Сколько растений нужно, чтобы дышать?

Я работаю над космической историей, в которой астронавт отправляется на Нептун, чтобы подтвердить выводы нашей корпорации CurrentEarth™ относительно нашей Солнечной системы. Сеттинг представляет собой движущийся корабль, похожий на домашнюю базу Марса в «Марсианине », но я наткнулся на бесполезную работу , ему нужно дышать! Будучи хитрым астронавтом, он использует гидропонику не только для еды в долгом путешествии, но и для снабжения себя кислородом. Гениально!

Несколько деталей:

  • У него средний рост (5 футов 11 дюймов, 180 см), вес (195 фунтов, 88 кг) и объем легких (нормальный), человеческий мужчина.
  • Размер корабля не проблема (хотя вес все еще имеет значение), у него достаточно финансирования от CurrentEarth™.
  • Он должен быть в состоянии постоянно выполнять напряженную деятельность без удушья
  • У него есть аварийный запас кислорода, которого хватит на 1 год.
  • Его корабль был предварительно насыщен кислородом для его путешествия, поэтому у него нет времени на разгон, пока растения растут.
  • Он очень любит свой фикус Уилсона.

Сколько растений потребуется моему астронавту, чтобы дышать, выполняя напряженные задачи в космосе?

Вы уверены, что его фикус не называется Уилсон?
@NexTerren У меня не было серьезной причины называть его фикус, но теперь у меня есть. Грац за имя фикуса в моем рассказе!
У меня нет никаких источников, поэтому я не буду ставить это как ответ. Я помню, как узнал, что для производства достаточного количества кислорода для 1 человека требуется целый холм деревьев. Кроме того, водоросли производят гораздо больше пригодного для дыхания воздуха, чем деревья. Добавьте к этому, что гораздо эффективнее (учитывая пространственные ограничения) использовать либо механические, либо химические очистители воздуха (по которым у НАСА уже есть ряд исследований и документов).
Какие именно растения? Или вам нужны самые эффективные растения для работы, плюс один Уилсон?
Где взять свет для выращивания растений?
@Mołot Последнее точно.
Возможно, мой актуальный вопрос от Space Exploration SE может оказаться полезным.
Вы можете найти информацию, связанную с проектом Биосфера 2 .
Я продолжаю читать свой собственный вопрос в HNQ как «Сколько планет нужно, чтобы дышать» .....
Не забывайте о газовом балансе и с точки зрения завода, когда пишете свой рассказ. Если у вас слишком много растений, окружающая среда может стать слишком богатой кислородом, и растениям может не хватать углекислого газа. Проверьте этот пост: biology.stackexchange.com/questions/3043/…
"использование гидропоники не только для питания в дальнем путешествии, но и для снабжения его кислородом" излишне. Количество CO2, которое человек выдыхает при употреблении пищи, равно чистому количеству CO2, удаленному из воздуха для выращивания этой пищи. (Обратите внимание, что если вы едите мясо, животное уже вернуло часть CO2, удаленного растениями, которые оно съело.)
Этот вопрос не имеет смысла. Как ваш подлый астронавт получит весь солнечный свет и тепло, чтобы позволить растениям расти и заниматься фотосинтезом, на Нептуне , если у него нет возможности сделать немного электролиза, чтобы иметь возможность дышать?
Незначительная придирка: 5 футов 11 дюймов — это на самом деле высокий рост. 5 футов 6 дюймов — средний рост взрослого мужчины в мире (хотя это кажется актуальным ).
Еще одна мелкая придирка: у спортсменов обычно нет нормальной емкости легких, и космонавты, вероятно, тоже не должны.
Боже, вы все просто полны придирок! А если серьезно, спасибо за отзыв!

Ответы (3)

13 квадратных метров

БИОС-3 , герметичный подземный комплекс, имитирующий космический корабль, сумел вырабатывать кислород для людей с помощью водорослей. Его особенности изложены в статье Salisbury et al. :

  • Экипаж до трех человек
  • 315 кубометров жилой площади (14 м на 9 м на 2,5 м)
  • 3 фитотрона или культиватора водорослей площадью 63 квадратных метра
  • Первоначально в каждом фитотроне было 20 ламп мощностью 6 кВт, но позже их количество было увеличено.
  • Один каталитический нейтрализатор для частичной очистки воздуха; все остальное сделали растения

Некоторые из этих рисунков относятся к исходной установке; были внесены изменения для повышения эффективности. Более поздние эксперименты показали, что «высшие растения» могут снабжать экипаж достаточным количеством пищи, чтобы выжить; они включали свеклу, огурцы и картофель. Теоретически, чтобы полностью удовлетворить потребности в питании и кислороде одного человека, вам потребуется 56 квадратных метров растений; только для удовлетворения полной потребности в кислороде и 35% диетических потребностей вам нужно всего 13 квадратных метров.

