미국 생물권 2 호와 그 연구
곽/손금표
그림 2 생물권 2 호1"외관
표1"[WB] 구역의 모든 구성 요소 및 구조 매개변수 목록? (m2) 볼륨? (m3) 토양? (m3) 습도? (m3) 대기? (입방미터)
집약농업구역 2000 38000 2720 60 35220
주택단지100011000 2110997.
열대 우림 2000 35000 6000 100 28900
희귀한 초원/? 바다/늪 2500? 49000 4000? 3400 4 1600
사막1400 22000 4000 40017600
"서폐"180015000 0015000
남비180015750 0 75015000
참고: 이 두' 폐' 의 부피는 완전히 확장될 때의 50% 에 불과하다.
미국 애리조나 주 투손시 북부의 사막에 세워진 생물권 2 호는 지구가 생물권 1 이라고 불리기 때문에 미세한 인공생태순환시스템이다. 전 미국 미식축구선수 존 애륜 (John Foundation) 가 발기한 것으로, 여러 컨소시엄이 공동 출자하여 우주생물권 벤처 투자회사에 건설을 의뢰했다. 8 년 동안 비용 1? 5 억 달러.
199 1 년 9 월 26 일, 4 남 4 녀 * * 8 명의 연구원이 생물권 2 호에 처음 들어와 1993 년 6 월 26 일 떠나 * * * 에 머물렀다 영국, 멕시코, 네팔, 유고슬라비아, 미국에서 온 7 명의 실험자 * * * 첫 성과를 평가하고 기술을 개선한 후 1994 년 3 월 6 일 두 번째로 실험실에 들어와 10 개월 후에 외출했다. 이 기간 동안 그들은 대기, 물, 폐기물의 재활용 및 식품 생산에 대해 광범위하고 체계적인 과학 연구를 진행했다. 생물권 2 호는 세계에서 가장 큰 폐쇄 인공 생태계이다. 인류가 처음으로 전체 수준에서 생태학을 연구할 수 있게 하여 지구 생물권의 글로벌 생태 변화 과정을 이해하는 새로운 길을 열었다. 더 중요한 것은, 그것은 최초의 영구 생물 재생 생명 지원 시스템의 지상 시뮬레이션 장치로 사용될 것이며, 미래의 외구 정착과 유인 탐사 우주에 적용될 수 있다는 것이다.
I. 개요
설치 공간 1? 생물권 2 호의 지상 부분은 28 헥타르로, 가루가 칠해져 있고 이중 유리창이 달린 3 차원 강철 프레임 구조이다. 접지 부분은 스테인리스강판을 용접하고 강철 개스킷으로 밀봉한다. 총 볼륨 약 180000m? 3. 그 내부는 주로 7 개의 생태 공동체와 2 개의 대기 팽창실 ("폐" 라고도 함) 으로 구성되어 있다. 또한 에너지 센터, 냉각탑 및 기타 시설이 있습니다. 외관 및 관련 구조 매개변수는 표 1 및 그림 1 에 나와 있습니다.
3 차원 구조의 부하를 줄이기 위해 생물권 2 호의 내부 압력은 주변 대기압보다 약간 높다. 온도 변화는 반드시 압력 변화를 일으키는 것으로 알려져 있는데, 이 팽창의 압력 변화는 유리창을 파괴하기에 충분하다 (계산값은 kPa 를 쉽게 초과할 수 있음). 이 모순을 해결하기 위해 일반적인 압축 조치를 취하지 않고 링을 위해' 폐' 라는 두 개의 가변 용적실을 조립하여 대기가 일정한 압력으로 팽창하고 수축하게 했다. 두 개의 "폐" 는 밀폐막을 통해 실린더에 연결된 거대한 피스톤과 같으며 수직 운동 거리는 약 15m 입니다. 피스톤 중량은 주변 대기압에 상대적인 내부 양압을 생성합니다. 양압은 두 가지 장점이 있다: 누출이 있든, 내부 대기는 외부 오염을 제거하기 위해 밖으로 확산된다. 피스톤의 지속적인 슬라이딩은 어딘가에 누출이 있음을 나타냅니다. 두 개의 "폐" 의 부피는 동그라미 폐쇄 볼륨의 30% 를 차지한다.
