¿Qué es la Biosfera 2?
US Biosphere 2 y su investigación
Guo/Sun Jinbiao
Figura 2 La apariencia de Biosphere 2
p >Tabla 1 〓 〓 ¿Lista de todos los componentes y parámetros estructurales en el área [WB]? (m2) volumen? (m3) ¿Suelo? (m3) ¿Humedad? (m3) ¿Atmósfera? (Metros cúbicos)
Área agrícola intensiva 2000 38000 2720 60 35220
Área residencial 1000 11000 2 1 10997.
Selva tropical 2000 35000 6000 100 28900
Sabana/? Océano/pantano 2500? 49000 4000? 3400 41600
Desierto 1400 22000 4000 400 17600
"Pulmón Occidental" 1800 15000 00 15000
Vuelo del Sur 1800 15750 0 750 15000
Nota: El volumen de los dos "pulmones" mencionados anteriormente es sólo el 50% de su tamaño completamente expandido.
Biosfera 2, construida en el desierto al norte de Tucson, Arizona, es un sistema de ciclo ecológico artificial en miniatura que lleva el nombre de la Tierra y se llama Biosfera 1. Fue iniciado por el ex jugador de fútbol americano John Allen, financiado por múltiples consorcios y encargado por Space Biosphere Ventures. ¿Tomó 8 años y costó 1? 500 millones de dólares.
El 26 de septiembre de 1991, cuatro hombres y cuatro mujeres* *8 investigadores entraron por primera vez en la Biosfera 2, y la abandonaron el 26 de junio de 1993. Permanecieron en * * * durante 21 meses. Se han acumulado datos y experiencia práctica en sus respectivos campos de investigación. Siete experimentadores de Reino Unido, México, Nepal, Yugoslavia y Estados Unidos * * * Luego de evaluar los primeros resultados y mejorar la tecnología, ingresaron al laboratorio por segunda vez el 6 de marzo de 1994, 10 meses después Salió. Durante este período, llevaron a cabo investigaciones científicas extensas y sistemáticas sobre la atmósfera, el reciclaje de agua y desechos y la producción de alimentos. Biosfera 2 es el ecosistema artificial cerrado más grande del mundo. Permite a los humanos estudiar la ecología a un nivel holístico por primera vez, abriendo así nuevas formas de comprender el proceso de cambio ecológico global de la biosfera de la Tierra. Más importante aún, se utilizará como dispositivo de simulación terrestre para el primer sistema de soporte de vida bioregenerativo permanente y podrá aplicarse al futuro asentamiento de esferas extraterrestres y a la exploración tripulada del universo.
1. Descripción general
¿Área ocupada 1? La parte aérea de Biosphere 2 tiene 28 hectáreas y es una estructura tridimensional de estructura de acero, con recubrimiento en polvo y equipada con ventanas de doble acristalamiento. La parte de puesta a tierra es una placa de acero inoxidable soldada y sellada con una junta de acero. ¿El volumen total es de unos 180000 m? 3. Su interior está compuesto principalmente por siete comunidades ecológicas y dos cámaras de expansión atmosférica (también llamadas "pulmones"). Además, hay centros de energía, torres de enfriamiento y otras instalaciones. Su apariencia y parámetros estructurales relacionados se muestran en la Tabla 1 y la Figura 1.
Para reducir la carga sobre la estructura tridimensional, la presión interna de Biosphere 2 es ligeramente superior a la presión atmosférica circundante. Como todos sabemos, los cambios de temperatura conducirán inevitablemente a cambios de presión, y los cambios de presión en esta expansión son suficientes para dañar los paneles de vidrio de la ventana (el valor calculado puede exceder fácilmente los kPa). Para solucionar esta contradicción no se tomaron las habituales medidas antipresión, sino que se montaron para el anillo dos cámaras de volumen variable llamadas "pulmones", que permiten que la atmósfera se expanda y contraiga bajo presión constante. Los dos "pulmones" son como un pistón gigante, conectados al cilindro a través de una membrana selladora, y la distancia de movimiento vertical es de unos 15 m. El peso del pistón crea una presión interna positiva en relación con la presión atmosférica circundante. La presión positiva tiene dos beneficios: dondequiera que haya una fuga, la atmósfera interna se difundirá hacia afuera, asegurando la eliminación de la contaminación externa y el deslizamiento continuo del pistón indica que hay una fuga en alguna parte; El volumen de los dos "pulmones" representa el 30% del volumen cerrado del círculo.
