Организация внутреннего пространства ЭкоКосмоДома на планете Земля Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

5РАСЕ\Л№Г

Организация

внутреннего пространства ЭкоКосмоДома на планете Земля

Юницкий А.Э.

Беларусь, г. Минск, доктор философии транспорта,

ООО «Астроинженерные технологии» и ЗАО «Струнные технологии»

Ермачёк Е.В.

Беларусь, г. Минск, ООО «Базовый проект»

Налётов И.В.

Беларусь, г. Минск,

отдел прикладной биотехнологии ООО «Астроинженерные технологии»

Платонова В.А.

Беларусь, г. Минск, архитектурный отдел

управления проектных работ ЗАО «Струнные технологии»

332

УДК 57.022:721.01

99

Описаны планировочная схема, объёмное решение, моделирование функциональных связей изолированной замкнутой экосистемы ЭкоКосмоДома на планете Земля (ЭКД-Земля). Основой жизнедеятельности данного комплекса является принцип замкнутого круговорота веществ, энергии и информации. Предлагаемое размещение функциональных зон учитывает важные взаимосвязи устанавливаемых трофических цепей, а также соответствует формируемым абиотическим, климатическим и другим требован иям. Представленный планировочный вариант разработан исходя из ранее определённой конструктивной системы, отвечающей необходимым критериям создания замкнутого пространства ЭКД-Земля. Особенности полученного функционального зонирования -универсальность и трансформируемость к любой форме внутреннего пространства замкнутой экосистемы.

Ключевые слова:

антропогенная среда, изолированная экосистема, объёмно-планировочные решения, проектирование, сельское хозяйство, функциональное зонирование, ЭкоКосмоДом на планете Земля (ЭКД-Земля), ЭкоКосмоДом (ЭКД).

ш

шш

шш

Введение

Создание замкнутых экосистем - актуальная тема нынешнего времени. Подобные проекты позволяют проводить исследования, направленные на проектирование автономных объектов, способных изолированно функционировать как на Земле, так и в космическом пространстве. Примером такого комплекса может стать ЭкоКосмоДом на планете Земля (ЭКД-Земля) [1]. Для него необходима разработка проектных идей, которые предусматривают совмещение различных экосистем, требуемых для формирования баланса природной среды. Благодаря новым изысканиям, осуществляемым в построенном ЭКД-Земля, появится возможность использования полученного опыта для сооружений с земными условиями на орбите планеты Земля.

Планировочные решения являются инструментом регулирования целого ряда процессов, оказывающих влияние на взаимодействие живых существ. Грамотное функциональное зонирование пространства и расположение архитектурных объёмов обуславливает размещение инженерных сетей, структуру ландшафта, планировку природных зон и, соответственно, коммуникационные связи между различными группами организмов замкнутой экосистемы в целом. Понимание органичной компоновки планировочных зон с учётом трофических связей образует основу создаваемой модели функционального зонирования, которую впоследствии можно применить к всевозможным формам внутреннего замкнутого пространства на Земле и в космосе.

Цель настоящей работы - изучение организации внутреннего пространства изолированной замкнутой экосистемы для проживания человека. Главная задача - составление планировочной схемы функционального зонирования в соответствии с формируемыми в ЭКД-Земля трофическими связями. В дальнейшем полученная концепция может быть адаптирована к любой форме внутреннего замкнутого пространства.

Примеры создания замкнутых экосистем

Мировой опыт создания изолированных экосистем представлен всего несколькими вариантами. На базе российского Института биофизики (г. Красноярск) была разработана биорегенеративная система жизнеобеспечения человека - «БИОС-3» [2]. Ключевыми факторами планировочного решения данного комплекса являлись компактность, герметичность конструкции, безопасные условия для жизни человека, управление процессами функционирования экспериментальной базы изнутри самим экипажем

при минимальном вмешательстве снаружи. Благодаря этим и другим свойствам из всех разработанных в мире искусственных биологических систем жизнеобеспечения «БИОС-3» позволила в автономном режиме наладить жизнь экипажа (два-три человека) в течение шести месяцев за счёт замыкания цикла по воде и газу почти на 100 %, по пище -более чем на 50 %.

