مهم ترین نیاز ما

The Most Important Thing We Will Need to
http://gizmodo.com/the-most-important-thing-we-will-need-to-survive-in-spa-1711572517

هیچکدام ما بدون گیاهان تا امروز زنده نبودیم و اگر انسان بخواهد بیش از عمرِ کره زمین زنده بماند لازم است برگ های سبز را همراه خودش ببرد. فضانوردان، کشاورزانِ فضایی خواهند شد.
اول اینکه استدلال روشنی برای پروزش گیاهان در فضا هست: اگرنخواهیم بسته های پروتئینی فشرده شده کافی تا آخر زمان ببریم، نیازمند یک ذخیره ی خود-تجدید پذیر خواهیم بود. امادلیل مهم تری برای بردن حیات گیاهی با خودمان به فضای خالی هم هست و آن تبدیل کشتی فضایی به بوم سازگان (اکوسیستم) است. ما به گیاهان برای ذخیره سازی و چرخه ی بازیافت منابع، کمک به نگهداری یک جَوّ قابل تنفس و ذخیره ی آب آشامیدنی نیازمندیم.
گفتن این موضوع، ساده تر از انجامش است. برای اینکه یک گلخانه ی فضایی بسازیم که سرانجام ما را نکُشد، ابتدا باید درک کنیم گیاهان چگونه زندگی می سازند و چگونه سیاره ی ما را شکل دادند. سپس باید بر برخی چالش های عجیب زندگی در یک محیط بسته فائق شویم.
چگونه زندگی گیاهی کره زمین را قابل زیست کرد
روی کره زمین بسیاری چیزها هست که ما آن را فرض مسلم می دانیم. اکسیژن برای تنفس. آب برای نوشیدن. مواد شیمیایی نامریی در جوّ که زمین را گرم نگاه می دارد، سایر موادی که مانع خورشید برایپختن ما یم شود. زمین یک تیله ی آبی راحت و دنج است، اما زندگی روی این سیاره همیشه مثل یک پیک نیک نبوده است. در واقع، جهانی که خانه می نامیم در بیشتر عمر خود،یک زمین بایر تیره روز بوده که با یک جوّ نازک و خفه(بدون اکسیژن) پوشانده شده و در تماس دائم با تشعشعات فرابنفش، سترون و بی بار بوده است.
{ امروزه جنگل های نظیر آمازون مقادیر بزرگی CO2 و اکسیژه با جو، رد و بدل می کنند.}
این نیاکان گیاهان بودند- سیانو باکتریها(cyanobacteria) از همان دستگاه فتوسنتز استفاده می کنند- که برای نخستین بار شروع به تغییر شکل زمین به چیزی قابل سکونت برای جانورانی مثل ما کردند. از 2/3 تا 2/7 میلیارد سال پیش شروع کردند و تا نزدیک به یک میلیارد سال دیگر طول کشید تا سیانو ها جوّ ما را با اکسیژن، یک محصول فرعی فتوسنتز پُر کردند در حالی که در کربن دی اکسید و نور خورشید غوطه ور بودند تا شکر بسازند. هنگامی که حدود نیم میلیارد سال پیش،گیاهان پیچیده تر روی صحنه آمدند، او مشعل فتوسنتز را بدست گرفتند و بصورتی چشمگیر شروع به شکل دهی جوّ کردند، مقادیر بیشتری از اکسید کربن را کاستند و مقدار حتی بیشتری اکسیژن بیرون ریختند.
سرانجام جوّ بقدر کافی اکسیژن برای جانوران بزرگ و پیچیده با نرخ متابولیسم بالا (نظیر ما) داشت تا بتوانندبتدریج تکامل یابند و در سرتاسر کره زمین پخش شوند.
این تاریخ کهن است و شما ممکن است سوال کنید این چه ربطی به باغ های فضایی دارد. پاسخ این است کاملا مرتبط.
