Systemy podtrzymywania życia w misjach kosmicznych

W długoterminowych misjach kosmicznych, kiedy duża ilość astronautów przebywa na małej przestrzeni, powstają znaczne ilości dwutlenku węgla. W zbyt dużych ilościach jest on niebezpieczny dla człowieka, a na statku kosmicznym nie możemy przecież otworzyć okna, by umożliwić przepływ powietrza. Żeby realizacja takich misji była możliwa potrzebny jest sztuczny system usuwania nadmiernej ilości dwutlenku węgla z powietrza wewnątrz statku. Kolejnym problemem jest zużycie tlenu. W kosmosie mamy jego ograniczone zasoby, ponieważ w zbiornikach, które zabieramy ze sobą, możemy przewieźć tylko określoną ilość zależną od ich pojemności. Z tego wynika, że potrzebny jest nam również system odzyskiwania zużytego tlenu. Przyjrzyjmy się rozwiązaniom tego problemu, jakie stosujemy obecnie.

Na dzień dzisiejszy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej systemem, który odpowiada za produkcję tlenu, jest Oxygen Generating System (OGS). Działa on na zasadzie elektrolizy odzyskiwanej wody, za pomocą której rozkłada ją na cząsteczki wodoru i tlenu. Cząsteczki tlenu są następnie przekierowywane do modułów mieszkalnych. To rozwiązanie jest jednak zależne od stałych dostaw wody z Ziemi.

Environmental Control And Life Support System (ECLSS), OGS jest jego elementem

Do usuwania dwutlenku węgla stosuje się osobne urządzenie, Advanced Closed Loop System który został zaprojektowany przez Europejską Agencję Kosmiczną. Jest trochę bardziej skomplikwany od OGS; składa się aż z trzech podsystemów. Carbon dioxide Concentration Assembly (CCA) używa reakcji aminowej w celu zaabsorbowania i skoncentrowania dwutlenku węgla z kabiny mieszkalnej w celu utrzymania jego stężenia w akceptowalnym zakresie. Drugi z podsystemów, Oxygen Generation Assembly (OGA), korzysta z elektrolizy rozdzielającej wodę na tlen i wodór. Ostatnim z etapów odzyskiwania tlenu jest reaktor Sabatiera, który doprowadza do reakcji dwutlenku węgla z wodorem z OGA, tworząc wodę i metan. Pozwala nam jednak odzyskać tylko 50 procent tlenu z dwutlenku węgla, który przetwarza. Zatem jest to system działający, ale wciąż nieidealny. Ten artykuł dotyczy potencjalnego sposobu, w jaki można zwiększyć jego skuteczność i funkcjonalność.

Advanced Closed Loop System w module Destiny na ISS

Algi jako rozwiązanie

Jednym z alternatywnych rozwiązań jest użycie alg. Proces fotosyntezy, którą przeprowadzają, pozwala skutecznie pobierać i przetwarzać duże ilości dwutlenku węgla z powietrza. Algi zajmują stosunkowo mało miejsca i są wyjątkowo wytrzymałe na warunki zewnętrzne. Dodatkowo nie potrzebują żadnych skomplikowanych maszyn do utrzymywania się przy życiu, więc nie ryzykujemy, że podczas długoterminowej podróży kosmicznej system ten się popsuje.

Przy planowaniu misji na Marsa, na którym dwutlenek węgla jest głównym składnikiem atmosfery, posiadanie systemu podtrzymywania życia, który może wykorzystywać lokalne zasoby, daje nam dodatkowe korzyści. Według badań przeprowadzonych przez naukowców najlepszym gatunkiem do użytku w przemyśle kosmicznym jest chlorella vulgaris, ponieważ ma największą wydajność fotosyntezy. Dlatego jest to gatunek, który ma największy potencjał na wykorzystanie w przemyśle kosmicznym.

Algi z gatunku chlorella vulgaris, fot. Antoni Zegarski

Warunki hodowli

Algi nie mają dużych wymagań hodowlanych, do utrzymania ich przy życiu wystarczy izolowany układ, którego dodatkową korzyścią jest małe zajęcie przestrzeni. Nie potrzebują dostępu do naturalnego światła, w zupełności wystarcza im sztuczne. Najlepsze jest połączenie czerwonych i niebieskich ledów. Jest tak, ponieważ zawierają chlorofil a i b, który najlepiej pochłania światło o konkretnych częstotliwościach, które odpowiadają tym dwu kolorom.