Además de las instalaciones anteriores, también incluye salas de análisis, médicas, veterinarias, de seguimiento, de mantenimiento, de ejercicio y de cine y televisión, distribuidas en diferentes ubicaciones.
La Biosfera 2 es similar a la biosfera de la Tierra en que es un circuito cerrado en términos de material, está prohibido utilizar medios de ingeniería para llevar a cabo la transformación material con la atmósfera exterior y el suelo subterráneo. Abrir el circuito en términos de energía, permitiendo que la luz solar pase a través de la estructura de vidrio para la fotosíntesis de las plantas y, al mismo tiempo, introduciendo electricidad para el funcionamiento técnico del sistema. La información también es de circuito abierto.
A través de sistemas informáticos, teléfonos, cámaras y televisores, podemos intercambiar datos e información con el mundo exterior. A través de la televisión, podemos mantener conversaciones cara a cara con personal externo y familiares, y también podemos proyectar películas y ver programas de televisión comerciales. . La energía de control eléctrica y térmica se suministra desde el exterior a través de un dispositivo sellado. Cuando se transfiere energía, no se permite intercambiar ni mezclar los fluidos internos y externos de ninguna forma.
Rangos de temperatura, presión y peso atmosférico dentro de los círculos de la Tabla 2
¿Cuáles son las presiones máximas y mínimas de los componentes atmosféricos a las temperaturas del bioma (°C)? (kPa) porcentaje? (%)peso bruto? (Kilogramo)
Selva Tropical 35 13 O? 2 18?10 20?51 31800
Sabana/38 13 N? 2 67?51 76?51 103775
¿Compañía Oceánica/Pantano? 2 0?03 0?03 67
Desierto 43 2 H? 2O 1?78 2?02 1761
Superficie agrícola intensiva 30 13 Ar 0?81 0?92 1782
Superficie residencial 35 15 Importe total 88?24 100?00 139185 p>
El "sistema nervioso" de Biosphere 2 es un sistema completo de control y adquisición de datos por computadora, un sistema de red de microprocesador que irradia desde la sala de comando ubicada en una zona residencial. Este "sistema nervioso" interno se comunica con el centro informático del cercano edificio de "control de vuelo" a través de canales de información. Como centro analítico, el edificio se convierte en la ventana principal para los datos analíticos y la comunicación entre la Biosfera 1 y la Biosfera 2. ¿La sala de mando comunitaria puede controlar eficazmente todos los parámetros operativos principales, como temperatura, humedad, intensidad de la luz, flujo de agua, valor de pH, CO? 2 Concentración, humedad del suelo, estado de funcionamiento del instrumento, etc. y puede mostrar el estado de los sensores de datos y todos los dispositivos de alarma. Cada dispositivo tiene un interruptor de control manual para evitar que cualquier parte del "sistema nervioso" funcione mal.
Aunque todo el círculo tiene un clima tropical, diferentes biomas tienen diferentes necesidades de refrigeración y calefacción, por lo que tienen temperaturas relativamente independientes. Debido a que la Biosfera 2 está ubicada en un desierto a una altitud de 1200 m, su presión atmosférica periférica no es la presión estándar de 101? 3 kPa y sólo alrededor de 88? 2 kPa, por lo que su presión interna sólo puede ser ligeramente superior, es decir, de 88 a 24 kPa. Consulte la Tabla 2 para obtener más detalles. Utilice sistemas mecánicos para simular el entorno natural de la tierra, como la creación de olas, mareas, arroyos y cascadas, el control del viento, la lluvia y la humedad según los requisitos estacionales, el control de los gradientes de sal y las tasas de circulación de nutrientes, y la desalinización del agua de mar, etc.
En segundo lugar, comunidad ecológica
La Biosfera 2 tiene cinco comunidades de vida silvestre (selva tropical, sabana, océano, pantano y desierto) y dos biomas artificiales (áreas residenciales y agrícolas intensivas). Fueron diseñados por biólogos y ecologistas de Estados Unidos y Reino Unido, respectivamente, y se inspiraron en el ecosistema entre los Trópicos de Cáncer y el Trópico de Capricornio.