«БИОС-3» состояла всего из двух планировочных зон: жилой (три кабины для экипажа, санитарно-гигиенический модуль, кухня-столовая) и лабораторно-производственной (фитотроны с высшими растениями и водорослевый культиватор), что не могло содействовать комфортному проживанию человека на протяжении длительного времени (в отличие от планируемых условий в ЭКД-Земля). Проект не включал большого количества естественных природных процессов, жителям предоставлялось только самое необходимое для жизни, не предусматривались животноводство и рыбоводство. При этом был осуществлён ряд новых разработок в области растениеводства [3, 4].

Важен опыт американской компании Space Biospheres Ventures, которая в 1984 г. в Аризонской пустыне США начала строительство «Биосферы-2» - замкнутого экспериментального комплекса [5]. «Биосфера-2» - это конструкция из стекла, бетона и стали, занимавшая площадь 1,27 га. Объём сооружения составлял более 200 000 м3. У входной группы была размещена стеклянная пирамида высотой около 24 м, где находилась зона тропического леса. На западной территории «Биосферы-2» площадью 16 га располагались сектора, включающие океан, саванну, болото, пустыню и поля. Внутри комплекса искусственно воссоздали водные и наземные экосистемы биосферы: мини-океан со сложенным из кораллов искусственным рифом, тропический лес (джунгли), саванну, редколесье из колючих растений, пустыню, пресноводное болото, а также солоноводное. Последнее имело извилистое русло, искусственно затопляемое водой и засаженное мангровыми зарослями.

Вход в жилую зону «Биосферы-2» осуществлялся через воздухонепроницаемый вестибюль и техническое помещение, оборудованные сенсорами. Рядом располагался санузел, включённый в систему переработки отходов. Конденсационная аппаратура содержалась на озеленённой крыше жилого модуля. Подземный тоннель связывал тестовый модуль с фильтрационным танкером.

Биологические сообщества экосистемы включали в себя 3800 видов животных, растений и микроорганизмов. Внутри «Биосферы-2» были устроены жилые апартаменты для участников эксперимента и оборудованы сельскохозяйственные площадки, составлявшие целое ранчо, названное Sun Space [6].

Большее количество зон «Биосферы-2» оказались абсолютно не востребованными. Некоторые не имели практического назначения, например пустыня и океан. Подобные пространства нуждались в особом внимании, определённых условиях, а также в технических возможностях. Именно такой комплексный подход важен для соблюдения солевого баланса в океане: соль не обладает свойством абсорбироваться на поверхности и кристаллизоваться на ней, при этом процессе содержание соли в воде будет уменьшаться. От сокращения количества соли в водоёме может произойти мор рыбы и гибель других животных. Для поддержания постоянного солевого состава необходимо дополнительное вмешательство, в частности ионизация веществ и запуск окислительно-восстановительных процессов [3, 7].

Для очистки воздуха в проекте предусматривались тропические сады, а в качестве консерватора углеводородов выступило болото. Весь образуемый углекислый газ поступал в тропическую зону, где в результате фотосинтеза растений выделялся кислород в воздушную среду [7, 8].

Таким образом, представленные экспериментальные примеры замкнутых экосистем служили платформами для исследований, однако они не достигли абсолютной автономности и не смогли создать безопасную

сбалансированную среду для проживания человека на срок более длительный, чем два года. В проектах присутствовало недостаточное количество разноплановых зон или, напротив, некоторые участки требовали специального технического обслуживания, что усложняло бесперебойное функционирование замкнутой экосистемы.

В разработке многопрофильного зонирования ЭКД-Земля используются взаимосочетаемые элементы, упрощающие жизнедеятельность экспериментального комплекса. Кроме того, пространственное расположение зон приближено к естественной для человека визуальной среде. Габаритные размеры ЭКД-Земля подобраны в соответствии с критерием безопасности и возможности длительного пребывания человека в данной замкнутой экосистеме.

Требования

к планировочной организации ЭКД-Земля

При проектировании функционального зонирования изолированной замкнутой экосистемы ЭКД-Земля учитываются как архитектурно-планировочные нормы, так и требования к биологической составляющей проекта.