이러한 시설 외에도 분석, 의료, 수의사, 모니터링, 수리, 운동, 영화실이 여러 부위에 분포되어 있습니다.
생물권 2 호는 지구 생물권과 유사하며, 물질적으로 폐쇄되어 있으며, 공사 수단으로 외부 대기와 지하 토양과의 물질 전환을 금지한다. 에너지에서 열린 루프를 통해 햇빛이 유리 구조를 통해 식물의 광합성을 수행하게 하고, 동시에 전기를 도입하여 기술 시스템을 가동하게 한다. 정보도 열려 있습니다. 컴퓨터 시스템, 전화, 카메라, TV 를 통해 외부 세계와 데이터와 정보를 교환할 수 있으며, TV 를 통해 외부 직원 및 친족과 얼굴을 맞대고 대화할 수 있으며, 영화를 상영하고 상업용 TV 프로그램을 시청할 수 있습니다. 전기 및 열 제어 에너지는 밀폐 장치를 통해 외부에서 수송된다. 에너지가 전달될 때 내부 및 외부 유체는 어떤 형태로든 교환 또는 혼합될 수 없습니다.
표 2 원 안의 대기 온도, 압력 및 무게 범위
생물군락 온도의 최대 및 최소 대기 성분 압력은 얼마입니까 (C)? (kPa) 백분율? 총 중량 (%)? (킬로그램)
열대 우림 35 13 O? 2 18? 10 20? 5 1 3 1800
사바나 /38 13 N? 2 67? 5 1 76? 5 1 103775
해양/늪회사? 2 0? 03 0? 03 67
사막 43 2 H? 2O 1? 78 2? 02 176 1
집약농업구역 30 13 Ar 0? 8 1 0? 92 1782
주택지 35 15 총액 88? 24 100? 00 139 185
생물권 2 호의' 신경계' 는 완전한 컴퓨터 데이터 수집 및 제어 시스템으로, 거주지에 위치한 지휘실에서 방사된 마이크로프로세서 네트워크 시스템이다. 이 내부의' 신경계' 는 정보 통로를 통해 외부 부근의' 비행제어' 빌딩의 계산센터와 소통한다. 분석 센터로서 이 건물은 생물권 1 과 생물권 2 사이의 분석 데이터와 교류를 위한 주요 창구가 되었다. 동네 지휘실은 온도, 습도, 조명 강도, 물 흐름, pH 값, CO 등 모든 주요 운영 매개변수를 효과적으로 제어할 수 있습니까? 2 농도, 토양 습도, 기기 작동 상태 등. , 데이터 센서 및 모든 경보 장치의 상태를 표시합니다. 각 장치에는 "신경계" 의 모든 부분에 장애가 발생하지 않도록 수동 제어 스위치가 있습니다.
전체 원은 열대 기후이지만, 서로 다른 생물 군락에는 서로 다른 냉난방 요구 사항이 있어 상대적으로 독립된 온도가 있다. 생물권 2 호는 고도 1200m 의 사막에 위치해 있기 때문에 주변 대기압력은 10 1 의 표준 압력이 아닙니까? 3 kPa 인데 88 정도밖에 안 되나요? 2kPa, 그래서 내압은 조금 더 높을 수 있습니다. 즉, 88? 자세한 내용은 표 2 를 참조하십시오. 역학 시스템을 이용하여 파도, 조수, 시냇물, 폭포 제조, 계절적 요구 사항에 따라 바람, 비, 습도 조절, 염분 구배와 양분 순환 속도 제어, 바닷물 담수화 등 지구의 자연 환경을 시뮬레이션한다.
둘째, 생태 공동체
생물권 2 호에는 다섯 개의 야생 동물 군락 (열대 우림, 희귀한 초원, 바다, 늪, 사막) 과 두 개의 인공생물 군락 (집약농업지역과 주거 지역) 이 있다. 그들은 각각 미국과 영국의 생물학자와 생태학자가 설계하여 북회귀선과 남회귀선 사이의 생태계를 모델로 한다.
