Насколько большим должен быть террариум, чтобы он был автономным?

Некоторое время назад я читал о террариях (единственное число: террариум), которые представляют собой небольшие экосистемы растений, изолированные от внешнего мира (они получают извне только энергию, а не воду или кислород). Вопрос в том, насколько большим должен быть такой террариум, чтобы поддерживать человека, если предположить, что он имеет бесконечный источник энергии и современные технологии?

При наличии доступных технологий можно создать искусственную среду, в которой контролируется температура и влажность. Я считаю, что даже состав воздуха можно в какой-то степени контролировать, используя воздухоразделительные установки и добавляя газы для увеличения их концентрации. Кроме того, вода не является проблемой, так как существуют искусственные среды, в которых вода перерабатывается (например, Международная космическая станция).

Так что остаются 2 проблемы: кислород и еда. Я думаю, что основным источником пищи должны быть растения. Приятным побочным эффектом выращивания растений является то, что они генерируют кислород. На самом деле, если они производят достаточно пищи, они производят достаточно кислорода. Но какие растения и в каком количестве нужно собирать, чтобы производить достаточно пищи и кислорода для человека?

Как нижняя граница, Биосфера 2 оказалась очень сложной для балансировки.
Как долго самоокупается? Ответ будет другим в течение многих лет и миллионов лет.
Скажем, самоокупаемый на всю жизнь (50-100 лет). И давайте предположим, что оборудование не сломается, поэтому не нужно производить новые детали. Итак, главная забота – создание искусственной биосферы, способной поддерживать человека.
Это не ответ, но террариум для одного человека, скорее всего, сведет с ума подавляющее большинство человечества.
Один большой вопрос — энергия. Все остальное можно решить с помощью энергии, но откуда она берется? Это на землеподобной планете с солнечным светом? нужно ли переключаться на батарейки? Я могу управлять всем в меньшем пространстве, если я подключаюсь к огромному накопленному источнику энергии, чем если бы мне пришлось распределить его, чтобы получить всю свою энергию от солнечного света, который ограничен энергией / фут. месяц-два (ну я уже с ума сошел, но это другой вопрос).
Я думаю, что одной из самых больших проблем, с которыми может столкнуться подобная система, будут инвазивные микробы и болезни. Трудно содержать даже космический корабль в чистоте, поэтому необходимо дважды проверять органические соединения, недавно обнаруженные марсоходом Curiosity. С неустойчивыми популяциями в террариуме разумного размера любая болезнь любого вида, будь то генетическая или инфекционная, может быть потенциально катастрофической. См. также: snre.umich.edu/~dallan/nre220/outline12.htm
Энергия действительно является большой проблемой в реальной системе, но для простоты предположим, что у вас есть кабель с бесконечной мощностью. Цель вопроса заключалась в том, чтобы определить размер биосферы, а не размер оборудования, необходимого для ее поддержания, хотя я знаю, что требуется много оборудования.
@bowlturner - Сойти с ума не значит выжить. А если человек один, кто вообще заметит?
Просто наблюдение, поэтому это комментарий, а не ответ! ;)
@bowlturner Признаюсь, я смеялся.
Заметным пунктом в списке дел будет учет отходов (особенно газов), которые накапливаются из-за меньшего разнообразия организмов и геологических явлений.
определить самоподдерживающийся, должны ли организмы внутри поддерживать размножающуюся популяцию.
@John самоподдерживающийся, что означает отсутствие внешнего источника, кроме энергии. Было бы интересно увидеть влияние долгосрочной популяции, но не обязательно растущей (т.е. стремиться иметь постоянную популяцию примерно из n особей, учитывая старение и планируя размножение соответственно для оптимизации ресурсов).

Ответы (3)

Проблема 1: Еда

Это основной фактор, влияющий на размер биосферы. Людям необходимо потреблять около 2250 калорий в день (в среднем между мужчинами и женщинами), чтобы поддерживать себя, и больше, если они выполняют физическую работу. 2250 кал = 10 460 джоулей (или 10,46 кДж), но это не очень полезно. Еще полезно: 100г картофеля (в любом виде) = 77кал. Один средний картофель ( определенный Google через USDA как 213 г ) содержит 163 калории. Если вы живете только за счет картофеля, вам понадобятся:

2 , 250 ÷ 163 знак равно 13.80 ≈ 14  картофель/день
знак равно 14 × 365 знак равно 5110  картофель/год

Картошки довольно много. Как видите , картофель можно сажать в марте-мае, а собирать в июне-октябре. Вы всегда можете посадить несколько культур, которые будут собираться в разное время.

