ebook img

Manmade closed ecological systems PDF

415 Pages·2003·5.802 MB·English
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Manmade closed ecological systems

Cover Page i Manmade Closed Ecological Systems Page ii Earth Space Institute Book Series  Editor­in­chief: Dr Peter Kleber   Chairman, Earth Space Institute  Section editors: John Greenleaf  NASA Ames Research Center  Moffet Field, USA (Life Sciences)  Wen­Rui Hu   CAS Beijing, China (Chinese Space Science)  Rodolfo Monti  University of Naples, Italy (Fluid Sciences), and  Peter R.Sahm  RWTH Aachen, Germany (Materials Sciences)  The Earth Space Institute Book Series covers different aspects of the future of space. These books aim to show how space has become a new tool in further  developments for the benefit of mankind. In this context, space can now be considered as part of the human experience. Each volume in the series will be devoted to  selected topics in engineering, legal and financial issues, and space­based sciences (extraterrestrial, earth observation, life sciences, materials science) intended for  students, researchers and space professionals. The series will also feature historical and general overviews of interest to the public.   Volume 1  Space Science in China  Edited by Wen­Rui Hu   Volume 2  Der Mensch im Kosmos  Edited by Peter R.Sahm and Gerhard Thiele  Volume 3  Multiple Gravity Assist Interplanetary Trajectories  By Alexei V.Lubunsky, Oleg V.Papkov and Kostantin G.Sukhanov  Volume 4  Large Space Structures Formed by Centrifugal Forces  By V.M.Melnikov and V.A.Koshelev  Volume 5  East Asian Archaeoastronomy: Historical Records of Astronomical Observations of China, Japan and Korea  By Zhentao Xu, Yaotiao Jiang and David W.Pankenier  Volume 6  Space Debris: Hazard Evaluation and Mitigation  Edited by Nickolay N.Smirnov  Volume 7  Physics of Fluids in Microgravity  Edited by Rodolfo Monti  Volume 8  Space Radio Science  By Oleg I.Yakovlev  Volume 9  Manmade Closed Ecological Systems  By I.I.Gitelson, G.M.Lisovsky and R.D.MacElroy Page iii Manmade Closed Ecological Systems  I.I.Gitelson, G.M.Lisovsky  Institute of Biophysics of the Russian  Academy of Science, Krasnoyarsk, Russia  and R.D.MacElroy  NASA Ames Research Center, USA    LONDON AND NEW YORK Page iv In memory of:  Sergey Pavlovich Korolev, the father of Soviet cosmonautics, whose vigorous and timely support of the Bios project made its realization possible in Krasnoyarsk, and  Leonid Vasilyevich Kirensky and Ivan Aleksandrovich Terskov, founders of the Institute of Physics and Institute of Biophysics in Krasnoyarsk.   First published 2003  by Taylor & Francis  11 New Fetter Lane, London EC4P 4EE  Simultaneously published in the USA and Canada  by Taylor & Francis Inc,  29 West 35th Street, New York, NY 10001  Taylor & Francis is an imprint of the Taylor & Francis Group  This edition published in the Taylor & Francis e­Library, 2004.  © 2003 Taylor & Francis  Publisher’s note:   This book was prepared from camera­ready­copy   supplied by the authors.  All rights reserved. No part of this book may be reprinted or reproduced or  utilised in any form or by any electronic, mechanical, or other means,  now known or hereafter invented, including photocopying and recording,  or in any information storage or retrieval system, without permission  in writing from the publishers.  Every effort has been made to ensure that the advice and information in this book is true  and accurate at the time of going to press. However, neither the publisher nor the  authors can accept any legal responsibility or liability for any errors or omissions  that may be made. In the case of drug administration, any medical procedure or  the use of technical equipment mentioned within this book, you are strongly advised  to consult the manufacturer’s guidelines.   British Library Cataloguing in Publication Data  A catalogue record for this book is available from the British Library  Library of Congress Cataloging in Publication Data  A catalog record for this title has been requested  ISBN 0­203­22279­2 Master e­book ISBN  ISBN 0­203­29793­8 (OEB Format)  ISBN 0­415­29998­5 (Print Edition) Page v Contents     Foreword   vii  Acknowledgements   xi   Introduction. Experimental Modeling of the Biosphere and Noosphere   1 Chapter 1. The Earth’s Biosphere as a Closed Ecosystem    11 Chapter 2. Manmade Closed Ecosystems and the Methodology of their Creation   21 Chapter 3. Creation of Manmade Closed Ecosystems for Human Life Support: History