Charakterystyka systemów wodnych stosowanych w wybranych misjach kosmicznych

Woda jest najbardziej pożądaną substancją na Ziemi, związkiem chemicznym, który umożliwia życie ludziom. Zapewnia możliwość realizacji najbardziej podstawowych potrzeb fizjologicznych człowieka, ale i utrzymania prawidłowej higieny osobistej. Jest kluczowa nie tylko w odniesieniu do dobrej kondycji psychicznej, ale także zmniejszenia prawdopodobieństwa zachorowania na choroby somatyczne. Stanowi to szczególnie istotny aspekt dla astronautów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej, gdzie mikrograwitacja wykazuje działanie immunosupresyjne [5]. Równocześnie rozwój bakterii jest znacznie przyspieszony w porównaniu z warunkami ziemskimi [16]. Spowodowane jest to głównie faktem, że w warunkach mikrograwitacji obserwuje się pogrubienie ściany komórkowej [19] oraz wzrost szybkości tworzenia się biofilmu bakteryjnego [15].

Jak zatem widać, obieg wody w systemie podtrzymania życia jest szczególnie ważny dla przyszłych misji kosmicznych, nie tylko w odniesieniu do zapewnienia wody przeznaczonej do spożycia, ale także w aspekcie takiego wyposażenia „kosmicznych łazienek”, które pozwoli na utrzymanie prawidłowej higieny. Przed inżynierami zajmującymi się systemami podtrzymania życia stoi wyzwanie skonstruowania układów, które będą funkcjonowały w warunkach mikrograwitacji, a także umożliwią zapewnienie wszystkich potrzeb fizjologicznych.

W artykule przedstawiono przegląd stosowanych systemów wodnych, czynności higienicznych i wyposażenia przestrzeni sanitarnej w różnych misjach i obiektach kosmicznych. Scharakteryzowano rodzaj strumieni ścieków, które mogą pojawiać się w obiektach kosmicznych, i problemy związane z ich usystematyzowaniem. Omówiono również wygląd systemów wodnych w poszczególnych misjach kosmicznych.

Rodzaje strumieni ścieków powstające w obiektach kosmicznych

Rodzaje strumieni ścieków, które są generowane w obiektach kosmicznych, zależą od rodzaju, miejsca odbywania i długości trwania misji. Podstawowy podział przedstawiono na rys. 1. Im bardziej rozwinięty system, tym więcej technologii i podsystemów będzie wymaganych do zapewnienia prawidłowego funkcjonowania misji. 

Trzema podstawowymi strumieniami, które będą obecne w każdym przypadku, są uryna, kał i kondensat, czyli skroplona woda wraz z zanieczyszczeniami (takimi jak pot pochodzący od załogi, łzy czy zanieczyszczenia innego pochodzenia) [1]. Im bardziej skomplikowana i dłuższa misja, tym więcej pojawi się innych źródeł ścieków. Dobrym przykładem jest woda szara, czyli woda używana w celu utrzymania higieny osobistej, wzięcia prysznica, mycia naczyń czy prania. W krótkich misjach kosmicznych taki strumień nie będzie powstawać w ogóle, gdyż podstawowe potrzeby zachowania higieny będą zaspokajane za pomocą np. mokrych chusteczek. 

Ciekawym przypadkiem są misje kosmiczne odbywające się na niskiej orbicie okołoziemskiej. Jak zostanie to przedstawione dalej, wyposażenie niektórych misji kosmicznych zawierało prysznic. Jednak w obiekcie obecnie znajdującym się na orbicie (Międzynarodowa Stacja Kosmiczna) takiego wyposażenia nie ma, a higiena osobista utrzymywana jest za pomocą wilgotnych ręczników, ponieważ panujące tam warunki mikrograwitacji powodują, że cząsteczki wody szarej unoszą się w powietrzu i wychwytywane są w formie kondensatu przez podsystem atmosfery. Natomiast jeśli będziemy rozważać przyszłą kolonię pozaziemską na wczesnym etapie rozbudowy i późniejszym, bardziej rozwiniętym, wówczas z pewnością pojawi się odrębny strumień wody szarej, której składowymi będą woda z prysznica, woda po praniu ubrań itd. [1]. W przypadku rozwiniętej kolonii pozaziemskiej oprócz wody szarej w kondensacie pojawi się stosunkowo znaczna składowa pochodząca z uprawy roślin.