فتوسنتز ، جوّ ما را متعادل نگاه می دارد. این دلیل زندگی ما در جهانی است که اکسیژن کم نمی آورد، جایی که CO2 بازدمِ ما تا حدی جمع نمی شود تا همه خفه شوند.(اقیانوس به پایین کشیدن CO2 کمک می کند و در مدتی بیشتر، پوسته ی زمین نیز چنین می کند.) اینها ممکن است یک نگرانی بزرگ و انتزاعی بنظر بیایند اما باید اطمینان داشت که اگر شما را در یک قوطی فلزی بسته گیر بیاندازیم، دیگر قضیه به این شکل نیست. .
البته، هنوز از اینکه فتوسنتز پایه ی تقریبا هر شبکه غذایی روی سیاره ما را تشکیل می دهد چیزی نگفتیم. اگر تا بحال از سیاره ای که شما را از خفه شدن و گرسنگی کشیدن نجات داده سپاسگزاری نکرده اید حالا می توانید این کار را بکنید.
پس بروشنیف گیاهان مزایایی جدی دارند- بدون آنها ساکنان فضایی ما نیازمند وسایلی مصنوعی برای ذخایر تازه ای برای جوّ خود هستندکه انرژی و منابع گرانبهایی را صرف می کند.اما گیاهان یک شمشیر دو لبه هستند. آنها فضای زیستی را متعادل نگاه می دارند اما در یک فضای بسته تر، گازهایی که رد و بدل می کنند خیلی سریع می تواند از کنترل خارج شود.
یعنی، ما نمی توانیم بسادگی تعدادی بته گوجه فرنگی در بخشِ بار بکاریم و انتظار داشته باشیم که محیط فضاپیمای ما متعادل بماند. محیط های بسته نیاز به رویکردی بسیار علمی دارند، دو تجربه هشدار آمیز در پیش رو داریم.

زیست کره 2 و مریخ اول(Biosphere 2 and Mars One)
شاید جاه طلبانه ترین(یقینا بزرگترین) اکوسیستم انسانی بسته که تا بحال تصور شده زیست کره ی دو بوده، یک سیستم پژوهشی زمینی 3/14 جریب فرنگی (برابر با 12700 مترمربع)که در صحرایی در خارج از توسکان، آریزونا واقع شده است. در اوایل دهه نود توسط شرکت در حال حاضر منحل شده ی سرمایه گذاری زیست کره ی فضایی (Space Biosphere Ventures)ساخته شد، این مجتمع بزرگ گلخانه ای شیشه و فلزی که با «زیستبوم»(Biome)هایی از سرتاسر سیاره پر شده بود بمنظور شبیه سازی برای ساکنان فضا در آینده ساخته شد. بصورت یک سیستم بسته ساخته شد تا هیچ تبادل جوی یا آبی بجز نور خورشید با دنیای خارج نداشته باشد.
{مجتمع زیست کره 2}
آزمون تجربی زندگی در زیست کره دو در سال 1991 شروع شد، هنگامی که هشت مرد و زن خودشان را درون این مجتمع حبس کردند در حالی که هیچ چیز جز ابزارهای ساده نداشتند. برنامه این بود که آنها غذای خودشان را پرورش دهند و تا هر زمان که ممکن باشد آنجا زنده بمانند. این یک شکست کامل آموزشی بود.
در طول دوسالی که این ازمون تجربی زندگی ادامه داشت، در نتیجه کاهش کربن توسط فتوسنتز در ساعات تابش خورشید و آزادسازی منتجه در شب از طریق سوخت و ساز گیاهی، سطحCO2 در محل سکونت هر روز تا ششصد در میلیون بالا می رفت. (غلظت CO2 در جوّ زمین چهارصد در میلیون است.) همچنین CO2بطور فسلی متناسب با میزان دسترسی به نور تغییر می رکد در زمستان تا قله ی غلظت یعنی 4500 در میلیون بالا می رفت و در تابستان هزار در میلیون بود. بیشتر مهره داران و حشرات گرده رسان مردند در حالی که جمعیت مورچه ها و سوسک های گلخانه بطرزی انفجاری افزایش یافت. شکوه صبحگاهی تهدیدی برای خفه کردن سایر گیاهان بود. سامانه های تصفیه مسدود شدند و یک تراکم غیرمنتظره، صحرا را مرطوب کرد.
