Во-первых, посыл немного не тот. Около 70% кислорода на Земле производится планктоном в океанах, поэтому фитофтороз, который убивает наземные растения, будет несколько неудобен с точки зрения производства O2, реальная проблема в этом случае заключается в том, что люди проголодаются. довольно быстро с разрушением наземной пищевой цепи.

Тем не менее, я собираюсь притвориться, что не прочитал вопрос полностью и получил только «бла-бла-бла, производство O2 быстро снижается», что приводит к этому ответу.

Проблема нехватки кислорода действительно не становится проблемой для жизни, пока уровень не упадет значительно ниже нынешнего уровня в 20%. Исключительно подготовленные люди действительно могут взобраться на вершину Эвереста без дополнительного кислорода (хотя я, конечно, не рекомендовал бы это подавляющему большинству людей), и большие популяции живут на больших высотах в таких разных местах, как Боливия или Непал, где парциальное давление ниже (фактический процент кислорода по-прежнему составляет 20%, просто воздух намного тоньше. К тому времени, когда вы добираетесь до вершины Эвереста, это похоже на то, что у вас на 33% меньше O2 за вдох....) . Переводя это на ваш вымышленный сценарий, можно предположить, что у нас не будет проблем, пока процентное содержание кислорода в атмосфере не уменьшится на 6% (с 20% до @14%).

Даже при более низком парциальном давлении вы все равно можете прожить, если дополняете потребление O2. Текущее решение — носить с собой кислород в баллонах, но оно работает только в течение ограниченного периода времени. Чтобы дополнить потребление кислорода при дыхании, я бы предложил цеолитовый фильтр с внутренними порами, размер которых позволяет свободному потоку молекул кислорода, но отбрасывает другие, более крупные молекулы, такие как CO2 или азот.

Поскольку для протягивания воздуха через фильтр требуется энергия, а размер сверхтонкого фильтра, позволяющего различать молекулярные частицы, потребует значительно больше энергии, чем просто тяжелое дыхание на фильтр. Вам понадобится небольшой электродвигатель, чтобы привести в действие компрессор, чтобы нагнетать воздух через фильтр (или создать достаточное всасывание, чтобы пропустить воздух через цеолит) и оттуда в маску для лица, чтобы вы могли дышать.

Контейнер, в котором находится устройство, может быть достаточно маленьким, чтобы поместиться в рюкзаке (с солнечными батареями, закрывающими спину, и резервным аккумулятором на ночь и в дождливую погоду), и ему потребуется воздухозаборник и выпускное отверстие для выброса дезоксигенированного воздуха и какой-то воздушный шланг, чтобы соединить его с маской. Как художник-постановщик решит это сделать, зависит от него, но на самом деле он не должен быть очень большим или тяжелым, и в основном должен быть в рюкзаке, чтобы гарантировать, что все защищено, вес сосредоточен на теле, а солнечные элементы имеют относительно свободный вес. воздействие солнца. Воздушный ранец пожарного может быть подходящей моделью с заменой бака аппаратом.

Сообщите нам, когда начнется производство.....

Люди могут справляться с довольно низким уровнем кислорода, но повышенный уровень CO2 вызывает беспокойство. На космических станциях колебания уровня O2 являются обычным явлением, но колебания уровня CO2 представляют собой чрезвычайную ситуацию, поскольку это указывает на отказ системы очистки от CO2.

Доиндустриальный уровень CO2 составлял около 280 частей на миллион, а сейчас он составляет около 400 частей на миллион (со значительными локальными и сезонными колебаниями). При концентрации более 1000 частей на миллион повышенный уровень CO2 начинает мешать газообмену в наших легких, и мы начинаем быстро уставать. Более 2000 частей на миллион, и вы начинаете заболевать. 5000 частей на миллион — это предел для рабочего места, хотя к тому времени чувствительные люди уже могут испытывать сонливость и тошноту. 40000 частей на миллион (4%) — это уровень, который может привести к повреждению головного мозга и смерти. источник

На этих повышенных уровнях тепличная система Земли выйдет из строя, произойдет значительное потепление.

CO2 можно удалить из воздуха, пропуская его через раствор щелочи, например, известковую воду (раствор гидроксида кальция), к сожалению, процесс производства известковой воды требует больших затрат энергии и производит еще большее количество CO2.

Повышенный уровень СО2 — это нехорошо, но в вашем случае меня в первую очередь беспокоит крах пищевого цикла. Без урожая люди очень быстро проголодаются.

Насколько низким должен быть уровень кислорода?