Niewiadome dotyczące ilości i jakości pojawiających się strumieni ścieków mogą nieść za sobą konsekwencje dla projektowania układów oczyszczania i odzyskiwania wody. Problem ten został dokładniej opisany w punkcie dotyczącym problemów projektowania.

Przegląd systemów wodnych stosowanych w misjach kosmicznych

Problem związany ze strumieniami ścieków powstającymi na pokładzie obiektów kosmicznych istnieje od czasu pierwszych misji suborbitalnych. Zestawienie danych dotyczących różnych aspektów układów dystrybucji wody i oczyszczania ścieków w wybranych misjach kosmicznych przedstawiono w tabeli 1.

W pierwszych lotach suborbitalnych nie skupiano się na zapewnieniu wygody astronautom i kosmonautom. Ponieważ były to misje krótkie, niedalekie, woda przeznaczona do spożycia zabierana była podczas startu, a ścieki, które powstawały podczas lotu (uryna, kał), zbierane były w pieluchę. Pot, który wydzielał się podczas lotów suborbitalnych, był wycierany zwykłym flanelowym ręcznikiem [2]. Zatem kwestia gromadzenia i oczyszczania ścieków nie była podczas tych misji w ogóle poruszana.

W kolejnych misjach urynę i kał gromadzono w workach o różnej konstrukcji. Z początku były one usuwane poza obszar obiektu, w którym się znajdowały, lub przechowywane i usuwane podczas wchodzenia w atmosferę w locie powrotnym na Ziemię. Dopiero stacja MIR zmieniła podejście do uryny – umożliwiono odzysk z niej wody za pomocą jednostki destylacyjnej. Natomiast na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej z uryny i kondensatu odzyskuje się wodę w kilkuetapowym procesie oczyszczania. Stopień tego odzysku sięga nawet 85% [4].

Zdecydowanie ciekawiej wygląda kwestia kondensatu i wody szarej. Jak wspomniano wyżej, w pierwszych lotach suborbitalnych kwestia mycia się była drugorzędna. Dodatkowo skafandry były skonstruowane w sposób uniemożliwiający ich ściągnięcie podczas lotu. Dopiero zastosowanie nowych skafandrów podczas misji Gemini 7 pozwoliło na zachowanie podstawowej higieny osobistej przy użyciu zwilżonych zimną wodą ręczników [7]. Kolejne misje pozwalały na użycie wody ciepłej. Prawdziwy przełom przyniosła stacja Skylab, na której pokładzie został zainstalowany pierwszy „kosmiczny prysznic” widoczny na fot. 1.

Jego konstrukcja była wykonana z cylindrycznej obudowy z tworzywa sztucznego, aby przeciwdziałać rozprzestrzenianiu się kropel wody do otaczającego środowiska. Recyrkulację zapewniał specjalny aspirator płynów, który odsysał krople wody z ciała i kabiny. Maksymalna objętość wody, którą mógł wykorzystać członek załogi, wynosiła 3 litry. W rzeczywistości prysznic był używany tylko kilka razy, ponieważ procedura korzystania z niego była tak długa i skomplikowana, że skutecznie zniechęcała astronautów. Dodatkowo zaobserwowano odwodnienie skóry osób myjących się, prawdopodobnie spowodowane silnym odsysaniem [7]. Kolejne misje (Salyut, Mir) również były wyposażone w jednostki natryskowe, jednak efekt był podobny i ostatecznie załoga wolała używać zwilżonych ręczników z płynem do mycia. Ten sposób utrzymania higieny osobistej jest praktykowany również obecnie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Projektowanie przyszłych systemów oczyszczania ścieków

Najważniejszymi parametrami podczas projektowania układów oczyszczania ścieków są wielkość strumieni dopływających do oczyszczalni i ich skład. W przypadku tworzenia systemów dla misji kosmicznych niezbędnym krokiem będzie przetestowanie takiego układu przed misją, zatem parametry projektowe będą musiały być znane i określone zdecydowanie wcześniej. Może być to problematyczne z kilku powodów.