بدتر اینکه، غلظت اکسیژن در تاسیسات بطور پیوسته کاهش یافت، از یک سطح سالم 20 درصدی در ابتدای کار تا سطح 14.5 درصدی در شانزده ماه – تقریبا برابر با سطح اکسیژن در ارتفاع 13400 فوتی. زمانی که خفگی موقت حین خواب و خستگی مزمن ساکنان نیمه گرسنه ی زیست کره شروع شد، مدیریت گروه تصمیم گرفت که دخالت کند و بطور مصنوعی CO2 سامانه را افزایش داد.
دلیل کاهش اکسیژن در آن زمان مشخص نبود اما مطالعات بعدی نشان که احتمالا مقصر، ارگانیزم های ریز تجزیه کننده در خاک بودند. زمانی که سامانه ی زیست کره را می ساختند،غنی ترین خاک های آلی ممکن را هم افزودند تا به گیاهان بهترین شانس برای بقا را بدهد. اما خاک های غنی پناهگاه مقادیر زیادی از میکروب های مصرف کننده اکسیژن هم بودند. از این موضوع و بسیاری از مشکلات دیگر این آزمون می تواند در طراحی با بینش علمی تر اجتناب کرد.
{ درون محیط اقیانوس زیست کره 2}
و با وجود این، کوشش های انسان های شجاعی که خودشان را درون زیست کره 2 حبس کردند کاملا به هدر نرفت، زیرا ما خیلی از این آزمون آموختیم. شکست زیست کره 2 ، یک تجربه هشدار دهنده بود، فهمیدیم اگر شرایط اولیه سامانه بدقت اندازه گیری و تنظیم نشود یک بوم سازگان (اکوسیستم) به چه سادگی می تواند از کنترل خارج شود(پس از یک دهه از عدم فعالیت، در سال 2007 دانشگاه آریزونا این تاسیسات را بدست گرفت و از آن زمان بصورت یک آزمایشگاه علمی برای جدیدترین فناوری ها تغییر وضعیت داد.
اما زیست کره 2 بسیار بزرگ هم بود و بسیار پیچیده تر از هر چیزی که بتوانیم امیدوار باشیم در اولین یا دومین سکونت گاه فضایی بسازیم. در فضا، احتمالا گیاهان را بدون خاک پرورش خواهیم داد بنابراین نباید نگران خرابکاری ارگانیزم های ریز موجود در خاک باشیم. بطور یقین هم (بزنم بچوب!) نباید با سوسک ها سر و کله بزنیم. بطور یقین هم یک بخش کوچک سیب زمینی و لوبیای سویا خراب نمی شود و مثل این تجربه ی«شبیه سازی کره زمین در یک بطری شیشه ای» نخواهد سوخت؟
خوب، بیش زا حد هم مطمئن نیستیم. برای مثال، پروژهی مریخِ یک را در نظر بگیرید. یکی از مبالغه آمیزترین(و تصادفی ترین) ابتکارهای کوچ نشین سازی فضایی، هنگامی که یک شرکت به جهان اعلام کرد که به سیاره ی سرخ در اواسط دهه 2020 انسان اعزام می کند تا در سالهای باقی عمرشان در حباب های کوچکِ بسط پذیر زندگی کنند، مریخِ یک در سال 2012 یک نام خانوادگی شد. بیشتر از بلندپروازانه بودن زمان بندی مریخِ یک، برنامه ی شرکت برای پرورش صد در صد غذایِ مهاجران توسط خودشان در سایت است. شوربختانه این برنامه تمام ترکیبات عاقبت مصیبت بارِ زیست کره 2 را دارد و به دلایل بطور شگفت آوری مشابه.
{ کوچ نشین مریخِ یک، یک مجموعه از سکونتگاه های بسط پذیر}
مریخِ یک- شاید نگران آنکه سایر گروه ها ایده های بزرگ آن را بدزدند-از اینکه چیز بیشتری از جزییات فنی ماموریت پیشنهادی خود به ما بگوید امتناع کرده است. این سبب شده گروهی از دانشجویان دوره دکترای انیستیتو ی فنی ماساچوست(MIT) تحلیل امکان سنجی خودشان در پاییز گذشته منتشر سازند. با استفاده از اطلاعاتِ در دسترس موجود در وبگاه این شرکت، پژوهشگران محاسبه کردند که منابع لازم برای پایدار نگاه داشتن کوچ نشینان را محاسبه کردند و الگوهایی برای ارزیابی پایداری ساکنان طی زمان درعمل بررسی کردند.