Климатические и абиотические требования

Для баланса экосистемы в ЭКД-Земля планируется поддерживать субтропический климат как оптимальный для комфортного проживания человека. Зимой температура должна быть не ниже 15 °С, летом - не меньше 20 °С и не выше 27 °С [9]. Дневное освещение в замкнутой биосфере основывается на цветовом спектре приходящих на Землю солнечных лучей.

Важный этап - создание искусственного ветра. Благодаря ему воздух будет равномерно перемешиваться и распространяться по всему ЭКД-Земля. Скорость ветра может варьироваться от 6 км/ч до 23 км/ч. При этом движение

воздушных масс необходимо для опыления растений и укрепления (тренировки) их стеблей и стволов.

Влажность воздуха должна иметь непостоянное значение - от 40 % до 75 %. Лишняя влага удаляется природным влагоуловителем. Полученная вода от осушения воздуха перемещается в резервуар с пресной водой после дополнительной фильтрации. Полив растений осуществляется ежедневно при условии глубокого залегания грунтовой воды. Вместе с тем он будет контролируемым (регламентируются дозы и время дождевания).

Вода в ЭКД-Земля должна проходить двухэтапную очистку. Начальный биологический этап включает в себя очистку первичных органических веществ в воде с помощью водорослей и мелких животных (дафний, бокоплавов, циклопов и др.). Вторая стадия - процесс перегонки воды по фильтрующему ручью, имеющему соответствующую водную экосистему и заполненному природными минералами подобранного химического и фракционного состава. В схеме функционального зонирования следует запланировать достаточную для этого протяжённость ручья.

В целях создания благоприятных условий для роста растений расстояние до низа конструкций в ЭКД-Земля будет не менее 10 м. Глубина почвенных ёмкостей на участке посадки высоких культур - более 9 м, глубина водоёма - 4-10 м.

В замкнутых экосистемах должна предусматриваться возможность территориального разделения зон для размещения представителей флоры, производственного сектора, а также организации мест постоянного пребывания человека [10].

Выращивание продовольственной продукции

Зона производства продуктов питания - компактная территория, предназначенная для получения сельскохозяйственной продукции. Стоит чётко разделить выпуск продовольственной продукции от технической и кормовой. Для выработки грубых кормов целесообразно рассматривать возможность их ротационной заготовки, объём которой предполагает кормление животных в течение одного месяца. Такой подход позволит сократить складские площади, а также избавит от порчи кормов.

Выращивание животных

В изолированной замкнутой экосистеме уместно содержание мелких животных. В сельском хозяйстве лучше всего разводятся кролики, козы, овцы, альпака, перепела, куры, небольшие хищники. У некрупных организмов быстрее протекает метаболизм, что ускоряет процессы питания и движения элементов в закрытой экосистеме.

В водоёмах должны проживать рыбы, ракообразные, моллюски. В ЭКД-Земля сложно производить корм для рыбы. По этой причине лучше создать грамотные трофические связи, обеспечивающие питание водных обитателей, основу которого должны составить подвижные и неподвижные водоросли, особенно диатомовые. Потреблять водоросли будут мелкие ракообразные (пресноводные креветки, дафнии, циклопы, бокоплавы). Эти членистоногие, в свою очередь, станут питательной базой для рыб. Кроме водорослей необходимо культивировать и другие водные растения -они войдут в рацион травоядных рыб. Таким образом, в аква-среде наладится сбалансированное выращивание рыбы и ракообразных, предназначенных для питания человека.

Объекты животноводства должны располагаться вдали от проживания людей, а также культурных центров. Животных следует содержать в подходящих санитарных условиях с регулярным контролем. Всем четвероногим требуется вольер для прогулки, снабжённый сухим гумусом для впитывания остатков их жизнедеятельности (смена гумуса -раз в неделю). В шаговой доступности от места размещения животных будут оборудованы отсеки и бункеры для хранения корма.

Архитектурно-планировочные

и конструктивные требования

Предельно рациональная форма ЭКД-Земля, согласно исследованиям специалистов [11], - фрагмент тора высотой 30 м. Подобная конфигурация объекта представляется наиболее экономически выгодной, также она отличается бионическим дизайном, что делает её эстетически привлекательной (рисунок 1).