Pierwszym z nich są panujące warunki obniżonej grawitacji bądź mikrograwitacji, które wpływają na metabolizm człowieka, a więc na skład i ilość wydalanej uryny i kału. W tym przypadku jednak możliwe jest skorzystanie z dostępnych danych z każdej odbytej misji kosmicznej [13]. Przyglądając się tym danym, można zauważyć różnice w charakterystyce poszczególnych strumieni, porównując je z danymi ziemskimi [9,6]. Dla przykładu objętość wydalanej uryny może być mniejsza niż w warunkach normalnej grawitacji, głównie ze względu na zmniejszone pragnienie spowodowane przez warunki mikrograwitacji. Inne działanie zmniejszonej siły grawitacji to wypłukiwanie wapnia z kości, co powoduje wzrost jego stężenia w wydalanej urynie [9]. Kolejnym przykładem może być zwiększenie wydalanego w urynie potasu czy azotu [6].

Drugim problemem są strumienie, które trudno usystematyzować. Dla przykładu woda szara na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej jest częścią składową kondensatu z uwagi na brak prysznica i panujące warunki mikrograwitacji. Jednak w przypadku innych misji (zgodnie z rys. 1) strumień ten będzie się pojawiać oddzielnie i dodatkowo zawierał będzie strumień pochodzący z prania [1]. Jak można zauważyć, podczas żadnej z odbytych misji nie zastosowano jednostek piorących, więc nie dysponujemy danymi dotyczącymi takiego strumienia. Kwestia jego ilości i składu wymaga zatem dalszych badań i obserwacji.

Mimo to sformułowano już pierwsze propozycje odnośnie do przyszłych kolonii pozaziemskich, zamieszczone w opracowaniu [1]. W tabeli 2 przedstawiono przewidywane ilości wytwarzanych ścieków dla różnych misji kosmicznych. Jednak, jak podaje sam autor, w opracowaniu brakuje takich strumieni, jak kał, strumień ścieków po przygotowaniu posiłków, kondensat pochodzący z transpiracji roślin lub hodowli zwierząt czy też ścieki pochodzenia procesowego, tj. solanka, która również w przyszłych rozważaniach może się okazać problematyczna.

Podsumowanie

Stworzenie całkowicie zamkniętego obiegu wodnego w przyszłych obiektach kosmicznych będzie jednym z ważniejszych kroków prowadzących do stworzenia kolonii pozaziemskiej. W tym celu potrzebne jest stworzenie jednolitej bazy strumieni mogących powstać w takim miejscu i usystematyzowanie ich ilości i składu. Pozwoli to uniknąć w przyszłości awarii systemów zaprojektowanych na Ziemi i używanych w przestrzeni kosmicznej. 

Przykładem może być awaria jednostki oczyszczającej urynę na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w 2009 roku [17,18]. Nieprzewidziane zmniejszenie objętości wydalanej uryny i równoczesny wzrost stężenia wapnia spowodował wytrącanie się osadu i finalne zatkanie jednostki oczyszczającej. Dzięki bliskiej odległości od Ziemi i możliwości szybkiej reakcji awaria ta nie spowodowała poważnych konsekwencji. Jednak mając na uwadze dalekie i długie misje kosmiczne, każdy z takich aspektów należy szczegółowo uwzględnić w badaniach na Ziemi.

