu nieprzyjaznego, marsjańskiego środowiska, przynajmniej pod względem wizualnym. Krótki czas misji pozwolił jedynie na przeprowadzenie kilku testów.
Badacze biorący udział w tej misji mieli za zadanie m.in. przeprowadzenie testów systemu filtrowania powietrza, czy zaprojektowania maksymalnie efektywnego analogu kombinezonu jakiego mogliby używać ludzie stacjonujący na Marsie. Podobnie jak w każdej innej tego typu misji monitorowano również stan psychiczny uczestników eksperymentu EXO.17. Projekt był również okazją do sprawdzenia efektywności wynalazku Jakuba Falacińskiego – prysznica mgłowego FOG, który ma umożliwiać kąpiel przy użyciu wyłącznie dwóch szklanek wody. Falaciński w wypowiedzi dla PAP podkreślał, że “analogowe symulacje są w dużej mierze poszukiwaniem potencjalnych problemów. Sprawdzamy, co działa, a co wymaga ulepszenia. Nie skupiamy się jednak wyłącznie na testowaniu sprzętu. Przede wszystkim interesuje nas tzw. czynnik ludzki w warunkach izolowanych”. Nadzorująca badania w tym zakresie dr hab. Hanna Bednarek z Uniwersytetu SWPS sprawdzała jak uczestnicy eksperymentu radzą sobie ze stresem podczas wykonywania różnorodnych i trudnych zadań.
Eksperyment zakończył się 26 marca, a polska załoga bazy MDSR była jednym z wielu zespołów badawczych korzystających z amerykańskiego ośrodka do badań związanych z obecnością człowieka na obcej planecie. Główne cele i założenia badawcze zrealizowano. W tym przypadku udało się dlatego, że zakres badań był dopasowany do możliwości, czasu i zasobów związanych z projektem. Finałowy raport z misji jest opublikowany w internecie i dostępny dla każdego.
Kierunek: Mars
Zdajemy sobie sprawę, że przedstawione tu projekty badawcze to zaledwie pobieżny wycinek osiągnięć ludzi w ich dążeniu do opanowania innych planet niż Ziemia i przetrwania na nich. Mimo wielu przeprowadzonych badań pewnych rzeczy zasymulować się nie da, np. mniejszej grawitacji. Co prawda jesteśmy w stanie zasymulować na krótki czas stan nieważkości (za pomocą tzw. lotów parabolicznych) jednak jest to drogie (choć wciąż znacznie tańsze niż loty orbitalne) i przede wszystkim krótkotrwałe. Znacznie gorzej wygląda sytuacja z symulowaniem grawitacji innej niż na Ziemi. Choć i w tym przypadku nauka znalazła częściowe rozwiązanie.
Zobaczcie powyższy film dotyczący opracowanego przez NASA systemu ARGOS (Active Response Gravity Offload System). Jest to mechaniczny, dynamicznie reagujący system umożliwiający odcięcie części masy obiektu (np. człowieka lub robota) i uzyskanie w ten sposób efektu redukcji grawitacji tak, by przypominała ona ciążenie na Księżycu czy na Marsie. Można w ten sposób ćwiczyć “księżycowe kroki”, ale nie zredukujemy w taki sposób samego odczucia ziemskiej grawitacji.
Tymczasem pozostaje nam dalej śledzić osiągnięcia naukowców i inżynierów pracujących tu na Ziemi nad każdym aspektem pozaziemskiej załogowej wyprawy. W chwili obecnej z niecierpliwością oczekujemy na dziewiczy start rakiety Falcon Heavy (planowany na listopad 2017 roku), zmodyfikowanej wersji rakiety Falcon 9 (obie zbudowane przez należącą do Elone Muska firmę SpaceX). Rakieta ta będzie w stanie wynieść na Księżyc lub Marsa odpowiednio duży ładunek, wystarczający do zbudowania na innym globie czegokolwiek, co pozwoli nam przetrwać. Bez sprawnego systemu transportu życie w habitatach pozaziemskich pozostanie tylko symulacją.
Mars – garść faktów i liczb
Mars jest mały i lekki – Mars jest o połowę mniejszy od Ziemi; jego promień to 53,2% promienia Ziemi. Jest też znacznie lżejszy od naszej planety; jego masa to zaledwie 10,7% masy Ziemi. Mała masa to mała grawitacja – a to poważny problem dla naszych organizmów.
Ale jego powierzchnia… – powierzchnia lądów Ziemi to 148,94 mln kilometrów kwadratowych, zaledwie 29,2% całkowitej powierzchni naszej planety. Mars jest pozbawiony mórz i oceanów. Jego całkowita powierzchnia to 144,8 mln kilometrów kwadratowych – niemal tyle samo co lądów Ziemi. Miejsca jest zatem sporo, pamiętajmy jednak, że bez wody długo nie pociągniemy. Ponadto przy obecnym stanie technologii transportowych, raczej wszystko co potrzebne musimy wytwarzać na miejscu, ze względu na stosunkowo rzadkie okno startowe.
26 miesięcy – raz na taki czas mamy możliwość przeprowadzenia dogodnego startu z Ziemi na Marsa, to tzw. okno startowe – czas, w którym położenie obu planet na swoich orbitach jest najbardziej korzystne względem siebie. Najbliższe okno startowe to kwiecień 2018 roku. Na ten termin zaplanowana jest misja transportowa SpaceX – kosmicznej firmy Elona Muska. Jeżeli SpaceX nie zdąży w terminie, trzeba będzie poczekać kolejne 2 lata. Zainteresowani mogą sprawdzić aktualne pozycje planet naszego układu teraz i w dowolnym innym czasie (pomiędzy rokiem 1900 a 2100) za pomocą działającego w przeglądarce narzędzia 3D Solar System Simulator.