of Development   33     3.1  In the USA   33     3.2  In Russia   52     3.3  In Europe   55     3.4  In Japan   58 Chapter 4. The Human Component in a Closed Life Support System   63 Chapter 5. Possible Components of a Closed Human Life Support Ecosystem   73     5.1  Various methods for biologically regenerating the human habitat   73     5.2  Physicochemical processes necessary for maintaining system closure   87 Chapter 6. Principles of Controlled Continuous Cultivation of Microalgae   91     6.1  Continuous cultivation of microalgae   92     6.2  Mathematical model of algal culture growth   95     6.3  Optical properties of a suspension of microalgae and the light regime used in their cultivation   112     6.4  Design of an algal cultivator   118     6.5  Developing a nutritive medium for the continuous algal culture   130     6.6  Controlling biochemical composition of microalgae   137     6.7  The sustainability and reliability of continuous cultivation of algae for biological life support systems   140 Chapter 7. Controlled Continuous Cultivation of Higher Plants   149     7.1  Selecting plant species and cultivars to regenerate the habitat   149     7.2  Perspectives for perfecting plant selection for the higher plant link   155     7.3  Light and temperature regimes for cultivating plants in manmade conditions   160 Page vi     7.4  Continuous cultivation of higher plants  179     7.5  Gas and water exchange, nutrient media for plants  186     7.6  Plants grown under artificial conditions: evaluation of productivity and quality of biomass  195 Chapter 8. Bios­1 and Bios­2 Experimental Facilities   203     8.1  Two­link ecological life support system “human­microalgae”   203     8.2  Three­link system in Bios­2 “human­microalgae­higher plants”   220     8.3  Bios­2 four­link system “human­microalgae­higher plants­microbial cultivator”   223 Chapter 9. Experiments Testing Prolonged Human Life in the Bios­3 Life Support System   231     9.1  Experimental complex Bios­3   231     9.2  Experiments testing prolonged human life support in the Bios­3 system   244     9.3  Four­month experiment in Bios­3 with humans and higher plants, involving incineration of inedible plant biomass   280 9.4  Five­month experiment in the life support system for two humans. Investigation of the feasibility of full regeneration of vegetable food  297       and immediate utilization of human liquid wastes by plants Chapter 10. Microbial Life in a Closed Ecosystem  311     10.1  Microflora of the microalgal cultivator  312     10.2  Microbiological oxidation of organic wastes in a closed ecological system  319     10.3  Microflora of the higher plant link in the closed ecosystem  323 Chapter 11. Theoretical Analysis of Closed Ecological Systems  329   Conclusion. Creation of Closed Ecological Systems: Results, Problems and Prospects  355  References  369  Subject Index  399 Page vii FOREWORD  During the early twentieth century, rocket science was being developed by the Russian Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, the American Robert Hutchings Goddard,  and the German Hermann Oberth, leading to dreams of space travel by both scientists and the public at large. Advances after World War II made it possible for space  travel to be achieved, and at the height of the cold war near the end of the 1950s, the Soviet Union and the United States were engaged in a race to put an artificial  satellite into orbit around the Earth. The Soviets achieved this goal on October 4, 1957 when they launched the 83.6kg satellite called Sputnik 1. This spectacular  success was followed a month later by the launch of Sputnik 2, which carried the dog Laika, the first living creature to be shot into space and orbit the Earth. The  success of the Sputniks galvanized the United States into a frenzy of effort to achieve equally spectacular goals. The National Aeronautics and Space Administration  (NASA) was established in 1958, but the Soviets continued to lead as they were the first to launch a space craft, Luna 1, free of Earth’s gravity, and the first to pioneer  manned Earth­orbital flight when Yury Gagarin circled the Earth in April 1961. Nevertheless, on July 20, 1969, Apollo 11 astronauts Neil Armstrong and Edwin  (“Buzz”) Aldrin set foot on the Moon, strengthening the dreams of a human­occupied lunar colony, dreams that had so often been fortified by wonderful works of  science fiction.  