Научное Обоснование: Сколько Растений Нужно, Чтобы Дышать?

Я работаю над космической историей, в которой астронавт отправляется на Нептун, чтобы подтвердить выводы нашей корпорации CurrentEarth™ относительно нашей Солнечной системы. Место действия — движущийся корабль, похожий на марсианскую базу в «Марсианине», но я наткнулся на что-то вроде бесполезное занятие, ему нужно дышать! Будучи искусным астронавтом, он использует гидропонику не только для получения еды в долгом путешествии, но и для снабжения кислородом. Гениально!

Несколько подробностей:

• У него средний рост (5 футов 11 дюймов, 180 см), вес (195 фунтов, 88 кг) и объем легких (нормальный), мужчина.
• Размер корабля не является проблемой (хотя вес по-прежнему имеет значение), у него достаточно средств от CurrentEarth™.
• Он должен иметь возможность постоянно выполнять напряженную деятельность, не задыхаясь.
• У него есть аварийный запас кислорода, которого хватит на 1 год.
• Его корабль был предварительно насыщен кислородом перед путешествием, поэтому у него нет времени на разгон, пока растения растут.
• Он очень любит свой фикус Вильсона.

Сколько растений понадобится моему космонавту, чтобы дышать во время выполнения тяжелых задач в космосе?

#научно-фантастические #космические корабли #флора

13 квадратных метров

БИОС-3, герметичный подземный комплекс, имитирующий космический корабль, сумел производить кислород для людей с помощью водорослей. Его особенности изложены в статья Солсбери и др.:

• Экипаж до трёх человек
• 315 куб.м жилой площади (14 м на 9 м на 2,5 м)
• 3 фитотрона или культиватора водорослей площадью 63 квадратных метра.
• Первоначально в каждом фитотроне было 20 ламп мощностью 6 кВт, но позже это количество было увеличено.
• Один каталитический нейтрализатор для частичной очистки воздуха; растения сделали все остальное

Некоторые из этих цифр относятся к исходной установке; были внесены изменения для повышения эффективности. Более поздние эксперименты показали, что «высшие растения» могли обеспечить экипаж достаточным количеством еды для выживания; в их число входили свекла, огурцы и картофель. Теоретически, чтобы полностью удовлетворить потребности одного человека в пище и кислороде, вам понадобится 56 квадратных метров растений; Чтобы удовлетворить только полную потребность в кислороде и 35% диетических потребностей, вам понадобится всего 13 квадратных метров.

Гительсон и Лисовский (2008) представили несколько иной обзор, хотя и с теми же цифрами. Вот схема BIOS-3 из их статьи:

Имейте в виду, что после экспериментов с BIOS технология улучшилась; новые эксперименты, такие как Мелисса, может показать большие улучшения. Видеть Нельсон и др. (2009) за дополнительную информацию о других тестах и ​​Йоханссону (2006) за отличное сравнение. На Science2.0.com также есть отличная статья.

Люди и животные используют кислород для метаболизма нашей пищи, а растения производят кислород при производстве пищи. Например, количество кислорода, вырабатываемое растением картофеля для производства одной картофелины, равно количеству кислорода, которое понадобится космонавту для метаболизма этого картофеля. Следовательно, если у астронавта есть растения для производства пищи, и они производят всю пищу, которую он ест, эти растения будут производить достаточно кислорода, чтобы он мог дышать.

Конечно, мы должны предположить закрытую стационарную систему, но необходимо принять во внимание некоторые отклонения от закрытой стационарной системы. Некоторые отклонения могут вызвать избыток или недостаток кислорода:

• Недостаток кислорода: кислород расходуется на другие цели, кроме окисления органических веществ, образующихся на корабле. Например, если что-то в корабле сделано из железа и ржавеет, потребляет кислород, или если космонавт ест пищу с Земли, ему понадобится дополнительный кислород для ее метаболизма.
• Избыток кислорода: если какое-то органическое вещество, произведенное растениями на корабле, хранится, то будет накапливаться эквивалентное количество кислорода - фактически, именно так атмосфера Земли получила такое значительное количество кислорода, которое у нее есть сейчас. Например, все растения производят несъедобные части (древесину, листья, корни...). Если эти части хранить, а не перерабатывать в компост или сжигать, кислород будет накапливаться. Сажать деревья необязательно.

Подводя итог, можно сказать, что космонавту нужны растения только для производства пищи. Они также будут производить его кислород.

в соответствии с:

Этот сайт

зрелое лиственное дерево производит за сезон столько же кислорода, сколько вдыхают 10 человек за год.

Таким образом, одно дерево может производить достаточно кислорода, чтобы дышать 40 человек. (если у вас 4 сезона, как в европейских странах) или дать выдохнуть 20 людям (если у вас только 2 сезона, как в тропических странах).

Однако одно дерево непрактично, потому что, если оно умрет, вам конец.

Лучше всего иметь 3 секции корабля, которые попеременно имитируют день/ночь. (потому что растительность ночью сжигает кислород, а не производит). Чего вы хотите добиться, так это того, чтобы в любой момент времени вы потребляли столько же кислорода, сколько производите. Еще одна необходимость иметь много разных растений разных видов: вы никогда не захотите, чтобы все ваши растения погибли из-за какой-то болезни или климатического воздействия корабля.

Чтобы сохранить кислородный баланс, чтобы растения продолжали расти, а ваш человек не умирал из-за избытка CO2, вы можете просто отрегулировать ночной цикл на несколько минут каждый день, чтобы растения могли сжигать/вырабатывать больше/меньше кислорода.

Вам понадобится примерно 10 квадратных метров на одну секцию. (поверхность, занятая одним деревом, слегка закругленная) По сути, у вас также есть одна резервная секция, которая может быть полезна, если ее грамотно использовать в случае различных чрезвычайных ситуаций (конечно, вывод большей массы на орбиту обходится дорого, но если это путешествие действительно важно, вы должны быть уверены, что пилот не умрет).