Новый подход к перспективам освоения космического пространства

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 4(6) 2015/16

Доктор Барбара Имхоф (Dr Barbara Imhof), разработчик космических архитектурных решений, одна из основателей и управляющий директор компании LIQUIFER Systems Group, член совета Европейской ассоциации «Женщины в Космосе» (WIA-Е)

Он также образует циклическую связь между творческими и космическими исследованиями, практическими применениями и наземными реализациями. В этой статье данный подход показан на примере тематических исследований, проводимых в рамках космических научно-исследовательских проектов программы FP ЕС 7*; внутренняя творческая и научно-исследовательская деятельность финансируются Австрийским научным фондом.

Концепция единства всех наук [1,2] ознаменовала начало революции в поисках истины. В наши дни она находит своё подтверждение на стыке таких областей, как биология и технология (биотехнология), или машиностроение и электроника (мехатроника).

В дополнение к научно-гуманитарным областям исследований предметом изысканий становится художественный анализ, который получил своё собственное право на применение схожей методики; всё начинается с той же операционной системы для написания предложений: разработки Предмета Исследования и описания методов подхода к готовой проблеме. Художественные изыскания представляют собой спровоцированное открытиями извлечение знаний, схожую с поиском ответов на вопросы: «что», «почему» и «когда» в отношении нашей Вселенной, где актуальные вопросы и методы раскрываются лишь поэтапно. Этот вид художественных изысканий выходит за пределы других дисциплин и ранее неизведанных границ, что приводит в открытию новых направлений и перспектив. И искусство, и наука приводятся в движение желанием фундаментального понимания (или истины) и жаждой новых продуктов.

В художественном исследовательском проекте «Растём, словно дом» вышеозначенный подход используется в двух направлениях: научные методы были интегрированы в исследования в сфере искусства, а для биомиметического характера проекта потребовалось участие многопрофильной команды, включающей биологов, архитекторов, художников и экспертов из области мехатроники, робототехники и физических наук. Их совместная работа стала предпосылкой, чтобы вплотную приблизиться к «единству наук» и расширить проект во всех упомянутых областях.

Многопрофильная команда собралась, чтобы вместе понять принцип роста в природе и способ его применения в архитектуре, чтобы сделать первые шаги в технологии самостоятельно растущих зданий. В основу проекта легли наблюдения за природными механизмами и нашими попытками воплотить их в области человеком же созданных реалий – архитектуре.

Технология развёртывания функций качества (QFD) и практическая экспериментальная установка Biolab использовались, чтобы дополнить художественные методы. Процесс развёртывания функций качества (QFD) применим для привязки оригинальной идеи к результатам посредством набора матриц; он был создан в Японии и часто используется в промышленных разработках продукта. Мы перевели качественные отношения в количественное выражение и в рамках проекта «Растём, словно дом» установили взаимосвязь между архитектурной концепцией самостоятельно растущего дома, принципом роста и биологическими ролевыми образцами. Мы провели первую серию экспериментов на биологических ролевых образцах, выбранных посредством QFD, которые затем направили на биологическую экспертизу в BioLab.

Слияние науки и искусства

Проект «Растём, словно дом» (GrAB) рассматривает четыре основные темы. Во-первых, принцип роста в целом, особенно диагностический рост: проведение экспериментов со слизевиком, одноклеточным организмом, который помог оптимизировать последовательность событий. Слизевик стал одним из «членов» команды в проектировании соединений для показательной структуры семи платформ, которые необходимо соединить. Во-вторых, материальные системы, которые были сосредоточены на мицелии в качестве фрагментированной материи, и на том, как он будет развиваться в выращенный строительный материал путём добавки вторичного материала на основе целлюлозы. В-третьих, проект – о системах обмена. В-четвёртых, основная проблематика предусматривала использование двух новых мобильных 3D-принтеров в качестве перехода биологии в технологию.

Последние две темы взаимосвязаны. Метаболические системы включали биореакторы и биологический материал в качестве материала 3D-принтера на основе карбоната кальция, кислоты и этанола. СО₂ получали во время смешивания этого биопечатного материала, впоследствии его подхватывала метаболическая система биореактора водорослей, которая преобразует СО₂ в O₂ и генерирует биомассу в качестве энергетической основы.