Рисунок 1 - Визуализация ЭКД-Земля (вариант) с конструктивным решением в виде фрагмента тора (высота - 30 м) [11]

Продольный разрез

г I I I I I I Iтт

Поперечный разрез

Рисунок 2 - Продольный и поперечный разрезы ЭКД-Земля

Для создания пространства большой площади без дополнительных колонн и других опорных элементов оптимально использование пространственных конструкций (рисунок 2).

Пространственные конструкции позволяют возводить здания с выразительным архитектурным обликом, перекрывая значительные пролёты; дают возможность успешно решать функциональные задачи и получать значительную экономию материала по сравнению с плоскостными конструкциями [12].

Ввиду уникальности объекта важна разработка специальных предписаний к архитектурно-планировочным решениям, связанным с безопасным пребыванием людей, так как в существующем нормативном регламенте отсутствует данный класс сооружений.

Климатические и абиотические требования системы, необходимые компоненты для баланса биосферы, функциональная насыщенность, плановое развитие и экономическая составляющая - основа для определения структуры потенциальных зон ЭКД-Земля. Не менее значимым фактором для грамотного практического распределения секторов является предполагаемая стадийность эксплуатации объекта. На первом этапе функционирования предусматривается его использование в качестве туристического комплекса, где вновь прибывшим будет представлена возможность посещения изолированного пространства ЭКД-Земля в ходе различных программ и экскурсий. Второй этап эксплуатации - изоляция экосистемы для научной и исследовательской работы.

При создании изолированной замкнутой экосистемы следует придерживаться концепции экологичности и безот-ходности производства. ЭКД-Земля спроектирован на максимальное получение биологической продукции и ориентирован на рациональное движение элементов внутри замкнутой системы.

Функциональное зонирование ЭКД-Земля

Общая площадь выбранного варианта ЭКД-Земля составляет 22 564 м2, внутреннее пространство замкнутой экосистемы занимает 20 142 м2, на гостиничный комплекс отводится 2422 м2.

Главным компонентом ЭКД-Земля являются природные зоны, охватывающие 40-50 % общей площади. Подобный процент обусловлен важностью формирования в замкнутой экосистеме природно-климатических условий субтропического типа с воссозданием необходимого круговорота веществ, энергии и информации. За прототип внутреннего пространства ЭКД-Земля принят вариант природно-рекре-ационного парка, в который входят такие зоны, как водная (с пресной и морской водой), водно-термальная, лесопарковая, луговая, сельскохозяйственная, плодово-ягодная, животноводческая, рекреационная, пляж (всё вместе -около 20 142 м2). Взаимосвязь данных территорий строится на принципах природного баланса с учётом туристической привлекательности. Пространство для производства продуктов питания, требуемых для функционирования замкнутой экосистемы, расположено вокруг рекреационного участка, т. е. в районе доступа персонала, и включает в себя плодовый сад, огороды, теплицы, лаборатории, оранжереи, банк саженцев, семян и почвы, контактный зоопарк и др. Значимым аспектом представляется производство экологически чистой продукции с использованием высокоплодородных почв на основе натурального живого биогумуса.

Одной из частей природной зоны выступают водные объекты, занимающие около 3630 м2: пресный водоём, болото, ручей и термальный источник. Различный состав водных сред создаст микроклимат для разведения множества живых организмов, рыб и растений, предоставит всякого рода сценарии отдыха и досуга посетителей, например плавание, рыбалка, оздоровление в термальном источнике.

По периметру автономной биосферы желательно расположить гостиничные номера, которые в последующем могут быть использованы в качестве жилых ячеек для учёных, работающих в замкнутом внутреннем пространстве.

Планировочная схема функционального зонирования ЭКД-Земля представлена на рисунке 3.

Гостиничный комплекс занимает 2422 м2 от общего объёма. Его жилая зона включает около 100 номеров для ту-

ристов, а также номера класса люкс. Общественная часть состоит из зон регистрации и сбора организованных групп, отделения связи, пункта обмена валют, камер хранения багажа, гардероба, ресторана, помещений для собраний и лекций, зрительного зала, магазинов, медицинского пункта и других мест обслуживания, необходимых для комфорта гостей.