Żeby efektownie się rozwijać potrzebują również pożywki, czyli odpowiednio skomponowanej mieszaniny związków chemicznych, i wstrząsania. Bez wstrząsania algi sedymentują, czyli gromadzą osady. Jeśli nagromadzi się zbyt dużo osadów, nie są w stanie prowadzić oddychania komórkowego i umierają. Sprawdzonymi składnikami pożywki jest przede wszystkim woda destylowana oraz takie związki jak chlorek wapnia, siarczan magnezu czy diwodorofosforan sodu. Jednak można eksperymentować z jej składnikami tak aby osiągnąć jak największą skuteczność rozmnażania.

Hodowla alg chlorella vulgaris w butelkach komórkowych, fot. Antoni Zegarski

Do efektywnej produkcji tlenu należy też oczywiście zapewnić stały przepływ powietrza. Wystarcza do tego dobrze zorganizowany system dziur i wentylatorów. Przydałoby się również przygotować elektronikę, która będzie kontrolowała temperaturę oraz stężenie tlenu i dwutlenku węgla wewnątrz hodowli. Pozwoli nam to kontrolować wydajność procesu fotosyntezy oraz ilość przetwarzanego dwutlenku węgla.

Wytrzymałość na warunki zewnętrzne

Algi chlorella vulgaris charakteryzują się niezwykłą wytrzymałością na warunki zewnętrzne. Potrafią wytrzymać długie dni w komorze próżniowej, mają niesamowite zdolności pochłaniania różnego rodzaju barwników. Przykładowo po dodaniu czerwonego barwnika przybierają jedynie lekko czerwoną barwę. Poza tym nie widać żadnych efektów ubocznych, dalej prowadzą fotosyntezę i rozmnażanie. Bardzo trudno je zabić; nawet jeśli do środowiska hodowli dostaną się jakieś drobne zanieczyszczenia, nie przeszkodzi to w ich rozwoju. Potrafią przetrwać tygodnie bez dostępu do pożywki – mimo tego, że powinno się ją podawać raz na dwa tygodnie poradzą sobie nawet do tygodnia dłużej. Znoszą bardzo duże obciążenie. 10 ml próbki alg potrafi wytrzymać nawet 9 minut w obciążeniu 80G i nie wykazywać żadnych skutków ubocznych.

Badania wytrzymałościowe nad algami, fot. Antoni Zegarski

Bioreaktory

Idealnym urządzeniem do hodowli alg w na różnego rodzaju stacjach lub statkach kosmicznych są bioreaktory. Nie zajmują dużo przestrzeni ani nie zużywają znacznych ilości energii, co jest kluczowe w warunkach podróży kosmicznych. W takim bioreaktorze powinno znajdować się urządzenie napowietrzające, które będzie mieszać algi z pożywką wewnątrz. Dobrze tą funkcję może spełniać kamień napowietrzający do akwarium podłączony do pompki. Takie rozwiązanie nie musi się jednak sprawdzać w warunkach kosmicznych; wymagałoby to dalszych testów. Przepływ dwutlenku węgla i tlenu mógłby zostać zorganizowany za pomocą systemu rur i zbiorników. Odczyty ze wszystkich czujników można zbierać za pomocą mikrokontrolera, przykładowo któregoś z Arduino.

Przykładowy model bioreaktora, fot. Gabriela Mańczyk

Podsumowując, algi ze względu na swoje właściwości są bardzo ciekawym uzupełnieniem, a możliwe, że w najbliższej przyszłości nawet alternatywą dla obecnych systemów podtrzymywania życia. Ich hodowla i właściwości to bardzo ciekawy koncept, który zdecydowanie warto dalej badać. Być może to właśnie algi polecą w następnej misji załogowej na Księżyc.

Artykuł powstał w ramach projektu grantowego „ACDS” z programu „Ochota na naukę”. Wszystkie zdjęcia oraz badania zostały wykonane przez członków grupy Chase for Space.

Korekta – Matylda Kołomyjec