Krajem 1998 g. došao mi je tadašnji student fizike Tin Klanjšček s molbom da bi želi napraviti diplomski rad iz ekološkog modeliranja. Ja sam mu odgovorio da trebam par dana o tome razmisliti. Znao sam da mu moram dati elegantan, ali istovremeno monumentalan problem jer se mladi čovjek najviše veseli u svom diplomskom radu doprinijeti nešto važno za razvoj čovječanstva.
Nedavno sam se bio vratio sa sastanka Međunarodnog društva za ekološko modeliranje (International Society for Ecological Modelling) u Baltimoru, SAD a koje je na sreću bilo organizirano zajedno sa američkim društvom za ekologiju (Ecological Society of America) pa sam nazočio zaista raznorodnim diskusijama iz ekologije. U okviru te konferencije održana je i radionica o dostignućima iz ekologije za potrebe svemirskih istraživanja. Na radionici sam se, između ostalog, upoznao i sa dosezima razvoja ekologije za uspostavljanje kolonija na Mjesecu i Marsu, odnosno uzgoju biljaka koje bi mogle dati dovoljno kisika za potrebe posade i štoviše, zatvorenih ekosustava koji bi mogli omogućiti ishranu posade.
Taj sadržaj je prirodno doveo do moga pitanja: „Imamo li ikakvih saznanja kako omogućiti ishranu posade na putu do Marsa jer je očito da posada sa sobom ne može ponijeti hranu“. Na to pitanje sam dobio odgovor: “NASA radi na uzgoju super-riže i super-jagoda”. To je naravno smiješan odgovor jer u modulu koji putuje na Mars ili neku drugu planetu nema mjesta za uzgoj ni riže ni jagoda, a uostalom, taj rast je toliko spor da je cijeli postupak besmislen.
Na takvom putu treba uzgajati nešto što se udvostručuje unutar najviše jednog dana kako bi hrana bila svježa i kako bi je bilo dovoljno, dakle da imamo berbu svakog dana. Odmah mi je bilo jasno: treba uzgajati mikroalge odnosno fitoplankton. Pitanje je koji fitoplankton i koliko bi takav uređaj bio velik. Naravno, treba uzgajati više nego što posada treba za svoju ishranu jer valja imati dovoljno hrane za životinje koje su biljojedi kako bi posada imala i mesa.
Opet, i takve životinje moraju biti sićušne i brzo rasti, dakle treba uzgajati i zooplankton. To je bilo dovoljno da pozovem Tina na razgovor. On je bio oduševljen da ćemo biti prvi koji ćemo razviti sustav za održavanje života u interplanetarnom modulu. Naravno, trebalo je odgovoriti na još puno pitanja od kojih je glavno: Odakle nam hrana za fitoplankton? Tu smo se ugledali na ekosustave na zemlji koji svu hranjivu tvar recikliraju. Koji fitoplankton? Za to je trebalo pregledati literaturu i izabrati one mikroalge koje daju čovjeku sve što mu treba od biljne ishrane. Odgovor je bio jedna od svojti cijanobakterija Spirulina platensis (slika 1).
Slika 1. Spirulina platensis
Započeli smo sa vrlo jednostavnim sustavom (slika 2a) u kojem imamo dva reaktora. U prvom reaktoru će rasti mikroalge a u drugom herbivori, dakle životinje koje se hrane mikroalgama. Hrana posade se priprema iz mikroalgi i životinja, stoga količina mikroalgi mora biti veća od direktnih potreba posade. Kako bi se omogućio različit omjer mikroalgi i životinja, reaktori mogu biti varijabilnog volumena. Voda se u interplanetarnom modulu u potpunosti reciklira kao i sva hranjiva tvar koja može služiti za rast algi baš kao što to čine i ekosustavi na Zemlji. Stoga nije potrebno donositi hranu za alge sa Zemlje. U tu svrhu je trebalo omogućiti kompletan ciklus: CO2 koji posada izdiše se upotrebljava za rast algi, kao i sve ostale hranjive tvari koje dolaze od posade.
Dekompozicija hranjivih tvari se vrši aerobnim i anaerobnim bakterijama a u sustav se ugrađuje i sterilizator kako se u hranu za alge ne bi uvukli virusi ili bakterije (Slika 2b). Osim dva reaktora, razmatrana je i stabilnost serije reaktora za veću diverzifikaciju prehrane posade. Naravno, rast mikoalgi daje kisik za posadu i aerobnu razgradnju. Sve detalje je Tin izračunao u dva zanimljiva slučaja: kontinuiranom modu radu reaktora i prekidnom modu. Izračunata je i potrebna iluminacija za rad ekosustava.
Zatim je trebalo izračunati kompletan ciklus tvari koji neće proizvoditi ni viška a kojemu neće ništa ni nedostajati. Rezultat je bi prvi kompletan sustav za održavanje života u interplanetarnom modulu. Znanstveni rad o tome je publiciran ubrzo nakon Tinovog diplomiranja: Klanjšček T. and Legović T. (2000) Toward a closed life support system for interplanetary missions, Ecological Modelling, 138, 41-54.
Slika 2. a) Reaktori za uzgoj mikroalgi i zooplanktona; b) Ciklus hranjivih tvari.
Na koncu se postavilo pitanje: Koliko bi takav sustav težio na Zemlji za prehranu šest članova posade? Na temelju tadašnjih gustoća mikroalgi u laboratoriju, sustav bi težio oko 1.5 tona. Međutim, ako se alge uzgajaju najvećom mogućom gustoćom, težina sustava bi pala ispod 100 kg, a to pokazuje da je takav sustav moguć i zasigurno će se upotrebljavati u budućnosti. Potaknut rezultatima toga rada sagrađen je prvi sustav u okviru Europske svemirske agencije (European Space Agency) iako je konstruiran samo kao dokaz da je koncept moguć i prihvatljiv za interplanetarna putovanja.
Tin je nakon diplomiranja otišao na doktorski studij u okviru Massachusetts Institute of Technology. Na vrijeme je i uspješno završio studij te se vratio na IRB. Danas je voditelj laboratorija za informatiku i modeliranje okoliša u Zavodu za istraživanje mora i okoliša.
Prof. dr. sc. Tarzan Legović
Predsjednik, International Society for Ecological Modelling