동그라미에는 약 4000 종이 있는데, 그중 약 3000 종 (플랑크톤, 연체동물, 절지동물, 곤충, 어류, 양서류, 파충류, 새, 포유류 등) 이 있다. 식물 (플랑크톤, 이끼, 고사리, 나체식물, 이불식물 등 포함). 약 65400 종의 미생물 (세균, 점균, 곰팡이, 미세조류 등) 과 약 65400 종의 미생물. ).
이 시스템에는 큰 나무 (예: 맹그로브 숲) 와 작은 관목과 풀류 식물이 모두 있어, 엇갈려 아름다울 수 없다. 각 야생 동물 군락의 서식지는 각각 4, 6, 4, 4, 6 개의 서식지로 다르다. 예를 들어 바다에는 해변, 얕은 담수호, 산호초, 바닷물 등 네 가지 유형이 있습니다. 생물군락 사이에는 비교적 독립된 생태대가 있어 그것들을 서로 갈라놓는다. 예를 들면 열대 초원과 사막 사이에 관목이 한 무더기 있다. 각 군락을 환경 강압으로부터 보호하기 위해, 그 주위에 내성이 강한 식물을 심습니다. 예를 들어 열대 우림은 울창한 생강과 식물로 둘러싸여 내부 수종을 강한 측광으로부터 보호하고, 바다와의 인터페이스에 대나무를 심어 소금의 침투에 저항합니다.
가능한 한 자연환경에 접근하기 위해, 원 안의 토양, 잔디, 해수, 담수는 모두 외부의 다른 지리적 지역에서 채취되어 일정한 인공 처리를 거쳐 재사용된다. 예를 들어, 실험에 사용된 바닷물은 바닷물과 담수가 적당한 비율로 혼합되어 만들어진 것이다.
생물권 2 호 식물 선택 기준은 주로 동물 소비자의 생명 지원, 분류 다양성, 물리적 매개 변수, 식물의 가용성 및 미적 가치를 고려한다. 다윈의 자연 선택 과정에 적응하기 위해 식물 종의 수는 시스템이 처음에 지원할 수 있는 수를 초과하여 종의 손실이나 멸종을 보완하고 결국 시스템의 지속적인 안정을 촉진할 수 있다.
셋. 연구 범위 및 주요 성과
최초의 8 명의 과학자들은 각자의 연구 범위에 따라 폐쇄된 인공생태 환경에서 2 1 개월 동안 광범위하고 섬세하며 심도 있는 관찰, 기록 및 분석을 진행했다. 연구 프로젝트에는 생지 화학, 토양, 물, 해양, 글로벌 바이오 매스, 농업, 유전학, 생리학, 영양, 의학, 심리학, 기술 및 공학이 포함됩니다. 이 기사에서는 몇 가지 중요한 연구 결과 만 다음과 같이 요약합니다.
1? 대기 역학 및 대기 누출
지구 생물권의 거대한 저장 기능이 부족하고 생물과 무기물의 비율이 크게 증가했기 때문에, 작은 폐쇄된 생태계에서는 생지구 화학 순환률이 현저히 증가하였다. 생물권 2 호 같은 큰 장치에서도 대기 중의 이산화탄소는? 2 의 평균 체류 시간은 1 ~ 4 일, 지구생물권에서는 약 3 년이다.
생물권 2 호 중 농도가 1500ppm 인 대기코? 2 (지구 대기 CO 정보? 2) 의 4 배 농도로 100kg 탄소에 해당한다. 이 수는 100: 1 및 5000: 1 으로 동그라미 생물량과 토양 중 유기탄소에 비해 크게 줄었고, 지구에서는 각각/Kloc-로 나타났다.