Европейская система жизнеобеспечения MELISSA и концепция моделирования среды обитания в космическом пространстве Medusa разработаны на принципе замкнутого контура подобной метаболической системы, где водоросли производят кислород, и энергия интегрируется. Концепция системы MELISSA представляет из себя систему, работающую по замкнутому циклу, и была задумана как Структура, состоящая из пяти взаимосвязанных биологических отсеков, каждый из которых выполняет иную биохимическую функцию, которая делает возможным обмен газами и жидкостями.

Живая архитектура системы жизнеобеспечения  

В продолжение обсуждения системы, работающей по замкнутому циклу, отражающей основу биосферы, в которой мы живём, проект Medusa пошёл дальше в плане интеграции живых систем в архитектуру; в настоящее время таким образом зарождается новая область архитектуры. Проект Medusa также подразумевал участие многопрофильной команды, включающей архитекторов, инженеров, художников и учёных. Состав команды отражает комплексный подход, включающий системы жизнеобеспечения в сочетании с фактором человеческого участия.

Жизнеобеспечение, строго говоря, состоит из управления продуктами для поддержания жизни космонавта в экстремальных условиях космического пространства. Тем не менее в концепции Medusa этот аспект представлен в более широком смысле: функционирование системы жизнеобеспечения не только направлено на обработку необходимых для жизни продуктов (воздух, пища, вода и отходы), но также вносит свой вклад в обеспечение атмосферы психологического благополучия астронавтов в их лунном доме. Система жизнеобеспечения Medusa является неотъемлемой частью надувной воздухоопорной среды обитания. Внешняя оболочка жилых помещений будет состоять из клеток, которые не только защищают обитателей в экстремальных условиях космического пространства, но и создадут комфортную атмосферу внутри жилого помещения.

Клетки заполняются водой для поддержания структуры. Большинство клеток также будет служить для защиты космонавтов от ионизирующей радиации. Заполненные водой клетки можно использовать и в качестве наружных окон, тем самым увеличив обозреваемое жизненное пространство и наполнив его дополнительным голубым светом.

Другие клетки будут состоять из биореакторов, наполненных водорослями, которые помогут перерабатывать диоксид углерода в кислород и дополнять продукты питания. У этих клеток будет освещение (солнце или искусственный свет, интегрированный в клетку), и таким образом в жилище космонавтов появится эффект зелёной природной окружающей среды. С целью обслуживания или уборки клетки можно менять. Концепция водяной стены, разработанная космическими архитекторами Марком Коэном, Рене Маттосьян и инженером Майклом Флинном (НАСА Эймс), делает новый шаг на пути создания более функциональной системы жизнеобеспечения типа Medusa и для получения более подробной информации. В конфигурации водяных стен используется природная концепция пассивной системы: химически пассивной и чрезвычайного избыточной. Это решение отличается от решений большинства космических агентств по использованию электромеханических систем, которые, как правило, зависимы от отказов в работе. Если человечество склонно к риску оставаться на внеземных поверхностях в течение длительных периодов времени, нам понадобится чётко функционирующая замкнутая система жизнеобеспечения, аналогичная системе нашего космического корабля Земля.

Мобильный 3D-принтер, использующий в качестве основного материала карбонат кальция (слева) и биореактор на морских водорослях (справа)

Параметры космического полёта

Все структуры космических аппаратов и космических жилищ, таких как Медуза, ориентированы на то, что мы называем параметрами космического полёта: самодостаточность, ограниченные ресурсы, минимальное пространство, системы жизнеобеспечения и использование местных ресурсов. Эти параметры касаются не только космического пространства; они могут также использоваться в наземных применениях и на нашем космическом корабле Земля, так как они представляют собой один шаг к ситуации, с которой нам, возможно, скоро придётся столкнуться и жить постоянно: изменение климата и ограниченная доступность природных ресурсов.

Экспериментальный спальный отсек для космического и земного применений

В конструкции обитаемого отсека самостоятельного развёртывания для работы в экстремальных условиях (SHEE) учтены все параметры космического полёта, она представляет собой пример моделирования среды обитания в предстоящем космическом полёте на поверхность Луны и, к примеру, для использования на научно-исследовательской станции в Антарктиде, так как она в состоянии выдерживать температуру от -50 градусов до + 50 градусов. Экспериментальный обитаемый отсек самостоятельного развёртывания (SHEE) является прекрасным образцом для наземного моделирования космических полётов человека на Марс и на Луну. Самодостаточная структура в состоянии обеспечить проживание экипажа из двух человек в течение двух недель, которую можно перемещать по суше, морю или воздуху на поверхности Земли и за пределами нашей планеты.

