بيئة الفضاء: لماذا تحتاج البشرية إلى تعلم كيفية إنشاء محيط حيوي خارج الأرض؟

وبالعودة إلى النصف الثاني من القرن العشرين، توصل الباحثون الذين يتعاملون مع قضايا بقاء الإنسان على المدى الطويل في الفضاء إلى استنتاج مفاده أن الرحلات الاستكشافية المستقبلية بين الكواكب لن تتطلب محركات وسفنًا جديدة فحسب، بل ستتطلب أيضًا فهمًا جديدًا بشكل أساسي للبيئة البشرية خارج الأرض. تبحث بيئة الفضاء عن إجابة لسؤال مهم: هل من الممكن خلق ظروف مستدامة للحياة حيث لم تكن موجودة من قبل؟ بمناسبة يوم عالم البيئة، الذي يتم الاحتفال به في 5 يونيو، تحدث ألكسندر بيليافسكي، الأستاذ في المعهد رقم 6 للفضاء التابع لمعهد موسكو للطيران والمشارك في مشروع إنشاء نظام دعم الحياة لرواد الفضاء، عن سبب تحول علم البيئة الفضائية إلى أحد العلوم الأساسية للمستقبل وما هي المشاكل التي يجب على البشرية حلها قبل الحديث عن استعمار الكواكب الأخرى. المحيط الحيوي باعتباره النظام الأمثل لدعم الحياة من الطبيعي أن يتمكن الإنسان من التنفس وشرب الماء وزراعة الطعام والعيش في بيئة مستقرة نسبيًا. ومع ذلك، يتم توفير كل هذا من خلال نظام معقد من العلاقات بين الغلاف الجوي والغلاف المائي والتربة والكائنات الحية. أطلق الأكاديمي فلاديمير فيرنادسكي ذات مرة على هذا النظام اسم المحيط الحيوي. لم تكن الأرض دائمًا كما نعرفها اليوم. منذ أكثر من ملياري سنة لم يكن هناك أي أكسجين حر في الغلاف الجوي. كان تراكمها نتيجة لنشاط الكائنات الحية – البكتيريا الزرقاء في المقام الأول، والتي بدأت في استخدام عملية التمثيل الضوئي. في الواقع، لم يتكيفوا مع بيئتهم فحسب، بل قاموا بتغييرها. Cyanobacteria Anabaena spiroides / © وكالة حماية البيئة، epa.gov كما لاحظ ألكسندر بيليافسكي، فإن هذا هو السبب في أنه لا يمكن اختزال قضايا البيئة الفضائية في الحلول التقنية الفردية. خارج الأرض، سيتعين على الإنسان إعادة إنتاج ليس فقط جهازًا واحدًا وليس تقنية واحدة فقط، بل نظامًا كاملاً تم تشكيله عبر التاريخ الجيولوجي لكوكبنا. — عندما يتحدث الناس عن البيئة، يتخيل الكثير من الناس الحفاظ على الطبيعة أو إعادة تدوير النفايات. ولكن بالمعنى العلمي، فإن علم البيئة هو في المقام الأول علم تفاعل الكائنات الحية وموائلها. يقول أستاذ MAI: “لذلك، أصبحت مسألة البيئة واحدة من القضايا الرئيسية للملاحة الفضائية. ولهذا السبب ينظر المتخصصون في علم البيئة الفضائية إلى القواعد المستقبلية خارج كوكب الأرض ليس كمجموعة من الوحدات الفردية، ولكن كأنظمة بيئية اصطناعية يجب أن تكون فيها عمليات التنفس والتغذية وإمدادات المياه ومعالجة النفايات وحماية الإنسان من التأثيرات الخارجية مترابطة. استكشاف الفضاء: أين التالي وكيف؟ تمتلك محطة الفضاء الدولية بالفعل أنظمة قائمة تسمح لها بإعادة تدوير معظم المياه – ما يصل إلى 98% من الموارد المائية للطاقم، فضلاً عن الحفاظ على تكوين الغاز في الغلاف الجوي وتوفير الأكسجين لرواد الفضاء، وهو إنجاز كبير بدا مستحيلاً قبل بضعة عقود فقط. ولكن الوضع مع إنتاج الغذاء أكثر تعقيداً بكثير، على عكس الماء أو الهواء، فإن الأنظمة الغذائية ترتبط حتماً بالكائنات الحية، وبالتالي تتطلب الحفاظ على العمليات البيولوجية “يمكن تنقيته وإعادة تدويره باستخدام تقنيات يمكن التنبؤ بها نسبيًا، ولكن للحصول على الغذاء، من الضروري دعم عمل الكائنات الحية، وإذا كنا نتحدث عن النباتات، فعلينا أن نأخذ في الاعتبار الإضاءة، وتكوين البيئة، ودورة العناصر الغذائية، والتفاعل مع الكائنات الحية الدقيقة والعديد من العوامل الأخرى”. وفقا