Forscher untersuchen Wege zu nachhaltigen Wassersystemen im Weltraum

Vereinigtes Königreich - Ekhbary Nachrichtenagentur

Forscher untersuchen Wege zu nachhaltigen Wassersystemen im Weltraum

Da sich die Ambitionen der Menschheit auf die Errichtung permanenter Außenposten auf dem Mond und dem Mars erstrecken, wird die Sicherung einer zuverlässigen Quelle für sauberes Trinkwasser zu einer vorrangigen Herausforderung. Der grundlegende menschliche Bedarf an Wasser, gepaart mit den rauen Realitäten des Weltraums – begrenzte Ressourcen und unerschwinglich teure Nachschubmissionen – erfordert die Entwicklung robuster, autarker Systeme. Über das reine Überleben hinaus ist Wasser unerlässlich für die Erzeugung von atembarer Luft, den Anbau von essbaren Pflanzen zur Ernährung und die Aufrechterhaltung grundlegender Hygiene, alles kritische Elemente, um die langfristige menschliche Präsenz in außerirdischen Umgebungen zu ermöglichen.

Ein bedeutender Beitrag zu diesem Bereich stammt aus einer aktuellen Studie, die in *Water Resources Research* veröffentlicht wurde und sich mit den laufenden Bemühungen und zukünftigen Anforderungen an nachhaltige Weltraum-Wassersysteme befasst. Das Environmental Control and Life Support System (ECLSS) an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) ist ein Beweis für die erzielten Fortschritte. Derzeit demonstriert das ECLSS eine beeindruckende Fähigkeit, etwa 93% des von Astronauten durch Urin, Schweiß und Atmung verlorenen Wassers zurückzugewinnen, wodurch die Abhängigkeit von irdischen Vorräten drastisch reduziert wird.

Die Autoren der Studie unter der Leitung von David Bamidele Olawade, einem Public-Health-Forscher an der University of East London, betonen jedoch, dass erhebliche Hürden bestehen bleiben. Zukünftige Iterationen von Weltraum-Wassersystemen müssen erheblich energieeffizienter, außergewöhnlich langlebig und in der Lage sein, über längere Zeiträume ohne externe Nachfüllung eine konstante Versorgung mit Trinkwasser zu gewährleisten. Olawade arbeitete bei dieser umfassenden Überprüfung mit James O. Ijiwade, einem Forscher für Umweltwissenschaften und Nanotechnologie von der Universität Ibadan, Nigeria, und Ojima Zechariah Wada, einem Postdoktoranden, der sich auf Wassermanagement und Umweltbiotechnologie an der Hamad Bin Khalifa University, Katar, spezialisiert hat, zusammen.

Während das ECLSS der ISS eine grundlegende Blaupause für die Rückgewinnung von Wasser im geschlossenen Kreislauf bietet, werden seine Grenzen bei der Betrachtung von Missionen jenseits der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) deutlich. Die ISS profitiert von relativ schnellen Nachschubmöglichkeiten, aber für Mond- oder Marsbasen sind die logistischen und wirtschaftlichen Einschränkungen immens. Offizielle Schätzungen beziffern die Kosten für die Lieferung von nur einem Kilogramm Wasser in die Umlaufbahn auf Zehntausende von Dollar, eine Zahl, die für Missionen im tiefen Weltraum exponentiell ansteigt. Darüber hinaus schränkt die begrenzte Nutzlastkapazität von Raumfahrzeugen das Volumen der mitgeführten wesentlichen Güter, einschließlich Wasser, ein.

Aktuelle Systeme, einschließlich des fortschrittlichen ECLSS, sind oft zu energieintensiv für den dauerhaften Betrieb außerhalb von LEO und ihnen fehlt die Effizienz, die für unbestimmte Autarkie erforderlich ist. Darüber hinaus birgt die Gewinnung von Ressourcen an Orten außerhalb der Erde eine einzigartige Reihe von Umweltproblemen: Mikrogravitation, das Vakuum des Weltraums, extreme Temperaturschwankungen, strenge Gewichtsbeschränkungen für Geräte sowie komplexe Kommunikations- und Datenanalyseanforderungen. In abgelegenen Regionen wie dem südlichen Mondpol, der durch lange Dunkelperioden gekennzeichnet ist, wird die Abhängigkeit von Solarenergie problematisch und erfordert die Entwicklung alternativer Energielösungen.