생물권 2 호의 일산화탄소? 2 의 변동 범위는 700 ~ 800 ppm/d 로, 일반적으로 500 ~ 600 ppm/d 이며, 때로는 더 낮기도 합니다. 이는 계절, 일순환 및 날씨 변화로 인한 광합성작용과 호흡작용의 동적 변동과 직접적인 관련이 있습니다. 광도 (광조합광속, PPF) 가 1 년 중 가장 낮은 값에 도달했을 때 (16? 8mol m-2? D- 1? ), 공동? 2 의 평균 농도는 2466ppm 이고, PPF 가 최고치 (53? 7mol m-2? D-1? ), 공동? 2 의 농도는 1 년 중 최저 1060ppm 에 달했다.
첫 겨울 약한 빛 아래 이 시스템의 높은 CO 를 완충하기 위해서요? 2 농도 수준, co 세트 사용? 2 순환 시스템은 먼저 화학 반응을 통해 CaCO 를 형성합니까? 필요한 경우 일산화탄소를 방출하기 위해 후자를 950°C 로 가열합니까? 대기권에 진입하다. 4 개월 [DK 10]? 약 53880mol (9450ppm 에 해당)? 공동? 2 이 구체화 시스템을 자주 사용하여 CaCO 를 사용합니까? 3 의 형식으로. 이번 강수는 대기의 약 1% 를 간접적으로 설명할 수 있습니까? 2 (유기 탄소 산화 및 후속 CaCO 를 통해? 3 분리). 반면 199 1 년 65438+2 월 10% 를 증가시켜 대기 누출을 보정하는 데 큰 영향을 주지 않습니다. CO? 2 의 농도가 일시적으로 200ppm 떨어진 것은 일정상변화의 1/3 입니다.
공동? 2 농도의 증가는 해수 산도의 증가로 이어질 수 있다. 이런 현상을 피하기 위해 바닷물에 탄산나트륨과 탄산수소나트륨을 단계적으로 넣어 pH 값을 7 로 유지합니까? 7 개 이상.
표 3. 생물권 2 호 1 년 농업 총생산량 (킬로그램) 채소? 콩 8? 사탕무 잎 273? 사탕무뿌리 308 이요? 고추 13? 당근 88? 후추 63? 배추 83 오이 17? 가지 155? 케일 1 1? 상추 90? 양파 107? Bok choy 12? 스노우 콩 1? 호박 씨앗 8? 애호박 287? 스위스 프랑 58? 고구마 잎 64? 토마토 288? 동과 26 1 쌀알 196? 수수 13 1? 밀 1 13 전분 채소 고구마 198? 고구마 1335? 말랑가 84? 고구마 20 고지방 콩? 땅콩 24? 콩 14 저지방 콩 잠두 63? 완두콩 15 과일 사과 1? 바나나 1024? 그림 39? 구아바 4 1? 금귤 4? 레몬 10? 라임 4? 감귤 6? 파파야 639 축산물? 염소 우유 407? 염소 양고기 8? 돼지고기 35? 물고기 10? 쿠키영상 6? 닭 8? 합계 6630
산소 역학은 이해하기 어렵다. 199 1 년 9 월부터 1992 년 6 월까지 생물권 2 호의 산소 농도는 20? 5 1% 가 16 으로 떨어졌습니까? 95% 에서 1993 65438+ 10 월 중순까지 14? 5% 입니다. 의사의 지시에 따르면 6 월 1992 이후 몇 주 연속 순산소를 동그라미에 주입해 농도를 19% 로 회복했다. 오? 농도 감소는 주로 봉쇄 후 처음 4 개월 동안 발생했는데, 이때 18%, 1992 의 4 월 이후, O? 2 농도 0? 25% 의 선형 수준이 떨어졌습니다. 오? 농도가 떨어지는 진짜 원인은 아직 분명하지 않다. 여러 가지 방법으로 산소역학에 대한 연구가 계속되고 있다. 연구권 내 산소 동위원소의 분포를 포함한다.
생물권 2 호는 매우 밀폐되어 있다. 누출률과 압력의 관계에 따르면 연간 누출률은 6%, 미량가스 (SF6) 가 점차 희석되는 측정 결과 연간 누출률이 10% 를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 처음 4 개월 (19 9 1 9 월 ~12 월) 대기 누출량은 약 10%,/kloc- 케네디 우주센터에서 제조한 바이오매스 생산실과 같은 다른 폐쇄된 인공생태계의 일일 누출률은 1%- 10% 사이입니다.