На том же веб-сайте, указанном выше, говорится, что картофель следует сажать на расстоянии около 30 см друг от друга. Если вы будете следовать этому руководству, вам понадобятся:

5110 × 30 знак равно 153300 см знак равно 1533.00 м

для всего вашего картофеля в одном ряду. Однако вы можете посадить в несколько рядов, чтобы сэкономить место:

1533 ÷ 50 знак равно 30,66 м длина
50 × 0,3 м знак равно 15 м ширина
30,66 × 15 знак равно 459,9 м 2

Итак, чтобы прожить на картошке один год, вам понадобится 460 квадратных метров пространства в биосфере. Однако примите во внимание, что

  • Вы не захотите прожить год на картошке, поэтому вам нужно больше земли для других продуктов;
  • Если вы будете выращивать только картофель, вы не сможете сажать его на одном и том же месте несколько лет подряд, поэтому требуется удвоить площадь земли (920 квадратных метров).
  • Картофель не может быть лучшим растением. Тем не менее, при некоторых быстрых подсчетах моркови потребуется примерно на 140 квадратных метров меньше земли для того же урожая. Однако калорийность моркови на единицу меньше (41 на среднюю морковь), поэтому вам потребуется больше калорий. Выращивание пшеницы, хотя и более эффективно с точки зрения использования пространства, требует работы после сбора урожая и других ингредиентов, чтобы довести ее до съедобного состояния.

Проблема 2: Кислород

Я вижу два варианта. Вы можете либо фильтровать наружный воздух, либо выращивать много растений.
Фильтр наружного воздуха
Если вы предполагаете современные технологии, вам нужны дорогостоящие и неэффективные по площади фильтрующие устройства. Если у вас есть передовые технологии, то стены вашей биосферы могут быть фильтрами, но я буду придерживаться сегодняшних технологий. На этом сайте есть очень хорошее объяснение потребности в кислороде среднего человека. Чтобы обобщить:

8,3 фута 2 воздуха на взрослого в течение 5 часов (при потолке 8 футов)

Тем не менее, это необходимый минимум. Если размер намного меньше, вы не протянете 5 часов. Рекомендация FEMA составляет 10 футов 2 на взрослого в течение 5 часов. Учитывая, что воздух на 21% состоит из кислорода, получается 8.3 × 0,21 знак равно 1,74 квадратных метров за 5 часов. Используя более подходящие цифры, это 1,74 × 8 знак равно 13,92 кубических футов в течение 5 часов и 13,92 ÷ 5 знак равно 2,78 кубических футов в час. Это звучит как довольно разумное число: какой вывод вам нужен?

( 2,78 ÷ 21 ) × 100 знак равно 13.23

Эта линия показывает, что 2,78 кубических фута в час кислорода соответствует 13,23 кубических фута в час обычного воздуха.

( 13.23 ÷ 60 ) ÷ 60 знак равно 0,003675

Это количество воздуха, которое ваш концентратор должен принимать в секунду, чтобы поддерживать вашу жизнь. Это очень хорошее число: учитывая, что многие домашние вентиляторы могут перемещать около 2 кубических футов воздуха в секунду, коммерческий вентилятор в концентраторе не будет иметь никаких проблем. Устройство, способное это делать, занимает менее 1 кв.

Выращивайте много растений
По данным НАСА , среднему человеку для выживания требуется 0,84 кг кислорода в день. Это может быть произведено на заводах любого размера, но требования к пространству меняются в зависимости от этого. Например, взрослое широколиственное дерево, такое как дуб, производит 10-15 кг кислорода в день, чего вполне достаточно для поддержания жизнедеятельности человека. Тем не менее, он может легко занять 20 квадратных метров площади и достигать 30 метров в высоту. Меньшие растения могут быть проще: поскольку они производят меньше кислорода, вы можете использовать более точное число, чтобы производить количество кислорода, близкое к нужному в день, экономя место. Однако имейте в виду, что тренирующийся человек потребляет гораздо больше кислорода – до 7 кг в сутки.

Самый простой способ — просто втягивать воздух снаружи. Однако это может быть невозможно, поэтому лучше всего использовать фильтр, так как он занимает меньше всего места.