Altitude.org содержит много информации об уровне кислорода в крови на разных высотах. Во-первых, эта страница с диаграммами показывает влияние высоты 4000 м. 4000 м имеет большое значение, потому что это самый высокий уровень, на котором обычно живут люди. На высоте более 4000 м очень мало постоянных поселений.

Парциальное давление кислорода на уровне моря составляет около 21 кПа, что соответствует 20-процентному содержанию кислорода в воздухе (поскольку атмосферное давление составляет около 101 кПа). На высоте 4000 м парциальное давление кислорода составляет 13 кПа, что означает, что вы вдыхаете только примерно 60% кислорода при каждом вдохе на уровне моря.

На этой второй странице показан график зависимости насыщения гемоглобина от парциального давления кислорода. При парциальном давлении около 13 кПа насыщение кислородом все еще составляет около 100%. На высоте 8848 м (высота Эвереста) парциальное давление кислорода падает примерно до 6,5 кПа. Глядя на кривую насыщения гемоглобина, можно увидеть, что насыщение гемоглобина снизилось примерно на 80 процентов. Я бы посчитал постоянное круглогодичное снабжение кислородом в 6,5 кПа фатальным или близким к нему для большей части человечества.

Как объяснить свою проблему

Форма кривой насыщения гемоглобина предполагает решение. Если уровень кислорода попадет в часть кривой в диапазоне 4–6 кПа, то большинство людей на Земле умрут. Однако это означает, что вам нужно очень мало кислорода, чтобы вызвать значительное улучшение вашего здоровья.

Предположим, что парциальное давление кислорода в вашей истощенной земле составляет 5 кПа. Поскольку парциальное давление азота будет оставаться постоянным на уровне около 80 кПа, а азот и кислород имеют молекулы примерно одинакового размера, воздух содержит примерно 60 000 частей на миллион кислорода. Чтобы люди выжили, скажем, вам нужно парциальное давление кислорода 10 кПа; что соответствует примерно 110 000 частей на миллион кислорода.

А теперь математика. Дыхательный объем человека (количество воздуха, вдыхаемого при каждом вдохе) составляет около 0,5 л, поэтому для увеличения концентрации кислорода при каждом вдохе с 5 кПа до 10 кПа требуется 0,5 × (0,11 — 0,06) = 25 мл кислорода на каждый вдох. . Вы делаете 14 вдохов в минуту, то есть 0,35 л в минуту. Кислород имеет плотность 1,49 г/л; так что теперь вам нужно 0,5 грамма кислорода, чтобы дышать в течение минуты.

12-граммовые картриджи CO₂ стоят около 50 центов за штуку ; довольно дешево. Они также маленькие и легкие. Одного из них, наполненного кислородом, хватит на 24 минуты дыхания при приведенном выше расчете.

Решение

Простая дыхательная маска, не газонепроницаемая, но снабженная клапаном, предназначенным для выпуска небольшого количества кислорода при каждом вдохе, с тремя подключенными картриджами по 12 г, будет легкой (может быть менее 1 фунта) и обеспечит достаточно кислорода около часа. Баллон с аквалангом содержит около 2180 литров сжатого воздуха и, таким образом, обеспечивает кислородом около 100 часов с необходимой скоростью.

Из-за того, как построена кривая насыщения гемоглобина, небольшое увеличение содержания кислорода может иметь большое значение между выживанием и смертью. Если уровни кислорода в мире находятся на одном из участков с высоким наклоном кривой, то очень скромное снабжение кислородом может иметь большое значение.

К сожалению...

Это все равно не сработает. Если вы пишете популярную научную фантастику (или телешоу), размахивая руками неудобными правдами, возможно, это нормально, но фундаментальная проблема заключается в следующем: куда девается кислород? Если вы хотите понизить парциальное давление кислорода с 21 кПа до 5 кПа, вы должны удалить примерно$7.5\times10^{17}$кг кислорода. Это много.

По сути, не существует мыслимого метаболического процесса для ваших поедающих кислород микробов, который не превращал бы кислород в углекислый газ. Единственная возможная молекула, способная поглощать столько кислорода, — это вода. К сожалению, для производства воды нужен водород, поэтому, чтобы преобразовать большое количество кислорода в воду, вам нужно что-то с тоннами водорода и без углерода (иначе образуется углекислый газ).

Есть одно вещество, о котором я могу думать, которое является распространенным и отвечает всем требованиям: аммиак. Так здорово! Эти микробы вступают в реакцию с аммиаком и кислородом, образуя воду (и закись азота) и производя энергию! Вот только аммиака на земле не так много. Если бы мы добавили столько аммиака на землю, это представляло бы собой комету, состоящую из твердого аммиака, диаметром около 50 км. Поскольку астероид, убивший динозавров, был около 10 км, добавление 50 км аммиака вызовет гораздо больше проблем, чем нехватка кислорода, например, испарение океанов.