2? 식품 생산 및 폐기물 처리
생물권 2 호의 농업 시스템은 세 가지 주요 요구 사항, 즉 무공해, 집약, 지속 가능성을 충족시켜야 한다. 우주생물권 벤처투자회사와 농업 분야의 주요 고문인 애리조나 대학 환경연구연구소는 수경과 안개를 처음 시험한 끝에 여러 가지 이유로 토양농학으로 전향해야 했다. 한 가지 이유는 수경이 화학 영양액의 입력에 의존해야 하기 때문에 우주에서 해결하기 어렵다는 것이다. 또 다른 이유는 퇴비를 만들거나 식물/미생물 시스템 재생 폐수를 이용할 능력이 없다면 동물과 인간 폐기물, 작물의 먹을 수 없는 바이오매스의 재활용을 촉진하는 문제를 해결하기가 더 어렵다는 것이다. 또한 퇴비나 늪폐수 처리 시스템은 습식 산화나 소각 등 물리적 시스템보다 에너지 효율이 높다.
집약 농가 * * 150 종 50 종, 1 라운드당 30 종 정도 재배하는데, 주로 식량 채소 과일 동물 어류 (논밭 재배) 가 있다. 동물 사료에는 표 3 과 그림 2 에 나와 있는 바와 같이 알팔파, 코끼리 풀, 호리병박, 각종 작물 (먹을 수 없는 바이오매스 이용) 이 포함된다.
그림 2 생물권 2 호 집중 농업 지역 일부 작물의 2 "성장
봉후 건립된 농업체계는 평균 8 명 80% 의 영양수요 (곡물, 콩, 채소 포함) 를 제공하지만 봉전 재배한 음식은 봉후 몇 달 전에 먹어야 한다 (나머지 20% 영양수요). 원 안의 자외선 복사가 부족하기 때문에 비타민 B 12 를 보충해야 한다. 비타민 D 를 가지고 있습니다. 고기는 매우 적고, 한 사람당 일주일에 계란 한 개씩. 처음 10 개월 음식의 평균 열량은 2000Cal/d( 1Cal = 4? 18J) 나중에 2200 카드/일로 늘어나 식사 전에 음식을 부르고 기록했습니다.
농업지역은 농약을 사용하지 않고 익충과 분무기 (예: 비물, 유황, 포자균) 를 이용하여 병충해 발생을 통제한다. 폐기물 재활용은 동물 폐기물과 식물을 식용할 수 없는 바이오매스 퇴비를 이용해 수생식물 짠수호 시스템을 이용해' 상주인' 폐수를 처리하는 것이다. 토양층 반응기를 사용하여 미량 기체의 축적을 줄이고 대기수 응축 시스템을 이용하여 식수를 공급한다.
3? 종 개체군의 동적 변화
야생지역의 식물은 생장이 왕성하여 지난 9 개월 동안 생물량이 60 ~ 75% 증가했다. 열대 우림에서 캐노피는 크고 촘촘하며 그늘까지 드리워 작은 식물, 특히 육질 식물의 성장을 억제한다. 사막의 다년생 초본 식물이 빠르게 자라는 것도 모래 토양이 건조 조건 하에서 다년생 초본 식물의 성장에 유리하다는 것을 증명한다.
야생종의 수가 감소하기 시작했는데, 그중 식물은 10% 미만이고, 육지동물과 곤충은 30% 미만이며, 해양종은 약 10% ~ 20% 이다. 식품망이 더 온전하고 수관이 성숙해지면, 종의 유실 수가 느려지고, 많은 동식물이 그 기간 동안 다양한 수준의 번식을 하게 된다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 음식명언) 생태계 설립 이래 인간은 잡초와 해충의 발생을 통제하고 생물 다양성을 유지하는 주요 포식자였다. 인간의 직접적인 개입이 없다면 생물권 2 호가 처음 운행하는 동안 생물다양성이 떨어질 수밖에 없을까? 내려놓다. 4? 생리학, 영양 및 의학 실험
생물권 2 호에서 생산된 음식은 기본적으로 RDA 의 수요를 충족시킬 수 있지만 이미 얼마 남지 않았다. 밀봉된 이후 주민들은 이미 약 10% ~ 20% 의 무게를 잃었는데, 이는 처음에 새로운 환경에 적응하지 못한 결과이다. 1992 의 4 월 이후 체중이 줄고, 어떤 사람들은 살이 좀 쪘다. 이 저지방, 저칼로리, 영양이 풍부한 식품은 콜레스테롤 (평균 약 195 에서 125 로 감소), 혈압, 백혈구 수, 혈당 함량을 현저히 낮출 수 있다. 이전에 쥐에 대한 실험에도 비슷한 결과가 있어 노화를 늦추고 수명을 연장할 수 있다는 것을 증명했다.