Физкультурно-оздоровительная зона содержит спортивные площадки, тропу здоровья, бассейн и БРД-комплекс,

Эвакуационный выход Администрация

Эвакуационный выход

Гостиничные номера

370 м2

Тёмные теплицы / 371 м2 Экспериментариум для детей/

ч. Исследовательский центр

597 м2

:од (через экспериментариум) Кухня ресторана

361 м2

Пасека:

для пикника /

Вестибюль *

г\м" . Гостиничные номера \

Ж VIP

4 м2 136 м2 Лаборатории

373 м2

Гостиничные номера- -

374 м2

Эвакуационный выход

Главный вход

Эвакуационный выход

Рисунок 3 - Вариант планировочной схемы функционального зонирования ЭКД-Земля

что даст людям возможность поддерживать физическую форму во время отдыха.

В ЭКД-Земля в том числе предусмотрены хозяйственная, животноводческая, технологическая, производственная и административная зоны, в которых работает технический персонал, отвечающий за обслуживание замкнутой экосистемы и отеля.

Общая стратегия планирования территории основана на взаимосвязях зон открытого пространства замкнутой экосистемы, что позволит регулировать природный баланс, а также сформирует рекреационный парк с большим разнообразием точек притяжения для посетителей. В то же время замкнутость природной зоны поможет осуществить её полное изолирование для проведения исследовательской деятельности учёных. Район отеля, технические сектора и лаборатории организованы галерейным методом. Такой способ размещения обеспечивает обзор на внутреннее пространство ЭКД-Земля, увеличивает открытость и проницаемость участков, при этом может ограничивать доступ определённых зон к пространству замкнутой экосистемы.

Проект предполагает не только научное изучение изолированной экосистемы, но и стратегию развития ЭКД-Земля в качестве туристического комплекса для формирования экономической самостоятельности объекта. На его базе будет предусмотрен обширный перечень услуг, создающих максимальный комфорт для гостей. Примерами могут служить как классические для туристического центра предложения (различные точки питания; возможности для спокойного отдыха, выполнения оздоровительных

и БРД-процедур; предоставление площадей для выставок, конференций и др.), так и нестандартные решения: экскурсии по замкнутой экосистеме, созданной для космических поселений; климатотерапия в субтропической лесной зоне; посещение тропы здоровья; организованный трекинг для людей, нуждающихся в восстановлении или укреплении опорно-двигательного аппарата; кемпинг и ночёвка в палатке внутри замкнутой экосистемы; проведение образовательных мероприятий, мастер-классов для школьников, студентов и интересующихся взрослых с практической демонстрацией и осуществлением экспериментов в замкнутой экосистеме; занятия в лабораториях; продажа продуктов, выращенных и произведённых под куполом комплекса, и др. На данный момент рассматриваются несколько вариантов туристических маршрутов, предназначенных для спокойного и активного отдыха.

Представленный проект позволит разместить большое количество людей и минимизировать трудозатраты на обслуживание изолированной замкнутой экосистемы.

Выводы

и дальнейшие направления исследования

В результате гармоничного планирования взаимосвязей площадей комплекса закрытая экосистема будет максимально приспособлена к рациональному применению человеком. Сформированная климатическая и биологическая среда станет комфортной для людей и всех проживающих в ней живых существ. Предложенное планировочное решение вместит в себя большое количество разнообразных биологических и антропогенных экосистем. Их сочетание направлено на оптимальное взаимодействие всех действующих элементов создаваемой автономной биосферы. Эксплуатация ЭКД-Земля в качестве исследовательского полигона обеспечит организацию требуемого баланса системы, который в дальнейшем будет взят за основу для построения замкнутой среды ЭкоКосмоДома на орбите,

а затем и кораблей-колоний для путешествий в космическом пространстве.

