Проблемы разработки систем жизнеобеспечения для длительных космических полетов

Человеческие амбиции по исследованию глубокого космоса — от лунного форпоста до пилотируемого путешествия на Марс — основываются на основополагающей способности: способности поддерживать жизнь далеко от биосферы Земли. Системы жизнеобеспечения для длительных космических полетов должны надежно работать в течение многих лет, перерабатывать воздух, воду и питательные вещества при сохранении психологического здоровья в условиях крайней изоляции. Это не постепенные обновления современных технологий, а фундаментальное переосмысление систем замкнутого цикла, которые минимизируют массу, энергию и зависимость от пополнения запасов. Проблемы глубоки, охватывают химию, микробиологию, материаловедение и поведение человека. Понимание их необходимо для любой миссии, длящейся дольше, чем несколько дней.

Основная задача: переработка ресурсов с замкнутым циклом

На Международной космической станции (МКС) жизнеобеспечение достигает частичного закрытия: вода перерабатывается примерно на 85-90%, а кислород вырабатывается при электролизе воды, но пища полностью пополняется. Для миссии на Марсе в течение трех лет пополнение запасов нецелесообразно. Каждый килограмм, отправленный с Земли, стоит тысячи долларов в стартовой массе. Устойчивый форпост должен перейти от открытого цикла (потребление и выброс) к замкнутого цикла систем, которые регенерируют все жизненно важные ресурсы с эффективностью около 100%. Это накладывает серьезные инженерные и биологические ограничения.

Воздушное оживление и производство кислорода

Поддержание воздухопроницаемого воздуха в герметичной среде обитания требует удаления углекислого газа, выдыхаемого экипажем при восполнении кислорода. Текущая технология МКС использует аминные скрубберы или молекулярные сита для захвата CO2, который затем выбрасывается за борт (потеря кислорода). Для длительных миссий, что кислород должен быть восстановлен. Реакция Sabatier объединяет CO2 с водородом для получения метана и воды, восстанавливая некоторый кислород из воды посредством электролиза. Реакция Боша системы могут производить углерод и воду, но они еще не были доказаны надежными для многолетней эксплуатации. Контроль за загрязнением следа — удаление летучих органических химических веществ из газогазирующих материалов и метаболизм человека — добавляет дополнительную сложность. Фильтры, каталитические окислители и датчики должны работать непрерывно без сбоев. [[FLT:

Переработка воды: от мочи до питьевой воды

Вода является самым тяжелым расходным материалом, что делает ее переработку первостепенной. На МКС система рекуперации воды собирает мочу, конденсат влажности и гигиеническую воду. Она использует дистилляцию (дистилляцию сжатия пара) для отделения воды от загрязняющих веществ, за которой следует многофильтрация и каталитическое окисление для уничтожения микробов и разрушения органических соединений. Система производит питьевую воду, которая соответствует строгим стандартам, но требует частого обслуживания фильтров и насосов. Для более длительных миссий компоненты должны быть более надежными и более простыми в обслуживании в условиях микрогравитации. Для более длительных миссий, компоненты должны включать передний осмос или мембранную дистилляцию с более низкой мощностью и массой. Кроме того, моча содержит ценные питательные вещества, которые могут быть восстановлены для роста растений или пополнения минералов. Задача состоит в том, чтобы достичь > 95% восстановления воды, гарантируя, что химическая и биологическая система реци

Производство продуктов питания: рост в условиях микрогравитации

Пополнение запасов продовольствия для многолетней миссии потребует примерно 2,5 кг на человека в день, что составляет более 2,5 метрических тонн на члена экипажа в год. Свежие продукты также имеют решающее значение для психологического благополучия и предотвращения дефицита витаминов от долгосрочного хранения упакованных блюд. Космическое сельское хозяйство использует гидропоники (раствор питательных веществ) и аэропоники (туман) для выращивания сельскохозяйственных культур в условиях микрогравитации или пониженной гравитации. (туман)) для выращивания сельскохозяйственных культур. (Однако, проблемы являются серьезными: вода и доставка питательных веществ должны работать надежно без гравитации; корни могут стать заболоченными или развить кислородное голодание; и радиация может повлиять на генетику растений и микробный рост. Исследования на МКС успешно выращивают различные культуры — томаты, перец, сою, пшеницу и картофель — каждый с различными циклами роста и потребностями в ресурсах. NASA

Человеческие отходы (лишние остатки пищи, бумага, упаковка) - это не просто мусор. В системе замкнутого цикла это может быть ресурс: органическое вещество может быть компостировано или разбито термохимической конверсией для производства углекислого газа для растений или воды. Анаэробное пищеварение может генерировать метан для топлива. Твердые отходы также содержат воду, которую необходимо извлекать. Микробиальная галочка проверки и Подходы к каталитической окислению адаптируются из водных систем для обработки твердых отходов. MELiSSA проекта ESA направлена на использование бактерий и высших растений для формирования биорегенеративной петли: отходы, питаемые водорослями и бактериями, которые производят кислород и биомассу, которые становятся пищей. Однако эти биологические системы медленны, чувствительны к условиям окружающей среды и трудно моделируются

Системы жизнеобеспечения для длительных миссий должны функционировать в течение многих лет без обслуживания, которое невозможно выполнить с Земли. избыточность — резервные насосы, клапаны, датчики и управляющая электроника — но избыточные системы добавляют массу. неисправность анализа деревьев и неисправность режимов и эффектов анализа для выявления единичных точек отказа и проектирования вокруг них. Упрощение излучения электроники имеет решающее значение; единственное событие, нарушенное космическим лучом, может повредить считывание датчиков или вызвать отказ клапана. Кроме того, движущиеся части (насосы, компрессоры, вентиляторы) могут изнашиваться. Смазочные материалы кровоточат в вакууме, уплотнения деградируют от теплового цикла, а пыль из пыли из космических костюмов или систем среды обитания могут забивать фильтры. Решение заключается в

Комфорт и безопасность человека зависят от тщательной интеграции подсистем. Температура должна контролироваться в узкой полосе (18-26°C), влажность между 30% и 70%, а скорость воздуха достаточно низкая, чтобы избежать сквозняков. Акустический шум от насосов и вентиляторов должен быть сведен к минимуму, чтобы предотвратить повреждение слуха и нарушение сна. Вся система должна быть протестирована в аналогах исследования человека в петле , таких как NASA и Испытательный стенд системы экологического контроля и жизнеобеспечения (ECLSS) в Космическом центре Джонсона — в течение сотен дней с реальными экипажами. Эти тесты обнаруживают неожиданные взаимодействия: например, отхождение газа от новой системы контроля загрязнения или психологический стрессор от шумного вентилятора может ухудшить работу экипажа. Проблема интеграции умножается при добавлении биологических компонентов (растений, бактерий), которые имеют свои собственные ритмы и уязвимости.