Hay alrededor de 4.000 especies en el círculo, incluidas alrededor de 3.000 especies de animales (incluidos plancton, moluscos, artrópodos, insectos, peces, anfibios, reptiles, aves, mamíferos, etc.), plantas (incluido plancton). , musgos, helechos, gimnospermas y angiospermas, etc.) y aproximadamente 65.400 especies de microorganismos (entre ellos bacterias, mohos limosos, hongos, microalgas, etc.).
El sistema cuenta tanto con árboles altos (como manglares) ), así como arbustos y pastos enanos, están dispersos y son hermosos. Los hábitats en cada comunidad de animales salvajes son diferentes, con 4, 6, 4, 4 y 6 hábitats respectivamente. Por ejemplo, existen 4 tipos de océanos como playas, lagunas, arrecifes de coral y agua de mar. Existen zonas ecológicas relativamente independientes entre biomas que los separan entre sí, como por ejemplo un grupo de arbustos entre una sabana y un desierto. Para proteger a cada comunidad del estrés ambiental, plante plantas tolerantes a su alrededor, como una selva tropical rodeada de densas plantas de jengibre, protegiendo así las especies de árboles internos de la fuerte luz lateral, mientras planta bambú en la interfaz con el océano para resistir la penetración de la sal.
Para estar lo más cerca posible del entorno natural, el suelo, el césped, el agua de mar y el agua dulce del círculo se toman de diferentes áreas geográficas exteriores y luego se reutilizan después de cierto procesamiento artificial. Por ejemplo, el agua de mar utilizada en el experimento es una mezcla de agua de mar y agua dulce en proporciones adecuadas.
Los criterios para seleccionar plantas para la Biosfera 2 consideran principalmente el soporte vital para los consumidores animales, la diversidad taxonómica, los parámetros físicos, la disponibilidad de las plantas y el valor estético. Para adaptarse al proceso de selección natural de Darwin, el número de especies de plantas excede el número que el sistema puede soportar inicialmente, lo que puede compensar la pérdida o extinción de especies y, en última instancia, promover la estabilidad continua del sistema.
Tres. Alcance de la investigación y resultados principales
El primer grupo de 8 científicos realizó 21 meses de observación, registro y análisis extensos, detallados y profundos en un entorno ecológico artificial cerrado en función de sus respectivos alcances de investigación. Los programas de investigación incluyen biogeoquímica, suelos, agua, océanos, biomasa "global", agricultura, genética, fisiología, nutrición, medicina, psicología, tecnología e ingeniería. Este artículo solo resume algunos resultados de investigación importantes de la siguiente manera:
1? Dinámica atmosférica y fugas atmosféricas
En pequeños ecosistemas cerrados, la tasa del ciclo biogeoquímico aumenta significativamente, esto se debe a que carece de ella. La enorme función de almacenamiento de la biosfera terrestre y la proporción de materia biológica e inorgánica han aumentado considerablemente. Incluso en un dispositivo tan grande como la Biosfera 2, ¿dióxido de carbono en la atmósfera? El tiempo medio de residencia de 2 es de sólo 1 a 4 días, mientras que en la biosfera de la Tierra es de unos 3 años.
¿La concentración de CO atmosférico en la Biosfera 2 es de 1500ppm? 2 (¿aproximadamente el CO atmosférico de la Tierra? 2) 4 veces la concentración, equivalente a 100 kg de carbono. Esta cantidad se reduce significativamente en comparación con la biomasa en la biomasa y el carbono orgánico en el suelo, que son 100:1 y 5000:1 respectivamente, mientras que las proporciones correspondientes en la Tierra son 1:1 y 1:1 respectivamente.
