PORUSZAJĄCY EKSPERYMENT ”BIOSPHERE 2” – CZY LUDZIE SĄ W STANIE ŻYĆ NA INNEJ PLANECIE ?

Już od dawna człowiek marzy o podboju kosmosu. Jak wiadomo, kosmos jest środowiskiem raczej niezbyt przyjaznym i nie sprzyjającym utrzymaniu naszego organizmu przy życiu. Według ostatnich planów, nawet wyprawa załogowa na Marsa musiałaby wylądować na jego powierzchni i pozostać tam przez dłuższy czas. Przed rozpoczęciem eksploracji kosmosu, podjęto zatem próbę stworzenia na Ziemi izolowanego i samowystarczalnego ekosystemu. Prawdziwym testem naszej cywilizacji okazała się Biosfera 2.

Przez 2 lata ludzie mieli zamieszkiwać biosferę. Co poszło nie tak?

Już od dawna człowiek marzy o podboju kosmosu. Jak wiadomo, kosmos jest środowiskiem raczej niezbyt przyjaznym i nie sprzyjającym utrzymaniu naszego organizmu przy życiu. Według ostatnich planów, nawet wyprawa załogowa na Marsa musiałaby wylądować na jego powierzchni i pozostać tam przez dłuższy czas. Przed rozpoczęciem eksploracji kosmosu, podjęto zatem próbę stworzenia na Ziemi izolowanego i samowystarczalnego ekosystemu. Prawdziwym testem naszej cywilizacji okazała się Biosfera 2.

Początek projektu

Projekt Biosfera 2 to pierwsza próba stworzenia zamkniętego, samowystarczalnego, pseudonaturalnego środowiska, w którym byliby w stanie przez dłuższy czas egzystować ludzie. Mimo wielu błędów koncepcyjnych, wadliwych rozwiązań oraz problemów natury technicznej, najsłabszym ogniwem okazał się czynnik ludzki.

Biosfera 2 – zlokalizowana na pustyni w Arizonie – jest jednym z najciekawszych architektonicznie i środowiskowo projektów. Jak mówi koordynator ds. technicznych Bernd Zabel, który spędził 2 lata w Biosferze, jest kompleksem nowego, bioelektronicznego i architektonicznego świata, który w przyszłości może stać się środowiskiem życia człowieka.

W założeniach projekt ten miał stanowić miniaturowe, lecz proste do wykonania, sztuczne środowisko, które byłoby w stanie samodzielnie utrzymać się przy życiu w całkowitej izolacji od świata zewnętrznego. Widać tu wyraźne analogie do programu badań kosmicznych i przyszłego zakładania baz planetarnych.

Początki projektu sięgają listopada 1986 r., kiedy to rozpoczęto budowę zamkniętego kompleksu pośrodku arizońskiej pustyni. Projekt i budowę sfinansował teksański miliarder Edward P. Bass, a całe przedsięwzięcie kosztowało ok. 200 mln USD.

Dzięki stworzeniu Biosfery naukowcy wreszcie uzyskali możliwość zbadania złożoności ziemskich ekosystemów. Już w fazie projektowania niezwykle trudnym zadaniem okazało się określenie, które z ziemskich ekosystemów są bardziej istotne dla ludzkiego organizmu i powinny znaleźć się w kompleksie.

W efekcie analiz, w specjalnych modułach umieszczono zminiaturyzowane wersje wszystkich środowisk i ekosystemów. Równocześnie pojawiło się pytanie, jakie ekosystemy są niezbędne, aby zapewnić przetrwanie ludziom zamkniętym w kompleksie.

Zasiedlenie

Przez pierwsze trzy lata po wybudowaniu Biosfery 2, cały kompleks był nie zamieszkany. Dopiero we wrześniu 1991 r. do Biosfery weszła pierwsza grupa ośmiu badaczy, którzy mieli przeżyć tam 2 lata w zupełnej izolacji od świata zewnętrznego.

Przed zasiedleniem z atmosfery kompleksu usunięto prawie cały dwutlenek węgla, a także przygotowano specjalną instalację przeznaczoną do pracy w obiegu zamkniętym – niezbędny do życia tlen miała wytwarzać rosnąca w Biosferze roślinność. Przez większość czasu, poza kilkoma przypadkami, powietrze, woda i żywność były wytwarzane i przetwarzane jedynie przez ekosystemy umieszczone w szklanych budynkach.

Zaludnienie miniaturowego świata przez badaczy wykazało jednak słabe strony projektu. Naukowcy popełnili wiele błędów przy zaopatrywaniu Biosfery w pozyskiwany w zamkniętym obiegu tlen – w stosunkowo krótkim czasie zaobserwowano wyraźny jego niedobór. W lutym 1993 r. do kompleksu wpompowano zatem świeży tlen, aby zrekompensować niski poziom tego gazu w atmosferze.