Gitelson & Lisovsky (2008) представили несколько иной обзор, хотя и с теми же цифрами. Вот схема BIOS-3 из их статьи:

введите описание изображения здесь

Имейте в виду, что технология улучшилась после экспериментов с BIOS; более новые эксперименты, такие как MELiSSA , могут показать большие улучшения. См. Нельсон и др. (2009) для получения дополнительной информации о других тестах и ​​Johansson (2006) для отличного сравнения. Также есть отличная статья на Science2.0.com .

@Anoplexian Это газ, а не бензин - например, воздух. Что касается угольного фильтра, даже если он нуждался в замене, взять с собой достаточное количество угля не проблема. В отчете содержится более подробная информация: часть «выращивание пшеницы» была необязательной для сценария, в котором вы удалили отсек для водорослей. Этого также было достаточно для рециркуляции достаточного количества кислорода, хотя для этого требовалось гораздо больше площади (хотя и для обеспечения почти достаточного количества пищи).
Ферма водорослей - интересная идея. На самом деле некоторые люди уже реализовали это в некотором роде. Швейцария начала использовать небольшие фермы по выращиванию водорослей для удаления загрязняющих веществ из воздуха над автомагистралями . А угольный фильтр поменять не проблема, одного хватает надолго. В «Марсианине» (во всяком случае, книга, фильм не видел) они делают часть тривиальности этого конкретного компонента.

Люди и животные используют кислород для метаболизма нашей пищи, в то время как растения производят кислород при производстве пищи. Например, количество кислорода, производимого растением картофеля для производства одной картофелины, равно количеству кислорода, которое потребуется космонавту для метаболизма этой картофелины. Следовательно, если у астронавта есть растения для производства пищи, а они производят всю пищу, которую он ест, эти растения будут производить достаточно кислорода, чтобы он мог дышать.

Конечно, мы должны принять замкнутую стационарную систему, но нам нужно принять во внимание некоторые отклонения от замкнутой стационарной системы. Некоторые отклонения могли вызвать избыток или недостаток кислорода:

  • Недостаток кислорода: Кислород расходуется не на то, чтобы окислять органические вещества, образующиеся на корабле. Например, если что-то в корабле сделано из железа и ржавеет, оно потребляет кислород, или если космонавт ест пищу с Земли, ему потребуется дополнительный кислород для ее метаболизма.
  • Избыток кислорода: если какое-то органическое вещество, произведенное растениями на корабле, будет храниться, будет накапливаться эквивалентное количество кислорода - фактически, именно поэтому атмосфера Земли получила то значительное количество кислорода, которое у нее есть сейчас. Например, все растения производят несъедобные части (древесину, листья, корни...). Если эти части хранить, а не перерабатывать в компост или сжигать, кислород будет накапливаться. Сажать деревья необязательно.

Таким образом, космонавту нужны растения только для того, чтобы производить пищу. Они также будут производить его кислород.