Описываемый проект может послужить началом прото-типирования замкнутой экосистемы с туристической направленностью в объектах космических поселений, например таких, как туристический цилиндрический ЭкоКосмоДом. Оптимальная инфраструктура обусловит комфортную среду для посетителей с помощью уникального рекреационного парка, водных объектов, кафе. Универсальный комплекс сценариев посещения сделает экскурсионный визит в замкнутую биосферу доступным для разных слоёв населения, при этом повысит экономическую стабильность проекта, что позволит проводить множество научных и исследовательских экспериментов на базе ЭКД-Земля.

Дальнейшие изыскания планируется направить на детальную проработку планировочных решений, подбор сортов растений и пород животных, создание внутри ЭКД-Земля технологий производства необходимых предметов быта (в том числе одежды), формирование системы психологического контроля самочувствия человека, составление сценариев адаптации функционального зонирования к различным формам замкнутых экосистем.

Литература

1. Юницкий, А.Э. ЭкоКосмоДом как пространство для сохранения видового разнообразия тропической и субтропической флоры /А.Э. Юницкий, В.К. Павловский, Д.В. Феофанов // Безракетная индустриализация космоса: проблемыi, идеи, проекты: материалыi II между-нар. науч.-технич. конф, Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юниц-кого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 153-157.

2. Дегерменджи, А.Г. Создание искусственны>/х замкнутых экосистем земного и космического назначения / А.Г. Дегерменджи, А.А. Тихомиров //Вестник Российской академии наук. - 2014. - Т. 84, № 3. - С. 233-240.

3. Вернадский, В. Биосфера и ноосфера: науч. издание [Электронный ресурс]/В. Вернадский. - Режим доступа: https://www.e-reading.life/bookreader.php/1028008/ Vernadskiy_-_Biosfera_i_noosfera.html. - Дата доступа: 02.04.2020.

4. Salisbury, F.B. Bios-3: Siberian Experiments in Bioregenerative Life Support / F.B. Salisbury, J.I. Gitelson,

G. M. Lisovsky // Bioscience. - 1997. - Vol. 47, No. 9. -P 575-585.

5. Poynter, J. The Human Experiment: Two Years and Twenty Minutes Inside Biosphere 2 /J. Poynter. - New York: Thunder's Mouth Press, 2006. - 384 p.

6. Ткаченко, Ю.Л. Из истории создания искусственных экосистем [Электронный ресурс] / Ю.Л. Ткаченко, С. Д. Морозов. - Режим доступа: https://doi.org/10.24158/ fik.2017.6.22. - Дата доступа: 04.03.2020.

7. Семыкин, В.А. Экологическое образование и его социально-психологические аспекты в решении экологических проблем современности / В.А. Семыкин // Ecological Education and Ecological Culture of the Population: Materials of the III Intern. Scient. Conf., Prague, 25-26 Febr. 2015. - Prague: Vêdecko vydavatelské centrum "Sociosféra-CZ", 2015. - P. 51-56.

8. Дегерменджи, А.Г. Искусственная замкнутая экосистема как экспериментальная база функциональной экологии /А.Г. Дегерменджи // Вестник Российской академии наук. - 2014. - Т. 84, № 11. - С. 79-81.

9. Юницкий, А.Э. Системы поддержания оптимальных климатических параметров ЭкоКосмоДома на планете Земля/А.Э. Юницкий, В.Г. Григорьев//Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 185-189.

10. Исмуханов, С.М. Природное земледелие/СМ Исмуханов// Фундаментальная и прикладная наука: состояние и тенденция развития: материалы III междунар. науч.-практ. конф., Петрозаводск, 5 марта 2020 г. - Петрозаводск: Новая наука, 2020. - С. 228-230.

11. Юницкий, А.Э. Обзор возможных конструктивных решений объекта «ЭкоКосмоДом» на планете Земля / А.Э. Юницкий [и др.]//Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 169-177.

12. Пономаренко, А.М. Архитектурные решения общественных зданий с покрытием пространственными конструкциями /А.М. Пономаренко, А.Ю. Жигулина, А.С. Першина // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Архитектура и дизайн: сб. ст. / Самарский гос. архит.-строительный ун-т; под ред. М.И. Бальзанникова, КС. Галицкова, Е.А. Ахмедовой. -Самара: СГАСУ, 2015. - С. 116-121.