144 km/h – To największa, zmierzona prędkość marsjańskiego wiatru. Nie jest to mało, ale to ledwie połowa tego co osiągają ziemskie najpotężniejsze huragany. Marsjańskie burze pyłowe imponują rozmachem, zgodnie ze słowami Michaela Smitha, naukowca z NASA Goddard Space Flight Center w Greebelt w stanie Maryland, każdego roku powierzchnię Marsa spowija burza pyłowa trwająca tygodniami i zajmująca powierzchnię porównywalną z ziemskim kontynentem. Ponadto, jak dodaje Smith: “Raz na trzy lata marsjańskie (ok. 5,5 ziemskiego roku) normalne burze urastają do jednej okrążającej całą planetę gigantycznej burzy pyłowej”. Jednak pamiętajmy, że atmosfera Marsa ma zaledwie 1% gęstości ziemskiej atmosfery. Marsjańskie wiatry z ledwością uniosą ziemski latawiec, nie mówiąc już o jakichkolwiek zniszczeniach ewentualnego ziemskiego sprzętu, tak jak w książce Andy’ego Weira “Marsjanin” czy opartym na niej filmie pod tym samym tytułem. Notabene właśnie błędne przedstawienie skutków marsjańskiego wiatru jest największą i jedną z niewielu poważnych nieścisłości naukowych “Marsjanina”. Prawdziwy wiatr na Marsie nie złamałby niczego. Ale Czerwona Planeta ma w zanadrzu coś znacznie groźniejszego.
Wszędobylski pył – problemem na Marsie nie jest wiatr, który przy atmosferze o tak małej gęstości (przypomnijmy: 1% gęstości ziemskiej atmosfery) nie stanowi żadnego zagrożenia dla sprzętu i ew. marsonautów, lecz pył. Już w 2013 roku na łamach serwisu New Scientist opublikowano artykuł, którego treść bazowała na świeżych wówczas wynikach badań przeprowadzanych przez marsjańskie łaziki i sprzęt pomiarowy, który udało nam się umieścić na Czerwonej Planecie. Marsjańska gleba, a zatem i pył, są pełne minerałów zwanych nadchloranami. Związki te są dla ludzi trujące. Oczywiście nikt nie poruszałby się na Marsie bez odpowiedniego skafandra, ale wzrastają tym samym wymagania względem systemów filtracji marsjańskiej bazy. Marsjański piach jest nie tylko pozbawiony życia, ale również groźny dla życia – przynajmniej w ziemskim wydaniu. Z drugiej strony niektóre rodzaje związków odkrytych w marsjańskiej glebie przez misje bezzałogowe dają nadzieję na pozyskiwanie wody (wysoka higroskopijność niektórych nadchloranów) czy komponentów paliwa rakietowego.
687 dni – tyle trwa marsjański rok, czyli czas potrzebny Czerwonej Planecie na wykonanie pełnego obiegu wokół Słońca. To kolejny problem dla człowieka, którego organizm jest “zaprogramowany” biologicznie do ziemskiego cyklu rocznego.
24 godziny, 39 minut, 35 sekund – tyle trwa marsjańska doba słoneczna, zwana solem, czyli pełny obrót planety wokół własnej osi (względem Słońca). Nieznacznie dłużej niż na Ziemi. Niestety, to jeden z niewielu “przyjaznych” człowiekowi parametrów sąsiedniej planety.
-55°C – to średnia temperatura na Marsie. Zimno, ale i na Ziemi w rejonach arktycznych bywa równie chłodno. Jednak niezwykle rozrzedzona atmosfera powoduje, że wahania temperatury znacznie przekraczają te znane z naszej planety. Podczas marsjańskiego lata w słoneczny dzień temperatura na równiku Czerwonej Planety może osiągać nawet +20°C, ciepło i przyjemnie, prawda? Niestety, w tym samym miejscu w nocy spada do -100°C.
Od 55,7 do 401 milionów kilometrów – to odległość Marsa od Ziemi, zmienna zależnie od wzajemnego położenia obu planet na swoich orbitach. Bardzo daleko. Dla porównania podczas misji Apollo 11, pierwszego lądowania na Księżycu ludzie pokonali 384 399 kilometrów dzielące Ziemię od jej satelity.
Z czego korzystaliśmy i z czym warto się zapoznać
Wszystkich, którzy chcieliby pogłębić wiedzę na temat habitatów, symulacji życia człowieka w obcym, pozaziemskim środowisku czy podróży poza naszą ojczystą planetę zachęcamy do lektury poniższych źródeł, z których również i my korzystaliśmy:
- NASA: The Fact and Fiction of Martian Dust Storms
- NASA: Spirit & Opportunity Highlights – wszystkie informacje o marsjańskich łazikach misji MER w jednym miejscu
- New Scientist: Toxic Mars dust could hamper planned human missions
- PAP, Nauka w Polsce: Polacy przeprowadzą misję marsjańską w USA
- TED: Jane Poynter – Życie w Biosferze 2
- Biosphere 2 – What Went Wrong
- Dziennik pokładowy misji Mars 500
- Mars 500 Symposium – 127 stronicowy dwujęzyczny (angielski + rosyjski) dokument podsumowujący badania przeprowadzone podczas misji Mars 500 (format PDF).
- Witryna symulatora HI-SEAS
- Witryna Mars Society Polska
