Technologie inżynierii środowiska w obiektach kosmicznych

Powstanie kolonii pozaziemskich to kwestia czasu. Nie jest to łatwe zadanie, wymaga m.in. zaprojektowania równocześnie wielu systemów odpowiedzialnych za wszystkie parametry środowiskowe, które umożliwią życie człowieka w nieprzyjaznych warunkach. Układ taki nazywany jest systemem podtrzymania życia (SPŻ) [1] – jest on odpowiedzialny za utrzymanie odpowiednich warunków środowiskowych, a także zagospodarowanie powstających w obiekcie kosmicznym odpadów. Zestawienie podstawowych obiegów wchodzących w skład SPŻ i ich możliwe funkcje przedstawiono w tab. 1.

Systemy te, tak samo jak ich funkcje, nie muszą występować w przypadku każdej misji kosmicznej, równocześnie mogą funkcjonować inne, niewymienione w tabeli (np. ochrona przed promieniowaniem jonizacyjnym). Jest to uzależnione głównie od rodzaju misji kosmicznej i jej destynacji (celu, miejsca), a także długości trwania [1]. Z tego powodu wyróżnia się dwa typy systemów podtrzymania życia: z obiegiem otwartym oraz zamkniętym. Ich dokładną charakterystykę przedstawiono poniżej.

System podtrzymania życia a rodzaj misji kosmicznej

Podstawowy podział systemów podtrzymania życia opiera się na możliwości odzysku substratów (substancji wyjściowych). W przypadku obiegu otwartego substraty nie są odzyskiwane z odpadów i strumieni ścieków, konieczne jest zatem cykliczne dostarczanie wymaganych produktów z powierzchni Ziemi.

Dobrym przykładem może być układ zastosowany w trwającej 10 dni misji kosmicznej Apollo – przedstawiono go schematycznie na rys. 1. Jak można zauważyć, w każdym z mniejszych systemów występuje obieg otwarty, a tlen i woda nie są odzyskiwane – zostały zabrane na pokładzie statku w zbiornikach [2]. Odpady (w tym ścieki) są wyrzucane poza obręb statku bądź sprowadzane z powrotem na Ziemię.

Pośrednim rodzajem jest system podtrzymania życia z obiegiem w części zamkniętym. Przykładem może być Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, na której odbywają się misje trwające do roku. Załoga zmienia się co pół roku w cyklu zapewniającym stały pobyt minimum trzech osób.

Analizując przedstawioną na rys. 2 zależność masy (a zatem też kosztów misji) od długości trwania misji [2], widać, że przy misjach trwających ponad 50 dni odzysk surowców jest opłacalny. Potwierdzono to w publikacji [6], podając, że koszt transportu do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej blisko 0,5 kg wody wynosi ponad 10 tys. dol.

Ponieważ misje na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej trwają ponad 50 dni, zarówno obieg wodny, jak i obieg atmosfery są zaprojektowane jako w pewnym stopniu zamknięte (rys. 3).

W procesie uzyskania tlenu wykorzystywane są reakcje elektrolizy (z wody otrzymuje się tlen i wodór) i Sabatiera (z dwutlenku węgla i wodoru otrzymuje się metan i wodę), natomiast odzysk i rekultywacja wody jest procesem wielostopniowym. Układ taki jest obecnie najbardziej zaawansowanym funkcjonującym systemem podtrzymania życia w obiekcie kosmicznym.

Przypuszczalnie w koloniach pozaziemskich niezbędne będzie projektowanie układów pracujących w obiegach całkowicie zamkniętych. Zatem jedną z wymaganych funkcji systemów będzie możliwość odzysku surowców ze strumieni dostępnych w przyszłej kolonii pozaziemskiej. Takimi surowcami są przede wszystkim tlen, woda i substancje odżywcze [1], które odzyskane, będą mogły wrócić do obiegu, zaspokajając potrzeby załogi, ale również służąc jako nawóz do uprawy roślinności.

Na rys. 4 przedstawiono przykładowy schemat systemu całkowicie odnawialnego. Można zauważyć dużą liczbę połączeń między różnymi obiegami, a także pojawienie się obiegów odpadów stałych oraz biomasy.

