Om vi någonsin har för avsikt att skicka besättningsuppdrag till platser i djupa rymden, då måste vi komma på lösningar för hur vi kan hålla besättningarna försörjda. För astronauter ombord på den internationella rymdstationen (ISS), som regelbundet får återförsörjningsuppdrag från jorden, är detta inte ett problem. Men för uppdrag som reser till destinationer som Mars och bortom, är självförsörjning namnet på spelet!
Detta är tanken bakom projekt som BIOWYSE och TIDSSKALA , som utvecklas av Center for Interdisciplinary Research in Space (CIRiS) i Norge. Dessa två system handlar alla om att ge astronauter en hållbar och förnybar tillgång på dricksvatten och växtmat. Genom att göra det tar de upp två av de viktigaste behoven hos människor som utför långvariga uppdrag som tar dem långt hemifrån.
Även om ISS kan återförsörjas på så lite som sex timmar (tiden mellan uppskjutningen och den tid då en förrådskapsel kommer att docka med stationen), astronauter förlitar sig fortfarande på bevarandeåtgärder när de befinner sig i omloppsbana. Faktiskt ungefär 80 % av vattnet ombord på ISS kommer från luftburen vattenånga (genererad av andning och svett) samt återvunnet duschvatten och urin – som allt är behandlat med kemikalier för att göra det säkert att dricka.
Mat är en annan sak. NASA uppskattningar att varje astronaut ombord på ISS kommer att konsumera 0,83 kg (1,83 pund lbs) mat per måltid, vilket motsvarar cirka 2,5 kg (5,5 lbs) per dag. Ungefär 0,12 kg (0,27 pund) av varje måltid kommer bara från förpackningsmaterialet, vilket betyder att en enda astronaut kommer att generera nästan ett kilo avfall per dag – och det inkluderar inte ens den andra typen av 'avfall' som kommer från att äta!
Kort sagt, ISS förlitar sig på kostsamma återförsörjningsuppdrag för att tillhandahålla 20 % av sitt vatten och all mat. Men om och när astronauter etablerar utposter på månen och Mars kanske detta inte är ett alternativ. Även om leveranser till månen kan göras på tre dagar, kommer behovet av att göra det regelbundet göra kostnaderna för att skicka mat och vatten oöverkomliga. Samtidigt tar det åtta månader för rymdfarkoster att nå Mars, vilket är helt opraktiskt.
Det är då inte konstigt varför de föreslagna uppdragsarkitekturerna till månen och Mars inkluderar resursutnyttjande på plats (ISRU), där astronauter kommer att använda lokala resurser för att vara så självförsörjande som möjligt. Tillgången på is på månens och marsytan är ett utmärkt exempel, som kommer att skördas för att ge dricks- och bevattningsvatten. Men uppdrag till platser i rymden kommer inte att ha det här alternativet medan de är på väg.
För att tillhandahålla en hållbar vattenförsörjning utvecklar Dr. Emmanouil Detsis och kollegor Biokontaminering Integrerad kontroll av våta system för rymdutforskning (BIOWYSE). Detta projekt började som en undersökning av sätt att lagra sötvatten under längre perioder, övervaka det i realtid för tecken på kontaminering, sanera det med UV-ljus (snarare än kemikalier) och dispensera det efter behov.
Prototypen av rymdväxthus som utvecklats av TIME SCALE-projektet, som återvinner näringsämnen för att odla mat. Kredit: Karoliussen/HORIZON
Det resulterade i en automatiserad maskin som kunde utföra alla dessa uppgifter. Som Dr. Detsis förklarade:
”Vi ville ha ett system där man tar det från A till Ö, från att lagra vattnet till att göra det tillgängligt för någon att dricka. Det betyder att du lagrar vattnet, du kan övervaka biokontaminationen, du kan desinficera om du måste, och slutligen levererar du till koppen för att dricka... När någon vill dricka vatten trycker du på knappen. Det är som en vattenkylare.'