상기 환원 후 산소 농도는 O 와 동등한가? 2 분압, 적혈구의 수와 형태, 생리 생화학 지표와 호흡 빈도를 지속적으로 모니터링함으로써 낮은 O 를 알 수 있습니까? 2 농도가 건강에 미치는 악영향. 한 번? 2 의 농도가 계속 낮아지면 o 에 적응할 가능성이 있습니까? 2 분압. 또 원 안의 사람과 동물 사이에는 전염성 질병이 없다.
넷. 끝말
화성 토양과 달 표토가 일정한 생물과 화학처리를 거친 후 잠재적 식물 재배 기질로 사용될 수 있다는 증거가 많아 생물재생생명보장시스템이 우주거주에 사용되는 것이 지구자원을 필요로 하는 장치보다 훨씬 경제적이라는 증거가 많다. 그러나 지금까지 생물 재생 생명 보장 시스템의 토기 기술 실험은 아직 매우 적다. 생물권 2 호는 최초의 토양 기반 생물 재생 생명 지원 시스템이다. 따라서 실행 성능에 대한 데이터는 공간에서 사용되는 유사한 시스템에 유용합니다.
규모, 기술적 난이도, 복잡성, 그리고 성취한 성과로 볼 때 생물권 2 호는 인류 과학사의 걸작으로, 세계의 보편적인 관심과 찬사를 받았다. 그러나 최근에는 일부 대중의 엄중한 비판을 받았다.
대중 화살의 주된 원인은 주관적이고 객관적인 원인이다. (1) 상업투자로 우체국을 방문하는 관광객이 끊이지 않아 과학적 진지함이 부족하다는 인상을 준다. (2) 심각한 장마 날씨와 병충해에 부딪쳐 초채가 원활하지 못하고 대기가 누출되었다. (3) 사람들은 자신의 과학 실험에 대해 많이 알지 못한다. (4) 이론 및 실제 경험의 부족; (5) 관리 부실로 할 수 없는 일을 하게 되었다.
생물권 2 호는 100 년의 설계 수명에 비해 요람 시대일 뿐 이런 문제와 이의가 발생하는 것도 합리적이다. 우리가 끊임없이 경험을 총화하고, 교훈을 얻고, 부지런히 실천하고, 용감하게 탐구하면, 반드시 풍성한 성과를 거둘 것이다. 우주에 가는 것은 인간 생존의 피할 수 없는 문제로 볼 수 있다. 그곳에 주거 지역을 세우기 위해서는 생태생명 지원 시스템을 개발하고, 미래 우주비행사들에게 다양한 영양식품, 산소, 물, 이산화탄소를 제공할 수 있는 쾌적한 지구와 같은 작은 환경을 만들어야 한다. 2, 폐수 및 폐기물 회수는 효과적인 자원화 및 재활용을 수행합니다. 생물권 2 호는 마침 이런 기술을 가르칠 수 있다. 또한 (1) 생태계가 성숙해가는 결과를 이해함으로써 (2) 다양한 응력 환경에서 부품의 안정성; (3) 유전 집단의 연속성; (4) 생지구화학순환은 악화된 지구 생태계를 위한 출구를 찾을 것으로 예상된다.
--
| 이전 문장 | 다음 문장 | 현재 내용
--
판권 소유, 1996. 다섯；오；5
항공 우주 정보 연구소