Czytaj też: Systemy trzcinowe jako metoda odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych dla małych i średnich  oczyszczalni >>>

Z potencjalnych źródeł składników odżywczych (kał, uryna) odzyskiwane będą pierwiastki konieczne do uprawy roślinności. Rośliny zaś będą jednym z elementów diety astronautów, co zagwarantuje zamknięcie obiegu. Jednak nawet w takim układzie część surowców będzie musiała zostać dostarczona z Ziemi.

Technologie oczyszczania ścieków w systemach podtrzymania życia

W obiektach kosmicznych wyróżnia się trzy podstawowe strumienie ścieków.

• Pierwszym z nich jest uryna – strumień pochodzenia ludzkiego, bogaty w fosfor i azot [5].
• Kolejnym jest woda szara, czyli zużyta na cele higieniczne, do przygotowania posiłków, woda po myciu naczyń czy po praniu.
• Trzeci to kondensat, czyli woda odzyskana z systemu wentylacyjnego, w tym pot i łzy. Strumień ten może również zawierać wodę pochodzącą z uprawy roślinności (oddaną przez transpirację – parowanie).

Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej te dwa ostatnie strumienie są połączone i wyrażone jako kondensat. Spowodowane jest to warunkami mikrograwitacji, które panują na stacji. Astronauci nie używają prysznica w konwencjonalny sposób, myją się chusteczkami, a krople wody unoszące się w powietrzu przechwytywane są przez system wentylacyjny [1].

Ścieki oczyszczane są kilkuetapowo [1,2] – schemat i budowę instalacji przedstawiono na rys. 5.

Mocz transportowany jest elastycznym wężem i stabilizowany poprzez dawkowanie kwasu, następnie gromadzony jest w zbiorniku i trafia do jednostki destylacyjnej.

Podczas procesu destylacji (VCD – destylacja z kompresją pary) uryna jest podgrzewana, a powstająca para przenika przez membranę, na której zatrzymywane są zanieczyszczenia. Oczyszczony gaz, czyli stosunkowo czysta para wodna, jest następnie skraplana.

Tak podczyszczony strumień łączy się z pozostałymi – kondensatem i wodą szarą. Przechodzą kolejno przez proces filtracji na filtrach wstępnych, aby następnie trafić na złoża multifiltracyjne (węgla aktywnego i żywic jonowymiennych). Ostatecznym etapem oczyszczania jest usunięcie lotnych związków organicznych. Tak oczyszczona woda przeznaczona jest do użytku załogi bądź trafia do elektrolizy w celu wytworzenia tlenu.

Mimo dotychczasowej popularności zastosowania procesów fizykochemicznych w systemach podtrzymania życia coraz bardziej konkurencyjne stają się również metody biologicznie [6]. Szczególnie w odniesieniu do całkowicie odnawialnego systemu podtrzymania życia, w którym zadaniem oczyszczonych ścieków będzie także zasilanie uprawy roślin.

Jednym z problemów jest jednak konieczność dokładnego określenia składu ścieków występujących w kolonii pozaziemskiej ze względu na brak możliwości przetestowania, przynajmniej na etapie wstępnych badań, działania systemu w rzeczywistych warunkach obniżonej grawitacji. Należy porównać ładunki i zanieczyszczenia otrzymywane w strumieniach na Ziemi z tymi uzyskiwanymi na orbicie, np. podczas misji kosmicznych (wyniki przedstawiono np. w [4]), i uśrednienie tych wartości.

Kolejną kwestią jest konieczność określenia wpływu obniżonej grawitacji na układy podstawowe w konwencjonalnych, biologicznych systemach oczyszczania ścieków, takich jak system napowietrzania (jeśli jest wymagany) czy technologia separacji nadmiernego osadu.

Wykorzystanie oczyszczonych ścieków do uprawy roślinności

Zadaniem układu oczyszczania ścieków stosowanego obecnie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej jest przede wszystkim odzyskanie wody zdatnej do spożycia. W przyszłych koloniach pozaziemskich układ ten będzie musiał również pełnić funkcję źródła składników odżywczych koniecznych do uprawy roślinności. W przestrzeni kosmicznej bądź kolonii pozaziemskiej panować będą warunki mikrograwitacji lub grawitacji obniżonej, podczas gdy konwencjonalna uprawa roślin opiera się na grawitacyjnym spływie wody w ziemi.