للعالم، فإنه عند محاولة إنشاء نظام مغلق لإنتاج الغذاء، يصبح الفرق بين التكنولوجيا المنفصلة والمحيط الحيوي الاصطناعي الكامل ملحوظا بشكل خاص. لا تكمن الصعوبة الرئيسية في جعل كل عنصر يعمل بشكل منفصل، بل في دمجها في نظام واحد يمكنه الحفاظ على التوازن على مدار سنوات عديدة. بدأت دراسة مشكلة أنظمة دعم الحياة المغلقة بنشاط في الستينيات. أحد أشهر المشاريع المحلية كان مجمع BIOS، الذي تم تطويره في كراسنويارسك تحت قيادة الأكاديمي جوزيف جيتلزون. الأكثر شهرة كان المجمع التجريبي BIOS-3، الذي تم تشغيله في أوائل السبعينيات. واستكشف العلماء إمكانية عيش الناس لفترات طويلة من الزمن في بيئة مغلقة، حيث يتم توفير جزء من الهواء والغذاء عن طريق النباتات النامية. وفي بعض التجارب، بقي المشاركون داخل المجمع لمدة تصل إلى عدة أشهر. وأشار ألكسندر بيليافسكي إلى أن هذه المشاريع لأول مرة جعلت من الممكن النظر في النباتات ليس فقط كمصدر للغذاء، ولكن كعنصر كامل في نظام دعم الحياة. لقد شاركوا في إنتاج الأكسجين وتبادل الغازات وإمدادات المياه والحفاظ على التوازن البيئي. وفي بعض التجارب، تمكن الباحثون من تحقيق إغلاق شبه كامل لتبادل الغازات بسبب النباتات. في وقتها، كانت هذه نتيجة فريدة من نوعها، والتي أظهرت أن الكائنات الحية لا يمكن أن تعمل كإضافة إلى الأنظمة الهندسية، ولكن كجزء كامل منها. وضعت مثل هذه الدراسات الأساس للأفكار الحديثة حول أنظمة دعم الحياة الحيوية – المجمعات التي تشارك فيها النباتات والكائنات الحية الدقيقة والكائنات الحية الأخرى في إنتاج الأكسجين واستعادة تكوين الهواء وتنقية المياه وتوفير الطعام جزئيًا للطاقم. ويُنظر إلى هذه التقنيات على أنها أحد العناصر الأساسية للبعثات الفضائية طويلة الأمد في المستقبل. وكانت النتائج التي تم الحصول عليها خطوة مهمة في تطوير بيئة الفضاء وأظهرت أن إنشاء بيئة مغلقة أمر ممكن بشكل أساسي. ومع ذلك، في الوقت نفسه، أصبح من الواضح مدى صعوبة ضمان استدامتها على المدى الطويل، حتى لو كان من الممكن إنشاء عمليات فردية – إنتاج الأكسجين، وتنقية المياه أو النباتات المتنامية. يمكن أن تؤدي أدنى التغييرات في أحد عناصره إلى سلسلة من العواقب التي تؤثر على عمل النظام البيئي الاصطناعي بأكمله. المهندس الميكانيكي نيكولاي بوجريف أثناء تحليل التغيرات في تدفقات الهواء في المحطة (BIOS-3) / © A. Belonogov، RIA Novosti درس “Biosphere-2” واصلت التجربة الأمريكية الشهيرة “Biosphere-2” في أريزونا البحث عن أنظمة دعم الحياة المغلقة. في أوائل التسعينيات، تم وضع ثمانية مشاركين في مجمع ضخم مغلق يغطي أكثر من هكتار واحد، ويحتوي على أنظمة بيئية صناعية تتراوح من الغابات المطيرة إلى الأراضي الزراعية. كان المقصود من التجربة أن تكون نموذجًا للمستوطنات المستقبلية خارج كوكب الأرض. ومع ذلك، فقد تبين أن النتائج كانت أكثر غموضا بكثير مما كان متوقعا. بدأت تحدث عمليات داخل المجمع لم يتمكن المطورون من التنبؤ بها بشكل كامل: كان التركيب الكيميائي للغلاف الجوي يتغير، وكان تنوع الأنواع يتناقص، ولم توفر الأراضي الزراعية دائمًا الغذاء الكافي للطاقم. نتيجة لذلك، كان على المشاركين في التجربة أن يعيشوا في ظروف العجز المستمر في السعرات الحرارية والبحث عن طرق للتكيف معها. وقد أثبت هذا المشروع أنه ذو قيمة كبيرة بالنسبة لبيئة الفضاء. وفقا لألكسندر بيليافسكي، كانت تجربة “المحيط الحيوي 2” هي التي أكدت أن صلاحية النظام لا تتحدد من خلال العناصر الفردية، ولكن من خلال الروابط بينها. – إن الخاصية الأكثر أهمية للمحيط الحيوي للأرض هي فائضه. يتم