Успішні польоти космонавтів навколо Землі на космічних кораблях і орбітальних станціях і висадка людини на Місяць, запуски автоматичних міжпланетних станцій до Місяця, Венери і Марса роблять цілком реальними в майбутньому польоти людини до інших планет. Щоб здійснити в майбутньому такі польоти, які триватимуть кілька місяців і, можливо, роки, необхідно вирішити дуже складні інженерно-технічні та медико-біологічні проблеми.
Одна з цих проблем - розробка і створення системи, яка необмежено довгий час могла б забезпечувати людей в космічному кораблі і в разі висадки на інші планети всім необхідним для нормального життя: киснем, їжею, водою, очищати середу від вуглекислого газу і всіляких відходів і продуктів життєдіяльності. При нормальному функціонуванні організму людини необхідно на добу близько 1000 г кисню, 2200 г води (для пиття), близько 500 г сухої їжі і приблизно 1800 г води для санітарних потреб - все разом це становить близько 5,5 кг. Це означає, що річний запас цих речовин для одного космонавта складе близько 2 т! Вага системи життєзабезпечення, заснованої на запасах, зростає пропорційно збільшенню числа членів екіпажу і тривалості польоту.
Схема замкнутого екологічного комплексу: 1 - людина; 2 - тварини; 3 - вищі рослини; 4 - одноклітинні водорості; 5 - кисень; 6 - вода; 7-їжа; 8 - відходи; 9 - мінералізація відходів; 10 - мінеральні солі; 11 - живильне середовище; 12 - вуглекислий газ; 13 - сонячне світло.
Наприклад, для екіпажу з 5 космонавтів при трьохрічної польоті він становить близько 30 т. Ясно, що стартова вага корабля буде занадто великим. Такі кораблі поки неможливо підняти від Землі і вивести на міжпланетну трасу. Крім того, взяті із Землі запаси можуть врешті-решт виснажитися і час польоту і перебування космонавтів на інших планетах буде жорстко обмежена.
Чи може бути створена система, яка необмежено тривалий час забезпечить життя людей в космічному польоті? Вчені прийшли до висновку, що таку систему можна створити, якщо на борту корабля і на планетних станціях розмістити і раціонально скомпонувати спільноти різних організмів, які забезпечували б повний біологічний круговорот речовин, подібний до того, який існує на Землі.
Дійсно, на нашій планеті протягом багатьох мільйонів років протікають процеси дихання, горіння і т. Д. В результаті цих та інших окислювальних процесів безперервно витрачаються органічні речовини, споживається кисень, розсіюється енергія. Здавалося б, що вже давно повинні були б окислюватися всі органічні речовини, виснажитися запаси харчових продуктів, палива, кисню і припинитися життя. Однак цього не відбувається. Адже на Землі крім процесів, в ході яких споживаються органічні речовини, кисень і енергія, протікає інший, протилежно спрямований грандіозний процес. В результаті його за рахунок енергії сонячного світла з повністю окислених речовин - вуглекислого газу, води - і деяких мінеральних елементів створюються складні і різноманітні органічні продукти і виділяється кисень. Цей процес - фотосинтез - протікає в листі зелених рослин. Завдяки йому щорічно зв'язується близько 175 млрд. Т вуглецю, утворюється приблизно 400 млрд. Т органічних речовин, виділяється 460 млрд. Т кисню і накопичується стільки енергії, скільки її могли б дати 200 тис. Таких гігантів енергетики, як Куйбишевська ГЕС.
Таким чином, листя зелених рослин саме та «лабораторія», завдяки роботі якої здійснюється безперервний круговорот речовин і підтримується життя на нашій планеті. Маючи на увазі саме цю функцію зелених рослин, видатний російський учений К. А. Тімірязєв близько 70 років тому писав про «космічної ролі рослин». В наш час, коли людство отримує можливість подорожувати в космосі, фотосинтез набуває космічну роль в прямому сенсі - вже як засіб, який може забезпечити необмежено довгий час життя людей в міжпланетні польоти.
Зелені рослини на борту корабля при необмежених кількостях світла від Сонця або джерел ядерної енергії дозволять створити такі замкнуті екологічні системи, (частина їх складе і екіпаж космонавтів), в яких в безперервному кругообігу буде знаходитися одне і те ж взяте з Землі кількість речовин. Людина, поглинаючи кисень, буде видихати вуглекислий газ, рослини ж, поглинаючи його, а також засвоюючи воду і мінеральні солі, будуть знову і знову створювати харчові речовини і виділяти кисень. Рушійною силою цього процесу з'явиться світлова енергія. Тверді і рідкі відходи життєдіяльності людини (після їх мінералізації) будуть використовуватися в якості мінерального живлення рослин і для отримання чистої води. Таким чином, замкнуте екологічний комплекс дозволить безперервно циклічно відтворювати на борту космічного корабля всі необхідні для життя людини умови.
Це не означає, звичайно, що на борту космічних кораблів з'являться звичні для нашого ока посіви сільськогосподарських рослин. Тут будуть створені такі інженерно-біологічні системи, в яких культивуванням рослин займуться, мабуть, автомати. Які ж рослини будуть вирощуватися в космосі? Особливий інтерес представляють одноклітинні зелені водорості, наприклад хлорелла. Вона має мікроскопічні розміри, дуже швидко розмножується і відрізняється високою активністю фотосинтезу. Ця водорість може культивуватися в поживних середовищах, поглинаючи за короткий термін велику кількість вуглекислого газу, виділяючи кисень і накопичуючи значні кількості біомаси. Біомаса хлорели містить до 50% білків, до 20% жирів, вуглеводи, вітаміни та інші цінні речовини. Дуже важливо, що весь процес вирощування водоростей автоматизований.
Успіхи, досягнуті на шляху інтенсифікації росту і біосинтезу мікроскопічних водоростей, дозволяють вже зараз забезпечити за допомогою 25 - 35 кг суспензії водоростей відтворення повітря і їжі на одну людину. Знайдено та шляхи управління якісною стороною фотобіосінтеза водоростей. Можна отримувати від них біомасу, яка за співвідношенням білків, жирів і вуглеводів практично повністю копіює співвідношення цих речовин в харчовому раціоні людини. Це не означає, звичайно, що в складі замкнутого екологічного комплексу будуть тільки одноклітинні водорості. У нього, безумовно, повинні бути включені звичні для людини вищі рослини, а також тварини і деякі мікроорганізми.
Робота зі створення замкнутого екологічного комплексу пов'язана з великими труднощами, так як всі ланки такого біологічного співтовариства повинні бути надзвичайно суворо узгоджені один з одним, в певній залежності підпорядковані і взаємно забезпечувати один одного речовинами і енергією. Повинні бути враховані впливу космічної радіації на різні організми, дія перевантажень, невагомості і всіх тих факторів, з якими неминуче зіткнеться живий організм в специфічних умовах космічного польоту.