Literatura

1. Anderson M.S., Ewert M.K., Keener J.F., Wagner S.A., Life Support Baseline Values and Assumptions Document, National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C., Report No. NASA/TP-2015–218570, 2018.
2. Boynton J.H., Fields E.M., Results of the Second US Manned Orbital Space Flight, National Aeronautics and Space Administration, Houston, TX, Manned Spacecraft Center, Report No. NASA-SP-6, 1962.
3. Calvin M., Gazenko O.G., Foundations of Space Biology and Medicine. Volume 3, NASA N76-26831, 32, 34, 36 and 37, Washington DC, 1975.
4. Carter L., Williamson J., Brown C.A., Bazley J., Gazda D., Schaezler R., Thomas F., Status of ISS Water Management and Recovery, Paper ICES088, 48th International Conference on Environmental Systems, Albuquerque, New Mexico, July 15–19, 2017.
5. Cervantes J.L., Hong B.Y., Dysbiosis and immune dysregulation in outer space, „International Reviews of Immunology”, 35(1), 2016, p. 67–82.
6. Clément G., The musculoskeletal system in space, „Fundamentals of space medicine”, Springer, New York 2011, p. 181–216.
7. Crapanzano F., Crapanzano S., Graziano G., Iudicello M., Mazzucco W., Analysis of the traditional approaches for astronauts’ personal hygiene in outer space, „Italian Journal Of Aerospace Medicine” July 14, 2016, p. 40–53.
8. Diamant B.L., Humphries W.R., Past and present environmental control and life support systems on manned spacecraft, „SAE Transactions” Vol. 99, 1990, p. 376–408.
9. Grigoriev A.I., Morukov B.V., Vorobiev D.V., Water and electrolyte studies during long-term missions onboard the space stations SALYUT and MIR, „The Clinical Investigator” 72(3), 1994, p. 169–189.
10. Hopson G.D., Littles J.W., Patterson W.C., Skylab Environmental Control and Life Support Systems, ASME Paper 71-AV-14, Life Support and Environmental Control Conference, San Francisco, CA, July 12–14, 1971.
11. Jenkins, D.R., Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System: The First 100 Missions, Specialty Press, Midland 2001.
12. Jones H.W., Kliss M.H., Exploration life support technology challenges for the Crew Exploration Vehicle and future human missions, „Advances in Space Research”, 45, 2010, p. 917–928.
13. Lutwak L., Whedon G.D., Lachance P.A., Reid J.A., Lipscomb H.S., Mineral, Electrolyte and Nitrogen Balance Studies of the Gemini-VII Fourteen-Day Orbital Space Flight, „Metabolic Studies in space flight”, 29, 1969, p. 1140–1156.
14. McAllister F.A., Apollo Experience Report – Crew Provisions and Equipment Subsystem, Technical Note TN D-6737, 1972.
15. McLean R.J., Cassanto J.M., Barnes M.B., Koo J.H., Bacterial biofilm formation under microgravity conditions, „FEMS Microbiology Letters”, 195(2), 2001, p. 115–119.
16. Nickerson C.A., Ott C.M., Wilson J.W., Ramamurthy R., Pierson D.L., Microbial responses to microgravity and other low-shear environments, „Microbiology and Molecular Biology Reviews”, 68(2), 2004, p. 345–361.
17. Smith S.M., McCoy T., Gazda D., Morgan J.L.L., Heer M., Zwart S.R., Space flight calcium: implications for astronaut health, spacecraft operations, and Earth, „Nutrients”, 4, 2012, p. 2047–2068.
18. Smith S.M., Zwart S.R., Magnesium and space flight, „Nutrients”, 7, 2015, p. 10209–10222.
19. Tixador R., Richoilley G., Gasset G., Templier J., Bes J.C., Moatti N., Lapchine L., Study of minimal inhibitory concentration of antibiotics on bacteria cultivated in vitro in space (Cytos 2 experiment), „Aviation, Space, and Environmental Medicine”, 56(8), 1985, p. 748–751.
20. Wieland P.O., Designing for human presence in space: an introduction to environmental control and life support systems (ECLSS), NASA Marshall Space Flight Center; Huntsville, AL, United States, Report No. NASA/TM-2005-214007, M-1142, 2005.
21. Willis C.E., Schultz J.R., Spacecraft Water Systems Disinfection Technology: Past, Present and Future Needs, „SAE Paper” No. 871487, 17th Intersociety Conference on Environmental Systems, Seattle, WA, July 13–15, 1987.
22. www.archive.org/details/sl3-108-1295.