تكرار العديد من العمليات فيه، وفقدان العناصر الفردية لا يؤدي دائما إلى تدمير النظام بأكمله. وهذه القدرة على البقاء صامدة حتى في مواجهة التغيرات البيئية الكبرى هي التي ضمنت إلى حد كبير وجود الحياة لمليارات السنين. يوضح خبير MAI: “من الصعب جدًا إنشاء هامش أمان كهذا في موطن اصطناعي”. من المحيط الحيوي الاصطناعي إلى القمر وما بعده. يمكن أن يصبح القمر أرضًا اختبارية فريدة للتقنيات اللازمة للبعثات المستقبلية طويلة المدى. هنا يمكنك العمل على أنظمة دعم الحياة، وطرق الحصول على الموارد، ونماذج الوجود المستقل للطواقم وغيرها من الحلول التي ستكون ضرورية في المستقبل لإنشاء مستوطنات خارج كوكب الأرض. وللسلامة من الإشعاع أهمية خاصة. على عكس الأرض، فإن القمر خالي عمليًا من غلاف جوي و المجال المغناطيسي، الذي يعمل على كوكبنا كدرع طبيعي من الإشعاع الكوني، لذلك فإن القواعد القمرية المستقبلية ستجعل من الممكن ليس فقط اختبار أنظمة دعم الحياة، ولكن أيضًا البحث عن طرق فعالة لحماية الأشخاص على المدى الطويل من أحد عوامل الخطر الرئيسية في استكشاف الفضاء السحيق، وتظل دراسة تأثير العزلة طويلة المدى على البشر، حتى الموائل المصممة بشكل مثالي، غير قادرة على أداء وظيفتها إذا لم يكن الطاقم مستعدًا لقضاء عدة أشهر في مكان محدود وتحظى الجوانب الفسيولوجية للبعثات الفضائية طويلة المدى بأهمية كبيرة، ومن أشهر المشاريع من هذا النوع تجربة Mars-500، التي نفذها معهد المشاكل الطبية والبيولوجية التابع لأكاديمية العلوم الروسية، وخلال الدراسة، أمضى ستة مشاركين 520 يومًا في مجمع معزول حيث تمت محاكاة ظروف رحلة استكشافية إلى المريخ، ولاحظ العلماء تغيرات في الحالة البدنية للطاقم، وملامح تكيف الجسم مع العزلة طويلة المدى، وأنماط النوم واليقظة، والأداء، وكذلك كيفية القيام بذلك. تتغير العلاقات بين الأشخاص في ظل ظروف المساحة المحدودة ونقص الاتصالات الاجتماعية المعتادة، حيث لا تتطلب المهمة المستقلة طويلة المدى فقط تكنولوجيا موثوقة وإمدادات كافية من الموارد، بل إن العوامل التي لا تقل أهمية هي التوافق النفسي للطاقم، وقدرة الأشخاص على التعامل مع التوتر، والبقاء متحمسين والتفاعل بشكل فعال مع بعضهم البعض على مدار عدة أشهر، وتُعتبر هذه المعرفة جزءًا مهمًا من الأبحاث المتعلقة باستكشاف الفضاء السحيق في المستقبل يقترب تدريجيًا من حل المهمة الرئيسية لبيئة الفضاء – خلق بيئة يمكن للإنسان أن يعيش فيها بعيدًا عن الأرض ليس لأيام وأسابيع، بل لسنوات. © وكالة الفضاء الأوروبية عند الحديث عن الاستيطان المحتمل للبشرية خارج الأرض، غالبًا ما يذكر العلماء كوكب المريخ، على الرغم من درجات الحرارة المنخفضة ومستويات الإشعاع المرتفعة وغياب الغلاف الجوي للتنفس، يعتبر هذا الكوكب هو المرشح الواعد لإنشاء أول مستوطنات خارج كوكب الأرض هناك احتياطيات من الجليد المائي، ودورات نهارية وليلية قريبة من تلك الموجودة على الأرض، وكان للكوكب أنهار وبحيرات وغلاف جوي أكثر سمكًا في الماضي. ومع ذلك، حتى في هذه الحالة، نحن لا نتحدث عن إعادة التوطين بالمعنى المعتاد للكلمة، ولكن عن إنشاء بيئة اصطناعية يجب أن تعوض غياب معظم الظروف التي يوفرها المحيط الحيوي للأرض – اليوم نتحدث كثيرًا عن الرحلات الجوية إلى كواكب أخرى، لكن السؤال الرئيسي ليس كيفية الوصول إلى هناك، ولكن كيف نعيش “هناك، تبحث بيئة الفضاء على وجه التحديد عن إجابة لهذا السؤال. أي نوع بيولوجي إما يتطور أو يختفي. لذلك، فإن استكشاف الفضاء ليس مسألة هيبة، بل هو إحدى المراحل المحتملة في مزيد من تطور الحياة”، يؤكد ألكسندر بيليفسكي.