نتیجه خوب نبود. اول اینکه، اینمطالعه نشان داد که فضایِ کشت پیشنهادی درون سکونتگاه های مریخ یک بقدر کافی بزرگ نیست تا نیازهای کالری و غذایی سرنشینان را تامین کند. آن گونه که ماموریت طراحی شده است، احتمالا همه گرسنگی خواهند کشید. اگر از گرسنگی نمیرند، شبیه سازی های مدل نشان می دهد که محصولات طی زمان سطح غیرایمنی از اکسیژن بدست می دهد که سبب می شود جوّ فورا آتش گیرد_باز هم بد). برای بی اثر سازیِ اکسیژنِ اضافی، جوّ رطوبت بیشتری خواهد داشت که سبب می شود جوّ باتلاقی شود زیرا فراتراوش(تعرق)گیاهی، رطوبتِ نسبی را صد در صد افزایش می دهد(بازهم می خوایهد ثبت نام کنید؟ فقط یک چک برای کمک به آنها بفرستید!)
اما پژوهشگران ام ای تی یک قدم جلوتر از این گذاشتند. بسادگی بیشتر نشان دادند که مریخِ یک در موارد بیشتری محکوم به شکست است، آنها این ماموریت را برای زنده نگاه داشتن فضانوردان دوباره طراحی کردند.
ما درباره ی اینکه چه چیزی می تواند بد از آب در بیاید صحبت کردیم. یک کشت فضایی موفق چطوری است؟

چگونه یک بوم سازگانِ (اکوسیستم) بسته می تواند موفق شود
ما شمه ای از اینکه چطور سکونتگاه های فضایی با ورود بوم سازگان می تواند از کنترل خارج شود را فهمیدیم. برای اینکه بوم سازگان بسته بتواند موفق شود ما باید مزیتِ بسته بودن آن را درک و از آن استفاده کنیم. یعنی چیزها را در محفظه های جداگانه بگذاریم و جریان ها و تراوشات بین آنها را کنترل و اندازه گیری کنیم.
برای اینکه کوچ نشینان مریخ غذای خودشان را در محل پرورش دهند، پژوهشگران ام ای تی پشنهاد می کنند که محصولات در اتاق های بسته جداگانه پرورش یابند تا بگونه ای موثر استفاده ی آنها از منابع از منابع کوچ نشینان مجزا شود. یک سامانه ی انتقال اکسیژن، O2 را از اتاقک گیاهی به مخزنِ اختصاصی برای استفاده بعدی تلمبه می کند. CO2 بازدمِ افراد هم به همین ترتیب جمع آوری شده و به واحد محصولات برای تغذیه گیاهان منتقل می شود. در واقع، پردازشگرِ گیاهیِ روباتیک بکار گرفته می شود تا هیچگاه فعل و انفعالی بین افراد با باغ اتفاق نیافتد.
{باغ های تحت کنترل از لحاظ زیست محیطی، نظیر شهر مزرعه ایِ ام ای تی، نمونه ای پیشنهاد می کند که چطور ما باید باغ های فضایی مان را بسازیم.}
تهیه ی چنین طرحی به معنای بکارگیری فناوری های گوناگون متعدد و بروز کردن سریع آنها ست. سامانه های انتقال اکسیژن بطور گسترده ای در زمین استفاده می شود اما نمونه های متناسب با فضای آن هنوز وجود ندارند و سخت افزار می تواند در لحظه ی شلیکِ موشک به فضا به شیوه های عجیبی از کار بیافتد.(در 2011، ناسا گزارشی از فناوری های فرضی برای کمک به چرخه ی بازیافت برای ذخیره ی اکسیژن ISS منتشر ساخت ولی در 2015 فضانوردان هنور به انتقال منظم O2 در مخازن برودتی وابسته هستند). سامانه های انتقال CO2 که در یک موشک استفاده می شوند زئولیت( zeoliteسیلیکات آبدار) نامیده می شوند و هوا را از کربن پاک می کنند از پیش در ماموریت ایستگاه فضایی بین المللی مورد استفاده قرار گرفته اند. در حالی که این سامانه های تصفیه در حال حاضر CO2 را در فضا خالی می کنند، می توانند برای انتقال واستفاده ی مجدد گاز در یک اتاقک پرورش گیاهان تغییر داده شوند.