Such dreams—and the similar dreams of prolonged space flight to Mars or other distant places—always included the challenge of human survival away from the  amenities of mother Earth. One obvious answer was to “take a bunch of sack lunches,” and so far, this has been the approach to manned space travel: carry enough  food, water, oxygen, and other needed supplies to last the duration of the planned trip. A second answer is to recycle these supplies to reduce the load that must be  carried at launch. The possibility of recycling was apparent to the early rocket scientists, and it was also apparent that, in addition to physicochemical means of  recycling, we might use algae or higher plants to remove atmospheric carbon dioxide and release oxygen in the process of photosynthesis, also producing food and, in  the case of higher plants, transpiring water vapor that could be condensed and utilized.  The possibilities of developing bioregenerative life support systems were apparent to both the Soviets and the Americans. In the United States, some scientists in the  U.S. Air Force, various Universities, and the Aerospace Industry carried out some preliminary studies on how algae or higher plants might be used in such systems.  Beginning in 1960, I had one of a series of NASA­supported projects to study plant life under extreme environmental conditions and to consider the use of higher  plants in bioregenerative life support systems. By the end of the 1960s, however, NASA had lost interest in life support projects although I continued to study active  plant life under the snow and related matters. Interest in bioregenerative life support would not be revived by NASA until the late 1970s. Page viii Meanwhile, beginning in the early 1960s and continuing to the present, Russian scientists were studying bioregenerative life support, principally in Moscow and in  Krasnoyarsk, which is located in Siberia. Because of the cold war, we in the United States, Europe, and Japan were unaware of the work in the Soviet Union until the  mid­1980s when we began to hear tantalizing rumors about the things that had been done in Krasnoyarsk. The prime movers were Leonid Vasilyevich Kirensky and  Ivan Aleksandrovich Terskov, both now deceased, but losef I. Gitelson, this book’s senior author, was a member of the group that initiated the studies. Genry  M.Lisovsky joined the group early in its history and has worked closely with Professor Gitelson for many years. The third author, Robert D. MacElroy, who is at the  NASA Ames Research Center in California, administered the funding for university and other research on bioregenerative life support beginning in the early 1980s. Dr.  MacElroy made it possible for Prof. Gitelson to spend many months at NASA Ames, where this book was prepared.  Thus the authors are particularly well qualified to write this book. Dr. MacElroy acknowledges that his contribution was relatively minor so the book is largely a  summary of the work done in the Soviet Union (and now Russia), especially during those cold­war years when we in the West were unaware of the Soviet efforts— and ourselves largely inactive in the field. Prof. Gitelson, with the help of Dr. Lisovsky and his other colleagues in Krasnoyarsk, summarizes in wonderful detail the work  done there. Clearly, the book could hardly have been written by anyone else! For us in the West, it is extremely important that the Soviet work be made part of the  record, part of the history of Soviet efforts during the cold war and part of the record of thought about closed ecological systems, especially those that might be used in  space exploration. Prof. Gitelson also summarizes some of the work done in Moscow where results were kept largely secret during much of the cold war and have still  not been made widely available. In working with a group at the Institute of Biomedical Problems in Moscow to grow wheat in the Russian Space Station Mir, I was  often amazed as members of this group told me about what they had done with life support systems, also beginning in the early 1960s. Prof. Gitelson is probably more  aware of this work than anyone outside of the Moscow group; hence, his summary in this book is highly valuable.  