SHEE, таким образом, является первым европейским симулятором среды обитания в космическом пространстве и первым, который в состоянии разворачиваться через череду шести выдвижных отсеков, называемых «лепестками». Конструкция легко транспортируется по суше, морю и воздуху, две единицы SHEE могут быть установлены на тяжёлой ракете-носителе для подъёма в сложенном состоянии. Поскольку конструкция предназначена для развёртывания, внутренняя часть должна быть трансформируемой и реконфигурируемой таким образом, чтобы минимальное пространство, размером примерно 28 квадратных метров, можно было использовать для различных предназначений. Каждый член экипажа имеет свои собственные жилые отсеки, внутренние помещения и оборудование предназначены для различных режимов использования и видов деятельности и включают в том числе: рабочую зону, камбуз, санитарный отсек и небольшую мастерскую для технического обслуживания и ремонта оборудования.

Встроенная конструкция проекта SHEE предусматривает все параметры космического полёта при минимальном пространстве, самодостаточности и с ограниченными ресурсами. Концепция LavaHive делает ещё один шаг вперёд в отношении использования местных ресурсов и их переработки непосредственно на поверхности Марса для возведения жилья.

Окна аквариума и клетки биореактора внутри системы MEDUSA

Здание из солнца и песка

LavaHive является модульной 3D-печатной конструкцией среды обитания на Марсе с использованием новой строительной технологии под названием «лава-кастинг» – отливка лавы. Жилище изготавливается из реголита – материала, в большом количестве обнаруженного на Марсе, с использованием богатого энергоресурсами солнца, необходимого для возведения жилья.

Такой процесс известен как «использование ресурсов на месте» и может позволить перейти человечеству на следующий этап освоения космического пространства, фактически устраняя ограничения, накладываемые на имеющиеся в нашем распоряжении строительные технологии, когда все необходимые материалы для постройки среды обитания нужно везти с Земли.

LavaHive представляет собой линейную конфигурацию, допускающую дальнейшее расширение, чтобы впоследствии включить дополнительные необходимые элементы. Структура состоит из основного жилого блока, шлюзового модуля, ремонтной мастерской, стыковочного узла, лаборатории и теплицы.

Основной жилой блок состоит из надувной конструкции, защищённой задней оболочкой системы EDL (капсула входа в космическое пространство, снижения и посадки) и основы из спечённого марсианского грунта. Компоненты космического корабля найдут своё повторное применение для различных целей; повторное использование включает другой параметр космического полёта – переработку. Таким образом, воспринимаем «отходы» в качестве ресурса.

Научное единение и «эффект обзора»

Как и конструкция SHEE, проект LavaHive был разработан многопрофильной командой с опытом работы в области машиностроения, материаловедения, астрофизики и космической архитектуры. Её многопрофильный характер поддерживает первоначальное требование к единству наук, выдвигаемое Декартом. Сочетание извлечения знаний, спровоцированного открытиями, с научными методами соответствуют потребностям фундаментального понимания, что также характерно для естественнонаучных дисциплин. Кроме того, художественные идеи, как правило, являются отражением предмета исследования с некоторой долей эффекта обзора, который помогает профильным учёным установить связь с другими областями. Этот эффект обзора также можно наблюдать у космонавтов, когда они видят Землю во всей её полноте и единении как целостной системы из иллюминаторов своего космического корабля.

Кроме того, нельзя проводить какую бы то ни было аналогию между наземной средой обитания и космическим пространством, учитывая, что мы уже в космосе вращаемся вокруг Солнца на нашем космическом корабле Земля. Бакминстер Фуллер предоставил нам оперативное руководство для нашего «корабля», которое в равной степени актуально для нас и сегодня, как это было 40 лет назад, и сводится к заботливому обращению с нашей планетой. Будучи астронавтами космического корабля Земля, наш долг – заботиться о нашем космическом корабле, подобно экипажу Международной космической станции (МКС), проводящему большое количество времени на своей космической станции. Они должны ежедневно поддерживать МКС в рабочем состоянии, чтобы она могла поддерживать их жизнь.