آب یک موضوع مهمِ دیگر است. گیاهان و انسان ها هر دو نیاز به مقدار زیادی از آن دارند و همانند چیزهای دیگر، به جریان انداختن آب از چاه تحت جاذبه ی زمین بسیار گران است. فضانوردان هم اکنون از شیوه های گوناگونی برای جمع اوری و بازیافت آب در ایستگاه فضایی بین المللی استفاده می کنند: متراکم کردن آن از هوا، بازیابی ادرار، حرارت دادن و تصفیه ی چیزها تا دوباره قابل نوشیدن باشد. فرایندی که واکنش ساباتیر(Sabatier) نامیده می شود که در آن گاز هیدروژن و CO2 با هم ترکیب می شوند تا آب را تشکیل دهند نیز توسط ناسا بکار گرفته شده است.
زیست شناسی به ما حتی بیشتر هم می تواند کمک کند. سامانه های تصفیه زیستی که از گیاهان، قارچ ها و ارگانیزم های ریز استفاده می کنند تا مواد مغذی، فلزات سنگین، باکتری ها و ویروس های اضافی را از آب حذف کنند در همه جا ظاهر شده اند. چنین فناوری هایی هنوز برای زندگی فضایی توسعه نیافته اند. اما در پیش نویسی از نقشه راهِ فناوری که در همین ماه می گذشته منتشر شد، ناسا سامانه های بازتولید زیستی غذایی را بعنوان اولویت تحقیق و توسعه خود اعلام کرده است. امیدواریم که این نشانه ای از تحقیقات آینده باشد در مورد چگونگی یکپارچه شدن باغها در سکونتگاه های فضایی ما باشد تا استعداد بازیافتِ منابعِ آنها به بیشینه ی خود برسد.
البته، حتی اگر ما همه چیزها را هم بازیافت کنیم هنوز باید از دست رفتن مقادیر کوچکی از منابع را بپذیریم. حتی بهترین محفظه ی عایق بندی شده هم کمی نشتی از جوّ خود را دارد و هر بار که ما قفل سدِ هوا را باز کنیم کمی بیشتر نشت خواهد کرد. قطعاتِ سفینه کهنه شده و نیاز به جایگزینی دارد. مقدار ناچیزی از کمبود فلز می تواند سبب سوء تغذیه در افراد شود. جایگزینی منابع در اعماق فضا احتمالا به معنای استخراج فلزات و استروئید های غنی از آب یا روی یک سیاره ، استخراج منابع در محل خواهد بود. ناسا، انیستیتو منابع سیاره ای وفضاهای خارج از منظومه خورشیدی در حال حاضر، این فناوری ها را توسعه می دهند اما فناوری استخراج منابع در فضا هنوز راه زیادی در پیش دارد. .
برای اینکه باغ های فضایی و بیشتر از آن، بوم سازگان فضایی موفق شوند باید با رویکردِ مفهومیِ درست شروع می کنیم. همه چیز را باید اندازه بگیریم.هیچ چیزی را هدر ندهیم. تا حد ممکن بازیافت کنیم. اگر بطور مناسبی چنین کنیم، باغ های ما می توانند مزارع اکسیژن، مراکز بازیافت CO2، مواد مغذی و گیاهانی که فلزات را بازیافت می کنند و سامانه های پالایش آب باشد. اما اگر ما در توجه دقیق به طراحی سکونتگاه غفلت کنیم، زندگی گیاهی می تواند کارِ ما را در آنجا تمام کند.
افراد زیست کره ی 2 خوش شانس بودند که فقط چند اینچ از منبع هوای تازه فاصله داشتند. در میلیون ها مایل دور از زمین، بهتر است فضای زیست محیطی درستی داشته باشیم.