Так что единственный способ избавиться от кислорода — превратить его в углекислый газ. Но если мы превратим примерно 3/4 кислорода Земли в углекислый газ, то теперь атмосфера будет состоять из 15% CO₂ (или 150 000 частей на миллион). Это проблема, потому что А. Я не могу представить себе животных крупнее бактерий, которые не умерли бы от отравления углекислым газом, и б. если вы думаете, что глобальное потепление — это плохо при нынешних 400 ppm, подождите, пока не увидите 150 000 ppm.

Я не могу придумать решение вашей проблемы «удалить кислород, не уничтожая жизнь на Земле», но если я это сделаю, я дам вам знать.

Респироциты и кислородные камеры

Респироциты представляют собой гипотетические микроскопические искусственные эритроциты, предназначенные для имитации функции своих органических аналогов, чтобы дополнить или заменить функцию большей части нормальной дыхательной системы человеческого организма. Респироциты были предложены Робертом А. Фрейтасом-младшим в его статье 1998 года «Механические искусственные эритроциты: исследовательский дизайн в медицинской нанотехнологии» .

В предложении Фрейтаса каждый респироцит мог хранить и транспортировать в 236 раз больше кислорода, чем естественный эритроцит, и мог высвобождать его более контролируемым образом.

Такие респироциты позволили бы взрослому человеку бежать с максимальной скоростью не менее 15 минут, не переводя дыхание.

Кислородные камеры (заправка среды)

Таким образом, с помощью респироцитов люди могут выживать в обедненной кислородом среде гораздо дольше, чем в противном случае. Чтобы пополнить свои респироциты, люди могли бы использовать способность водорослей производить кислород, чтобы наполнить спальные и рабочие места большим количеством кислорода. Водорослям можно было бы дать избыток CO2, а полученный кислород можно было бы перекачивать по всем объектам. Как только респироциты заполнены, люди могут вернуться в места, лишенные кислорода.

Внедрение новых генетически модифицированных органов человека

В этой идее два новых органа разрабатываются с помощью генной инженерии для использования человеком. Один орган вырабатывает кислород, а другой выводит углекислый газ.

В зависимости от того, какое чувство вы хотите, чтобы ваше шоу вызывало, вы можете генетически спроектировать человеческую ДНК, чтобы производить эти органы с рождения, как и все другие органы. Этот новый штамм человеческой ДНК может быть доставлен людям с помощью ретровируса . Этот сценарий мог дать человеческому обществу ощущение предельного владения наукой, тем самым задав своеобразную тему «человеческого величия» для шоу.

Однако, если вы хотите более отчаянного, антиутопического настроения для шоу, вы можете просто вырастить или напечатать эти органы в лаборатории и хирургическим путем вставить их людям при рождении. Это делает наше понимание науки менее властным. Бонус: этот сценарий также может привести к большому количеству драмы, вращающейся вокруг имущего/неимущего (кто может позволить себе операцию/органы), детей, рождающихся там, где имплантаты органов не являются легкими или доступными, отчаянных сценариев получения органы на операцию вовремя и т. д. Он также обращается к «медицинскому кризису» шоу демографии.

Кислородный орган

Волосяные фолликулы человека уже естественным образом производят перекись водорода . Итак, генетически спроектируйте новый орган из волосяных фолликулов, который производит большое количество перекиси водорода. Затем эта перекись водорода может разлагаться в этом органе с выделением кислорода. Затем кислород может быть интегрирован в кровоток.

Допинг крови

Возможно, допинг крови может быть использован всеми, чтобы у них всегда было больше кислорода в кровотоке, что сделало бы их менее восприимчивыми к кислородному голоданию во время повседневной деятельности.

Орган очистки от углекислого газа

Возможно, человеческая клетка может быть генетически модифицирована для производства аминов, поглощающих углекислый газ . Структура этого органа должна быть такой, чтобы кровь текла непосредственно рядом с аминами, чтобы СО2 поглощался через стенки кровеносных сосудов. Как только амины насыщаются CO2, они могут выводиться из организма с помощью обычных методов выведения (с мочой или фекалиями).

Отказ от ответственности

Не пытайтесь делать это дома, если не присутствует несколько ученых. Я не генетик, но я играю здесь, на Worldbuilding . Итак, точная научная часть этого может нуждаться в некоторой настройке, но, возможно, это может быть лучше объяснено кем-то, кто разбирается в научных вещах больше, чем я. Удачи в шоу!