Город как космический корабль

По существующим прогнозам, для трёх четвертей мирового населения, проживающего в городах, к 2050 году проект «Город как космический корабль (CAAS)» станет весьма актуальным и предложит комплексный подход к решению современных проблем, которые параметры космического полёта проецируют на города.

Проект CAAS уделяет внимание вопросам космической экологии, таким как регенерация воды, воздуха, проживание в составе мультикультурных городских «экипажей» с использованием энергии из возобновляемых ресурсов. Одним из примеров является IP-Star (голландская компания), которая взяла систему регенерации воды из проекта MELISSA и на её основе создала земное приложение для очистки воды для крупных гостиничных структур. Так же, как регенерация воды, в крупных городах важное значение имеет и активизация воздуха на основе ответственного подхода к использованию ресурсов, что ставит задачу для регенеративного дизайна: целостной экономической, промышленной и социальной структуры, стремящейся к созданию систем, которые функционируют не только эффективно, но, по существу, и безотходно.

Города являются крупными потребителями энергии, поэтому необходимо использовать альтернативные источники получения энергии: с помощью ветра, солнца или других возобновляемых источников энергии. МКС, например, получает питание исключительно за счёт солнечной энергии. Астронавты в мультикультурной среде МКС и её различные партнёры, такие как США, Россия, Япония и культурное многообразие Европы, сталкиваются с теми же проблемами, что и другое многонациональное население Земли, должны их этому научить.

Выгоды от космических моделей и мышления, в которых используется понятие параметров космического полёта в рамках современной модели города, могут вдохновить нас на формирование образа будущего города и стать примером для подражания и разработки более устойчивых городских систем. Идея проекта «Город как космический корабль (CAAS)» также замыкает цикл проектов, таких как «Растём, словно дом», в которых анализируются метаболические системы, природные технологии и способы ответственного использования ресурсов.

***

1. Декарт, Рене, Рассуждение о методе, 1637

2. Декарт, Рене, Рассуждение о методе, позволяющем направлять свой разум и отыскивать истину в науках. Правило I, перевод Элизабет Энскомб и Питера Томаса Гич, 1954 https://en.wikisource.org/wiki/Rules_for_the_Direction_of_the_Mind; as viewed 2.12.2015

3. Боргдорфф Хенк, Художественный анализ в научной области, 2009 http://www.pol.gu.se/digitalAssets/1322/1322679_artistic-research-within-the-fields-of-science.pdf, as viewed 2.12.2015

4. Исследовательский проект, рассчитанный на 2,5 года, финансируемый Австрийской академией наук, 2013 – 2015, www.growingasbulding.org

5. https://en.wikipedia.org/wiki/Quality_function_deployment

6. Имхоф, Б., Грубер, П., Созданный, чтобы расти – Слияние архитектуры и биологии, Birkhäuser, 2015

7. Партнёрами этого проекта являются компании Comex, Франция, LIQUIFER Systems Group, Австрия and Анджело Вермюлен, Дельфийский технологический университет, Интерактивные системы, Нидерланды

8. В полном составе команда включает Шервина Кормли и Россо Манчинелли

9. SHEE (Автоматически развёртываемый обитаемый отсек для использования в экстремальных условиях окружающей среды), проект, финансируемый в рамках проекта EU-FP 7 и осуществляемый в консорциуме с  Международным космическим университетом, Франция;  компанией LIQUIFER Systems Group GmbH, Австрия;  Space Applications Services N.V., Бельгия; Технологическим институтом, Университетом Тарту, Эстония;  Compagnie Maritime D'Expertises S.A., Франция;  Sobriety s.r.o., Чехия;  Space Innovations, v.o.s., Чехия; more see www.shee.eu

10. Третье место в конкурсе: НАСА, Среда обитания в 3D-формате, 2015 год, Всемирная ярмарка устройств, изготовленных своими руками, Нью Йорк, 26–27 сентября 2015; Консорциум: Европейское космическое агентство (ЕКА) – экипаж космического корабля EAC, компания LIQUIFER Systems Group; more see www.lavahive.com

11. Команда проекта LaveHive: космический корабль EAC ЕКА, компания LIQUIFER Systems Group, 2015, www-lavahive.com

12. Фэарберн С., Моэнту С, Имхоф В., Город как космический корабль (CAAS), IAC-14-E4.2.8, 65-й Международный конгресс астронавтов, Торонто, 2014.