W takim szczelnie zamkniętym świecie najważniejszą sprawą była kwestia podtrzymywania życia, jednak słabą stroną projektu okazała się także ludzka natura. W zamknięciu ludzie zaczęli reagować gwałtownie nawet na najmniejsze nieporozumienia. W rezultacie pewnych niedopatrzeń natury technicznej i konfliktów personalnych załoga naukowców, zamieszkująca kompleks, wycofała się z udziału w eksperymencie.

Fiasko i druga próba

Rok później, na początku 1994 r., student Jeffrey Severinghaus z Columbia University odkrył przyczynę gwałtownego niedoboru tlenu. Okazało się, że wszystkiemu winne są ziemne bakterie, które pochłaniały go w nadmiernych ilościach. Znalezienie i wykluczenie podstawowych niedopatrzeń pozwoliło przygotować stację do nowych eksperymentów.

Już w miesiąc po tym odkryciu do kompleksu weszła kolejna załoga badawcza. Zespół ten miał pracować w lepszych warunkach – tym razem przez rok. Równocześnie zwolniono dotychczasowych szefów projektu za złe zarządzanie finansami oraz położono większy nacisk ( pod presją naukowców biorących udział w pierwszej części eksperymentu) na bezpieczeństwo ludzi uczestniczących w kolejnej jego fazie.

Ostatecznie w 1996 r. odpowiedzialność za zarządzanie projektem przejął Columbia University, a kompleks stopniowo zaczęto przekształcać w ośrodek prowadzący badania ziemskiej biosfery. We wrześniu 1996 r. dyrektorem kompleksu został William C. Harris. Na stację przybyli też pierwsi studenci na „semestr Ziemi”. Od listopada 1996 r. Biosfera 2 jest częściowo dostępna dla zwiedzających. Udostępniono część znaną poprzednio jako ludzki habitat, kwatery badaczy i stworzono interaktywne muzeum ukazujące zmiany klimatu ziemskiego.

Szklany dom

Biosfera 2 zajmuje obszar 1,6 ha i ma 204 000 metrów sześciennych objętości (wraz z „płucami”). Pod jej hermetyczną kopułą znajduje się pięć naturalnych i dwa przekształcone przez człowieka biomy: las tropikalny, sawanna, bagna, ocean, pustynia, środowisko rolnicze i habitat dla ludzi. Atmosfera jest wytwarzana przede wszystkim w tych właśnie biomach.

Jak widać, obecne są tu wszystkie istotne dla ziemskiego środowiska biomy, co pozwoliło na dokładniejsze badania zależności, zachodzących między nimi. Nie uwzględniono jednak skomplikowanej ziemskiej geologii i geosfery ani występujących między nimi współzależności – mogłoby to bowiem znacznie utrudnić i tak już niełatwy do zrealizowania projekt. Nie odtworzono tu zatem zbyt dokładnie ziemskiej biosfery, a jedynie jej istotne – zdaniem amerykańskich naukowców – fragmenty.

Habitat dla ludzi ma powierzchnię 2600 metrów kwadratowych i zawiera środowisko miejskie z publicznie dostępnymi rejonami oraz prywatnymi pomieszczeniami dla uczestników projektu. Jest to jedyna część Biosfery 2, w której wszystko wykonane zostało z metalu, a nie ze szklanych paneli. Habitat wyposażono w biura, laboratoria, ambulatorium, terminale monitorujące środowisko wewnętrzne, magazyny maszyn i drewna, a także kuchnię oraz inne udogodnienia przeznaczone dla stałych mieszkańców.

Cały kompleks zadaszony jest za pomocą 8000 szklanych płyt, pokrytych wzmacniającym laminatem. Od spodu, pod fundamentami, budynki są izolowane przez płyty wykonane ze stali nierdzewnej odpornej na działanie soli morskich. Konstrukcja naziemna okazała się nadzwyczaj odporna – ramki, w których osadzone były tafle szklane, wykonano według specjalnej technologii (po 5 latach do wymiany nadawało się jedynie 50 z 77 000 ramek).

Bio/techno/sfera

Naukowcy, zamknięci pod szklanym niebem, przeżyli śmierć swej „miniaturowej” Ziemi. Czy fiasko eksperymentu w skali mikro może stanowić ostrzeżenie także i dla nas, mieszkańców całej planety? Może już w przyszłości czeka nas niedobór tlenu i żywności, plaga mrówek, karaluchów i pnączy, wyginięcie wielu gatunków owadów i narastający konflikt międzyludzki.

Podstawowa cześć projektu, pozwalająca na jego funkcjonowanie, oparta jest na stworzonej przez człowieka technosferze. Systemy Biosfery 2 funkcjonują według określonego zegara, regulując cyrkulację powietrza i wody oraz poziom temperatury. 25 dużych pomp może pompować do 600 metrów sześciennych powietrza na sekundę w całym kompleksie.

Dla takich miniaturowych ekosystemów, jak choćby ocean czy lasy tropikalne, skonstruowano urządzenia tworzące fale, deszcz, mgłę itp. Cała technosfera to ok. 200 silników i 120 pomp doglądanych przez jednego człowieka. Podczas projektu wszystko to działało sprawnie, niemniej nie udało się np. utrzymać zasolenia wody na stałym poziomie.