Читайте мастеров.

В 1980 году великий писатель-фантаст Хэл Клемент затронул эту тему в книге « Азотная фиксация» .

История происходит спустя много лет после катастрофы, и люди используют определенные устройства и процедуры, чтобы выжить. Позже они более подробно объясняют, как они были разработаны в качестве экстренного стимула для предотвращения вымирания, когда цивилизация падала.

Насколько я помню (много лет прошло), у них были бризеры на основе биотехнологии. Резервуары с кислородом заполнены тканями, которые могут быть выращены даже в более примитивном обществе, потерявшем большую часть технологий. Он действует подобно нашим эритроцитам, захватывая кислород из воздуха, когда его концентрация превышает пороговое значение, и высвобождая его, когда концентрация в окружающей среде ниже нижнего порога.

Когда «внутри» им достаточно повесить баки, и они сами перезарядятся.

В последние годы я видел сообщения о материалах, которые поглощают огромное количество кислорода. Любой вид обеспечит безопасное компактное хранение, но двухпороговая штука позволяет просто использовать без регуляторов сложный дыхательный аппарат и концентраторы для подзарядки.

У Хэла (на самом деле Гарри) также было хорошее объяснение нехватки кислорода, которое раскрывалось в ходе романа. Это не нарушало атмосферы хард-фэн и не казалось просто глупым, как столько телепередач, и было правдоподобно в истории. Но речь не шла о том, сколько энергии потребуется, сколько хекта будет высвобождено и сколько времени это займет. Идея «метаболизма» оставалась достаточно расплывчатой, чтобы избежать этих вопросов, но все же остается далекой от того, что знающие фанаты научной фантастики «знают» как чепуху.

Я предлагаю использовать электролиз на солнечной энергии для разделения молекул водорода и кислорода в воде для получения свободного кислорода. Затем полученный водород можно использовать в качестве топлива.

Куда делся весь кислород?

Кинглидион задался вопросом, как избавиться от всего кислорода без опасного увеличения содержания углекислого газа в атмосфере. Итак, вот несколько альтернативных сценариев потери кислорода:

1. Разделение ресурсов: Корпорации начинают колонизацию за пределами планеты (либо на планетах, лунах или космических станциях), и они должны откуда-то получать пригодный для дыхания кислород. Возможно, они столкнулись с серьезной проблемой: Земля умирает, поэтому мы должны создать жизнеспособное жизненное пространство в другом месте, поэтому люди во всех местах (внеземных колониях и на Земле) должны делиться кислородом, таким образом оставляя одно или несколько мест лишенными кислорода. . Бонус: это может привести к драме вокруг того, кому больше нужен кислород, как обосновать, кто его получает, закончатся ли наши дела, если погибнет и потеряет кислород слишком много инопланетных колоний и т. д. Возможно, по какой-то причине это нерентабельно или Достаточно эффективен, чтобы расщепить воду на кислород и водород.

2. Воровство: Люди начинают воровать кислород для собственных колоний. Возможно, богатая колония решит взять с Земли как можно больше кислорода. Возможно, группа матерых головорезов берет больше за свою жилплощадь. Может даже образоваться черный рынок, специализирующийся на краже и контрабанде кислорода. Бонус: обращение к демографическим криминальным шоу.

3. Torn Away: Огромный метеор пролетает прямо сквозь атмосферу Земли, не касаясь земли, но отрывая огромный кусок нашей атмосферы, оставляя нам ровно столько, чтобы выжить. Возможно, многие метеоры из метеорного потока проходят через один раз, или, возможно, многие метеоры разрывают атмосферу несколько раз во время представления. Бонус: драма вокруг того, когда будет следующая разрушительная слеза и сколько еще кислорода будет потеряно на этот раз?

4. Все вышеперечисленное: О боже, у людей сейчас проблемы! Произошли все худшие сценарии, и теперь драма обрушивается со всех сторон на каждую доступную демографическую группу!

Как насчет генетически модифицированных людей, которые используют анаэробное дыхание вместо аэробного? Они могли бы выделять этанол, а не воду при аэробном дыхании. Однако энергия АТФ, полученная для митроходиры (клеточной батареи), будет намного ниже. Поэтому я мог бы предложить фотосинтез наряду с анаэробным дыханием. Они могут быть генетически модифицированы хлоропластами, которые живут в их коже посредством симбиотических отношений. Что хорошо в фотосинтезе, так это то, что кислород можно вернуть в атмосферу!