¿Monóxido de carbono en la Biosfera 2? El rango de fluctuación de 2 es 700 ~ 800 ppm/d, generalmente 500 ~ 600 ppm/d, y a veces menos. Esto está directamente relacionado con las fluctuaciones dinámicas de la fotosíntesis y la respiración causadas por los ciclos diarios estacionales y los cambios climáticos. Cuando la intensidad de la luz (flujo luminoso combinado, PPF) alcanza el valor más bajo en un año (16? 8mol m-2? d- 1?), CO? La concentración promedio de 2 es de 2466 ppm. Por el contrario, cuando la PPF alcanza el valor más alto (53? 7m ol·m-2? d -1?), CO? La concentración de 2 alcanzó el valor más bajo de 1060 ppm en un año.
¿Para proteger este sistema del alto nivel de CO durante el primer invierno con poca luz? 2 niveles de concentración, con un juego de co? 2 ¿El sistema de circulación forma primero CaCO mediante una reacción química? 3. Si es necesario, calentar este último a 950°C para liberar monóxido de carbono. Entra en la atmósfera. 4 meses[DK10]? ¿Aproximadamente 53880mol (equivalente a 9450ppm)? ¿CO? 2CaCO por el uso regular de este sistema fisicoquímico? En forma de 3. ¿Puede esta precipitación explicar indirectamente alrededor del 1% del O atmosférico? 2 (mediante oxidación de carbono orgánico y posterior separación de CaCO?3). Por el contrario, aumentar la atmósfera exterior en un 10% en 1991 65438 + febrero para compensar las fugas atmosféricas tiene poco efecto, ¿CO? La concentración de 2 disminuyó temporalmente en 200 ppm, que es 1/3 de la variación diaria normal.
¿CO? 2El aumento de la concentración provocará un aumento de la acidez del agua de mar. Para evitar este fenómeno, se añaden carbonato de sodio y bicarbonato de sodio por etapas al agua de mar para mantener el valor del pH en 7? Más de 7.
Tabla 3. ¿La producción agrícola total (kg) de hortalizas de Biosphere 2 en un año? ¿Frijol 8? ¿Hojas de remolacha 273? ¿Remolacha 308? Chile 13? Zanahoria 88? ¿Pimienta 63? ¿Repollo 83 pepino 17? Berenjena 155? ¿Col 11? Lechuga 90? Cebolla 107? ¿Bok choy12? ¿Guisantes 1? Semillas de calabaza 8? Calabacín 287? ¿58 francos suizos? Hojas de boniato 64? Tomate 288? ¿261 granos de melón de invierno y 196 granos de arroz? ¿Sorgo 131? Trigo 113 almidón verduras batata 198? ¿Boniato 1335? Malanga 84? Dioscorea 20 frijoles ricos en grasas? ¿Maní 24? Soja 14 Frijoles bajos en grasa Habas 63? Guisante 15 Fruta Manzana 1? ¿Plátano 1024? ¿Figura 39? Guayaba 41? ¿Kumquat 4? ¿Limón 10? Lima 4? ¿Cítricos 6? Papaya 639 productos ganaderos? ¿Leche de cabra 407? Cordero de cabra 8? Cerdo 35? ¿Peces 10? ¿Huevo de Pascua 6? ¿Pollo 8? Total 6630
La dinámica del oxígeno es desconcertante. Desde septiembre de 1991 hasta junio de 1992, la concentración de oxígeno de la Biosfera 2 cayó del 20,51% al 16,95%. A mediados de octubre de 1993, era del 14,5%.
Según el consejo médico, después de junio de 1992 se inyectó oxígeno puro en el círculo durante varias semanas consecutivas para restablecer su concentración al 19%. oh? La disminución de la concentración se produjo principalmente en los primeros 4 meses después del cierre, cuando fue del 18%. Después de abril de 1992, O? 2 ¿La concentración es 0? Disminución del nivel lineal del 25%. oh? Se desconoce la verdadera causa de la caída de la concentración y la investigación sobre la dinámica del oxígeno continúa mediante varios métodos, incluido el estudio de la distribución de los isótopos de oxígeno dentro del círculo.
Biosphere 2 es muy hermética. Según la relación entre la tasa de fuga y la presión, la tasa de fuga anual es del 6% y los resultados de la medición de la dilución gradual del gas traza etiquetado (SF6) demuestran que la tasa de fuga anual no supera el 10%. La cantidad de fuga atmosférica en los primeros cuatro meses (septiembre de 1991 a diciembre de febrero de 1991) fue aproximadamente del 10%, y el gas externo correspondiente se inyectó una vez a finales de 1991. Otros ecosistemas artificiales cerrados, como la cápsula de producción de biomasa construida en el Centro Espacial Kennedy, tienen tasas de fuga diarias de entre el 1% y el 10%.