Förutom att övervaka lagrat vatten kan BIOWYSE-maskinen också analysera våta ytor inuti en rymdfarkost för tecken på kontaminering. Detta är viktigt eftersom slutna system som rymdfarkoster och rymdstationer har fuktuppbyggnad, vilket kan göra att vatten samlas i områden som är orena. När detta vatten har återvunnits, blir det sedan nödvändigt att dekontaminera allt vatten som lagras i systemet.
'Systemet är designat med framtida livsmiljöer i åtanke,' tillade Dr. Detsis. 'Så en rymdstation runt månen, eller ett fältlaboratorium på Mars i decennier framöver. Det här är platser där vattnet kan ha legat där en tid innan besättningen anländer.”
Konstnärens intryck av Biolab. en anläggning utformad för att stödja biologiska experiment på mikroorganismer, små växter och små ryggradslösa djur. Kredit: ESA – D. Ducros
De Teknik och innovation för utveckling av modulär utrustning i skalbara avancerade livsuppehållande system för rymdutforskning (TIME SCALE)-projektet är designat för att återvinna vatten och näringsämnen för att odla växter. Detta projekt övervakas av Dr Ann-Iren Kittang Jost från Centrum för tvärvetenskaplig forskning i rymden (CIRiS) i Norge.
Detta system är inte olikt Europeiskt modulärt odlingssystem (EMCS) eller Biolab system, som skickades till ISS 2006 respektive 2018 för att genomföra biologiska experiment i rymden. Med inspiration från dessa system designade Dr Jost och hennes kollegor ett 'växthus i rymden' som kunde odla växter och övervaka deras hälsa. Som hon uttryckte det:
'Vi (behöver) toppmodern teknik för att odla mat för framtida rymdutforskning till månen och Mars. Vi tog (ECMS) som utgångspunkt för att definiera koncept och teknologier för att lära oss mer om att odla grödor och växter i mikrogravitation.'
Precis som sina föregångare, Biolab och ECMS, förlitar sig TIME SCALE-prototypen på en snurrande centrifug för att simulera månens och marsgravitationen och mäter effekten detta har på växternas upptag av näringsämnen och vatten. Detta system kan också vara användbart här på jorden, vilket gör det möjligt för växthus att återanvända näringsämnen och vatten och mer avancerad sensorteknologi för att övervaka växternas hälsa och tillväxt.
Växter odlade i det autonoma TPU-växthuset. Kredit: TPU
Teknik som dessa kommer att vara avgörande när det är dags att etablera en mänsklig närvaro på månen, på Mars och för djupa rymduppdrag. Under de kommande åren planerar NASA att göra den efterlängtade återkomsten till månen med Projekt Artemis , vilket kommer att vara det första steget i skapandet av vad de föreställer sig som ett program för 'hållbar månutforskning.'
Mycket av den visionen vilar på skapandet av en orbital livsmiljö (den Lunar Gateway ) såväl som infrastrukturen på ytan (den Artemis Base Camp ) behövs för att stödja en bestående mänsklig närvaro. På samma sätt, när NASA börjar göra besättningsuppdrag till Mars, kräver uppdragsarkitekturen en orbital livsmiljö (den Mars basläger ), troligen följt av en på ytan.
I alla fall kommer utposterna att behöva vara relativt självförsörjande eftersom återförsörjningsuppdrag inte kommer att kunna nå dem på några timmar. Som Dr. Detsis förklarade:
'Det kommer inte att bli som ISS. Du kommer inte att ha en konstant besättning hela tiden. Det kommer att finnas en period då laboratoriet kan vara tomt och kommer inte att ha personal förrän nästa skift kommer om tre eller fyra månader (eller längre). Vatten och andra resurser kommer att sitta där, och det kan bygga upp mikroorganismer.'
Genom att ha teknologier som kan säkerställa att dricksvatten är säkert, rent och i stadig tillgång – och att växter kan odlas på ett hållbart sätt – kommer utposter och rymduppdrag att kunna uppnå en nivå av självförsörjning och vara mindre beroende av jorden.
Vidare läsning: HORIZON/Europeiska kommissionen