Die Wartung ist ein weiterer kritischer Aspekt. Herkömmliche Wasserrecyclingsysteme sind im Laufe der Zeit anfällig für Korrosion und mechanischen Verschleiß. Bei Langzeitmissionen, bei denen die Möglichkeit zur Durchführung routinemäßiger Reparaturen stark eingeschränkt ist, werden die inhärente Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Systeme von größter Bedeutung. Um diese Hindernisse zu überwinden, untersuchten Olawade und seine Kollegen Spitzentechnologien in den Bereichen Filtration, neuartige Desinfektionsmethoden und hochentwickelte autonome Systeme. Sie kamen zu dem Schluss, dass bestehende Systeme zwar einen wertvollen Ausgangspunkt bieten, zukünftige Designs jedoch Energieeffizienz und eine robuste Konstruktion priorisieren müssen, um den Strapazen des Weltraums standzuhalten und den Wartungsaufwand zu minimieren.

Ein zentrales Thema der Überprüfung ist die entscheidende Bedeutung der In-Situ-Ressourcennutzung (ISRU) – der Praxis, vor Ort gefundene Materialien zu beschaffen und zu nutzen. Dies ist ein Eckpfeiler des Artemis-Programms der NASA, das darauf abzielt, eine Mondbasis im ressourcenreichen Aitken-Becken am Südpol zu errichten. Chinas International Lunar Research Station (ILRS) und die Vision der Europäischen Weltraumorganisation eines "Internationalen Monddorfes" priorisieren ebenfalls ISRU. Der Südpol des Mondes ist aufgrund des Vorhandenseins von reichlich vorhandenem Wassereis in permanent beschatteten Regionen (PSRs) besonders attraktiv und bietet eine potenzielle lokale Wasserquelle.

Ähnliche strategische Überlegungen leiten die Planung der Mars-Erkundung. Robotergestützte Missionen haben seit langem potenzielle Wasserreserven identifiziert, insbesondere in mittleren Breiten. Die Gewinnung und Reinigung dieses außerirdischen Wassers birgt jedoch erhebliche technische und logistische Herausforderungen. Spezialisierte Geräte werden benötigt, um Wassereis zu gewinnen und zu verarbeiten, das im Marsregolith eingeschlossen ist. Darüber hinaus ist die Qualität des Grundwassers auf dem Mars aufgrund hoher Konzentrationen von Perchloraten und anderen potenziell schädlichen organischen Verbindungen besorgniserregend, was fortschrittliche Reinigungstechniken erfordert, um es für den menschlichen Verzehr und die Lebenserhaltungssysteme sicher zu machen.

Die Entwicklung fortschrittlicher Gewinnungs- und Reinigungssysteme ist daher untrennbar mit der Notwendigkeit ebenso nachhaltiger, langlebiger und umweltangepasster Energiequellen verbunden. Im Wesentlichen müssen effektive Weltraum-Wassersysteme geschlossene Kreisläufe haben, hocheffizient und außergewöhnlich robust sein, während gleichzeitig der Energieverbrauch minimiert wird. Um den erheblichen Energiebedarf für Gewinnung und Reinigung zu decken, untersuchten die Forscher verschiedene Solar- und Solarthermie-Anwendungen. Diese könnten wesentliche Prozesse wie Wasserpumpen, Entsalzung (unter Verwendung von Methoden wie Umkehrosmose oder Elektrodialyse) und Reinigungstechniken wie Photokatalyse und fortschrittliche Filtration antreiben. Solche dezentralen Systeme eignen sich gut für außerirdische Habitate, in denen groß angelegte Kraftwerke unpraktisch sind.

Photothermische Systeme, die Sonnenstrahlung direkt in Wärme umwandeln, können für Prozesse wie Solardestillation und Entsalzung eingesetzt werden. Hybride Photovoltaik-Thermische (PV-T) Lösungen bieten eine verbesserte Effizienz, indem sie gleichzeitig Strom für Pumpen und Filter erzeugen und Wärme für die Wasseraufbereitung produzieren. Die inhärenten Einschränkungen der Solarenergie – lange Dunkelperioden an den Mondpolen und geringere Sonnenintensität auf dem Mars (etwa 43% bis 60% der Erde) – erfordern jedoch ergänzende Energielösungen. Die Studie berücksichtigt auch das Potenzial von kleinen modularen Kernreaktoren, einer Technologie, die derzeit vom KRUSTY-Programm der NASA (Kilopower Reactor Using Stirling Technology) für zukünftige Mond- und Marsbasen untersucht wird.

Darüber hinaus erkennen die Forscher aktuelle Fortschritte bei Bioreaktoren an, die eine Rolle bei der Abfallverarbeitung und Wasserrecycling spielen und so zu einem wirklich geschlossenen Kreislaufsystem beitragen könnten.

Ekhbary Nachrichtenagentur