2? Producción de alimentos y eliminación de residuos
El sistema agrícola de Biosphere 2 debe cumplir tres requisitos principales: libre de contaminación, intensivo y sostenible. Space Biosphere Ventures y su principal asesor en el campo agrícola, el Laboratorio de Investigación Ambiental de la Universidad de Arizona, experimentaron inicialmente con hidroponía y aeroponía, pero finalmente tuvieron que recurrir a la agronomía de suelos por diversas razones. Una razón es que la hidroponía debe depender del aporte de soluciones de nutrientes químicos, lo cual es difícil de manejar en el espacio. Otra razón es que sin la capacidad de compostar o regenerar aguas residuales utilizando sistemas vegetales/microbianos, será más difícil resolver los problemas asociados con la promoción del reciclaje de desechos animales y humanos y de biomasa no comestible de cultivos. Además, los sistemas de compostaje o de tratamiento de aguas residuales de pantanos son más eficientes energéticamente que los sistemas físicos como la oxidación húmeda o la incineración.
Zona de cultivo intensivo* * 150 variedades de 50 variedades, alrededor de 30 variedades plantadas en cada ronda, principalmente cereales, verduras, frutas, así como animales y peces (plantados en arrozales). La alimentación animal incluye alfalfa, pasto elefante, jacinto de agua y diversos cultivos (que utilizan su biomasa no comestible), como se muestra en la Tabla 3 y la Figura 2.
Figura 2 Crecimiento de algunos cultivos en la Zona de Agricultura Intensiva de la Biosfera 2
El sistema agrícola establecido tras el cierre proporcionó en promedio el 80% de las necesidades nutricionales de ocho personas, incluidos cereales, frijoles y verduras, pero los alimentos cultivados antes del encierro deben consumirse en los primeros meses después del encierro (el 20% restante de las necesidades nutricionales). Debido a la insuficiencia de radiación ultravioleta en el círculo, se debe complementar la vitamina B12. y vitamina d. Había muy poca carne, un huevo por persona por semana. El valor calórico promedio de los alimentos se limitó a 2000 Cal/d (1Cal = 4?18J) en los primeros 10 meses y luego se aumentó a 2200 Cal/d. Los alimentos se pesaron y registraron antes de comerlos.
Las zonas agrícolas no utilizan pesticidas, pero sí insectos beneficiosos y pulverizadores (como agua jabonosa, azufre, Bacillus) para controlar la aparición de plagas y enfermedades. El reciclaje de residuos consiste en el compostaje de desechos animales y biomasa vegetal no comestible, y el uso de sistemas de lagunas de plantas acuáticas para tratar las aguas residuales "residentes". Uso de "reactores de lecho de suelo" para reducir la acumulación de gases traza. Uso de sistemas de condensación de agua atmosférica para proporcionar agua potable.
3? Cambios dinámicos en las poblaciones de especies
Las plantas en áreas silvestres crecen vigorosamente, con un aumento de la biomasa entre un 60% y un 75% en los primeros 9 meses. En las selvas tropicales, la copa de los árboles es grande y densa, lo que crea una sombra continua e inhibe el crecimiento de plantas pequeñas, especialmente plantas suculentas. Las plantas herbáceas perennes crecen rápidamente en el desierto, lo que también demuestra que el suelo arenoso favorece el crecimiento de plantas herbáceas perennes en condiciones secas.
El número de especies silvestres ha comenzado a disminuir, con menos del 10% de plantas, menos del 30% de animales e insectos terrestres y alrededor del 10% al 20% de especies marinas. Cuando la red alimentaria se vuelve más completa y el dosel madura, la pérdida de especies se ralentizará y muchas plantas y animales se reproducirán en diversos grados durante este período. Desde la creación de los ecosistemas, los humanos han sido los principales depredadores que controlan la aparición de malezas y plagas y mantienen la biodiversidad. Sin la intervención humana directa, ¿la biodiversidad debe haber disminuido durante las operaciones iniciales de Biosphere 2? establecer. 4?Fisiología, nutrición y experimentos médicos
Los alimentos producidos por Biosphere 2 básicamente pueden satisfacer las necesidades de RDA, pero no queda mucho. Desde que fueron sellados, los residentes han perdido aproximadamente entre el 10% y el 20% de su peso, como resultado de la incapacidad inicial para adaptarse al nuevo entorno. Después de abril de 1992, la pérdida de peso se detuvo y algunas personas incluso ganaron algo de peso.