Although these Russians had a commanding lead in life support research, there are now various groups in Europe, Japan, and the United States who are fast catching  up. Thus, this book should be of great value to them. In 1992, I visited for the third time the Bios­3 facility in Krasnoyarsk to prepare a report for the Johnson Space  Center, where they were in the initial stages of planning a similar facility. This report was expanded into an article coauthored by Prof. Gitelson and Dr. Lisovsky, so I  thought I knew nearly all there was to know about Bios­3. What a surprise it was to read this book and to learn that what I knew barely scratched the surface of the  extensive and detailed work that had been done by this group. If the current teams are to have as much success as the Krasnoyarsk researchers had, they will have to  consider the problems at the same level of detail and intensity. Reading this book before such an undertaking could save much of this effort, which would allow the  researchers to apply their creative talents to application of technologies that have developed since Bios­3 was built in 1972. Page ix Researchers in the field are not the only ones who will find valuable material in this book. There are many students who hope to enter the field of bioregenerative life  support, and for them this book should be required reading. Furthermore, the Krasnoyarsk researchers discovered that their work had much broader application than  life support for space travel. The Earth’s biosphere is a system closed with respect to matter and open with respect to energy—just as is an ideal bioregenerative life  support system for space travel. For that matter, small closed systems might be used in polar, desert, or other climates. In any case, wherever they are studied and  used, they can help us to understand the much larger biosphere of the Earth. The authors of this book are well aware of these implications of their work, and they  discuss them in some detail.  In reading this book, I was highly impressed with the quality of Soviet science during the cold war. This book provides many insights into the creative perception,  attention to detail, and deep knowledge of biology, agronomy, chemistry, physics, and engineering that the Krasnoyarsk researchers were able to apply in their design  and construction of closed life support systems. Although these scientists were essentially isolated from the rest of the world, they managed to remain on the cutting  edge of many branches of both science and engineering. Indeed, we have yet to catch up with all of what they accomplished with Bios­3. It makes some of us feel like  beginners in the field. There are many examples, but one that I especially noted (because I had worked in a related field) was their perception of the human biological  clock; they were aware of its intricacies even while much of the current knowledge was being developed in the West.  I would like to comment on how the various chapters impressed me: I greatly enjoyed the Introduction and the first five chapters, which review some history and  discuss some general problems of life support. Then I encountered Chapter 6 on Principles of Controlled Cultivation of Microalgae. Because of the mathematics, I  suppose, I found this chapter to be very rough going. At the same time, it provides excellent insight into the depth of analysis achieved by the Soviet researchers. It is  essential reading for anyone interested in use of algae in life support, but others may want to skim this chapter and move on. Chapter 8 describes the use of microalgae  in the early Krasnoyarsk efforts to achieve bioregenerative life support. Having never been much interested in the use of algae, I expected to encounter equally difficult  going through that section. I was most pleasantly surprised to find myself fascinated by the descriptions of how algae had been used in the early Bios facilities. I even  became convinced that microalgal systems might still have some application in life support for space travel—and perhaps other uses. I expected to enjoy Chapter 7 on  the use of higher plants, which was my own research field, and I was not disappointed. As with the algal studies, I was deeply impressed with the level of detail that the  Krasnoyarsk scientists had reached as they prepared for and then used agricultural crops in their systems. (The use of chufa, not currently a crop anywhere in the  world, is a unique and valuable contribution to life support studies.) Chapter 9 examines in detail the three trials with human occupants in Bios­3. This is where the  depth of the Krasnoyarsk studies is most apparent. Chapter 10 discusses the role of microbial life in bioregenerative systems. As with algae, I had little interest in the  topic—until I read the chapter! The discussion

See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.