+1, это правильный (и, вероятно, самый полезный) ответ. Конечно, часть кислорода будет потребляться не космонавтами, а микроорганизмами, которые разлагают любой несъеденный растительный материал и собственные продукты жизнедеятельности космонавтов. Но, в конце концов, он все равно должен сбалансироваться — в закрытой системе кислорода, произведенного в результате фотосинтеза, всегда будет ровно столько, чтобы окислить все углеводы, произведенные в результате того же процесса (и все остальное, полученное из них), обратно в воду и углерод. диоксид.
Не знал об эквивалентной потребности в еде/кислороде - произведенной пище/продуцируемой кислородом вещи, но; Учитывает ли ваш ответ, что растения также дышат «ночью»? Я имею в виду, да, вы могли бы освещать их все время, но в этом случае мы должны принять во внимание тот факт, что, поскольку растения используют смену дня и ночи, чтобы позиционировать себя в течение года, постоянное освещение будет плохим в долгосрочной перспективе ( мы действительно хотим этого для Уилсона?). Не знаю, полностью ли я прав, просто сомневаюсь в вашем ответе.
Я не уверен, что понимаю, вы фокусируетесь на количестве кислорода, которое потребуется космонавту для метаболизма этой картошки , но это игнорирует потребности организма, например, как это связано с тем фактом, что все тело будет потреблять кислород для питания мозг, мышцы и т.д. кислородом?
@AL Тело никогда не потребляет только кислород. Он потребляет кислород, углерод и водород. Углерод и водород происходят из метафорического картофеля. Энергия идет на разные цели, включая различное количество отработанного тепла, но соотношение атомов кислорода и картофеля (углерода и водорода) фиксировано.
@comicurus Дыхание — это полная противоположность фотосинтезу. Это чистое производство кислорода, отражаемое углеродом и водородом, добавленными к массе растения, которые космонавт потребляет вместе с точно таким же чистым количеством кислорода (после вычета кислорода, потребленного при дыхании), которое было выделено растением в первом место.
@comicurus. Как сказал Монти Хардер, важно чистое производство. Когда растения «дышат» (день или ночь), они просто объединяют часть кислорода, который они произвели, с частью «пищи», которую они производят. То есть часть углеводов и кислорода, вырабатываемых растением, потребляется одним и тем же растением. Если космонавт берет пищу с растения (например, срывает вишню), то кислород, вырабатываемый растением при производстве этой пищи (вишни), не будет потребляться растением: он будет потребляться космонавтом (по мере его метаболизма). вишня).
@AL Как сказал Хидэ, когда тело питает мозг, мышцы и т. Д., Оно питает их кислородом и пищей. Организму не нужен кислород ни для чего другого, кроме как для окисления пищи, а окисление пищи производит энергию для подпитки всех процессов в организме.

согласно с:

Этот сайт

взрослое лиственное дерево производит за сезон столько кислорода, сколько 10 человек вдыхают за год.

Таким образом, одно дерево может производить достаточно кислорода, чтобы дышать 40 человек (если у вас есть 4 сезона, как в европейских странах) или позволить дышать 20 человек (если у вас есть 2 сезона, только как в тропических странах).

Однако одно дерево нецелесообразно, потому что, если оно умрет, вам конец.

Лучше всего иметь 3 секции на корабле, которые попеременно имитируют день/ночь (потому что растительность ночью сжигает кислород, а не производит его). Чего вы хотите добиться, так это того, что в любой момент времени вы потребляете столько кислорода, сколько производите. Иметь много разных растений разных видов - еще одно обязательное условие, вы никогда не захотите, чтобы все ваши растения погибли из-за какой-то болезни или какого-то климатического воздействия корабля.

Чтобы поддерживать кислородный баланс, чтобы растения продолжали расти, а ваш человек не умирал из-за избытка CO2, вы можете просто регулировать ночной цикл на несколько минут каждый день, чтобы позволить растениям сжигать/производить больше/меньше кислорода.

Вам понадобится примерно 10 квадратных метров на секцию. (поверхность, занятая одним деревом, слегка закругленная) У вас также в основном есть одна избыточная секция, которая может быть удобной, если ее разумно использовать в случае различных чрезвычайных ситуаций (конечно, вывод большей массы на орбиту требует больших затрат, но если это путешествие действительно важно, вы хочу быть уверенным, что пилот не умрет).

Я думаю, что дерево было бы плохой идеей выращивать для кислорода, потому что вы не можете съесть дерево.
@PieterB, но вы можете есть фрукты с дерева, в зависимости от плода и от того, дает ли дерево плоды
Фактически, мне сказали использовать много разных растений, а не только одно дерево. Дерево - это мой «образец измерения», чтобы получить представление о порядке величины необходимой растительности. Также растущие корни могут в какой-то степени повредить космический корабль, лучше использовать более мелкие растения с более короткими корнями.
@ gabe3886 извините, я должен был быть более точным, если вы возьмете растение, которое можно использовать в пищу целиком, вы сохраните углеродный цикл нетронутым. С деревом вы в конечном итоге получаете много углерода, хранящегося в древесине (который вы не можете съесть), и чтобы сохранить углеродный цикл неповрежденным, вам нужно импортировать пищу и воду. Если вы затем решите использовать дрова и сжечь их, вы измените свою атмосферу. Я просто имел в виду, что дерево было бы особенно плохим растением. Другие растения были бы лучше.
круто, это интересный материал, буду читать об этом больше.
Сколько растений нужно, чтобы дышать?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v