Биореактор

Поставьте резервуар, полный зеленых водорослей, на солнце и пропустите через него воздух, насыщенный CO2, и позвольте водорослям превратить его обратно во вкусный, вкусный O2 для вас. Вам понадобится какой-то метод предотвращения заражения вашего аквариума микробами, но это не должно быть слишком сложно. Вам также понадобится блок питания. В исследовательском документе ВМС США от 1970 года подсчитано, что «для обеспечения потребности в кислороде одного человека потребуется примерно 2 фута ^ 3 [растущей среды / культуры] и 30 кВт». Итак, 30 кВт — это много , но для этого используется технология 1970-х — большая лампа накаливания. Здесь статья 1994 года.который исследует использование светодиодов, чтобы сделать то же самое. Их конечный результат давал 10 ммоль O2 на литр культуры в час. Что более-менее соответствует примерно половине того, что получили федералы в 1970 году, но с использованием крошечной доли мощности.

Недостатком биореактора является то, что вы в основном смотрите на резервуар с водой, окруженный таким количеством светодиодов, которое вы можете упаковать, вместе с источником питания, так что это не совсем портативная технология. Как я уже сказал, группа 1994 года производила 10 ммоль/ч на литр культуры. К сожалению, люди используют больше, чем 1350 ммоль O2 в час (исходя отсюда и выполняя некоторые преобразования единиц измерения), поэтому мы рассматриваем порядка 135 литров (~35,6 галлона) среды для выращивания, а также светодиодные матрицы и блоки питания. Это размер аквариума, а не маленький настольный компьютер.

Я уверен, что мы могли бы улучшить эффективность и производительность системы с помощью некоторых улучшений системы и некоторого селективного разведения водорослей, но вы всегда будете смотреть на громоздкую, заполненную водой систему.

Вот и готово статическое домашнее решение. Для портативного использования вам нужен

Ребризер

Ребризеры для дайвинга и работы в опасных условиях уже сегодня доступны в продаже. На данный момент этой технологии уже более 100 лет, и в результате она стала очень зрелой. Современные устройства для дайвинга размером с рюкзак позволяют работать несколько часов, хотя они более привередливы, чем ваш стандартный набор для подводного плавания с аквалангом. Однако, учитывая еще 40 с лишним лет разработки и очень важный мотивирующий фактор (например, атмосферный кислород истощается до такой степени, что он не может поддерживать жизнь), я предполагаю, что технология ребризеров будет еще более упорядоченной и надежной. по периоду времени вашей настройки.

В качестве альтернативы есть

Хэндвавиум

Технологии сильно продвинулись за последние сорок шесть лет. Что можно сказать о том, что через десять лет кто-нибудь изобретет катализатор, который позволяет конвертировать CO2 в > O2 в маломощном компактном корпусе? Вам нужно найти какой-то способ избавиться от избыточного углерода, но в целом это, безусловно, возможно. В качестве отправной точки было несколько недавних разработок в области искусственного фотосинтеза , но они больше сосредоточены на производстве солнечной энергии для получения топлива. Если эта технология адаптирована для производства CO2->O2, вы можете получить компактный газообменник, который легко производить и обслуживать. Я полагаю, что это в основном ребризер, но с усовершенствованиями продукта, так что вы не таскаете с собой непостоянную канистру с едкими химикатами.

Вот безумная идея для сохранения нескольких ватт кислорода/углеводного обмена: искусственное сердце на атомной энергии!

Почему сердце? Сердце выполняет наибольшую физическую работу из всех мышц в течение жизни, при постоянной мощности 1-5 Вт.

Подумайте о том, какую ядерную энергию мы отправили на Марс на борту марсохода Curiosity: топлива из плутония-238 хватает на всю жизнь (период полураспада 87,7 года), а его очень чистое альфа-излучение можно защитить свинцом толщиной всего 2,5 мм, говорят они. так что вы не должны умереть от рака слишком быстро.

В мире достаточно плутония-238 только для нескольких избранных сверхлюдей и космических кораблей, поэтому мы не хотели бы тратить его на технологию термопар с эффективностью 5%, как это делает сейчас НАСА. Был создан эквивалент двигателя Стирлинга с КПД более 20%. Нам просто нужно уменьшить его примерно в 50 раз и использовать кровь для охлаждения, но, скажем, мы также сохраняем эффективность 20%. Скажем, мы стремимся к 3 Вт в «начале миссии», позволяя батарее взять на себя пиковую нагрузку (поскольку скорость распада плутия нельзя контролировать); для этого потребуется 15 Вт тепла, подводимого к двигателю, или 90 г плутония-238.

Даже сегодня ядерное сердце должно быть идеальным для освоения космоса и некоторых видов спорта, таких как фридайвинг.