Rozwiązaniem jest uprawa bezglebowa. Jednym z jej rodzajów jest uprawa aeroponiczna, przedstawiona schematycznie na rys. 6.

W systemie takim rośliny utrzymywane są w powietrzu za pomocą specjalnej platformy, dzięki czemu ich korzenie zwisają swobodnie. Bezpośrednio na korzenie wtryskiwana jest pożywka zawierająca substancje odżywcze. Pożywka niewykorzystana przez rośliny jest z powrotem kierowana do systemu zraszania.

Do zalet tego systemu zaliczyć można:

• wyższe plony o optymalnej jakości,
• lepsze wykorzystanie powierzchni uprawy,
• zwiększenie cykli uprawowych,
• poprawę warunków fitosanitarnych,
• wyższy poziom automatyzacji,
• redukcję kosztów produkcji,
• możliwość funkcjonowania w układzie zamkniętym,
• pozytywny wpływ schłodzenia systemów korzeniowych [3].

Czytaj też: Kanalizacja podciśnieniowa – zasady projektowania >>>

Głównym składnikiem pożywki, czyli mieszaniny wody i składników odżywczych (N, P itd.) jest azot w postaci azotanów (V). Dlatego prawdopodobne jest zastosowanie do oczyszczenia ścieków procesu nitryfikacji, a następnie wykorzystanie oczyszczonego strumienia jako pożywki. Podczas tego procesu następuje konwersja amoniaku do azotanów (V).

Z bogatego w amoniak moczu możliwe jest otrzymanie strumienia odpowiedniego dla uprawy aeroponicznej. Należy jednak mieć na uwadze, że stężenie amoniaku w moczu może sięgać 1,18 g · L–1 [1], a przykładowe stężenie azotanów w pożywce wynosi 0,21 g · L–1 [3], konieczne może być zatem rozcieńczenie strumienia na wylocie z reaktora. Przykładowy system uwzględniający wykorzystanie oczyszczonych ścieków do uprawy biomasy przedstawiono na rys. 7.

Podsumowanie

• Jednym z kroków milowych w projektowaniu przyszłych misji kosmicznych będzie stworzenie obiegów zamkniętych w każdej dziedzinie inżynierii środowiska. Dużym wyzwaniem będzie układ zamkniętego obiegu wody i pierwiastków, który w przyszłej kolonii pozaziemskiej będzie wykorzystywany także na potrzeby uprawy roślinności.
• Jedną z możliwych i dogodnych metod oczyszczania strumieni ścieków powstających w kolonii pozaziemskiej może być zastosowanie procesów biologicznych.
• Teoretycznie możliwe jest otrzymanie korzystnego składu pożywki dla uprawy aeroponicznej dzięki zastosowaniu procesu nitryfikacji zanieczyszczonych ścieków. Należy jednak sprawdzić, czy biologicznie oczyszczona mieszanina ścieków z kolonii pozaziemskiej spełni pozostałe wymagania dotyczące składników tej pożywki.
• W celu określenia dokładnego składu mieszaniny ścieków na wlocie do reaktora trzeba dokładnie scharakteryzować powstające w kolonii strumienie ścieków.
• Ponieważ warunki mikrograwitacji bądź grawitacji obniżonej wpływają na metabolizm człowieka, a zatem także na skład wydalanych przez niego substancji, np. uryny, konieczna jest weryfikacja danych znajdujących się w raportach dotyczących przeprowadzonych misji kosmicznych i ich odniesienie do odpowiedników w warunkach ziemskich.

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, 2015.
2. Jones H.W., Kliss M.H., Exploration life support technology challenges for the Crew Exploration Vehicle and future human missions, „Advances in Space Research”, 45:917–928, 2010.
3. Komosa A., Kleiber T., Markiewicz B., The effect of nutrient solutions on yield and macronutrient status of greenhouse tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) grown in aeroponic and rockwool culture with or without recirculation of nutrient solution, „Acta Scientiarum Polonorum”, 13:163–177, 2014.
4. 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: 1140–1156, 1969.
5. Pronk W., Kone D., Options for urine treatment in developing countries, „Desalination”, 248:360–368, 2009.
6. Xia S., Morse A., Jackson A., Wiesner T.F., Simulation of a closed loop wastewater treatment system for extended space flight, Industrial Electronics and Applications – ICIEA 2008, 3rd IEEE Conference.
7. www.nasa.com.