W ciekawy sposób rozwiązano problem zaopatrzenia kompleksu w energię elektryczną – generatory znajdują się w przylegającym budynku. Największy nacisk postawiono na maksymalną sprawność urządzeń. Aby uniknąć strat, pompy pracują ze sprawnością ok. 80%.

Do oświetlania pomieszczeń Biosfery użyto wydajnych lamp sodowych. Turbiny generatorów napędzane są energią, która powstaje w wyniku czystego ekologicznie spalania naturalnych gazów. Wykorzystywana w tym procesie woda jest następnie oczyszczana i chłodzona w efektywny sposób, tzn. w systemach chłodzących cały kompleks

Dość ciekawe są również rozwiązania zastosowane przy budowaniu mikrośrodowisk. Kopuła, pod którą umieszczono lasy deszczowe, kryje w sobie 50-metrowe, sztuczne wzgórze (3-poziomowa wieża pokryta sztuczną skałą) ze zboczem pełnym jaskiń. W powierzchni wzniesienia wykonano także specjalne tarasy roślin oraz prowadzącą na górę, wijącą się ścieżkę.

Aby ograniczyć deptanie roślin oraz ingerowanie w dziewicze środowisko, wewnątrz góry umieszczono schody prowadzące z poziomu technologicznego. Na szczycie wzniesienia ustawiono urządzenia, które – pobierając wodę z małego wodospadu na zboczu – służą do wytwarzania sztucznych chmur, mgły i deszczu. Warstwa ziemi w tym biomie wynosi od 2 do 6 m, co umożliwiło posadzenie tu nawet stosunkowo dużych drzew.

Utrzymanie tak wielu mikrośrodowisk wymagało od konstruktorów opracowania efektywnego systemu chłodzenia – większość energii zużywana jest właśnie do tego celu. Z centrum energetycznego pompowano wodę o temperaturach 10-21 stopni C, 5-7 stopni C i gorącą o temperaturze 70-80 stopni C. Wszystko to pomagało utrzymać właściwą temperaturę w obrębie biomów.

Biosfera 2 ma też swoje „płuca”. Jest to hermetyczny kompleks, toteż niezbędne okazało się wyposażenie go w system sterujący cyrkulacją powietrza w zależności od temperatury. Każde z dwóch „płuc” ma pojemność 23 tys metrów sześciennych, a cały budynek ok. 150 tys metrów sześciennych.

Budowniczowie zadbali także o to, by powietrza w kompleksie nie zanieczyszczały gazy ze źle dobranych materiałów konstrukcyjnych i wykończeniowych. Dlatego też wiele elementów wykonano ze specjalnie wybranej wełny i bawełny (np. wytłumiające hałas pokrycia ścian i podłóg).

Projektanci kompleksu wykonali też specjalne zabezpieczenia przed termitami sprowadzonymi tu w celu recyklingu celulozy. Jak się jednak okazało, prawdziwą plagą stały się „szalone mrówki” (Paratrechina longicornis), które unicestwiły termity i spowodowały pewne nieszczelności w kompleksie.

Zdaniem niezależnych naukowców, nieszczelność budowli mogła powodować straty powietrza do 10% rocznie – według NASA – wskaźnik ten mógł wynosić nawet 10% dziennie (na promach kosmicznych straty takie wynoszą ok. 350% rocznie). W założeniach projektowych straty powietrza, spowodowane nieszczelnością, miały mieścić się w granicach 6% rocznie.

Co poszło nie tak?

Choć programu tego nie można nazwać kompletnym fiaskiem, popełniono w nim wiele zarówno błahych, jak i poważnych błędów. To właśnie dzięki Biosferze odkryto wiele zjawisk, które mają – jak się okazało – olbrzymi wpływ na zamknięty ekosytem. Pierwszym i zarazem najpoważniejszym zagrożeniem dla zamkniętych w kompleksie badaczy było zbytnie rozmnożenie się żyjących w glebie mikrobów, które pochłaniały tlen z atmosfery.

Ograniczyły one znacznie zawartość tlenu – z 21 do 14%. Ponadto duża cześć dwutlenku węgla z atmosfery została związana przez wapień w postaci osadów. Większość pożytecznych owadów, które miały zapylać rośliny, wyginęła. W ten sposób rośliny utraciły możliwość owocowania. Plagą stały się natomiast mrówki i karaluchy oraz pewien rodzaj tropikalnych pnączy, wypierający inne rośliny.

Niedociągnięcia w projekcie odbiły się też na ludziach. Żywność produkowano w minimalnych ilościach, co spowodowało znaczny spadek wagi mieszkańców.

Mimo tych problemów, przez pierwsze dwa lata działania projektu środowisko kompleksu działało sprawnie – utrzymywało przy życiu ośmiu badaczy i prawie 3800 gatunków roślin i zwierząt. Biosfera 2 pokazała zatem, że możliwe jest stworzenie zamkniętego, sztucznego systemu, który byłby w stanie zapewnić ludziom warunki wystarczające do życia.