+1 за определение потребности человека в калориях в картофеле. Чтобы накормить 1000 человек в день, вам нужен килотатер, 1 000 000 человек, мегататер.
Хотя мне нравится часть 1 ответа (и цифры, кажется, соответствуют быстрому поиску в Интернете, предполагая хорошие урожаи вашего растения), но: использование воздуха извне действительно не считается самоподдерживающимся. Число (200 растений) действительно трудно использовать, так как оно может быть любого размера. Я обнаружил: потребление кислорода человеком от 0,5 до 2 кг/сутки. Достаточно взрослое широколиственное дерево среднего размера дает от 10 до 15 кг в день (опять же в значительной степени зависит от множества факторов, размера, влажности, солнечной инсоляции и т. д.).
Хороший ответ. Однако мой первоначальный вопрос предполагал, что вы ничего не можете получить извне, кроме энергии в виде электричества. Так что фильтровать воздух не вариант. Однако, если вы выращиваете достаточно растений, чтобы производить достаточно еды, разве они не должны генерировать необходимое количество кислорода? Они поглощают весь CO2, который вы производите при дыхании. Кроме того, хотя ваши расчеты очень интересны, является ли картофель лучшим растением? Разве нет других растений с более быстрым ростом, которые можно употреблять в большем количестве, чем картофель?
@Paul92 Paul92 Должен признаться, что написал это немного в спешке, поэтому я не смотрел на другие растения. Я обновлю это завтра.
@Ghanima Я предполагал маленькие растения. Как я сказал, я обновлю завтра.
@Paul92 Обновлено.
Что касается кислорода, вырабатываемого растениями, есть небольшая проблема. Во многих местах я обнаружил количество кислорода, вырабатываемого растениями, как вы сказали. Однако часть этого растения будет разлагаться (особенно листья), процесс, в результате которого выделяется CO2 и потребляется кислород. Итак, какое количество кислорода, выделяемого таким деревом, может быть использовано человеком, учитывая расход кислорода на разложение.
@Paul92 Paul92 Я намеренно пропустил эту часть, потому что она не имеет большого значения и не повлияет на биосферу. Кислород, используемый при гниении, сотни раз замещается оставшимися листьями и растительным веществом, а новые листья растут достаточно быстро, так что потери незначительны. Процент производимого кислорода, который может быть использован человеком, превышает 99%.

Биосфера 2 столкнулась с некоторыми проблемами, потому что они не учитывали нагревание и охлаждение воздуха. Вам нужна большая камера, чтобы справиться с перепадами давления, если вы не нагреваете и не охлаждаете вещь с помощью машин (что, вероятно, нарушит циклы ваших растений).

Кислород не проблема, если у вас есть искусственный свет и вода. Просто прокачайте CO2, и в воздухе будет достаточно спор водорослей/чего-либо (если вы не обработали воздух перед его закачкой), чтобы колонизировать эту воду и сделать вас немного O2

На самом деле, люди могут есть водоросли. Но, да (т.е. диетическая скука может привести к отказу от еды/отсутствию интереса к еде/отсутствию воли к жизни. связанно: дисфагия). Самая большая проблема будет заключаться в получении правильных аминокислот (люди не производят все, что им нужно) и микроэлементов (что может быть, а может и не быть выполнимо с микрорастениями). Вам нужно будет разработать некоторые вещи, чтобы циклировать их. Но да, посадите несколько растений вместе. Если у вас достаточно машин и гораздо меньше заботы о людях, вы, вероятно, могли бы собрать что-то размером с комнату (общий размер), и держать их в гелевой капсуле аля Матрица, и прокачивать жидкости и газы через их мясной мешок, перерабатывая их с растениями и солнечным/искусственным освещением - или с огромным количеством энергии и химических (нано) машин (то есть: остальная часть 10x10x10). Лучшая ставка,

Аквапоника доставит вам вкусную рыбу (возможно, креветок) и растения для еды, а также компостирует ваш навоз (после стерилизации; без заражения кишечной палочкой) и сразу бросает его обратно в систему.

Если вы не хотите отключать человеческий мозг, вам понадобится виртуальная реальность и бесконечный ходок. И, может быть, какое-то серьезное пространство для их бродить. Все еще есть вероятность получить клаустрофилию или синдром тигра в клетке, когда вы попытаетесь вывести их позже.

Почему вам нужно, чтобы ваши люди были приостановлены? Почему не стазис? Или криогеника? Или банки спермы?

К сожалению, никто не может сказать, что такое Матрица.

Посмотрите на размер Биосферы 2 . Он не смог поддерживать человеческую жизнь на неопределенный срок, но они многому у него научились. Просмотрите это и найдите проблемы, которые являются разовыми ошибками планирования/строительства (например, при отверждении бетона используется кислород), вещи, которые можно было бы сделать лучше, если бы вы знали, как это сделать, и (что интересно) то, что принципиально не сработало из-за шкала?

Насколько большим должен быть террариум, чтобы он был автономным?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v