Este alimento bajo en grasas, calorías y rico en nutrientes puede reducir significativamente el colesterol (de un promedio de aproximadamente 195 a 125), la presión arterial, el recuento de glóbulos blancos y los niveles de azúcar en sangre. Experimentos anteriores en ratones obtuvieron resultados similares, lo que confirma que puede retrasar el envejecimiento y prolongar la vida útil.
La concentración de oxígeno tras la reducción anterior es equivalente a O? 2 presión parcial, al monitorear constantemente la cantidad y la forma de los glóbulos rojos, sus indicadores fisiológicos y bioquímicos y la frecuencia respiratoria, ¿se puede saber si el O es bajo? 2 Las concentraciones tienen efectos adversos para la salud. ¿Una vez? Cuando la concentración de 2 continúa disminuyendo, ¿se espera que se adapte a O? 2 puntos de presión. Además, en el corral no se producen enfermedades infecciosas entre personas y animales.
Cuatro. Conclusión
Una gran cantidad de evidencia muestra que el suelo marciano y el regolito lunar pueden usarse como sustratos potenciales para el cultivo de plantas después de ciertos tratamientos biológicos y químicos, lo que hace que la aplicación de sistemas biológicos regenerativos de soporte vital en la habitación espacial sea más exigente. que los de la Tierra. La instalación de recursos es mucho más económica. Pero hasta ahora, ha habido pocos ensayos de tecnologías basadas en el suelo para sistemas de soporte vital bioregenerativos. Biosphere 2 es el primer sistema de soporte vital bioregenerativo basado en el suelo construido y operativo. Por lo tanto, los datos sobre su rendimiento operativo serán útiles para sistemas similares utilizados en el espacio.
No importa en términos de escala, dificultad técnica y complejidad, o los resultados obtenidos, Biosphere 2 es una obra maestra en la historia de la ciencia humana y ha recibido amplia atención y reconocimiento por parte del mundo. Pero recientemente también ha sido objeto de fuertes críticas por parte de algunos miembros del público.
La crítica pública se debe principalmente a razones subjetivas y objetivas: (1) la inversión comercial ha provocado un flujo interminable de turistas que visitan la oficina de correos, dando a la gente una impresión de falta de seriedad científica (2); lluvias severas El clima y las plagas y enfermedades conducen a una mala cosecha inicial y fugas atmosféricas (3) la gente no sabe mucho sobre sus propios experimentos científicos (4) la falta de experiencia teórica y práctica (5) una mala gestión conduce a la incapacidad para hacerlo; ¿Qué se puede hacer?
En comparación con su vida útil de 100 años, Biosphere 2 está apenas en su edad de cuna, por lo que es razonable que surjan tales problemas y objeciones. Mientras sigamos acumulando experiencias, aprendiendo lecciones, siendo diligentes en la práctica y teniendo el coraje de explorar, seguramente lograremos resultados fructíferos. Ir al universo puede verse como un problema inevitable para la supervivencia humana. Para establecer una zona residencial allí, es necesario desarrollar un sistema ecológico de soporte de vida y crear un pequeño y cómodo entorno similar a la Tierra para proporcionar a los futuros astronautas una variedad de alimentos nutritivos, oxígeno, agua y dióxido de carbono. 2. Reciclaje de aguas residuales y residuos para una utilización y reutilización eficaz de los recursos. Biosphere 2 puede enseñar a la gente exactamente esta habilidad. Además, al comprender: (1) las consecuencias de la maduración gradual de los ecosistemas; (2) la estabilidad de los componentes bajo diversos ambientes de estrés; (3) la continuidad de las poblaciones genéticas (4) los ciclos biogeoquímicos; El planeta en deterioro. Los ecosistemas encuentran una salida.
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